خبرها

گذری بر نانو در ایران

گذری بر نانو در ایران

توسعه فناوری نانو با رویکردی نظام مند در ستاد نانوی نهاد محترم ریاست جمهوری پیگیری شد و در سال ۱۳۸۴ سند راهبردی توسعه فناوری نانو به تصویب هیئت وزیران دولت وقت رسید. 
براساس این سند، توسعه فناوری نانو باید موجب تولید ثروت و ارتقای کیفیت زندگی مردم شود و‌ جمهوری اسلامی ایران باید تا سال ۱۳۹۳، به رتبه پانزدهم دنیا در شاخص‌های علم، فناوری و اقتصاد نانو دست یابد. 
در این گزارش، به برخی برنامه‌ها و اقدامات انجام‌شده برای دستیابی به اهداف توسعه فناوری نانو در ایران اشاره می‌شود. 
  ترویج و آموزش فناوری نانو 
در طول یک دهه گذشته برنامه‌های ترویجی و آموزشی متنوعی برای همه گروه‌های ذینفع در توسعه فناوری نانو اجرا شده است. 
تا پایان آذر ماه سال ۹۲ بیش از ۳۱۸۰۰۰ دبیر، دانش‌آموز و دانشجو، در برنامه‌هایی همچون سمینارهای آموزشی، نمایشگاه‌های هفته نانو، چهار دوره المپیاد دانش‌آموزی و سه دوره مسابقه دانشجویی فناوری نانو حضور یافته‌اند. 
در سال ۹۱، راه‌اندازی آزمایشگاه‌های آموزشی فناوری نانو برای دانش آموزان، با استفاده از تجهیزات ساخت داخل آغاز شد و تا پایان آذرماه سال۹۲ هفت استان به این آزمایشگاه‌ها مجهز شدند. 
تمامی برنامه‌های ترویجی با حمایت ستاد و با مشارکت بیش از ۴۰۰ نهاد ترویجی فعال در سراسر کشور انجام می‌شود. 
 
 
 
تعداد دانش‌آموزان، دبیران و دانشجویان آموزش دیده طی سال‌های ۸۶ تا ۹۲ 
 
 
توسعه منابع انسانی و حمایت از پژوهش 
ستاد فناوری نانو از سال ۸۳، پرداخت حمایت تشویقی به پژوهشگران فعال در زمینه فناوری نانو را آغاز نموده است. 
اجرای برنامه حمایت تشویقی نتایج مثبتی را در بر داشته‌است؛ از جمله: 
• ۱۰۴ مرکز علمی به پژوهش در زمینه فناوری نانو وارد شده‌اند؛ 
• بیش از ۱۵ دانشگاه در مقطع دکتری و ۳۴ دانشگاه در مقطع کار‌شناسی ارشد در گرایش‌های مختلف فناوری نانو دانشجو پذیرفته‌اند. 
• حدود ۱۵۲۰۰ پایان‌نامه تحصیلات تکمیلی به مباحث مختلف فناوری نانو پرداخته‌اند. 
 
ستاد نانو طرح‌هایی همچون برگزاری دوره‌های آشناسازی با مباحث دنیای کسب و کار در حوزه فناوری‌های نوین و پرداخت حق بیمه و بخشی از حقوق دانش‌آموختگان فناوری نانو را برای شاغلین این حوزه دردست اجرا دارد. 
 
برنامه جدید حمایت از پایان نامه‌ها، از ابتدای مهرماه ۹۲ با هدف افزایش کیفیت فعالیت‌های تحقیقاتی و دستیابی به نتایج کاربردی آغاز شده‌است. در این برنامه، سقف مبلغ حمایت تشویقی هر پایان‌نامه متناسب با موضوع، نتایج و اثرات آن تا ۱۲۰ میلیون ریال افزایش یافته است. 
 
 تعداد کل محققان فناوری نانو (تجمعی) 
 شبکه آزمایشگاهی 
شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو، با هدف تقویت زیرساخت‌های آزمایشگاهی در حوزه فناوری نانو، فعالیت خود را از سال ۱۳۸۳ آغاز کرده‌ و تا پایان آذر ماه سال ۹۲، توانسته‌است بیش از ۸۸۰ دستگاه آزمایشگاهی از ۵۸ آزمایشگاه مستقر در ۱۴ استان کشور را در قالب اعضای قطعی، به اشتراک بگذارد. 
درحدود یک دهه فعالیت شبکه آزمایشگاهی، افزایش ۷/۳۳ برابری تعدادی خدمات و رشد ۵۰ برابری درآمد اعضای شبکه را نشان می‌دهد. 
 
حمایت از ساخت تجهیزات 
حمایت از ساخت تجهیزات، از دیگر اقدامات ستاد نانو است که تا سال ۹۲ منجر به فعال‌سازی ۲۵ شرکت سازنده تجهیزات و در حدود ۴۰ نوع تجهیز در حوزه‌های مختلف تولید و اندازه‌گیری شده‌است. 
دستیابی به دانش فنی، و تولید تجاری تجهیزاتی همچون، میکروسکوپ‌های پویشی روبشی، دستگاه طیف سنج جرمی، دستگاه مغناطیس سنج، انواع دستگاه‌های آزمایشگاهی و صنعتی لایه نشانی فیزیکی و شیمیایی ازجمله دستاوردهای این برنامه است. 
حضور بیش از ۲۵ شرکت مرتبط با فناوری نانو در اولین نمایشگاه تجهیزات و مواد آزمایشگاهی ساخت ایران، و اختصاص بیش از ۳۵ درصد از قراردادهای فروش در این نمایشگاه به مبلغ حدود ۱۳۰ میلیارد ریال به تجهیزات و محصولات فناوری نانو، نشان‌دهنده قابلیت بالای شرکت‌های تولیدی در عرصهٔ فناوری نانو است. 
  
استانداردسازی فناوری نانو 
ایران از سال ۱۳۸۵ به عضویت کمیته بین المللی استانداردسازی فناوری نانو درآمده و کمیته‌ای متناظر با کمیته بین‌المللی با همکاری سازمان ملی استاندارد ایران و ستاد نانو در همین سال تشکیل شده است. ایران به مدت چهار سال عضو گروه مشاوران رئیس کمیته بین‌ المللی بوده است. 
تا آذرماه سال ۱۳۹۲ تعداد ۱۵ استاندارد ملی و دو استاندارد بین المللی توسط ایران تدوین شده و یک استاندارد بین المللی دیگر نیز با مسئولیت جمهوری اسلامی ایران در دست تدوین است. 
تشکیل کمیته نانوفناوری وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی و کمیته استاندارد نانو وزارت جهاد کشاورزی، تشکیل شبکه ایمنی نانو و تدوین تعدادی دستورالعمل و آئین نامه مرتبط با ایمنی فناوری نانو از دیگر اقدامات ستاد نانو در این زمینه است. 
 
تسهیل تجاری‌سازی 
از سال ۱۳۷۸ تا ۱۳۹۲، حدود ۱۶۹محصول مرتبط با فناوری نانو در بیش از ۱۳۲شرکت در کشورمان تولید شده‌است. از این محصولات، ۳۷ محصول شامل تجهیزات آزمایشگاهی و بقیه محصولات نانویی هستند. همچنین از ۳۷ دستگاه آزمایشگاهی ۲۰ عدد نانو ابزار با کاربرد مستقیم در فناوری نانو بوده و ۱۷ دستگاه باقیمانده تجهیزات با کاربرد غیرمستقیم در فناوری نانو هستند. 
ستاد فناوری نانو با هدف افزایش نرخ موفقیت در تجاری‌سازی دستاوردهای فناورانه، مجموعه‌ای باعنوان «کریدور خدمات فناوری تا بازار» را تشکیل داد تا با ارائه خدمات به فناوران، فرایند ورورد به بازار را تسهیل و تسریع نماید. 
شرکت‌های خدمات فناوری در این کریدور، خدماتی از قبیل حمایت از ثبت اختراع، رصد فناوری و بازار، تهیه طرح کسب و کار، مشاوره تولید، بازاریابی و تأمین مالی به فناوران و شرکت‌ها را ارائه می‌نمایند. 
 
 
 
نمودار ۸. کل محصولات فناوری نانو کشور از سال ۱۳۸۷ تا ۱۳۹۲ 
 
 ارتقای صنایع کشور 
فناوری نانو می‌تواند درکنار ایجاد صنایع جدید، باعث توانمندسازی و رقابت پذیرشدن صنایع موجود در کشور گردد. 
تاکنون در ۸ صنعت مهم کشور شامل صنایع ساختمان، خودرو، نفت و پتروشیمی، نساجی، دارو، آب و فاضلاب، صنایع برق و نیروگاهی و کشاورزی و بسته بندی فناوری‌های بومی به‌کار گرفته شده‌است.
 
بمنظور توسعه صنعت نانو، ستاد بخشی ویژه‌ای برای بکارگیری این فناوری در حوزه وزارت نفت و همچنین وزارت نیرو بامشارکت این وزارتخانه‌ها تهیه شده‌است. 
  
رتبه جهانی ایران در فناوری نانو 
ایران در سال ۲۰۱۳ تعداد ۱۲ پتنت تاییدشده نانو داشته که در اداره ثبت اختراع آمریکا به ثبت رسیده‌است و ایران از این نظر در سال ۲۰۱۳ در رتبه سی‌ام جهان قرار گرفت. 
تا پایان سال ۲۰۱۳ محققان کشورمان توانسته‌اند با انتشار ۴۱۷۵ مقاله ISI و اختصاص حدود ۴ درصد از تولیدات علمی دنیا در زمینهٔ فناوری نانو به خود، جایگاه هشتم دنیا را در این زمینه برای ایران کسب نمایند. 
در میان کشورهای اسلامی نیز از سال ۱۳۸۵ رتبه نخست در اختیار محققان کشورمان قرار دارد و ایران به تنهایی بیش از ۴۳ درصد از تولید علوم نانویی کشورهای اسلامی را در اختیار دارد. 
 
 
 
نمودار ۶. رتبه جهانی ایران از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۳ میلادی 
 
  
آینده 
با فعالیت حدود ۲۶۰۰ عضو هیئت علمی و ۱۹۴۰۰ محقق تحصیلات تکمیلی، تلاش بیش از ۱۳۰ شرکت تولیدی و وجود برنامه‌های مشخص برای نقش آفرینی تمامی نهادهای فعال در نظام توسعه فناوری نانو، امید می‌رود که با نظر لطف الهی، توسعه فناوری نانو در ایران با شتابی بیش از گذشته ادامه یابد و شاهد دستیابی به اهداف مرتبط با این فناوری در نقشه جامع علمی کشور و سند چشم انداز ۱۴۰۴ باشیم.
نانو تکنولوژی چیست؟

فناوری نانو چیست؟

 
نانو تکنولوژی ، فناوری جدید  که تمام دنیا را فرا گرفته و به تعبیر دقیق تر “نانو تکنولوژی  بخشی از آینده نیست بلکه همه آینده است” .
در این نوشتار بعد از تعریف نانو تکنولوژی  و  بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورت های توجه به این فناوری آورده شده است:
 

تعريف نانو تكنولوژي و آشنايي با آن 

نانو تكنولوژي ، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولي و اتمي و استفاده از خواص است كه در آن سطوح ظاهر مي شود. از همين تعريف ساده برمي آيد كه نانو تكنولوژي يك رشته جديد نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتكنولوژي كاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشكي و بيوتكنولوژي تا الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.كاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن آوري را به عنوان يك زمينه فرا رشته اي و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمايش ها و تحقيقات پيرامون نانوتكتولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنكردني نانوتكنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد كه نظر تمامي كشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يكي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يكم محسوب نمايند . 
استفاده از اين فن آوري در كليه علوم پزشكي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الكترونيك، كامپیوترهاي كوانتومي و غيره باعث شده كه تحقيقات در زمينه نانو بعنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يك بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يك برنامه ريزي علمي دقيق و كارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين كاري طراحي يك برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب ناپذير است. 
 

نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن 

علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درك بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ينده، همكاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تأثيرات و كاربردهاي نانوتكنولوژي به شرح زير مي‌باشد: 

۱ – توليد ، مواد و محصولات صنعتي : 

نانوتكنولوژي تغيير بنياني مسيري است كه در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوك‌هاي ساختماني نانو با اندازه و تركيب به دقّت كنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر، كه داراي خواص و كاركرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد مي‌كند. محقّقين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد كه در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبك‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزي ؛ كاهش هزينه عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فنّي ؛ ابزارهايي نوين بر پايه  اصول و معماري جديد ؛ بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشه‌ا‌ي كه مزيّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
 

۲- پزشكي و بدن انسان: 

رفتار مولكولي در مقياس نانومتر، سيستمهاي زنده را اداره مي‌كند. يعني مقياسي كه شيمي، فيزيك، زيست‌شناسي و شبيه‌سازي كامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند. 
• فراتر از سهل‌شدن استفاده  بهينه از دارو، نانوتكنولوژي مي‌تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه كند، كه به‌نحو حيرت‌انگيزي توان درماني داروها را افزايش مي‌دهد. 
• مواد زيست‌سازگار با كارآيي بالا، از توانايي بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعّال، مي‌توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات كوانتومي كه براي مرئي‌سازي بكار مي‌رود) درون سلولها وارد نمود. 
• افزايش توان محاسباتي بوسيله نانوتكنولوژي، ترسيم وضعيت شبكه‌هاي ماكرومولكولي را در محيط‌هاي واقعي ممكن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ها براي بهبود قطعات كاشته‌شده  زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهدبود.
 

۳- دوام‌پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك: 

نانوتكنولوژي چنانچه ذكر شد، منجر به تغييراتي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پسا ب و آلودگي را كاهش خواهدداد. همچنين فنّاوري‌هاي جديد، امكان بازيافت و استفاده مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواهند كرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، مي‌تواند تأثير قابل ملاحظه‌ا‌ي ، در درك مولكولي فرآيندهاي مقياس نانو كه در طبيعت رخ مي‌دهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌محيطي از طريق كنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعة فنّاوري‌هاي “سبز” جديد كه محصولات جانبي ناخواسته كمتري دارند و يا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژي توان حذف آلودگي‌هاي كوچك از منابع آبي (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد. 
در زمينه انرژي ، نانوتكنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي كارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تأثير قرار داده مصرف انرژي را پايين بياورد . بعنوان مثال، شركتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند كه مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنه اتومبيل ها شود. استفاده گسترده از اين نانوكامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه ۱/۵ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌باشد . 
يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فنّاوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه‌ هاديهاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در ا مريكا ، تقريبا” ۲۰% كل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپهاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفتهايي از اين دست مي‌تواند مصرف جهاني را بيش از ۱۰% كاهش دهد كه ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويي و ۲۰۰ ميليون تن كاهش انتشار كربن را به‌همراه خواهدداشت .
 

۴ – هوا  و  فضا : 

محدوديت‌هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي مأموريتهاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب‌ناپذير مي‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشكل را بوجود آورده‌است. 
“نانوساختن” ( Nanofabrication ) همچنين در طرّاحي و ساخت مواد سبك‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز براي هواپيماها، راكت‌ها، ايستگاههاي فضايي و سكّوهاي اكتشافي سيّاره‌ا‌ي يا خورشيدي، تعيين‌كننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستمهاي كوچك‌شدة تمام خودكار، منجر به پيشرفتهاي شگرفي در فنّاوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مسأله با توجه به اينكه محيط فضا، نيروي جاذبه كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانو ساختارها و سيستمهاي نانو كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست  در فضا خواهدشد.
 

۵- امنيت ملّي: 

برخي كاربردهاي دفاعي نانوتكنولوژي عبارتند از: تسلط اطّلاعاتي از طريق نانوالكترونيك پيشرفته بعنوان يك قابليت مهم نظامي ، امكان آموزش مؤثّرتر نيرو، به كمك سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيده‌تر حاصله از الكترونيك نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و رباتيك پيشرفته براي جبران كاهش نيروي انساني نظامي، كاهش خطر براي سربازان و بهبود كارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به كارآيي بالاتر (وزن كمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فنّي كمتر و هز ينه كمتر در عمر كاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طرّاحي در سيستمهاي مورد استفاده در كنترل و مديريت عدم تكثير سلاحهاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميكرومكانيكي جهت كنترل سيستمهاي دفاع هسته‌ا‌ي . در بسياري موارد، فرصتهاي اقتصادي و نظامي مكمّل هم هستند. كاربردهاي درازمدت نانوتكنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني كننده امنيت ملّي است و بالعكس.
 

۶- كاربرد نانوتكنولوژي در صنعت الكترونيك 

ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده كوچك، با استفاده از اين فناوري مي‌توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به كوچكي يك ساعت مچي منتهي شود. 
ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يك ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود كه ذخيره‌ سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يك هارد ديسك با ابعاد يك كارت اعتباري شود. 
ساخت تراشه‌ها در اندازههاي فوق العاده كوچك به عنوان مثال در اندازه هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسك‌هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه هاي كوچك نيز مي باشد. 
 

تاريخچه فناوري نانو در جهان 

چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص كوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان ” آن پايين فضاي بسياري هست “( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : “اصول فيزيك، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي زنند.” او فرض را بر اين قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته اند كه چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه ها را با مقياسهاي كوچك بسازند، پس ما خواهيم توانست كه آنها را كوچك و كوچك تر كنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي شان در لبه هاي نامعلوم كوانتوم نزديك خواهند بود بطوري كه يك اتم را در مقابل ديگري بگونه اي قرار دهيم كه بتوانيم كوچكترين محصول مصنوعي و ساختگي ممكن را ايجاد كنيم. 
 

با استفاده از اين فرمهاي بسيار كوچك چه وسايلي مي توانيم ايجاد كنيم؟ 

Feynman در ذهن خود يك “دكتر مولكولي” تصور كرد كه صدها بار از يك سلول منحصربه فرد كوچكتر است و مي تواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام كاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و بطور كلي براي نگهداري بدن در سلامت كامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي كلمه “بزرگ” از اهميت ويژه اي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه هاي مهندسي بزرگ و غيره حتي كامپيوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال مي-كردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان روندي بسوي كوچك شدن در پيش گرفت. 
Marvin Minsky تفكرات بسيار باروري داشت كه مي توانست به انديشه هاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوش هاي مصنوعي دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفكراتي كه مربوط به آينده مي شد، رهبري مي كرد. در اواسط دهه ۷۰ ، Eric Drexler كه يك دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را بعنوان استاد راهنما جهت تكميل پايان نامه اش انتخاب كرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت. Drexler نسبت به وسايل بسيار كوچك Feynman علاقمند شده بود و قصد داشت تا در مورد توانايي هاي آنها به كاوش بپردازد. Minskey نيز با وي موافقت كرد. Drexler در اوايل دهه ۸۰، درجه استادي خود را در رشته علوم كامپيوتر دريافت كرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود. او افكار جوانترها را با يك سري ايده ها كه خودش “نانوتكنولوژي” نامگذاري كرده، مشغول مي داشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتكنولوژي مولكولي (MNT) در سال ۱۹۸۱ ارايه داد. او كتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دكتري در نانوتكنولوژي را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يك پيشرو در طرح نانوتكنولوژي است و هم اكنون رئيس انستيتو Foresight و Research Fellow مي باشد. 
 

تعيين بودجه هاي كلان در كشورهاي صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتكنولوژي 

بسياري از كشورهاي توسعه‌يافته و در حال توسعه (در حدود ۳۰ كشور)، برنامه‌هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. زيرا نانوتكنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي كشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تأثير جدي قرار خواهد داد و اين مسئله در اين كشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبيين‌شده و براي مديران اجرايي به صورت يك امر شفاف و قطعي درآمده است. در بخشي از اين كشورها، در يكي دو سال اخير تحركات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته و فعاليتهايي كه تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام مي‌گرفته است، با تشويق و حمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافته‌اند كه در اين قسمت نمودار ستوني ميزان سرمايه گذاري دولتها آورده شده است:
 

اهميت مطرح شدن طرح 

همانگونه كه اشاره شد بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. اما يك سوال مهم براي كشور ما و بسياري از كشورها كه هنوز به نانوتكنولوژي به عنوان تمدن آينده علمي توجه كافي نكرده‌اند، اين است كه آيا بايد با اين روند همراه شد يا نه؟ توجه به فضاي بسيار بزرگ و در حال ايجاد نانوتكنولوژي و حجم وسيع فعاليتهاي مربوط به آن در دنيا، اين باور را به انسان القاء مي‌كند كه دير يا زود بايد آينده را ديد و براي ورود به آن اقدام نمود.
۱ ) ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژي اجتناب‌ناپذير است. 
بسياري از صاحب‌نظران و محققان، نانوتكنولوژي را مساوي آينده دانسته‌اند. به عنوان نمونه كميته مشاوران رئيس‌جمهور آمريكا در علوم و فناوري در تأييد برنامه ملي نانوتكنولوژي براي سال ۲۰۰۱، از نانوتكنولوژي به عنوان محور آينده جهان ياد مي‌كند. به دليل تأثيرات اين فناوري بر اكثر فناوريهاي موجود، عقيده صاحب‌نظران اين است كه متخصصان رشته‌هاي مختلف بدون گرايش به مباحث مقياس نانو در دهه‌هاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شكوفايي بسياري از فناوريهاي مهم ازجمله فناوري اطلاعات و بيوتكنولوژي به عنوان دو دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم بدون بهره‌گيري از نانوتكنولوژي دچار اختلال خواهند شد. از اين جهت اين مسئله براي دانشگاهيان، محققان و مسؤولان هر كشور امري حياتي است.
٢) دلايل اساسي ضرورت ورود كشور به عرصه نانوتكنولوژي 

علاوه بر موضوع فوق، مي‌توان دلايل زير را براي اجتناب‌ناپذيري ورود كشورهايي چون ايران اقامه نمود: 
 
۲-۱) تاثير اساسي نانوتكنولوژي در رشد و پيشرفت بسياري از فناوريها 

ماهيت فرارشته‌اي علوم و فناوري نانو به عنوان توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با دقت اتم و مولكول، موجب تعريف كاربردهاي بسياري زيادي در عرصه‌هاي مختلف علمي و صنعتي شده است. براي نانوتكنولوژي كاربردهاي بسياري را در حوزه‌هاي دارو و غذا و بهداشت، درمان بيماريها، محيط‌زيست، انرژي، الكترونيك، كامپيوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و توليد، هوافضا، بيوتكنولوژي و كشاورزي و امنيت ملي و دفاع برشمرده‌اند. به همين دليل بر تمام فناوريها تأثير گذاشته و دير يا زود بايد شاهد محصولات آنها بود. به عنوان نمونه در بخش پزشكي و بهداشت، يك زمينه كاري بسيار مهم، سيستم توزيع دارو در داخل بدن مي‌باشد. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمي است در حالي كه سلولهاي خاصي از بدن نيازمند آن مي‌باشند. در روش جديد دارو با وسايل ترزيق متفاوت با امروزه به صورت مستقيم به سمت سلولهاي مشخص جهت‌گيري شده و دارو به محل نياز تحويل داده مي‌شود. با همين مكانيزم، بيماريهاي بزرگ و كوچك در آغاز شكل‌گيري قابل تشخيص و درمان خواهند بود. يا در بخش مواد، پروژه‌هايي در دست كار مي‌باشد كه موادي با وزن بسيار كم و خواص بسيار مناسب توليد شوند. كاربرد اين مواد در ساختمان، خودرو، هواپيما و بسياري از ملزومات زندگي انسانها ديده خواهد شد. بنابراين عرصه بسيار وسيع نانوتكنولوژي كه زندگي انسانها را نيز در برخواهد گرفت، خود القاءكننده اين نتيجه خواهد بود كه نمي‌توان به روي آن چشم بست. 

۲-۲) تأثير نانوتكنولوژي بر امنيت جهاني 

از نظر دفاعي، نانوتكنولوژي براي كشورها، هم فرصت است هم تهديد. به لحاظ كاربردهاي بسيار زيادي كه اين فناوري مي‌تواند در امور نظامي داشته باشد، گرايش زيادي در بخش دفاعي كشورها به تحقيق و توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته است. اين كاربردها از لباسهاي مانع خطر تا پرنده‌هاي بسيار كوچك، تجهيزات اطلاعاتي و بسياري موارد ديگر است كه هم‌اكنون با حمايت وزارتخانه‌هاي دفاع كشورهايي چون آمريكا، ژاپن و برخي كشورهاي اروپايي به صورت پروژه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام هستند. از اين جهت اين فناوري براي كشورها يك تهديد محسوب مي‌شود. اما براي كشورهايي كه بتوانند با استفاده از روند موجود، جايگاهي را در آينده امنيت جهاني براي خود در نظر بگيرند، يك فرصت خواهد بود. با توجه به اينكه اين كاربردها بسيار متنوع هستند، هر كشوري مي‌تواند زمينه‌اي را براي پيشگامي در جهان سهم خود نمايد و در آينده رقابتهاي بين‌المللي نقشي داشته باشد.

۲-۳) شكل‌گيري بازارهاي بسيار بزرگ 

شواهد موجود نشان مي‌دهد كه درصد بالايي از بازارهاي محصولات مختلف متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود و به همين دليل دولتها و شركتهاي بزرگ و كوچك به دنبال كسب جايگاهي براي خود در اين بازارها هستند. ميهيل روكو، رئيس كميته علوم و فناوري نانو در رياست‌جمهوري آمريكا طي مقاله‌اي در ماه مي سال ۲۰۰۱، پتانسيل نانوتكنولوژي براي تغيير چشمگير در اقتصاد جهاني را يادآوري نموده است. بر مبناي پيش‌بيني وي و بخش ديگري از صاحب‌نظران در ۱۰ الي ۱۵ سال آينده نانوتكنولوژي بازار نيمه‌هادي را به طور كامل تحت تأثير قرار خواهد داد. خبرهايي نيز كه اخيراً از شركتهاي اصلي سازنده پردازنده‌هاي كامپيوتر در آمريكا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌هاي حاوي يك ميليارد نانوترانزيستور تا قبل از ۱۰ سال آينده حكايت دارد. به عنوان مثال شركت اينتل اعلام نموده است كه در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌هاي متكي بر نانوترانزيستور را با قدرت و سرعت بسيار بيشتر و مصرف كمتر نسبت به آخرين دستاوردهاي امروزي نيمه‌هادي‌ها وارد بازار خواهد كرد. 
در بخش دارو نيز پيش‌بيني شده است تا ۱۰ الي ۱۵ سال آينده نيمي از اين صنعت متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود كه خود نياز به وسايل تزريق جديد و آموزشهاي پزشكي روزآمد خواهد داشت يا در مورد موادشيميايي، فقط ذكر بازار ۱۰۰ ميليارد دلاري كاتاليستها كه تا ۱۰ سال آينده به طور كامل متكي بر كاتاليستهاي نانوساختاري خواهد بود براي نشان دادن اهميت بحث كافي است. از هم‌اكنون بازار بزرگي براي بكارگيري مواد جديد در محصولات فعلي در حال شكل‌گيري است. موادي كه مي‌توانند خواص جديد و فوق‌العاده‌اي به محصولات موجود بخشيده و موجب كاهش قيمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌هاي كربني ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسيار كمتر و استحكام بسيار بيشتر نسبت به موادي چون فولاد، بخش زيادي از صنايع را در آينده تحت تاثير قرار خواهد داد. 
در كنار اين پيش‌بيني‌ها، اين سؤال بايد مطرح شود كه جايگاه كشورهايي كه به نانوتكنولوژي دسترسي ندارند، در بازارهاي آينده و اقتصاد جهاني چه خواهد بود. با توجه به اينكه سهم هر كشور يا بنگاه در زمان شكل‌گيري يك بازار تثبيت مي‌شود، زمان سرمايه‌گذاري براي رسيدن به جايگاه مناسب، همين امروز است. 
کاربردهای فناوری نانو نانو تکنولوژی در صنایع مختلف

کاربردهای فناوری نانو نانو تکنولوژی در صنایع مختلف

 
 
جهان امروز نیازمند استفاده از ابزارهای جدیدی برای ارتقای سطح زندگی بشر است روزانه مواد گوناگونی بر اثر کار و کوشش و تحقیقات به دست آمده, در چرخه تولید انبوه قرار گرفته و به بازار تجاری عرضه می شوند
جهان امروز نیازمند استفاده از ابزارهای جدیدی برای ارتقای سطح زندگی بشر است. روزانه مواد گوناگونی بر اثر کار و کوشش و تحقیقات به دست آمده، در چرخه تولید انبوه قرار گرفته و به بازار تجاری عرضه می شوند. برای مثال افزایش کارایی وسایل الکترونیکی با کاهش اندازه آنها، مانند کامپیوترهای بسیار پیشرفته و یا پیشرفت عظیم صنعت ارتباطات تنها با استفاده وسیع از نانو تکنولوژی میسر شده است. در این مطلب به بررسی کاربرد کنونی فناوری نانو تکنولوژی در میان مدت و بلند مدت پرداخته که مواردی از آن به طور خلاصه نقل می شود.
۱) صفحات خورشیدی و کیهانی:
دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در اندازه های نانو در صفحات خورشیدی برای جذب و یا انکسار پرتوهای ماورای بنفش که شفافیت لازم را برای عبور نور قابل رویت دارند، کاربرد بسیاری پیدا کرده است.
۲) ترکیبات پیچیده:
یکی از موارد مهم کاربرد نانوتکنولوژی ساخت ترکیبات پیچیده از چند ماده مختلف است. برای مثال با استفاده از لوله، سیم و ذرات نانو محصولات چند منظوره ای تولید می شود که هم دارای خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده است و هم ساختار جدیدی با کاربردهای پیشرفته دارد. این مواد در علوم پزشکی، در وسایل بصری، الکترونیک و مغناطیسی به کار می روند. همچنین کربن سیاه که اندازه آن به چند ده نانو می رسد برای تقویت لاستیک وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد. از یک نوع خاک رس در ابعاد نانو نیز برای ساختن سپرهای مقاوم وسایط نقلیه استفاده می شود.
۳) پوشش سطوح:
استفاده از پوشش هایی در اندازه نانو و یا چند اتم، امکانات ویژه ای را به وجود آورده است. به تازگی شیشه هایی ساخته شده که با دی اکسید تیتانیم بسیار فعال پوشش داده شده است. این شیشه ها ضد باکتری، دفع کننده آب و از بین برنده مواد شیمیایی بوده و به طور خودکار خود را تمیز می کنند. کاربرد دیگر مواد نانو ساختن پوشش های بسیار مقاوم در مقابل خش، به صورت یک یا چند لایه بر روی لایه اصلی است. گروه بی شماری پارچه های قابل تنفس، ضد آب و لکه با کنترل منافذ و ناهمواری های سطح آن در حد اندازه های نانو از مواد پلیمری و غیرآلی ساخته شده اند.
۴) ابزار برشکاری بسیار سخت:
ابزار ساخته شده از کریستال های تنگستن، تانتانیم و تیتانیم در اندازه های نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسیار سخت تر در مقایسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگ تر شده است. کاربرد این ابزار در سوراخ کاری، برش فلزات در ماشین تراش، قالب سازی، سنگ بری و نظایر آن بسیار وسیع است.
کاربردهای فناوری نانو در میان مدت شامل موارد زیر می شود:
▪ رنگ ها و محلول ها:
استفاده از رنگ ها در اندازه نانو می تواند قابلیت ها و توانایی های بسیار خوبی را به رنگ بدهد. برای مثال ساختن رنگ های سبک می تواند وزن هواپیماها را کاهش داده و باعث صرفه جویی در سوخت آنها شود. کاهش حلال ها مورد دیگری است که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می کند. محلول های ضد باکتری موارد استفاده بسیاری در تاسیسات تصفیه آب دارد و دیگر نیازی به استفاده از ضد باکتری مانند کلر نخواهد بود. نانو تکنولوژی در مبدل های حرارتی با جذب امواج قرمز باعث صرفه جویی در انرژی شده و با تغییرات دما و یا محیط شیمیایی اطراف آن، موجب تغییر رنگ می شود. عمده ترین هدف از اجرای این پژوهش ها در مورد رنگ ها اهداف زیست محیطی است.
محیط زیست:
مطالعه و بررسی بر روی تاثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده کننده خاک و آب های زیرزمینی و خنثی کردن تاثیرات مخرب آنها، نمونه ای از پژوهش های میان مدت است. هم چنین تلاش برای ساخت موادی که سرب و جیوه موجود در محیط زیست را به صورت غیرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر این تحقیقات به صورت کامل انجام شود، می توان از آلودگی سرب هوا که از سوخت ماشین های درون سوز به وجود می آید جلوگیری کرد.
سلول های سوختی:
سطح سلولی سوخت ها از نظر مهندسی تاثیر مستقیمی بر عملکرد درونی آن دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت میانی ممکن است با تغییرات بنیادی هیدروکربورها در کاتالیست های یک راکتور به دست آید. استفاده از علوم نانو برای شدت بخشیدن به عملکرد کاتالیزورها می تواند به بازدهی بیشتر و تولید سوخت هایی با ذرات کوچک تر کمک کند. این عامل می تواند در افزایش تولید انرژی برق موثر باشد و در نتیجه برای تولید هیدروژن به جای استفاده از هیدروکربورها از مواد فراوان تر و سازگارتر با محیط زیست استفاده کرد. امروزه هیدروژن به عنوان جانشین سوخت هیدروکربورها در جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
▪ نمایشگرها:
درخواست بسیاری برای تولید نمایشگرهای بزرگ، شفاف و تخت در تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن وجود دارد. نانو کریستال های سلنیوم روی، سولفات روی و سولفور کادمیم با روش ژل به صورت تنها (تبدیل ژل مایع به جامد) از موادی است که برای ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از CNTs نیز در ساخت این وسایل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژی و تشعشعات زیانبار کمتر و طول عمر بیشتر، نسل آینده نمایشگرهای پیشرفته را بوجود خواهد آورد.
▪ باطری ها:
توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه، دستگاه های ناوبری، کامپیوترهای کوچک و قابل حمل، سنسورهای کنترل از راه دور و نظایر آنها، نیاز به داشتن باطری های سبک تر با انرژی و دوام بیشتر را دو چندان ساخته است. مواد کریستالی نانو با استفاده از روش کاربرد ژل ها در صفحات جداکننده باطری ها می تواند انرژی بیشتری در مقایسه با باطری های متداول امروزی ذخیره کند. باطری های ساخته شده از نانو کریستال های نیکل نیاز به شارژ مجدد را کاهش و ذخیره انرژی در باطری ها را در حد قابل توجهی افزایش داده است.
مواد افزودنی سوخت ها:
هم اکنون تحقیقات برای افزودن ذرات نانوی اکسید سدیم به سوخت های دیزل در دست اقدام است که باعث بالا رفتن بازدهی، صرفه جویی اقتصادی و کاهش میزان مصرف آنها در بلند مدت خواهد شد.
کاربردهای بلند مدت فناوری نانو شامل موارد زیر می باشد:
▪ مواد مغناطیسی:
ساخت ابزارهای مغناطیسی از نانوکریستال های یوتریوم، ساماریوم و کبالت خواص بسیار منحصر بفردی را با توجه به کوچک بودن ذرات کریستال ها به وجود می آورد. این مواد در ساخت موتورها، ماشین های تحلیلی مانند MRI و همچنین در علوم پزشکی کاربرد وسیعی دارند. میکروپروسس ها، حافظه های کامپیوتر، دیسک های سخت، با استفاده از فناوری نانو می تواند اطلاعات بسیار زیادی را در خود جای دهند.
▪ وسایل پزشکی:
به طور معمول اعضا قابل کاشت در بدن، مانند دریچه های قلب، ساخت اندام های مورد نیاز در ترمیم های ارتوپدی ساخته شده از تیتانیوم و فولادهای ضد زنگ با سایر اعضای بدن سازگاری دارند ولی متاسفانه ممکن است در طول عمر بیماران دچار خوردگی شده و کارآیی خود را از دست بدهند. استفاده از نانو کریستال های اکسید زیرکانیوم، به عنوان یک عنصر بسیار سخت، غیرخورنده و مقاوم در مقابل واکنش های بدن و سازگاری با آن جایگزین بسیار خوبی برای روش های متداول است. نانو کریستال های «سیلیکون کربید» به علت وزن کم، مقاومت بسیار عالی و سازگاری با اعضای بدن برای ساخت دریچه های مصنوعی قلب در آینده به کار خواهد رفت. ساخت رباط هایی با کاربردهای بسیار متفاوت در بدن در اندازه های کوچک بخش مهمی از کاربردهای وسیع اینگونه مواد را شامل می شود.
▪ سرامیک های ماشین آلات:
سرامیک ها بسیار سخت، شکننده و غیرقابل ماشین کاری بوده و کوچک شدن ذرات آنها در حد نانو کریستال ها باعث شکنندگی بیشتر آن می شوند. امروزه نانوکریستال های نیترات و یا «کربید سیلیکون» در ساخت قطعات ماشین آلات مختلف مانند فنرهای بسیار مقاوم، بلبرینگ ها، سوپاپ های موتور، اجزای کوره ها و نظایر آن به علت آنکه به آسانی قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واکنش های شیمیایی مقاوم هستند کاربرد وسیعی دارند. درصورتی که این مواد توسط پرس فشرده شوند، مقاومت حرارتی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر سرامیک ها به دست می آورند.
▪ تصفیه آب:
فناوری نانو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برای تصفیه آب در سیستم های تقطیر می شود. همچنین این فناوری منجر به بالا بردن تکنولوژی مورد استفاده کنونی خواهد شد.
▪ لباس های جنگی:
به تازگی استفاده از فناوری نانو برای ساخت لباس های ویژه میدان های جنگ توسط گروه تحقیقات دانشگاه MIT انجام شده است. هم اکنون برنامه ای برای ساخت موادی که بتواند در کوتاه مدت جاذب انرژی شوک های امواج انفجاری و موادی که در بلند مدت بتواند در برابر مواد شیمیایی و بیولوژیکی از خود مقاومت نشان دهند به صورتی که در مقابل این مواد حساس بوده و پس از شناسایی مواد روزنه های لباس مسدود شوند درحال بررسی است. گونه ای دیگر از این مواد برای کشف آسیب های وارده به بدن به صورت خودکار عمل خواهد کرد. برای مثال به کمک این مواد شکستگی استخوان ها را به سرعت شناخته و گچ گیری متداول امروزه را انجام می دهند.
کاربرد نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی

کاربرد نانو در مصالح و تجهیزات ساختمانی

خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند از جمله ذرات، الیاف، گلوله و . . .) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارد. این تفاوت ها ویژگیهای منحصر بفردی را از قبیل عملکرد بهتر و ویژگی کارکرد چند منظوره بودن به مواد و مصالح ساختمانی می دهد. منظور از کارکرد چند منظوره، ظهور ویژگیهای جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند. تولید انواع کامپوزیت ها، سطوح خود تمیز شونده، بتن ها، رویه های پیشرفته نمای ساختمان از جمله کاربردهای فن آوری نانو در تولید مصالح ساختمانی هستند که در این مقاله به برخی از آنها پرداخته ایم. با کافه ساختمان همراه باشید. 

فن آوری نانو در مقررات ملی ساختمان

نانوکامپوزیت ها

نانوکامپوزیت ها موادی هستند که ذراتی در مقیاس نانو را در قالب مواد استانداردی مانند پلیمر ها ترکیب می کنند. پلیمر به جسمی گفته می شود که از ترکیب مواد مشابه و از تکرار واحد های ساختمانی یکنواخت ایجاد شده باشد. با ترکیب نانو ذرات می توان به ویژگی های خاصی دست یافت، یعنی می توان استحکام مکانیکی، دوام و رسانایی الکتریکی و گرمایی را بر حسب نیاز تغییر داد. مزیت نانوذرات این است که حتی اضافه کردن مقدار زیادی از این مواد، وزن ماده مورد نظر را نیم تا ۵ درصد افزایش می دهد که این مقدار تا حدی قابل چشم پوشی است. تا کنون نانو کامپوزیت های کمی وارد مرحله تجاری شده اند و بیشتر آنها هنوز در مرحله آزمایش و بررسی قرار دارند. نانوکامپوزیت هایی که شامل نانو ذراتی مانند فیلترها، نانوتیوب ها ونانو فیبرهای کربنی و گرافیت می شوند، استفاده گسترده ای در صنعت پلاستیک دارند.

چگونگی کارکرد نانوکامپوزیت ها

در ذرات بسیار ریز در مقیاس نانو سطح ویژه یا نسبت سطح به حجم بسیار بزرگتر از ذرات درشت بوده که در نتیجه آن ویژگیهای منحصربفرد این مواد بدست می آید. هر چه ذرات ریزتر باشند ویژگیها بسته به هدف و کاربرد مورد نظر به طرز شگفت انگیزی می توانند بهبود یابند. 

 

کاربردهای کنونی نانوکامپوزیت

پلاستیک های نانوکامپوزیت موارد استفاده متفاوتی دارند برای مثال می توان از خازن های لایه نازک در تراشه های کامپیوتری استفاده کرد. از الکترولیت های پلیمر جامد در انواع باطری ها، موتور های اتومبیل، مخازن سوخت و بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود که دو مورد آخر موارد استفاده بیشتری دارند. اگر نانوکامپوزیت نسبت هزینه به کارایی قابل قبولی داشته باشد می تواند نقش بنیادینی در صنعت خودرو سازی ایفا کند .
برخی از مزیت های استفاده ار نانوکامپوزیت به شکل تجاری به شرح زیر است:
  1. توسعه موادی حجم وسیع تر با هزینه کمتر
  2. تولید موادی با هزینه کمتر و کارایی بیشتر
  3. توسعه سریع تر و کم هزینه تر از روش های تحلیلی
  4. تسلط بر علم جریان و تغییر شکل ماده در کامپوزیت های پلیمری
  5. افزایش استحکام بدون افزایش حجم
  6. پیشگویی مدل سازی جهت/جریان
  7.  

تاریحچه نانوکاپوزیت ها

مواد نانو کامپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری) اولین بار در سالهای ۷۰ معرفی شدند که از فن آوری سول- ژل جهت انتشار دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شد. هرچند پژوهش های انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای دهه ۸۰ صورت گرفت، ولی رشته نانو کامپوزیت پلیمر همچنان در مرحله جنینی و در آغاز راه به سر می برد.
نانو آلومینا بهترین ساختار نانویی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد. زیرا این مواد نظر مکانیکی، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد. از جمله می توان به دو نمونه اشاره کرد: 
  1. فن آوری نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری، الیاف نانویی آلومینا، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است.
  2. ذرات نانویی غیر فلز مانند: نانوسیلیکا، نانوزیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها
بتن با کارآیی بالا (HPC1)
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا(HPC) می باشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. 
بنابراین، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر، بتن با عملکرد بالای چند منظوره(MHPC)خواص اضافه دیگری را دارا می باشد، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و … را نام برد.

 

 نانوسیلیس آمورف
در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا ایفا می کند. محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود ۱/۰ تا ۱ میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰% می باشد. می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود. محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند:
  1. ضد سایش
  2. ضد لغزش
  3. ضد آتش
  4. ضد انعکاس سطوح

آزمایش ها نشان داده که واکنش مواد نانو سیلیس با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده ۵ تا ۱۰۰ نانومتر می باشد.

 

نانوذرات رس
برخی از انواع نانوذرات درچسب های (ملات های) مختلف ونحوه تاثیر آنها برروی ویژگی های کلیدی مرتبط با فرسایش بتن، مانند ممانعت ازانتقال یون های کلر، مقاومت دربرابر دی اکسید کربن، پخش بخار آب، جذب آب وعمق نفوذ هدایت می شوند. نوعی حلال متشکل از رزین اپوکسی باوزن ملکولی پایین ونانوذرات رس، نتایج امیدوارکننده ای را در این زمینه نشان داده است .

 

نانوذرات اکسید آهن یا هماتیت
درصورت اضافه نمودن نانوذرات اکسید آهن به ماتریس بتن علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش بتن را ازطریق اندازه گیری مقاومت الکتریکی برشی امکان پذیر می سازد .
 
 نانوذرات دی اکسید تیتانیوم
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم هم برای بهبود ویژگی های بتن در نمای ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده مورد استفاده قرار می گیرد. این نانو ذرات ازطریق واکنش های فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده های آلی، ترکیبات آلی فرار وغشای باکتریایی هستند، به همین جهت برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها وشیشه ها اضافه می شوند. بتن حاوی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است و این درخشندگی رابطور موثری حفظ می نماید. درحالی که ساختمان های ساخته شده بابتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.
 
کاربرد نانو در تولید حسگرها
حسگرها ی مبتنی برفناوری نانو نیز می توانند به نوبه خودکاربردهای زیادی در سازه های بتنی داشته باشند، برای کنترل کیفیت ودوام بتن، این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی نظیر، اندازه گیری چگالی، میزان افت بتن، پارامترهای موثر دردوام بتن مانند، دما، رطوبت، غلظت کلر، پی هاش، دی اکسیدکربن، تنش، خوردگی میلگردها وارتعاش طراحی شوند. 
 
کاربرد نانو در صنعت فولاد
فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت وساز است. تحقیقات نشان داده است اضافه نمودن نانو ذرات مس به فولاد از ناهمواری های سطحی فولاد می کاهد و درنتیجه تعداد عوامل افزایش دهنده تنش ودر نهایت ترک خوردگی های ناشی از خستگی سازه هایی مانند پل ها و برج ها، که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می گیرد رامحدود می سازد.
 
کاربرد نانو در صنعت سیمان
اخیراً تولیدکنندگان سیمان دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانو مقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود، لذا گروهی از محققان سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم (همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ده برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌های معمولی تهیه شده‌اند، البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری‌اش نسبت به سیمان‌های معمولی کمتر است و هنوز برای کارهای ساختمانی مدرن که مستلزم تحمل بار زیاد است، مناسب نیست. این نانوسیمان برخلاف سیمان پورتلند معمولی، متناسب با دمای محیط واکنش، نانوذراتی با اندازه‌های مختلف (به‌طور متوسط یک سوم ذرات مشابه در سیمان معمولی) دارد، همچنین اندازه کوچک این ذرات موجب تغییر کامل رفتار هیدراسیون این سیمان شده و در نتیجه ضمن حفظ همان واکنش‌های ترمودینامیکی، واکنش‌های سینتیکی متفاوتی را خواهد داشت. دانشمندان امیدوارند به‌رغم تخلخل بالای این مواد، بتوانند با توجه به واکنش‌پذیری اولیه بسیار خوب آنها، کاربردهای جدیدی را به‌ویژه در مواردی که کوتاه بودن زمان سفت شدن حائز اهمیت است به وجود آورند.
هم‌اکنون از این نانوسیمان متخلخل در نوسازی یا عایق‌کاری کاربردهایی که نیاز چندانی به استحکام در برابر فشردگی ندارند و ترکیب آنها با مواد معمولی به بهبود سخت شدگی آنها کمک می‌کند، استفاده می‌شود، همچنین این سیمان در کاربردهای هزینه‌بر کوچک‌مقیاس به‌ویژه اتصالات ساختمانی یا به‌صورت ترکیبی با فرمو‌ل‌ها موجود که به تسریع کار آنها کمک می‌کند نیز کاربرد دارد .

 

نانولوله ها
معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند. امروزه از الیاف فلزی، شیشه ای، پلی پروپلین، کربن و . . . در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن به وسیله نانو لوله ها استفاده کرد . نانو لوله کربنی توسط سومیو لیجیما در سال ۱۹۹۱ کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند. کربن ۶۰ و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند به طوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند.
 

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند، به طوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس می باشد. نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره، بازی می کنند.
 
 نانوپوشش های سنگ وچوب
این نانوپوشش ها ی آنتی باکتریال، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی صنعت ساختمان به شمار می روند. نانو پوشش های سنگ وچوب ترکیباتی هستند که ضمن حفظ ظاهر اصلی سطح باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب، چربی و سایر آلودگی ها را از سطح دفع می کنند. ضمناً نانو پوشش های سنگ وچوب برای سطوح سنگی نفوذ پذیرکه خاصیت مکندگی دارند نیز موارد استفاده بسیاری دارند. ترکیبات این نانو پوشش ها معمولاً شامل الماس، نقره، شیشه و سرامیک می باشند و باتوجه به موارد مصرف ممکن است متفاوت باشند، اما در اکثرآن ها فاز حامل آب والکل اس ت وذرات آنها تا ۳۰۰درجه سانتیگراد مقاوم هستند.
 

مزیت های نانوپوششهای سنگ و چوب
  1. پوشش دهی به سطوح منفذ دار
  2. حفظ تنفس سطوح
  3. حفظ سطوح در برابرعوامل محیطی
  4. امکان تمیز شدن لک ها ازجمله چربی ها وروغن ها با آب
  5. جلوگیری از ایجاد کپک جلبک و مشابه آنها و محافظت سطوح ازتاثیرنم وکثیفی ها

 
کاربردهای نانوپوشش های سنگ و چوب
این نانوپوشش ها علاوه بر استفاده در سطوح چوبی معمولی برای سطوح چوبی جلادار و سطوح چوبی رنگ شده هم مورد استفاده قرارمی گیرند. درسطوح چوبی جلادار سه ماه پس از اعمال جلا مورد استفاده قرارمی گیرند و برای سطوح چوبی رنگ شده ازنانوپوشش های چند منظوره استفاده می شود. ساختمان هایی که با سیمان های الیافی ساخته می شوند پس از مدتی به منبع لکه وکثیفی تبدیل می شوند. سیمان استفاده شده درنمای ساختمان ها، کثیفی ها و کپک ها را مکیده و با تاثیر نور خورشید آنها را به خوبی در داخل ماتریس جایگزین می کند.
بکارگیری نانوپوشش های سنگ وچوب درنمای ساختمان باعث جلوگیری از نفوذ کثیفی ها، باکتری ها وغیره به داخل بافت پوشش نما شده وظاهر اولیه نما را به خوبی حفظ می نمایند. درخت های بزرگ اطراف ساختمان ها با به جا گذاشتن آثار خود برروی سطوح ساختمان ها باعث می شوند نمای ساختمان ها به مرور زمان رنگ سبز درختان رابه خود گرفته وبرای تمیز کردن آن ها می بایست از ابزار تمیز کننده با فشار پاشش بالا استفاده شود که خود باعث ایجاد حالت چسبندگی درسطح ساختمان پس از چند ماه می شود که در نتیجه سریع تر و آسان تر از گذشته کثیفی ها رابه خود جذب می کند. در این گونه موارد نیز استفاده از نانوپوشش های سنگ و چوب ضروری به نظر می رسد.
بتن گازی و ماسه سنگ هایی که ساختار سفید رنگی دارند واغلب در آتلیه ها و ایوان ها به کار می روند، کثیفی ها و چربی ها را جذب کرده و ظاهر آنها خیلی سریع به صورت نامطلوبی تغییر می کند. در این شرایط استفاده ازتمیز کننده های بافشار بسیار قوی نیز کارساز نمی باشد. اما در صورت استفاده از نانو پوشش های سنگ وچوب هم به سطح اجازه تنفس داده می شود و هم از نفوذ مواد به سطح جلوگیری می شود و بدین ترتیب رنگ وساختار اصلی سطح حفظ می شود. همچنین استفاده ازنانوپوشش های سنگ و چوب باعث حفاظت ساختمان ها و مجسمه ها از تاثیرات محیطی شده و مانع از تغییر رنگ تدریجی در گذر می گردد.

 

کاربرد مواد نانو در تولید شیشه
نانو پوشش های شیشه در صنایع ساختمان و اتومبیل بیشترین کاربرد را دارند. برخی از کاربردهای مواد نانو در صنایع شیشه عبارتند از:
شیشه های خود تمیز شونده
این نوع نانو پوشش ها، باضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آب دوست (هیدروفیل) تشکیل می دهند که تحت تاثیر نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده و در نتیجه آب جمع شده در سطح، درمقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب هوا را برروی خود افزایش داده و بدین ترتیب آب جمع شده در سطح تماماً پخش شده وبخودی خود امکان تمیز شدن رابوجود می آورد. 
نانوپوشش های استفاده شده برروی شیشه پس از شش هفته خاصیت خود تمیزشوندگی را از خود نشان می دهند. بنا به گفته متخصصین نانوذرات نانوذرات دی اکسید تیتانیوم موجود در این نانو پوشش ها دارای دو خاصیت است:
  1. ویژگی آب دوست بودن بسیار بالا
  2. خاصیت ضدعفونی کنندگی: زیرا نانوذرات دی اکسید تیتانیوم قادربه شکستن وتجزیه آلاینده های آلی است. این تاثیرپس ازگذشت چند هفته در شیشه ایجاد می شود، زیرا تیتانیوم دی اکساید باید در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده و شیشه ها را از کثیفی های موجود رها کرده وسپس کثیفی های محیط رابه صورت کاتالیتیک تجزیه نموده و از بین می برد. خاصیت پخش شوندگی مساوی آب در سطح باعث می شود بدون اینکه لکه ای باقی بماند سطح ازکثیفی ها عاری شود .
 
شیشه های کنترل کننده انرژی
این نوع شیشه ها ضمن دارابودن تنوع دررنگ وسایر خصوصیات، قادرند باکاهش شدید امواج ماوراء بنفش ومادون قرمز عبوری وتنظیم عبور نورمرئی، در زمستان تا ۸۵درصد ودر تابستان تا ۸۰درصد از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان جلوگیری کرده ودر صرفه جوئی مصرف انرژی، نقش بسزائی داشته باشند .
شیشه های محافظ در برابر آتش
شیشه های محافظ دربرابر آتش نیز یکی دیگراز دستاوردهای فناوری نانو است. این محصول از طریق قراردادن یک لایه شفاف محتوای نانو ذرات سیلیس درمیان دو صفحه شیشه ای ساخته می شود که در هنگام گرم شدن شیشه این لایه شفاف تبدیل به محافظی سخت، تیره ومقاوم دربرابر آتش می شود.
 
 رنگ نانو عایق
رنگ نانو عایق محصولی است که با کمک فناوری نانو موفق شده است در عین برآورده ساختن مسائل زیست محیطی، عایق کاری حرارتی با پوشش لایه نازک را به همراه محافظت از خوردگی و مقاومت در برابر رطوبت و رشد کپک و قارچ، یکجا به ارمغان آورد. استفاده از رنگ نانو عایق در ساختمان می تواند تا ۴۰% موجب کاهش هزینه های سیستم های گرمایشی و سرمایشی شود. همچنین رنگ نانو عایق موجب افزایش عمر تاسیسات ساختمان می گردد و در یک دوره میان مدت باعث کاهش هزینه های ساختمان از جمله رنگ آمیزی مجدد، هزینه های ناشی از صدمات رطوبت، نم و رشد کپک و قارچ و در نهایت هزینه های مربوط به مصرف انرژی می گردد.
مشخصات رنگ نانوعایق
  1. رنگ آمیزی و عایق کاری دیوارها ، کف ، سقف و بام ساختمان
  2. کاهش مصرف انرژی و اصلاح الگوی مصرف
  3. صرفه جویی حداقل ۴۰ درصد در مصرف انرژی سرمایش و گرمایش
  4. رنگ پایه آب، بدون نیاز به حلال و دوستدار محیط زیست
  5. پوشش ضد نم و رطوبت، آب گریز، مقاوم در برابر نفوذ باران و رطوبت محیط
  6. قابل استفاده در نمای بیرونی و بام ساختمانها به دلیل مقاومت بسیار بالا در شرایط جوی مختلف
  7. با چسبندگی بالا بر روی سطوح فلزی، چوبی، گچی، سیمانی، بتنی، گالوانیزه و سایر سطوح
  8. دارای قابلیت تنفس رنگ و پوشش به میزان
  9. قابل شستشو با آب و صابون و راحتی تمیز نمودن سطح
  10. مقاوم در برابر رشد باکتری ها،کپک و قارچ
  11. قابلیت استفاده به صورت بی رنگ (شفاف) متناسب با جنس سطح
  12. با ۱۶۰۰ طیف رنگی، جایگزین بسیارمناسب رنگ
  13. ضد اشعه UV خورشید
  14. دمای مناسب جهت اعمال پوشش: ۱۰ تا ۵۰ درجه سانتیگر
 
نانوعایق پتویی
نانو عایق پتویی انقلابی در عایق کاری صنعتی محسوب می گردد. این عایق قابل انعطاف بوده و ظاهری شبیه به پتو دارد و از الیاف مخصوص و سلیکاژل طی فرآیندی خاص، در دما و فشار بحرانی و با استفاده از فناوری نانو تهیه شده است. این عایق با ضخامتی در حد میلیمتر و بسیار سبک می تواند در بازه دمایی ۲۶۵- درجه سانتیگراد تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد به عنوان یک عایق حرارتی و برودتی به کار رود .
  • view_module
  •  
کاربرد تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان

تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان

ازآنجایی‌که محصولات ساخته‌شده از طریق تکنولوژی نانو دارای مشخصات منحصربه‌فردی هستند این تکنولوژی می‌تواند در بسیاری از فرایندهای ساخت و طراحی به‌کاربرده شود. این مشخصات منحصربه‌فرد قادر هستند که مشکلات کنونی در ساختمان‌سازی را حل کرده و در فرایند ساخت تغییراتی را به وجود آورند. پیشرفت علم در حوزه نانو ذرات فلزی و دستاوردهای بزرگ در این زمینه باعث بهبود ویژگی‌های فلزات ساختمانی ازجمله فولاد شده است. اضافه کردن نانو ذراتی مانند مس مولیبدن و وانادیم باعث بهبود خواص مکانیکی فولاد و کاهش هزینه‌های ساخت شده است. ساخت نانو کابل‌ها نانو پوشش‌هایی نظیر دی‌اکسید تیتانیوم و استفاده از فناوری نانو در ساخت و تولید پیچ و مهره‌ها تحول عظیمی را در سازه‌ها ایجاد کرده است

مقدمه

فناوری نانو به‌عنوان یک فناوری کلیدی و بین‌رشته‌ای، فرصت‌های زیادی را جهت تقویت رقابت در صنعت ساخت‌وساز نظیر ساخت‌وساز سریع‌تر، منعطف‌تر، مطلوب‌تر، پایدارتر و مقرون به‌صرفه‌تری را فراهم کرده است؛ و زمینه‌های کاربردی این فناوری، تقریباً در تمام بخش‌های ساختمان شامل اسکلت، طراحی نما، مهندسی ساختمان (سیستم‌های ساختمانی) و طراحی داخلی را شامل می‌شود. کنترل خواص مواد در مقیاس نانو و نیز کنترل اثرات فیزیکی و شیمیایی مربوطه، تولید مصالح ساختمانی چندمنظوره با کارایی بالا را ممکن می‌سازد که این امر باعث ایجاد ارزش‌افزوده، افزایش دوام، کیفیت و پایداری محیط‌زیست می‌شود. قابل‌ذکر است این فناوری کاربرد وسیع و چشمگیری در احداث زیرساخت‌های اصلی نظیر سدها، را‌ه‌ها، پل‌ها و کانا‌ل‌ها و… دارد

ملزومات صنعت ساختمان

یکی از چالش‌های اصلی در صنعت ساخت‌وساز، بازسازی ساختما‌ن‌های تجاری و مسکونی موجود ازنظر کارایی انرژی است. به‌عنوان‌مثال تقریباً ۸۰ درصد ساختما‌ن‌های موجود بیشتر از دو برابر ساختما‌ن‌های جدید گرما مصرف می‌کنند؛ بنابراین، نیاز به مدیریت انرژی و سیستم‌های عایق حرارتی و همچنین منابع انرژی بهینه و تجدید پذیر (مانند فتوولتائیک) در سطح بالایی قرار دارد. چالش‌های دیگری که صنعت ساخت‌وساز در آینده با آن‌ها مواجه می‌شود شامل موارد زیر است
م ۱- ترکیب عملکردها و حفظ ارزش بخش‌های مختلف ساختمان، برای مثال نمای چندمنظوره که دما و نور مطلوب را ایجاد می‌کند و هم‌زمان در برابر خوردگی، حمله‌ی قارچ یا ضربات شدید از بنا محافظت می‌کند
 م ۲- برطرف نمودن نیازهای رو به رشد مشتریان (آسایش مشتری) درزمینه‌ی طراحی و آسایش مسکن و نیز حذف اختلالاتی همچون آلودگی، سروصدا، رطوبت ‌یا بوی نا‌مطبوع
م ۳- ایجاد ساز‌ه‌های ایمنی محور با توجه به افزایش خطرات زیست‌محیطی
م ۴- صرفه‌جویی در انرژی و مواد اولیه با تولید مصالح ساختمانی ویژه و نیز ساخت‌وساز و بهره‌برداری از زیرساخت‌ها و ساختما‌ن‌های مسکونی
م ۵- اختصاص اولویت به آموزش و تحصیلات تکمیلی به‌عنوان پیش‌نیاز نوآور
فناوری نانو، می‌تواند مشارکت قابل‌توجهی را در پاسخگویی به این نیازها داشته باشد
تأثیر فناوری نانو در صنعت ساختمان، عمدتاً در مراحل اولیه زنجیر‌ه‌ی ارزش به‌ویژه در حوز‌ه‌ی شیمی ساخت قابل‌توجه است
‌مواد بتنی خود متراکم که به‌واسطه‌ی افزودنی‌های بهینه بر پایه عامل‌های پلیمر در مقیاس نانو ایجاد می‌شوند ♦
‌بتن با کارایی بالا (بتن فوق قوی) به‌واسطه‌ی بهینه‌سازی ساختار دانه ♦
‌سیستم عایق‌بندی کارآمد از جنس نانو مواد متخلخل با رسانایی گرمایی حداقل و با انعکاس یکنواخت ♦
‌رنگ نمای مقاوم در برابر کثیفی و آلودگی دارای ساختار نانو ♦

 

کاربرد نانو فناوری در صنعت بتن

یکی از جنبه‌های اصلی نانوتکنولوژی ماهیت میان‌رشته‌ای آن است. تعامل این علم با علم بتن می‌تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت‌وساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد‌های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است. بتن از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. استفاده از نانوتکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد‌. ثابت‌شده‌ که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن شده است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است کاربرد بتن را می‌توان در تمامی کارهای عمرانی از قبیل ساختمان مخازن و نیروگاه‌ها سازه‌های دریایی مثل اسکله‌ها جاده‌ها و راه‌ها مسیرهای انتقال آب و سدها و… مشاهده کرد. تاکنون مطالعات زیادی درزمینهٔ بهبود کیفیت بتن انجام‌شده است که اکثر آن‌ها تغییر در ترکیب بتن را بررسی کرده‌اند. بااین‌حال استفاده از افزودنی‌ها و همچنین جایگزین کردن مصالح متداول مورداستفاده در بتن با مصالح جدید همیشه موردتوجه بوده است. یک سری از مواد جدید که توانسته‌اند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند نانو موادها هستند. نانو موادها با توجه به خصوصیاتشان در سطوح بسیار ریز می‌توانند دنیای بتن را کاملاً متحول کنند. استفاده از نانوتکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر بازمی‌گردد و کمبود دانش و درک ضعیف از اثرات فوق‌ریز و نانو ذرات در تکنولوژی بتن تحقیقات فراوانی را در این زمینه می‌طلبد. نانو مهندسی شامل تکنیک‌های دست‌کاری ساختار در مقیاس نانومتری به‌منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت‌های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده ال است و حتی می‌توان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین هوشمند بودن خود تمیزکننده خودترمیم کننده شکل‌پذیری بالا به وجود آورد 
‌در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آن‌ها در صنعت می‌شود، برای همین بهره‌برداری از نانوتکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل‌عرضه در بازار محدودشده است
مشکل دیگر درزمینه استفاده از نانو مواد‌ها توزیع یکنواخت آن‌ها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به‌صورت کلوخه انباشته می‌شوند و در مخلوط به‌خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل می‌توان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد
مصالح ساختمانی سیمانی‌
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به‌کارگیری نانو پودرها به‌عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیند پذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی می‌شود
ازجمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو می‌توان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی) ‌یا کوپولیمرهای بلوکی‌ که به‌صورت تجاری تولید می‌شوند‌، اشاره نمود. با استفاده از دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به‌طورمعمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد
نمای بیرونی و بام ساختمان
فناوری نانو رو‌ش‌های زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه ازنظر عملکرد و چه زیبایی عرضه می‌کند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گردوخاک (ذرات کثیف) با تنوع نسبتاً زیاد و به‌صورت دلخواه قابل تنظیم است که از آن جمله می‌توان به سطوح آب‌دوست ، سطوح آب‌گریز  یا سطوح مقاوم در برابر روغن  اشاره کرد
استفاده از پودر تیتانیم دی‌اکسید در مقیاس نانو، اثربخشی لایه را افزایش می‌دهد و با توجه به کوچکی ذرات، از پخش نور جلوگیری می‌شود، بنابراین با استفاده از آن در جداره پنجر‌ه‌ها شفافیت موردنیاز این پوشش تأمین می‌شود. در حال حاضر دامنه تولید سیستم پوششی فوتوکاتالیستی نسبتاً وسیع و شامل سطوح ابر آب‌دوست است که در مثا‌ل‌های متنوعی چون آیینه، پنجر‌ه‌های خود تمیز شونده، قاب پنجر‌ه‌ها یا آجر (سفال) استفاده می‌شود
عایق حرارتی
استفاده از عایق حرارتی در نمای خارجی، هم ازنظر هزینه‌های سرمایه گزاری برای ساختمان‌سازی جدید و بازسازی ساختما‌ن‌ها و هم ازنظر هزینه‌های عملیاتی از عوامل ضروری در اقتصاد ساختمان است. تنها در آلمان قریب به ۶ میلیارد مترمربع سطوح نما وجود دارد که تقریباً ۸۰۰ میلیون مترمربع از آن سطوح پنجره است و این در حالی است که بخش بزرگی از آن نیازمند بازسازی است. در اروپای غربی بازار عایق حرارتی در صنعت ساختمان تقریباً ۶ میلیارد یورو تخمین زده می‌شود
پنجر‌ه‌ها و جدار‌ه‌ها
از کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت شیشه می‌توان به محصولاتی مانند شیشه‌های خود تمیز شونده، شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی و شیشه‌های محافظ در برابر آتش اشاره کرد. 
شیشه به دلیل شفافیت و مقاومت بالا با هر شکل و رنگی به‌عنوان مصالح ساختمانی برای پنجره و نما شناخته‌شده است. البته لکه‌دار شدن سریع، انعکاس نامطلوب و عملکرد بد آن به‌عنوان یک عایق حرارتی، از نکات منفی آن است. پوشش‌های نانویی این خواص منفی را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند و بدین‌وسیله زمینه‌های عملکردی جدیدی را برای نمای شیشه‌ای به ارمغان می‌آورد
(Low- E) بهبود حفاظت از حرارت با استفاده از پوشش‌های ذخیره کنند‌‌ه‌ی انرژی‌  ♥
(شیشه ضد آفتاب ‌(حفاظت در برابر آفتاب) با استفاده از شیشه‌های رنگ متغیر (الکتروکرومیک ♥
بهبود استفاده از نور روز با به‌کارگیری آرایش یکنواخت میکرو آینه‌ای ♥
خود تمیز شوندگی با استفاده از پوشش فوتوکاتالیستی ♥
SiO2 پوشش‌های ضد انعکاس با استفاده از لایه‌ی نانو حفره ♥

 

پوشش‌های ضد انعکاس
از پیشرفت‌های فناوری نانو در صنعت ساختمان و قابل‌عرضه در بازار، پوشش‌های ضد انعکاس برای شیشه‌های مسطح است که افزایش انتقال نور بیشتری دارند و برای نمونه در کلکتورهای خورشیدی و یا جداره شیشه‌های ساختمان کاربرد دارند. انتظار می‌رود که با این روش اتلاف انعکاسی نور (نوری که به‌وسیله‌ی بازتابش به بیرون منعکس می‌شود) در پانل‌های شیشه‌ای به‌طورمعمول از ۸ درصد به ۲ درصد کاهش می‌یابد

 

پنجر‌ه‌های هوشمند‌
واژ‌ه‌ی پنجره هوشمند به پانل شیشه‌ای اطلاق می‌شود که بسته به نوع تأثیرات محیطی، خواص خود را خصوصاً در مورد انتقال نور می‌تواند تغییر دهد. بدین منظور از مواد کروموژنیک استفاده می‌شود که رنگ یا شفافیت خود را می‌تواند با توجه به محر‌ک‌های (عوامل) برگشت‌پذیر فیزیکی یا شیمیایی تغییر دهد
این‌گونه شیشه‌ها می‌توانند به‌عنوان جایگزین برای انواع سیستم‌های سایه از قبیل سیستم‌های ضد تابش و پرد‌ه‌ها در نظر گرفته شود. شیشه‌های هوشمند از طریق فناور‌ی‌های مختلفی تولید می‌شوند که این فناور‌ی‌ها تا حد زیادی مبتنی بر استفاده از نانو مواد و سیستم‌های پوششی نانومقیاس است

 

انرژی و تکنیک‌های نورپردازی
فناوری نانو گزینه‌های متعددی برای افزایش بهره‌وری و توسعه رو‌ش‌های جدید تولید انرژی و تکنیک‌های نورپردازی در ساختمان ارائه می‌کند که برخی از این نمونه‌ها به شرح زیر است
 (الف- دیودهای نوری ‌به‌عنوان تکنیک نورپردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان (نورپردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی
ب- مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیر لایه‌های انعطاف‌پذیر
ج- سلو‌ل‌های خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی (تزیینی)، برای مثال در نماهای شیشه‌ای به‌عنوان جایگزینی برای سلو‌ل‌های خورشیدی پایه سیلیکون
د- پوسته‌های (غشا) نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازده بیشتر پیل‌های سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی
با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک ال ای دی  که مبتنی بر پوشش‌های نیمه‌هادی در مقیاس نانو است، معماران قادرند هنر خود را در نورپردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند

 

حفاظت در برابر آتش
فناوری نانو رو‌ش‌های متنوعی برای توسعه مواد ضد آتش (ضد حریق) و بهبود خواص آن و به‌عنوان جایگزین مواد آلاینده که در این زمینه استفاده می‌شده‌، عرضه می‌کند. نقطه عطف پژوهش‌ها، ذرات سیلیکات نانو ساختار هستند (نانو رس) که به‌عنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده می‌شود. در ساختمان، پلیمرها در پوشش کابل‌ها، نقش مهمی را ایفا می‌کنند. برای مثال در فیوز، پریز برق و محفظه لامپ‌ها و …‌. خاصیت ضد حریق کامپوزیت‌های نانو رس نشانگر این مسئله است که هم اتلاف حرارت و توسعه دود به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد و هم‌زمان ایجاد جرقه (جرقه‌زنی) به تعویق می‌افتد. از دیگر جنبه‌های کاربردی پوشش ضد حریق برای چوب، فلز، پلاستیک یا بتن است که توسعه آتش در مصالح به‌وسیله این نوع پوشش به تأخیر می‌افتد و مانع گسترش کنترل نشده آتش می‌شود
در مورد جدار‌ه‌های شیشه‌ای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش (مقابله با آتش) کمک می‌کند

 

دکوراسیون داخلی
در دکوراسیون داخلی، فناوری نانو برای هر نوع کارکردی، سطوح مناسب آن را ایجاد می‌کند. با استفاده از نانو ذرات اصلاح‌شده، پوشش‌های متنوعی را مي‌توان توليد کرد که به شرح زیر است
پوشش ضد گردوغبار ♦
پوشش‌های آب‌گریز ♦
پوشش‌های ضد اثرانگشت ♦
پوشش‌های ضد خراش ♦
پوشش‌های آنتی باکتریال ♦
پوشش‌های چندمنظوره ♦

 

زیرساخت
افزایش عمر مفید و کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات با منافع اقتصادی زیادی همراه خواهد بود. فناوری نانو، فرصتی را فراهم می‌کند تا نوآور‌ی‌های جدید در بخش احداث جاده، پل و نیروگاه برق به وقوع بپیوندد
‌با استفاده از نانو سیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط‌زیست منسوخ خواهد شد و بتن باکیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تائید است. هم‌اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم‌به‌اسید برای بر‌ج‌های خنک‌کننده نیروگاه نیز به کار گرفته‌شده ‌که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم‌به‌اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارندِ آلی توليد شوند
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش‌یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، ساز‌ه‌های پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیرساخت‌های ساز‌ه‌ای امکان می‌یابد
:تیجه گیری
فناوری نانو کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف پیداکرده است که باید به‌عنوان یک مقوله بلندمدت به آن نگریست. این فناوری همانند سایر فناوری‌ها می‌تواند علاوه بر سوددهی و مفید واقع‌شدن، خطرات و ریسک‌هایی نیز داشته باشد که باید به این موضوع نیز توجه کافی شود