نانو مکانیک چیست؟
نانو مکانیک شاخه ای از علوم نانو است که کاربرد خواص فیزیکی مکانیکی (کششی، حرارتی و جنبشی) سیستم های فیزیکی را در مقیاس نانومتری مطالعه می کند.
این فراورده ی نانو ، بر روی مجموعه مکانیک کلاسیک، فیزیک حالت جامد، مکانیک آماری، علوم مواد و شیمی کوانتومی ظهور کرده است.
در نانو مکانیک شاخه‌ای از علم نوین نانو است که مشخصات بنیادی مکانیکی سیستم از قبیل الاستیسیته، گرما و بر هم نهی (Superposition) از اجزا را در مقیاس نانو در علم روز بررسی می‌کند.
ساختار نانو مکانیک برپایه چیست؟
نانو مکانیک از تلفیق علوم مکانیک کلاسیک، فیزیک حالت جامد، مکانیک آماری، علم مواد و شیمی کوانتوم به وجود می‌آید. اصول مورد استفاده در نانو مکانیک اساساً شامل اصول مکانیک عمومی میباشد که شامل موارد زیر میشوند:
1) اصول تبدیل مومنتوم و انرژی
2) اصول مکانیک همیلتونی
3) اصول تقارن
با این وجود به دلیل کوچک بودن فیزیک مسئله مواردی نظیر:
1) گسسته سازی شکل مورد بررسی در هنگامی که ابعاد جسم در مقایسه با فاصله‌های بین اتمی قابل ملاحظه باشد
2) زیاد بودن تعداد درجات آزادی جسم
3) مهم بودن اغتشاشات گرمایی
4) مهم بودن اثرات آنتروپی
5) مهم بودن اثرات کوانتوم نیز بررسی میشوند.
تمرکز نانو مکانیک بر چیست؟
نانو مکانیک روی ویژگی های مکانیکی نانو سیستم ها و نانو ساختارهای مهندسی تمرکز دارد. این سیستم ها شامل موارد زیر میشود:
- نانو ذرات (Nanoparticle)
- نانو پودرها (Nano powders)
- نانو میله ها (Nanowire )،
- نانو نوارها (Nano rods )،
- نانو لوله های کربنی (Carbon Nanotubes) ،
- نانولوله های نیتریدبور (Boron Nitride Nanotube )،
- نانو پوسته ها (Nano shell )،
- نانو موتورها (Nano motor)
نانو مکانیک چه کاربردهایی دارد؟
برخی از زمینه های پرکاربرد نانو مکانیک شامل سه حوزه زیر میباشند که در ادامه هر کدام را جداگانه توضیح میدهیم.
1) نانوسیالات
2) نانو ترایبولوژی
3) سیستم های نانو الکترومکانیک میباشند.
نانو سیالات
یکی از محدودیت های اساسی در پیشرفت مبدل‌های حرارتی ضریب انتقال حرارتی بسیار پایین سیالات عامل بکار رفته ( نظیر آب، روغن و ..) در آن‌ها بود. مطالعات نشان داد که به‌کارگیری ذرات جامد فلزی و غیرفلزی در این سیالات می توانست به نحوی چشم‌گیر ضریب انتقال حرارتی آن ها را افزایش دهد. نانو سیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل میشوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاربردهای صنعتی هستند.
اندازه ذرات مورد استفاده در نانو سیالات از ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر است. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس، نقره و یا اکسید فلزی همچون آلومینیوم اکسید و اکسید مس و… هستند.
سیالات متداولی که در زمینه انتقال حرارت استفاده میشوند ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. ذرات نانو به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی‌شان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب میشود، می‌گردند.
از اساسی ترین کاربردهای نانوسیالات میتوان به کاربرد در مبدل های حرارتی، حمل و نقل، سرمایش سیستم های الکترونیکی، سیستم های گرمایشی و مطبوع و پزشکی ( حمل دارو در بدن) اشاره کرد.
نانوترایبولوژی: آینده‌ای با قطعات بی‌نیاز به تعویض
در صورتی که شما یک خودروی تازه‌خریداری شده دارید که برای یک دوره‌ی 10 ساله نیازی به تعویض روغن یا گریس نداشته باشد، باید بدانید این اتومبیل از نانومواد ساخته‌شده است. نانوترایبولوژی علمی است که با استفاده از مواد نانو، اصطکاک و سایش قطعات را به حداقل می‌رساند و در نتیجه ماندگاری و عملکرد بیشتری را برای این قطعات ایجاد می‌کند. با ورود این تکنولوژی به بازار، تغییرات و نوآوری‌های زیادی در حوزه‌ی خودروسازی و صنایع مختلف پیش‌بینی میشود.
ترایبولوژی: دیدگاهی به تعامل سطحی و حرکت
ترایبولوژی علمی است که مطالعه‌ی تعامل سطحی و حرکتی را می‌پردازد. این زمینه به بررسی اصطکاک، روانایی و سایش میان سطوح مختلف می‌پردازد. این حوزه که از تلاقی مهندسی مکانیک و دانش مواد به وجود آمده، در سال 1964 توسط دیوید تابور به عنوان یکی از شاخه‌های نوظهور و اساسی در علم معرفی شد.
نانوترایبولوژی: نگاهی به اصطکاک در مقیاس نانو
نانوترایبولوژی شاخه‌ای از ترایبولوژی است که به مطالعه‌ی پدیده‌های اصطکاک در مقیاس نانو اختصاص دارد. تفاوت اساسی این دو در واقع از تعامل نیروهای اتمی در تعیین رفتار نهایی سیستم ناشی میشود. هدف نهایی نانوترایبولوژی، به‌دست‌آوردن سطوح روانکاری بدون نیاز به تعویض یا ترمیم است.
سیستم‌های نانوالکترومکانیک: کوچک‌ترین عجایب تکنولوژی
در دهه 1950، فیزیکدانی به نام ریچارد فاینمن با ایجاد یک جایزه 1000 دلاری برای اولین فرد موفق در ساخت موتور الکتریکی با ابعاد کوچک‌تر از 1 اینچ (2.54 سانتیمتر) توجه عموم را به این زمینه جلب کرد. ویلیام مک‌لیلن با تلاش و پشتکار فراوان، با استفاده از یک انبر دستی و میکروسکوپ، این کار را انجام داد.
این ابتکار، پایه‌گذاری جریان گسترده‌تری از دانش بود که در نهایت به تولید سیستم‌های نانوالکترومکانیک (NEMS) منجر شد. نانوالکترومکانیک تمرکز خود را بر روی ساخت دستگاه‌هایی با ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی در ابعاد نانو قرار داد. این سیستم‌ها ادوات متنوعی از جمله حسگرها، محرک‌ها و اقلام دیگر را شامل میشوند که خواص منحصربه‌فردی نظیر قدرت الکتریکی بالا را دارا میباشند. توقع می‌رود با رشد چشمگیری که از نرخ ناخالص سالانه 29.69 درصد برای بازار NEMS تا سال 2022 پیش‌بینی شده، ارزش جهانی این صنعت به 108.88 میلیون دلار افزایش یابد.