|
حسگر چیست؟
حسگریک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند. ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت .
ساختار کلی یک حسگر:
درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.
خصوصیات حسگرها:
یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :
1 . سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3 . قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( درحد میلی ثانیه ).
6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و …
نانوحسگرها:
با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکسالعمل نشان می دهند.
انواع نانو حسگرها:
نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:
1. استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:
نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.
2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:
نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.
به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.
ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:
هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
3. استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.
نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا:
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت.
از نمونه های کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو می پردازيم:
• نانوکامپوزيت ها
مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمينه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد.
يکی از گسترده ترين کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزيت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزيت ها، ذرات بسيار ريز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزين را بسيار بالا می برند، جايگزين مواد مرسوم مانند ميکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ويژگی های فيزيکی بهتر، اين کامپوزيت ها دارای دو برتری ديگر نيز می باشند:
نخست اينکه نانوذرات با ايجاد ماتريکس (زمينه) يکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زيبايی بيشتر را فراهم می کنند و بنابراين نانو کامپوزيت ها سطح زيبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.
همچنين نانوکامپوزيت ها به دليل نياز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بيست درصد نسبت به کامپوزيت های رايج سبک ترند.
• اثر نيلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تميز شونده
يکی از شناخته شده ترين مزيت های فناوری نانو اثر نيلوفری ست که سطوح خود تميز شونده را امکان پذير می سازد. به سبب ساختار بسيار صاف و يکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند.
بنابراين اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسيار صاف و صيقلی (در مقياس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنين آب روی آنها باقی نخواهد ماند.
رنگ ها و پوشش های سقف خودرو که اين اصل طبيعی را به کار می برند امروزه در بازار موجود می باشند. ساختار نانويي اين سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسيار ريز آب نيز جلوگيری می کند. همچنين رينگ های خود تميز شونده نيز با استفاده از اين ويژگی در حال توليد هستند.
همچنين پوشش نانويی در حال توليد است که با اضافه کردن آن به سطح شيشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی های بسيار ريز سطح شيشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ايجاد می کند و در نتيجه قطرات ريز آب و گرد و غبار روی شيشه باقی نمی ماند و بنابراين موجب افزايش ديد راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نياز کمتر به شستشوی شيشه و همچنين بهبود ديد در شب در نتيجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.
• شيشه های نوين با توانايی بازتاب پرتو فروسرخ
نمونه ای ديگر از کاربرد های نانوفناوری در صنعت شيشه خودرو، شيشه هايی با قابليت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشيد می باشد. به اين گونه که يک لايه بسيار نازک از نانوذرات بين دو لايه ی شيشه قرار گرفته اند که وظيفه آنها بازتاباندن پرتو فرو سرخ نور خورشيد و در نتيجه جلوگيری از گرم شدن زياد داخل خودرو می باشد.
• مبدل های کاتاليستی
همانطور که می دانید اگر احتراق به طور کامل و ايده آل رخ دهد خروجیهای حاصل از آن، آب، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) می باشد و اگر احتراق در شرایط ايده آل رخ ندهد مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته و.... در اینصورت خروجیهای حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونو اکسید کربن (CO)، گروه گازهای (NOx) و هیدروکربنهای نسوخته (CH) می باشند. وظيفه مبدل کاتاليستی که در مسير گازهای خروجی از موتور قرار می گيرد اين است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.
يکی از ويژگی های نانوذرات که در توليد مبدل های کاتاليستی استفاده شده چنين است: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزايش تعدادشان (به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند) افزايش می يابد. يک دسته از واکنش های شيميايی روی سطح کاتاليست ها رخ می دهند و بنابراين سطح تماس بيشتر، کاتاليست فعال تری را موجب می شود. از اين رو به کارگيری نانوذرات در مبدل های کاتاليستی منجر به توليد مبدل های موثر تر خواهد شد.
|
ضرورت بکارگيری فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنايع غذایی:
طبق آخرين گزارش سازمان ملل متحد ، حدود 800 میلیون نفر از جمعيت جهان دچار فقر غذايی هستند ، شمار افراد قرار گرفته در زير خط فقر (از نظر تامین انرژی مورد نياز روزانه ی بدن) روز به روز در حال افزايش است.
جديد ترين پيش بینی ها حاکی از آن است که اين آمار تا سال 2020 ميلادی به رقمی بالغ بر یک میليارد نفر خواهد رسيد و اين بدان معنا ست که حفظ نوع بشر در بلند مدت و نجات خيل عظيم انسان ها از خطر گرسنگی ، نيازمند توجه ويژه ی متخصصان و سياست مداران امروز جهان به توسعه ی پایدار و همه جانبه ی صنعت کشاورزی است.
همان طور که می دانيد ورود نسل اول فناوری ها به عرصه ی کشاورزی ، در چند دهه ی گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از کشاورزی سنتی به کشاورزی صنعتی گرديد ، در اين دوره افزايش چشمگيری در کيفيت و کميت محصولات کشاورزی صورت گرفت که البته در کنار آن استفاده ی بی رويه از منابع مشکلاتی را نيز در پی داشت.
اکنون با گذشت سالها از وقوع انقلاب سبز و کاهش مجدد نسبت رشد توليدات کشاورزی به جمعيت جهان ، لزوم به کارگيری فناوری های جديد در صنعت کشاورزی پیش از هر زمان ديگری آشکار است.
در اين بين فناوری نانو به عنوان يک فناوری بین رشته ای و پيشتاز رفع مشکلات و کمبود ها در بسیاری از عرصه های علمی و صنعتی ، به خوبی جايگاه خود را در علوم کشاورزی و صنايع وابسته آن به اثبات رسانيده است. فناوری نانو کاربرد های وسيعی در همه مراحل توليد ، فراوری ، نگهداری ، بسته بندی و انتقال توليدات کشاورزی دارد.
ورود فناوری نانو به صنعت کشاورزی و صنايع غذایی متضمن افزايش ميزان توليدات و کيفيت آن ها ، در کنار حفظ محيط زيست و منابع کره ی زمين می باشد.
در ادامه نگاهی دقيق تر به کاربرد های گسترده ی فناوری نانو در هريک از زير شاخه های صنعت کشاورزی داريم.
کاربردهای نانو در زراعت :
- کشاورزی دقيق (خاص مکانی)
بطور كلی كشاورزی دقيق يك نوع نگرش جديد در مديريت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص می شود كه هر قسمت كوچك از مزرعه به چه ميزان عناصر غذائی و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگی محيط زيست جلوگيریکرده ، سلامت محصولات و افزايش بازده اقتصادی راممكن می سازد.
نانو سنسور ها می توانند با کنترل دقيق وگزارش دهی به موقع نياز های گياهان به مرکز پردازش اطلاعات سيستم را در نگهداری محصولات ياری نمايد.
- ايجاد گلخانههاي كمهزينهتر با هدف صرفهجويي در مصرف انرژي و دوام بيشتر در برابر رطوبت
ساختارهاي نانويي مي توانند گلخانه هايي در حجم كم اما انبوه پديد آورند كه تقريباً با اندازه ای برابر 10 درصد كل مزارع زير كشت در حال حاضر ، مي توانند جمعيت كنوني جهان را تغذيه نمايند. در اين صورت ميليونها هكتار از زمين هاي كشاورزي به محيط هاي طبيعي براي سكونت حيوانات در سراسر جهان باز گردانده مي شوند .
کاربردهای نانو در اصلاح نباتات :
- انتقال ژن های مورد نظر به سلول های گياهی با استفاده از نانومواد
در اين روش از سامانه ی رسانش نانوذرات طلای پوشيده با DNA يا RNA بداخل سلول استفاده می شود.
- ساخت ابزارهاي جديد براي بيولوژي سلولي و مولكولي
اين ابزار ها جهت تعيين مولكولهاي خاص ، شناسايي و جداسازی آن ها استفاده می شوند و کاربری بسياری دارند که از این بين می توان به موارد زير اشاره کرد ؛
تكنولوژي و علم توليد مثل ، اصلاح نژاد حيوانات و گياهان ، تبديل ضايعات به انرژي و محصولات جانبي مفيد و علم و تكنولوژي كودسازي
- اصلاح بذور به شيوه اتمی
کاربردهای نانو در توليد سموم و کود های موثر و کم خطر :
ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد ، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان ، آن را در معرض انواع بیماری های استنشاقی قرار می دهد ، تحولات نانوفناوری ، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی ، معضلات ناشی از این سموم را رفع می کند و آنها را به محصولاتی کاملاً مفید تبدیل می کند.
- توليد سموم و كودهاي شيميایي با استفاده از نانوذرات و نانوكپسول ها
اين نسل از سموم و کود ها قابليت رهايش كنترل شده يا تاخيري ، جذب و تاثيرگذاري بيشتر و سازگاری با محيط زيست را دارا هستند.
- تولید كريستالهاي نانویی جهت افزایش كارايي استفاده از آفتكشها
استفاده از كريستالهاي نانویی امکان كاربرد آفتكشها با دُز هاي كمتر را فراهم می آورد و اين یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکيبات خطرناک به طبيعت.
-توليد نانوکودها (Nanofertilizers)
اين ترکيبات نانويی به سرعت و به صورت کامل جذب گياه شده و به خوبی نيازها و کمبود های غذايی آن را مرتفع می سازد.
کاربردهای نانو در گیاه پزشکی :
- کنترل فعاليت های اجزای سلولی گياهان بدون آسيب رسانی به آنها
شيوه های کنونی برای بررسی سلول ها بسيار ابتدايی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می افتد ناگريزند سلول ها را از هم بشکافند و در اين حال بسياری از اطلاعات مهم مربوط به سيالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بين می رود. پيشرفت های نانوفناوری بطور خاص مطالعات بنيادی زيست شناسی را تقويت خواهد کرد. 
محققان اميدوارند در آينده ای نه چندان دور با استفاده از نانوفناوری موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود در آورند.
هم اکنون گام های بلندی در اين زمینه برداشته شده ، به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئین ها و مولکول D.N.A را در درون سلول کنترل کنند.
به کمک نانوفناوری روش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mR.N.A سلولهای زنده بدون مرگ یا تخریب آنها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است.
- حسگرهاي هوشمند و سيستمهاي حمل هوشمند
به منظور رديابي و مبارزه ی سريع و مفيد با ويروسها و ساير عوامل بيماریزا گياهي به کار می روند.
- تيمار مولكولي بيماريها، رديابي سريع بيماريها، افزايش توانمندي گياهان براي جذب مواد مورد نياز
کاربردهای نانو در تصفيه ی آب و ادوات آبياری:
- نمک زدایی و تصفیه ی اقتصادی تر آبها جهت شرب و کشاورزی
سازمان ملل پیش بینی کرده که در سال 2025 ميلادی ، 48 کشور جهان (معادل 32% جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی می شوند، تخلیص و نمک زدایی آب به کمک نانوفناوری از زمینه های مورد توجه در دفاع پیشگیرانه و امنیت زیست محیطی است.
سامانه های نانويی طراحی شده می توانند آب دریا را با صرف انرژی 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطیر،نمک زدایی کنند.
استقاده از نانو ذرات و نانوفیلترها امکان تصفیه و بهسازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم می کند همچنين استفاده از نانو فیلترها در حذف آلودگیهای میکروبی آب (Bioremediation) کاربری گسترده ای دارد.
- بي خطر ساختن مواد آلاينده آب و خاک و قابليت بازيافت آنها
- ساخت سوپر جاذبهاي آب از پليمرها و مواد کامپوزيت
اين مواد به منظور ذخيره و حفظ رطوبت بيشتر در خاک طراحی گرديده اند و استفاده از آنها به ويژه در مناطق خشک و کم آب در افزايش ميزان عملکرد بسيار مفيد خواهد بود.
- ساخت مواد پوششي جديد و کارا براي پوشش درون لوله هاي فلزي
این مواد پوششی به منظور جلوگيري از خوردگي ناشي از سيالات و کاهش زبري جداره لوله ها به کار می روند.
- بکار گيري پليمرهاو مواد کامپوزيت براي توليد انواع قطره چکان
قطره چکان هاي ساخته شده با اين مواد قابليت تنظيم دقيق فشار آب را دارند همچنين به واسطه ی نوع مواد اولیه ی مورد استفاده اين قطره چکان ها نسبت به نفوذ ريشه گياه مقاوم هستند.
کاربرد های فناوری نانو در حوزه های زراعت ، اصلاح نباتات ، توليد سموم و کود ، گياه پزشکی و آبياری در اين مقاله بررسی گرديد ، اميد که مطالب ارائه شده مورد استفاده ی علاقمندان اين فناوری نوين قرار گرفته باشد.
در ادامه ی مقالات بررسی کاربرد های فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنايع غذایی ، به کاربری نانو در حوزه های خاکشناسی ، ماشين آلات کشاورزي ، صنايع غذايي ، علوم دامی و شاخه ی مهم و پر اهميت ذخیره سازی و انتقال توليدات کشاورزی و صنايع غذایی می پردازيم.
پیشرفت بشر در انواع فناوریها موجب گردیده که بسیاری از مسائل پیچیده حتی مسائلی که آنها برای بشر یک آرزو به حساب میآیند، با فناوریهای جدید قابل گردد. ریز فناوری ، فناوری جدیدی است که کاربردهای گستردهای در تمامی حیطههای زندگی خواهد داشت. اکثر دانشمندان معتقدند که پیشرفت و سهولت در زندگی از نتایج بکار گیری ریز فناوری خواهد بود. صنعت هوا - فضا نیز با تأثیر پذیری از ریز فناوری به پیشرفتهای فراوانی رسیده است. بیشتر کسانیکه به هوا - فضا علاقه دارند، به ریز فناوری نیز علاقمند هستند و برای آنها جذابیتهای خاص خود را دارد.
ریز فناوری از فناوریهای جدید است که از آن به عنوان عامل تغییر در روش تولید مواد یاد میشود. تولید سبکتر ، قویتر که دارای عمر مفید طولانی نیز هستند حاصل این فناوری است. دانش عظیم ریز فناوری روز به روز در حال پیشرفت است و چند وقت یکبار پدیدهای جدید با ویژگیهای منحصر به فردی را به جهان فناوری تقدیم میکند. ریز فناوری یکی از مؤثرترین عوامل پیشرفت صنعت هوا - فضا در سالهای اخیر است. ریز فناوری نیز یکی از مؤثرترین عوامل پیشرفت صنعت هوا - فضا در سالهای اخیر است؛ از اینرو کشورهای پیشرفته و برخی از کشورهای در حال توسعه ، سرمایه گذاریهای زیادی در استفاده از ریز فناوری در صنعت هوا - فضا انجام دادهاند.
 |
ریز فناوری چیست؟
ریچادر فاینمن اولین کسی بود که اعتقاد داشت روزی مواد و اشیاء با ویژگیهای اتمی ساخته خواهند شد. او میگفت قوانین فیزیکی هیچگاه بر غیر ممکن بودن ساخت اشیاء با مدل اتمی و با دقت زیاد دلالت نمیکنند. ریز فناوری از فناوریهای جدیدی است که از آن به عنوان عامل تغییر در روش تولید مواد یاد میشود. این فناوری ، مواد را در مقیاس یک میلیونیم متر (یعین مساوی 109-) کنترل و تولید میکند. توانمندی ساخت اجزای با مقیاسهای کنترل شده و ترکیب آنها برای تولید ساختارهای بزرگتر با خواص بسیار عجیب و البته مفید از ویژگیهایی است که این فناوری را در سطح اول بیشتر مباحث به روز علمی جهان قرار داده است.
مواد جدید و اشیای پیشرفته ساخته شده بوسیله این فناوری ، دارای ویژگیهای منحصر به فردی هستند که قابلیت حل بسیاری از مشکلات و مباحث جهان فناوری را دارند. تولید مواد سبکتر ، قویتر ، که دارای عمر مفید طولانیتر ستند حاصل این فناوری است. با وجود ریز فناوری ، میتوان پیش بینی کرد مسائل غیر قابل حل بیشتری بزودی حل شود. این دانش عظیم روز به رز در حال پیشرفت است و هر چند وقت یکبار پدیدهای جدید با ویگیهای منحصر به فردی را به جهان فناوری تقدیم میکند. برخی معتقد هستند ریز فناوری علم فهم و کنترل مواد در ابعاد تقریبی 11 تا 100 نانومتر است، ولی برخی دیگر به ابعاد کوچکتر نیز فکر میکنند یک نانومتر در حدود یک صد هزارم ضخامت یک برگ کاغذ معمولی است و این معادل 10 برابر طول یک اتم هیدروژن است.
استفاده از ریزفناوری در صنعت هوا - فضا
ریزفناوری توان زیادی برای افزایش اعتبار و کارایی سخت افزارهای هوا - فضایی دارد. نیروی زیاد ، وزن کم ، عمر طولانی و موادی با کاربردهای بیشتر و هزینه کمتر ، ویژگیهایی هستند که عامل پیشرفت هر چه سریعتر علم هوا - فضا و رفع مشکلات موجود در این صنعت خواهد شد. دانش هوا - فضا یکی از دانشهایی است که از سامانههای سریعتر و فشردهتر و سامانههای خودکار استقبال میکند. وسیلههای نقلیه هوایی و فضایی ، وسیلههای اکتشاف فضایی و هواپیماهای جاسوسی ، نمونههایی هستند که به چنین سامانههایی نیاز دارند. با جا دادن سامانههای الکترومغناطیسی در ساختاری به ابعاد نانو ، برای ماهوارههایی که در اطراف زمین در حال گردش هستند و با جستجوگران سیارهها در فضا با هزینههای کمتر کاربرد بیشتر از نتایج بکار گیری این فناوری است.
بسیاری از کشورهای پیشرفته و برخی از کشورهای در حال توسعه ، سرمایه گذاریهای زیادی در کاربرد ریز فناوری در صنعت هوا - فضا انجام دادهاند. در آمریکا در سالهای گذشته ، سرمایههای چند صد میلیون دلاری تحت عنوان ابتکار ملی ریز فناوری انجام شده است. البته ریز فناوری اهمیت بسیار زیادی نیز برای کشورهای اروپایی داشته است. ریز فناوری کاربردهای بیشتری نیز دارد. میدانیم که محیط فضا به دلیل فعل و انفعالات خاصی که در آن صورت میپذیرد، شرایط ویژهای را ایجاد میکند که نگرانیهایی نیز بوجود میآورد. فعالیتهایی که در سطح خورشید و ار سیارهها و ستارهها انجام میپذیرد موجب آن میشود که سطح بالایی از تشعشعها در فضا تولید شوند. این تشعشعها در مخابره امواج رادیویی و شبکههای برق کره زمین اختلال بوجود میآورند. حتی در برخی موارد موجب واپاشی مدار ماهوارهها میگردد.
این تشعشعها برای فضانوردان و تجهیزات فضایی نیز مشکلاتی بوجود میآورد. به ویژه آن دسته از فضانوردانی که مدتهای طولانی در فضا میمانند، در معرض بیماری گوناگون قرار میگیرند. با استفاده از ریز فناوری امکاناتی بوجود آمده که قادر است اکثر این مشکلات را حل کند. ریز فناوری پزشکی و درمانی نیز برای فضانوردان تسهیلات ویژهای فراهم نموده است. شناسایی منظومه شمسی به کمک ریز فناوری بسیاری از مجهولهای جهان علم را کشف خواهد کرد و این در صورتی قابل اجراست که تعداد بیشتری فضاپیمای کم هزینه ، با وزن سبک و امکانات بیشتر تولید و به فضا پرتاب شوند.
در آینده نه چندان دور ، حسگرهایی به اندازه مولکول ساخته خواهند شد. به محض مشاهده کوچکترین علائم بیماری ، حتی قبل از بروز علائم ظاهری ، سلولهای بدن فضانوردان توسط همین ریز حسگرها برانگیخته خواهند شد. ریز فناوری پزشکی و درمانی نیز برای فضانوردان تسهیلات ویژهای فراهم نموده است. یکی از هدفهای مهم و اصلی ، افزایش امکانات فضا هواپیماها و کاهش وزن سامانههای فضایی است. ساخت فضاپیماهای سبک ، قوی و مقاوم در برابر تشعشعات فضایی با چنین موادی امکان پذیر شده است.
 |
پژوهش ریز فناوری در ناسا
در سالهای اخیر مرکزهای پژوهشی فراوانی در موضوع بکار گیری ریز فناوری در صنعت هوا - فضا به ویژه در ناسا بوجود آمده است. بخشهای پژوهشی ریز ناوری ناسا و سرمایههای مربوط به آن شامل موارد زیر است:
-
تحقیقات در زمینه ی مواد توسط آزمایشگاهی لانگلی با سرمایه گذاری 11 میلیون دلار
-
تحقیقات ر زمینه ی الکترونیکو داده پردازی توسط آزمایشگاه ایمز با سرمایه گذاری 15 میلیون دلار
-
تحقیقات در زمینه ی حسگرها و اجزا توسط آزمایشگاه رانش جت با سرمایه گذاری 10 میلیون دلار
بسیاری از مطالعات ریز فناوری ناسا دارای هدف بلند مدت میباشد. یکی از هدفهای مهم و اصلی ، افزایش امکانات فضاپیما و کاهش وزن سامانههای فضایی است. در صورتی که کارآیی این دستگاهها با کاربرد ریزفناوری بالاتر رود، مشکلات بیشتری در زمینه فضا حل خواهد شد. دسترسی بلند مدت پژوهشهای ریز فناوری ناسا حتی بیشتر از این است. ناسا سعی کرده است که با راهبردی موسوم به پایین به بالا روی این پایهای سرمایه گذاری کند. به پژوهش در زمینه ساختارها و سازههایی با ابعاد مولکولی پژوهشهای ریز فناوری مولکولی گفته میشود که ناسا سرمایه گذاری زیاد بر روی آن کرده است. پژوهش در زمینه ریز فناوری در ناسا -که آزمایشگاههای گوناگونی برای آن ایجاد شده- دارای بخشهای ویژهای است که مهمترین آنها عبارتند از:
-
ریز مواد: موادی با قدرت بسیار بالا و قابل برنامه ریزی.
-
ریز الکترونیکها ، داده پردازی ، سامانههای ارتباطی با مصرف انرژی کم.
-
ریز ابزارها برای کوچک سازی سامانههای فضایی و ... .
-
ریز فناوری زیست مولکولی ، سامانههای لب آن چیپ ، برای زیست درمانی و درمان فضانوردان بهصورت خود درمانی و ... .
از فعالیت سایر کشورها نیز میتوان کشورهای ارو1ایی و ژاپن را نام برد که به عنوان مال پروژه ریز ماهواره قرص سیلسیومی از پروژههای کشور ژاپن است.
نمونههای بکار گیری ریز فناوری در هوا - فضا
با کمک ریز فناوری ، سامانههای ویژه ای ایجاد شده و دستگاههای جدیدی ساخته شدهاند که هر کدام به عنوان راه حلی یا چند مشکل دیرینه موجود در صنعت هوافضا به حساب میآیند. برای شناخت بیشتر دستگاهها و فناوریهای بکار رفته در آنها به بررسی چند مورد میپردازیم:
پیلهای سوختی
پیلهای سوختی سامانههایی هستند که به علت دارا بودن توانایی ذاتی خاص و فشردگی و کم حجم به عنوان یکی از روشهای کار آمد برای تبادلهای انرژی شیمیایی در فضا مطرح میباشند. به علت عملکرد پاک این پیلها ، سرمایه گذاریهای زیاد برای تولید آنها انجام شده است. البته این پیلها کاربردهای دیگری نیز در وسایل نقلیه فضایی مثل تولید الکتروشیمیایی اکسیژن در ایستگاههای فضایی دارند.
ریزماهوارهها
همانطور که پیش از این توضیح داده شد محیط فضا به گونهای است که تشعشعهای صادر شده از آن ، به ویژه برای دستگاهها و انسانهایی که برای مدت طولانی در فضا میمانند زیان بار است. حتی مشکلات بیش تری هم وجود دارد که ریزفناوری ماهواره در حل این مشکلات نقشم مهمی بازی میکند. ماهواره ژنست-1 یک ریز ماهوره است که وزنی حدود 10 کیلوگرم دارد و از سه ماهواره مکعبی کوچکتر متصل به هم ساخته شده است. این ماهواره بسیار کوچک ، سریع و ارزان کارش مقابله با اثرات زیستی فضا است. ریزماهوره ژنست-1 در حال ساخت است و به زودی پرتاب خواهد شد. ناسا برای تولید این ریز ماهواره در 2.5 سال گذشته حدود 6 میلیون دلار هزینه کرده است.
ریز حسگرها
در آینده نه چندان دور ، حسگرهایی به اندازه مولکول ساخته خواهند شد. این ریز حسگرها داخل سلولهای بدن فضانوردان قرار میگیرند تا به محض احساس ضربات تشعشعهای فضایی ، هشدارهای لازم را جهت حفظ سلامت فضانوردان ارسال کنند. البته این فناوری هنوز هم جای پبشرفت دارد و دانشمندان و محققان ناسا برای پیشرفت آن در حال کوشش هستند. وجود چنین حسگرهایی موجب افزایش ایمنی بدن فضانوردان خواهد شد، به گونهای که به محض مشاهده کوچکترین علایم بیماری زا ، حتی قبل از بروز علائم ظاهری ، سلولهای بدن فضانوردان توسط همین ریز حسگرها برانگیخته خواهند شد.
برای مثال وقتی که یک موتور بسیار کوچک ، ولی زیان بار ، در حال رشد در بدن فضانورد باشد، بلافاصله شناسایی و علائم لازم توسط ریز حسگرها ارسال خواهد شد. توانایی یافتن تغییرات میکروسکوپی داخل سلولها یک لطف بزرگ و پزشکی فضایی است. دانشمندان می خواهند هنگامی که بدن یک فضانورد در وضعیت بدی قرار گرفته، یا وقتی که فعالیت ویروس مهاجم در مراحل اولیه فعالیت است ریز حسگرها علایم لازم را ارسال کنند تا پیشگیریهای لازم صورت پذیرد. شاید وجود چنین امکاناتی گره گشای بسیاری از مشکلات فضانوردانی باشد که برای مدتهای طولانی در مریخ ، ماه و یا سایر سیارات ماندگار خواهند بود.
ریز لولههای کربنی
ریز لولههای کربنی نیز از دستاوردهای ریز فناوری هستند. این مواد بسیار سبک ، دارای قابلیتهای زیادی از جمله ذخیره انرژی زیاد و مقاوم به تشعشعات گوناگون هستند. یکی از محققان موفق به تولید ورقههای شفافی از ریز لوله کربنی شدهاند که از ورقههای فولادی هم وزن بسیار مستحکمتر میباشند. ریز لولههای کربنی ذرات بسیار کوچکی هم مانند رشتههای نامرئی هستند. میلیونها قطعه از این رشتههای نامرئی باهم ترکیب میشوند و مواد مفید و قابل مشاهدهای بوجود میآورند. خواص مفید مکانیکی و الکتریی زیادی در این مواد نهفته است که در صنعت فضا بسیار کاربرد دارند. به عنوان مثال ساخت فضاپیمای سبک ، قوی و مقاوم در برابر تشعشعهای فضایی با چنین موادی امکان پذیر شده است.
پرندههای جاسوسی کوچک (ریز پرندهها)
برای تولید پرندههای جاسوسی ، سرمایه گذاریهای زیادی انجام شده است. دانشمندان با الگو برداری از حرکات انواع پرندگان و حشرات در صدد تولید پرندههای جاسوسی کوچک موسوم به ریز پرنده هستند. ریز فناوری در تولید چنین موجودات ریز بسیار کاربرد دارد. محققان دانشگاه فلوریدا در پژوهشی که انجام دادهاند، موفق به ساخت یک هواپیمای جاسوسی شدهاند که از حرکات یک نوع پرنده دریایی تقلید میکند. این هواپیمای جاسوسی بدون سرنشین ، فقط 50 گرم وزن دارد و سازندگان این پرنده ترجیح میدهند برای کامل کردن آن از تجهیزاتی متشکل از ریز مواد ، ریز حسگرها و دیگر محصولات ریز فناوری استفاده کنند. این ریزپرنده قابلیت پرواز در مناطق تنگ را داشته و میتواند با توجه به وضعیتهای گوناگون ، حالت بالهایش را تغییر دهد. برای اعزام این پرنده چابک به مأموریتهای داخل شهر ، مجموعه کاملی از دوربینهای مجهز و کوچک نیز روی آن کار گذاشته خواهد شد
|
سر منشا ايده فن آوري نانو:
ايده فن آوري نانو از طرف ريچارد فاينمن در سال 1959 با طرح پنج سئوال كه در سمينار عنوان شد به ميان آمد.
پنج سئوال ريجارد فايمن به اين صورت بود:
1- آيا ميتوان اتمها را جابجا كرد؟(مثلا جاي اتم Aرا با اتم Bعوض كنيم.)
2- آيا ميشود ماشينهاي بسيار بسيار كوچك درست كرد؟(مثلا با چند اتم)
3- آيا ميتوانم سيم هايي درست كنيم كه از اتم ساخته شده باشند؟
(مثل دانه هاي تسبيح)
4- ايا ميتوانيم مغناطيس هايي كه تك حوزه اي هستند بسازيم؟
5- آيا قوانين فيزيك در برابر اين جزئيات مقاومت ميكند؟
پاسخ فايمن به چهار سئوال اول مثبت وبه سئوال پنج منفي بود با طرح اين سئوالات نانو تكنولوژي پايه ريزي شد با بيان اين سئوالات نانو تكنولوژي به شكل
زير تعريف شد:
هر ساختاري كه از تعداد قابل شمارش اتم يا مولكول تشكيل شده باشد. اگر موادي داشته باشيم كه در اندازه هاي نانومتري باشند خواص خاصي خواهند
داشت به عنوان مثال آلومينيوم مذاب وقتي به جامد تبديل ميشود زير ميكروسكوب ساختار ميكروني را نشان ميدهد ولي همين آلومينوم اگر داراي زير دانه
هاي نانو متري باشد استحكام آن هفت برابر ميشود.
در اين تكنولوژي ميتوان با اعمال كنترل بر ساختار ماده فيزيكي در سطوح اتمي ومولكولي به مواد جديد دست يافت.دخالت در بافت اتمي باعث ايجاد ساختار
ديد ميشود اين ساختار جديد را مي توان به دو طريق به وجود آورد.
1- از بالا به پائين: يك ساختار ميكروني يعني يعني شامل ميليارد اتم را كوچك مي كنيم تا به ساختار ناتو برسيم.
2- از پائين به بالا : اتمها را كنار هم مي گذاريم تا به ساختار هزار اتمي برسيم.(كه در كشورهاي اروپائي وامريكا بيشتر رايج است
نگاهي به وضعيت جهاني نانو تكنولوژي:
بسياري از كشورهاي توسعه يافته ودر حال توسعه (در حدود 30 كشور) ،برنامه هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي وصنعتي نانو
تكنولوژي تدوين واجرا مي كنند .زيرا نانو تكنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع ،آينده اقتصادي كشورها وجايگاه آنها در جهان را تحت تاثير جدي
قرارخواهد داد .در بخشي از اين كشورها ،در يكي دو سال اخير تحركات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانو تكنولوژي صورت
گرفته وفعاليتهاي كه تا قبل از اين به صورت خود جوش توسط محققان انجام مي گرفته است ،با تشويق وحمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافته اند.
به عنوان نمونه ،دولت آمريكا در سال 1998با توجه وسيع محققان ودانشگاهيان ،گروه كاري بين بخشي علوم فناوري نانو را تشكيل داد. اين گروه در فوريه
2000 ،گزارشي با عنوان (پيشگامي ملي نانو تكنولوژي ،به سوي انقلاب صنعتي بعدي ) به رئيس جمهور نيز آن را به كنگره ارائه داد .بخشي از اين
گزارش صرف تهييج مسئولان آمريكا براي توجه جدي به اين موضوع شده است ،تا آنجا كه در صفحه 31 اين گزارش 101 صفحه اي عدم توجه به جنبه
هاي مهم اين كار از جمله جنبه هاي فرا بخشي آن مساوي با در معرض خطر قرار گرفتن ْينده اقتصادي ،كيفيت زندگي وامنيت ملي آمريكا دانسته شده است
يكي از بخشهاي فعال اين برنامه وزارت دفاع مي باشد، كه يك چهارم بودجه نيز به آن اختصاص يافته است.
محققان ژاپني از دهه 1970 ميلادي به صورت خود جوش در زمينه هاي تحقيقاتي نانو تكنولوژي وارد شده اند.تا آنجا كه كلمه نانو تكنولوژي نيز اول بار
توسط يك محقق ژاپني مورد استفاده قرار گرفت.دولت ژاپن اولين بار در ابتداي دهه 1991 بودجه اي را براي پشتيباني از اين تحقيقات اختصاص داد واين
روند ادامه يافت تا اينكه در سال 1997،مبلغ 120 ميليون دلار ودر سال 2001 ،بودجه 430 ميليون دلار به اين مهم اختصاص يافته است.
دولت كره جنوبي 5 زمينه فناوري را به عنوان صنايع نسل بعدي واولويت اين كشور اعلام نموده وبراي آنها تا سال 2005 مبلغ 10 تريليون ين معادل 8
ميليارد دلار اختصاص داده است .دولت كره جنوبي ،در زمينه نانو تكنولوژي پرورش 12600 كارشناس ومتخصص را در 10 سال آينده برنامه ريزي
نموده است وبا هدف تبديل شدن به پنجمين كشور پيشرفته دنيا در نانو تكنولوژي را فرصتي براي تبديل شدن كره به يكي از كشورهاي پيشرفته دانسته است.
| 
