مدفوع انسان حاوی مقدار قابل توجهی طلاست و قابلیت استخراج مقرون‌به‌صرفه را دارد.

طبق تحقیقی جدید که به تازگی در ۲۴۹امین گردهمایی بین‌المللی جامعه کیمیای آمریکایی‌ها در دنور ارائه شد، در مدفوع انسان ذرات کافی طلا وجود دارد که استخراج آن‌ها از امکانات فاضلاب شهری، مقرون به صرفه خواهد بود. مطمئناً شما به شوخی از توالت‌تان با عنوان «تخت پادشاهی» یاد می‌کنید، اما چه کسی می‌دانست که شما به شکلی دائمی در حال پر کردن آن با طلا بودید؟

نویسنده‌ی این مطالعه، «کاتلین اسمیت» از سازمان زمین‌شناسی آمریکا (USGS) گفت: «طلایی که ما یافتیم، در حد یک لایه معدنی ناچیز بود.» محققان USGS علاوه بر طلا، مقدار قابل توجهی نقره و فلزات کمیاب و باارزش زمینی، همچون پالادیم و وانادیم را در مدفوع یافتند. این گروه تحقیقاتی همچنین مقدار قابل ملاحظه‌ای از فلزات مضری را یافتند که آن‌ها به دلایل محیط زیستی، علاقمند به استخراج آن‌ها از فاضلاب بودند. اسمیت اظهار داشت: «فلزات را می‌توان در هر جایی یافت، در محصولات مراقبت از مو، پاک کننده‌ها و حتی ذرات نانو که به منظور اجتناب از بوی بد در جوراب‌ها گذاشته می‌شود.»

در دستگاه‌های فاضلاب، پساب تحت چند عملیات شیمیایی، زیستی و فیزیکی قرار می‌گیرد. محصول نهایی آب و لجن است. اسمیت گفت: «سالانه بیش از ۷ میلیون تن لجن از امکانات پساب آمریکایی‌ها خارج می‌شد. تقریباً نیمی از آن به‌عنوان کود برای مزارع و جنگل‌ها استفاده می‌شود، در حالی که ۵۰ درصد دیگر سوزانده می‌شود یا به محل دفن زباله فرستاده می‌شود.

رویکرد جدی و دوجانبه

گروه USGS اشاره کرد که استخراج این فلزات از لحاظ علمی فرآیندی فشرده خواهد بود. اسمیت گفت: «ما رویکرد دوجانبه‌ای داریم. در بخشی از این مطالعه، ما حذف فلزات کنترل شده‌ای از لجن را بررسی می‌کنیم که استفاده‌ی آن‌ها را برای کاربردهای کشاورزی، محدود می‌کنند.» او افزود: «در بخش دیگر پروژه، ما علاقمند به جمع‌آوری فلزات باارزشی هستیم که می‌توانند به فروش برسند؛ شامل برخی فلزات که به لحاظ تکنولوژیکی مهم‌تر هستند؛ همچون وانادیوم و مس که در گوشی‌های موبایل، کامپیوترها و آلیاژها یافت می‌شوند.»

این گروه تحقیقاتی اظهار داشت که آن‌ها در حال برنامه‌ریزی برای الگو قرار دادن عملیات معدن‌کاری صنعتی هستند و همچنین در حال استفاده از مواد شیمیایی به نام شیرابه هستند، تا فلزات را از سنگ‌ها بیرون بکشند. شیرابه‌ها به سمی بودن برای اکوسیستم مشهور هستند. اسمیت گفت: «با این حال شیرابه‌ها بدون هیچ خطری برای استخراج فلزات از ضایعات استفاده می‌شوند.» اسمیت هشدار داد که: «امکان فنی و اقتصادی بازیافت فلزات از لجن می‌بایست به‌صورت مورد به مورد بررسی شود.»
 

نوشته: بریت اسمیت

ترجمه: مینا آذری

منبع: redorbit.com

 

به‌زودی اینترنت جهانی پرسرعت در دسترس ما قرار خواهد گرفت.

پرتاب اخیر فالکون۹ متعلق به شرکت فضایی اسپیس‌ایکس از پایگاه کیپ کاناورال، تنها گام کوچکی برای پوشش اینترنت جهانی بود که ۶۰ ماهواره‌ی ویژه را در مدار زمین قرار داد. این پروژه که «استارلینک» نام دارد، با هدف ارائه‌ی اینترنت جهانی و دسترس برای تمامی مردم جهان و رسیدن به افسانه‌ی اینترنت بدون‌مرز است. نخستین مجموعه‌ی این ماهواره‌ها، اولین بار توسط «ایلان ماسک» مدیرعامل شرکت اسپیس‌ایکس در نمایشگاه اخیر فالکون۹ رونمایی شد. مکعبی غول‌پیکر که می‌توانست تمام کپسول عریض فالکون۹ را پُر کند. این مکعب غول‌آسا، با پرتابی که خودروی تسلا رودستر در آن با فالکون هِوی به فضا پرتاب شد، تفاوت‌های زیادی داشت.

A view of SpaceX's first 60 Starlink satellites in orbit, still in stacked configuration, with the Earth as a brilliant blue backdrop on May 23, 2019.

هرکدام از ماهواره‌های استارلینک ۲۲۷ کیلوگرم وزن دارد که کل این مجموعه‌ی ۶۰تایی در برابر دو پرتاب قبلی که شامل ارسال ماهواره‌ی تل‌استار و ایریدیوم۸ می‌شدند، واقعاً شگفت‌آور بود. در نهایت، اسپیس‌ایکس قصد دارد نزدیک به ۱۲،۰۰۰ ماهواره را در قالب پروژه‌ی استارلینک به فضا پرتاب کند تا تمام اهداف اینترنت جهانی محقق شود. طبق توافق‌نامه‌ای که بین شرکت اسپیس‌ایکس و کمیسیون ارتباطات فدرال آمریکا صورت گرفته است، کل این پروژه در دو بخش کلی انجام می‌گیرد. یک بخش شامل ۴،۴۰۹ ماهواره در ارتفاع بالا و یک بخش شامل ۷،۵۱۸ ماهواره در ارتفاع پایین؛ اما مسئولان اسپیس‌ایکس این اطمینان را داده‌اند که این به معنی پوشش اینترنت برای تنها بخشی از سیاره‌ی زمین نیست و هر دو بخش هم‌دیگر را پوشش خواهند داد و این یک پروژهی جهانی است.

A train of SpaceX Starlink satellites are visible in the night sky in this still from a video captured by satellite tracker Marco Langbroek in Leiden, the Netherlands on May 24, 2019, just one day after SpaceX launched 60 of the Starlink internet communications satellites into orbit.

گفتنی است که عملیاتی شدن این پروژه، حدود شش سال طول می‌کشد و این ۶۰ ماهواره‌ی اولیه، همچنان در فاز آزمایشی هستند؛ به‌عبارتی دیگر این ماهواره‌ها برخی از ویژگی‌های نسخه‌های نهایی را ندارند. مثلاً هنوز قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر نیستند، اما می‌توانند با ایستگاه‌های زمینی ارتباط مستقیم برقرار کنند. ماسک در توئیتر خود نوشت: «تمامی ۶۰ ماهواره در مدار قرار گرفته‌اند و همگی به خوبی کار می‌کنند. آن‌ها فقط یک ساعت پس از پرتاب با زمین ارتباط آنلاین برقرار کردند.»

نوشته: طارق مالک
منبع: Space.Com

با این تصویر تایید شد که برشیت(برعشیت) سقوط کرده است؛ فرود نا موفق اسرائیل بر کره ماه!

طبق گفته‌ی ناسا، این تصاویر هوایی از منطقه‌ای است که ماه‌نشین برشیت در آن‌جا سقوط کرده است. این تصاویر پس از تلاش ناموفق اسرائیل برای فرود به روی ماه، گرفته شده است. فضاپیما فقط چند ثانیه قبل از تلاش برای نشستن بر روی یک دهانه‌ی آتشفشانی در منطقه‌ای به‌نام «دریای آرامش» اشتباه عمل کرده و سقوط کرده است. یک ماهواره‌ی ناسا به‌نام «LRO» در ۲۲ آوریل، با استفاده از یک سیستم سه‌بُعدی، از این سایت عکس گرفته است.

Left: Beresheet impact site. Right: An image processed to highlight changes near the landing site among photos taken before and after the landing, revealing a white impact halo. Other craters are visible in the right image because there is a slight change in lighting conditions among the before and after images. Scale bar is 100 meters. North is up. Both panels are 490 meters wide. NASA/GSFC/Arizona State University

تصاویر یک لکه با عرض ۱۰ متر را نشان می‌دهد که به‌نظر می‌رسد جایی است که برشیت سقوط کرده است و از ارتفاع ۹۰ کیلومتری از سطح ماه ثبت شده است. قسمت تیره‌تر آن کمتر از قسمت شفاف نور را بازتاب‌ می‌کند که نشان می‌دهد، این ناحیه به دلیل اینکه چیزی سطح ماه را خراشیده، تخریب شده است. کارشناسان فضایی خاطر نشان کردند که مشخص نیست، آیا برشیت یک دهانه ایجاد کرده است یا با توجه زاویه‌ی کم برخورد، جرم کم و سرعت کم فقط تخریبی سطحی، همچون خراشی از برخورد یک شهاب‌سنگ با اندازه‌ی یکسان با برشیت، ایجاد شده است. با این حال، ناسا به شدت تاکید می‌کند که نشانه‌های زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد این تخریب اثر ساخته‌ی دست بشر است، نه ناشی از برخورد شهاب‌سنگ!

یکی از کارشناسان ناسا می‌گوید: «در تمام این تصاویر، شامل تصویری که ۱۶روز قبل از پرتاب گرفته شد، ما فقط یک ویژگی از اندازه‌ای که برشیت ایجاد کرده، مشاهده کردیم. برای تخمین اندازه و شکل دهانه، شبیه‌سازی‌های ریاضی مورد استفاده قرار گرفت.»

اگر این ماموریت موفقیت‌آمیز می‌بود، برشیت اولین پروژه‌ی سرمایه‌گذاری خصوصی و عملیات فرود ماه‌نشین بود و اسرائیل اولین فرود بر روی ماه را تجربه می‌کرد. «موریس کان» رئیس شرکت خصوصی اسپیس‌آی‌ال می‌گوید: «ما در این پروژه شکست خوردیم، ولی قطعاً برای آن تلاش زیادی کرده‌ایم و من فکر می‌کنم دستیابی به موقعیتی که ما داریم، بسیار ارزشمند است. ما می‌توانیم به خود ببالیم، انسان گاهی برنده و گاهی بازنده است.»

اسرائیل امیدوار است که به‌عنوان چهارمین کشور که توانسته بر روی ماه فرود بیاید، به جمع چین، روسیه و آمریکا بپیوندد. 

فضاپیمای اسرائیلی «برعشیت» پنجشنبه ۲۲ حمل ۱۳۹۸ و ۱۱ اپریل ۲۰۱۹ در مرحله نهایی و به دنبال مشکلات فنی نتوانست با موفقیت بر سطح کره ماه بنشیند. به گزارش رویترز، دستگاه‌های مخابراتی و کنترل این فضاپیمای بدون سرنشین در مرحله پایانی برای فرود که در حدود ۲۱ دقیقه طول کشید، دچار اختلال شده بودند.

 

نوشته: مدیسون داپسیویچ در iflscience

استفاده‌از‌نانوذرات طلا برای‌ایجاد کوچکترین پکسل‌ها؛ پکسل‌های صفحه‌‌نمایش یک‌میلیون بار کوچکترمی‌شود

نانوپیکسل‌های ساخته شده توسط محققین دانشگاه کمبریج، یک میلیون بار از پیکسل‌های مورد استفاده در گوشی‌های هوشمند کوچک‌تر هستند. محققین نتایج این یافته‌ی خود را در مجله‌ی Science Advances به‌چاپ رسانده‌اند. این رویا همیشه وجود داشته است که بتوان توانایی تغییر رنگ پوست در اختاپوس و ماهی مرکب را شبیه‌سازی کرد و با این کار بتوان انسان‌ها و دیگر اجسام را نامرئی کرد، ولی ساختن صفحه نمایش‌های بزرگ و قابل انعطاف هنوز بسیار گران‌قیمت است؛ زیرا آن‌ها را باید از چندین لایه‌ با دقت بسیار بالا ساخت.

eNPoMs (electrochromic nanoparticle-on-mirror constructs) formed from gold nanoparticles encapsulated in a conductive polymer shell. Image credit: Hyeon-Ho Jeong & Jialong Peng / NanoPhotonics Cambridge

پیکسل‌هایی که پروفسور دانشگاه کمبریج «جرمی بومبرگ» و همکارانش ساخته‌اند، در مرکز خود دارای یک ذره‌ی کوچک طلایی هستند که عرض آن در حد چند نانومتر است. این ذره بر روی یک صفحه‌ی منعکس‌کننده قرار می‌گیرد و نورهای آن بین را گیر می‌اندازد. در اطراف هر یک از این ذرات یک پوشش چسبناک وجود دارد که در صورت بروز تغییرات الکتریکی از لحاظ شیمیایی تغییر می‌کند و باعث تغییر رنگ پیکسل در بازه‌ی طیف رنگ‌ها می‌شود.

دانشمندان این پیکسل‌ها را با پوشاندن دانه‌های طلا با استفاده از یک پلیمر فعال به‌نام «پلی‌آنیلین» ساخته‌اند و سپس آن‌ها را بر روی پلاستیک‌های قابل انعطاف پوشیده شده با آینه اسپری کرده‌اند و به این ترتیب، هزینه‌ی ساخت را بسیار پایین آورده‌اند. این پیکسل‌ها کوچک‌ترین پیکسل‌های ساخته شده تا کنون هستند و یک میلیون برابر کوچک‌تر از پیکسل‌های گوشی‌های هوشمند هستند. آن‌ها را می‌توان در نور خورشید دید، زیرا برای رنگی بودن خود نیاز به برق ندارند و بازده‌ی انرژی آن‌ها به نحوی است که ساختن آن‌ها در مقیاس‌های بزرگ را شدنی و پایدار می‌کند.

دکتر «هیون هو جیئونگ» از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «ما کار را با ریختن ذرات بر روی پاکت‌های آلومینیومی مواد غذایی شروع کردیم، ولی بعداً فهمیدیم که اسپری کردن راه سریع‌تری است. این ابزار در نانوتکنولوژی مرسوم نیستند، ولی این رویکردها برای ممکن کردن استفاده از این تکنولوژی‌ها به‌صورت پایدار لازم هستند. فیزیک عجیب و غریب نور در مقیاس نانو اجازه می‌دهد که نور تغییر حالت دهد؛ حتی اگر یک‌دهم لایه‌ی مورد استفاده توسط پیکسل‌های فعال ما پوشانده شده باشد.»

این پیکسل‌ها امکان کاربردهای زیادی مانند صفحه‌ نمایش‌های به بزرگی ساختمان‌ها، تولد معماری‌هایی که بتوانند گرمای خورشید را کم کنند، پوشش‌ها و لباس‌های استتار فعال و همین‌طور نشانگرهای ریز برای دستگاه‌های مربوط به اینترنت اشیا را دارا هستند.

نوشته: SciNews

دستگاه‌های ذخیره سازی انرژی air chargeable یون‌های جست؛ خازن‌ها و باتری‌های بهتری در راه است!

چگالی انرژی کم یک چالش اصلی برای باتری‌ها و خازن‌ها است. محققان دائما در حال توسعه مواد جدید برای افزایش تراکم انرژی دستگاه‌های ذخیره انرژی الکتریکی هستند. این رویکرد، با این حال، تراکم انرژی را با مقدار بسیار محدودی افزایش می‌دهد.

یک رویکرد جایگزین این است که عمر باتری‌ها و خازن‌ها را با ادغام فن‌آوری‌های تبدیل انرژی همراه با واحد‌های ذخیره سازی انرژی است، به طوری که آن‌ها خاصیت خودتبدیلی دارند. 

اخیرا، تعداد زیادی از سیستم‌های یکپارچه / مشترک که می‌توانند انرژی از محیط اطراف از جمله منابع طبیعی انرژی خورشیدی، حرارتی، باد و انرژی مکانیکی فعالیت‌های انسانی را برای جبران مصرف انرژی در دستگاه‌های ذخیره انرژی، بارگیری کنند، گزارش شده است. به عنوان مثال، سلول‌های خورشیدی و نانوژنراتورها به باتری‌ها و خازن‌ها متصل می‌شوند. با این‌حال، این انرژی‌های برداشت شده دارای تراکم، به سناریوی استفاده بسیار وابسته است. به عنوان مثال، سلول های خورشیدی می‌توانند به خوبی تحت اشعه نور شدید خورشید کار کنند، اما اغلب کاربران فقط نورمحیط داخلی را در دسترس دارند.

به همین ترتیب، نانو ژنراتورها تنها می‌توانند انرژی مکانیکی محیط را در حالت ورزشی بدست آورند، در حالی‌که اکثر مردم نیاز به کار بی سر و صدا دارند. بنابراین، بسیار مفید است که یک فناوری یا سیستم برداشت انرژی داشته باشید که دارای وابستگی کم به محیط و سناریوی و نوع استفاده‌ی آن باشد. ما یک سیستم یکپارچه از خازن / شارژر یون جست را  پیش‌نهاد می‌دهیم. با حذف انرژی از هوای فراگیر، یک خازن / باتری یون جست را می‌توانید به راحتی و بدون نیاز به استفاده از یک منبع انرژی اضافی به راحتی شارژ کنید.

این گروه یافته های خود را در مواد پیشرفته انرژی ("ذخیره سازی انرژی یون انعطاف پذیر انسولین "مستقل استفاده از سنسور مصرف") گزارش دادند.

شکل 1: معماری (a) نانو ژنراتور و (b) سلول خورشیدی سیستم شارژ خازن / باتری. (c) معماری طراحی شده و (d) نمودار انرژی خازن یون جست و "chargeable air". (تصویر: دانشگاه شهر هنگ کنگ.

این سیستم دارای ساختار ساده‌ای است که شامل یک الکترود دوتابعی انعطاف پذیر U-shaped (با عملکرد دوگانه برداشت و ذخیره انرژی)، یک الکترود فلز جست در وسط و دو پلی‌الکترولیت مختلف (PAM و PANa) بین  فلز جست و الکترود قرار گرفته است.  مفهوم طراحی این است که وقتی واحدی که کار می‌کند از کار بیفتد و هیچ منبع تامین کننده خارجی در دسترس نباشد، مولد جست - هوا  خود شارژ می‌شود، که می‌تواند واحد کار را برای تأمین عمر اضافی باتری فعال نگهدارد. هنگامی‌که نیروی خارجی در دسترس است، کل سیستم می‌تواند به‌طور کامل بهبود یابد.

هنگامی‌که دستگاه در معرض اتمسفر قرار می‌گیرد، واکنش ریدکشن O2 + 4e- → → 4 OH و واکنش اکسیدیشن Zn + 4OH- → Zn (OH) 42- + 2e در یک طرف حاوی PANa hydrogel  رخ می‌دهد، که منجر به پتانسیل بالایی از الکترود شکل نیمه "U" و پتانسیل پایین‌تر از الکترودهای فلز جست می‌گردد. شکاف ولتاژ جذب یون‌ها بر روی کاتود و رسوب Zn2 + بر روی انود خازن یون جست را به ترتیب هدایت می کند. ولتاژ شارژ برابر با شکاف بالقوه بین اکسیدیشن و ریدکشن، تقریبا 0.66 ولت است، زمانیکه الکترود هوا در معرض هوا قرار میگیرد.

هنگامی‌که خازن یون جست از کار می‌افد، ظرف مدت 10 دقیقه می‌توان آن را به سرعت 88 درصد افزایش داد و فقط یک عمل ساده باز کردن نوار آب‌بندی و اجازه انتشار هوا لازم است. فرایندهای خنک کننده "هوا - شارژ" 60 بار تکرار می‌شود و کل سیستم خوب کار می‌کند. هنگامی‌که یک منبع تغذیه خارجی در دسترس می‌شود، هر دو خازن یون جست و مولفه هوا - شارژ، می‌تواند به‌طور کامل بهبود یابد. مراحل بعدی در تحقیقات تیم این طراحی و مفهوم را به دیگر سیستم های ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی مانند باتری های یون لیتیوم، باتری های یون پتاشیم، باتری‌های یون سودیم، باتری‌های آلومینیومی و غیره گسترش خواهد داد.

 

نوشته شده توسط:  Longtao Ma، عضو گروه علممواد و مهندسی، دانشگاه شهر هنگ کنگ.

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

منبع: www.nanowerk.com

اولین کامپیوتر قابل برنامه ریزی DNA در اینجا است!

به گزارش  ساینس این کامپیوتر قادر به افشای تصاویر رمزشده بر روی تراشه‌های DNA است. اگرچه در گذشته نیز از DNA برای رمزگشایی استفاده می‌شده است ولی این اولین آزمایش تجربی رمزگشایی مولکولی تصویر برمبنای محاسبه DNA است. این گروه تحقیقاتی به جای استفاد از سخت افزار کامپیوتر یک سیستم محاسباتی طراحی کرده‌اند که در آن از بیومولکول استفاد شده است. 

اولین کامپیوتر قابل برنامه ریزی DNA در اینجا است. این پیشرفت فوق العاده می تواند قوانین محاسبات بیولوژیکی را بازنویسی کند.

یکی از محدودیت‌های جدی موجود برای کامپیوترهای بیولوژیک این بود که هیچکدام از کدهای برنامه‌ریزی شده‌ی دی‌ان‌ای را نمی‌توان به‌وسیله آن‌ها بازنویسی کرد. «دیوید داتی» دانشمند مرکز UC Davis ، به خبرگزاری‌ها گفته است که استفاده از یک کامپیوتر دی‌ان‌ای درست همانند ساخت یک کامپیوتر جدید از سخت‌افزارهای جدید است که فقط وظیفه‌ی اجرای یک قطعه‌ی جدید نرم‌افزاری را بر عهده داشته باشد. اما در حال حاضر، داتی و گروهش اولین کامپیوتر مبتنی بر دی‌ان‌ای را ساخته‌اند که به‌‌وسیله‌ی آن می‌توان هر رشته دی‌ان‌ای را بازنویسی کرد. این کشف می‌تواند انقلاب عظیمی را در نسل بعدی محاسبات بیولوژیک به‌وجود آورد.
همان‌طور که اخیراً در مجله‌ی Nature منتشر شد، داتی و دیگر دانشمندان مرکز  UC Davis یکی از موسسات فناوری کالیفرنیا و هاروارد، یک کامپیوتر مبتنی بر دی‌ان‌ای را با ۳۵۵ نوع مختلف دی‌ان‌ای طراحی کردند که می‌تواند با مدارهای موجود در کامپیوتر‌های معمولی مقایسه شود. در مقایسه با مدارهای دی‌ان‌ای موجود که فقط یک برنامه را اجرا می‌کنند، این گروه توانست کامپیوتر خود را به نحوی برنامه‌ریزی کند که ۲۱ برنامه‌ی مختلف، اعم از کارهای ساده‌ای مانند شمارش، انتخاب گزینه‌ها از فهرست و انتخاب یکی از آن دو را انجام دهد.

این کارها تنها کارهای اولیه‌ای هستند که برخی مجلات آن‌ها را به‌عنوان «نتایج زیبا، اما بی‌فایده» توصیف کرده، اما همین نتایج بی‌فایده می‌توانند زمینه‌ساز تولید نسل جدیدی از کامپیوترهای بیولوژیک قابل برنامه‌ریزی باشد.

استاندارد جدید

کامپیوتر‌های معمولی هنوز هم بر سیستم‌های مبتنی بر دی‌ان‌ای برتری دارند و بخشی از این برتری تنها به دلیل قدمت‌شان است. لپ‌تاپ شما سال‌ها و دهه‌ها رشد و توسعه را پشت سر گذاشته، بنابراین افرادی که برنامه‌های جدید را می‌نویسند، نیازی به مطالعه‌ی علم مواد، مدار و تمام رشته‌های مختلف دیگر که منجر به تولید اولین کامپیوترها شدند، ندارند. اما در تحقیقاتی نظیر تحقیقی که داتی و همکارانش انجام دادند، برنامه‌نویسان مولکولی می‌توانند با محدودیت‌های تخصصی‌ای مواجه شوند که برنامه‌نویسان کامپیوتری هرگز با آن‌ها برخورد نکرده‌اند.

به گفته مدیر این پروژه تحقیقاتی به طور کلی کامپیوتر از چهار بخش نرم افزار، سخت افزار، ورودی و خروجی تشکیل شده است. در کامپیوترهای سنتی یعنی همین تجهیزاتی که همه‌ما مورد استفاده قرار می‌دهیم ورودی و خروجی، سیگنال‌های الکترونیکی هستند. تجهیزات سخت افزاری شامل قطعات فلزی و پلاستیکی است و نرم افزار دنباله ای از دستورالعمل هاست که توسط سیگنال های الکترونیکی به ماشین داده می‌شود ولی هر چهار بخش کامپیوتر بیولوژیکی متشکل از مولکول است. 
در کامپیوتر بیولوژیکی تمام وظایف اعم از انتقال داده ها و پردازش اطلاعات به عهده مولکولهاست. دانشمندان بر این باورند که با توسعه این طرح می توان از آن در بدن موجودات زنده به هنگام اختلال در عملکرد مغز و سیستم اعصاب استفاده کرد.

 

مجله علمی ایلیاد
منبع: futurism.com

شنود مخفیانه از راه هارد دیسک؛ واقعا نا امید کننده است!

اگر قبلاً در مورد حملات کمپیوترهای مخرب نگرانی داشتید اکنون خبرهای ناخوشایندتری نیز در پیش است: راه‌های زیادی وجود دارد که در آن فناوری ما در مقابل حملات آسیب‌پذیر است؛ حملاتی که بر پایه‌ی فیزیک است تا نرم‌افزار. کوین فو (Kevin Fu)، متخصص رایانه از دانشگاه میشیگان و همکارانش چندین روش ناامیدکننده‌ یافته‌اند که می‌توان از آن‌ها برای دستگا‌ه‌های خانگی و قطعات الکترونیکی شخصی استفاده کرد. وی دو هفته پیش در کنفرانس انجمن آمریکایی پیشرفت علم (AAAS) در واشنگتن دی‌سی آخرین دستاورد ترسناک خود را گزارش داد: هارد دیسک کمپیوتر شما می‌تواند (بدون اینکه خودتان بدانید) برای ضبط صدای شما بکار رود.

حس‌گرها قطعاتی اساسی‌اند که همه جا حضور دارند؛ از دماسنج‌هایی که در فریزرهای نگهداری تخمک‌های انسانی گرفته تا شتاب‌سنج‌های کیسه‌های هوا و نمایش‌گرهای ولتاژ در دستگاه‌هایی که ضربان قلب را تنظیم می‌کنند. قطعاتی که این حس‌گرها را می‌خوانند تقریباً داده‌های آن‌ها را بدون چون و چرا قبول دارند اما فو و همکارانش مکرراً نشان داده‌اند که با استفاده‌ی دقیق از تداخل‌های الکترومغناطیسی و صوتی طراحی‌شده، یک مهاجم قادر است کنترل خروجی‌های حس‌گرها را بدست گیرد.

برای مثال این تیم نشان داده‌اند که با امواج الکترومغناطیسی متناسب می‌توان باعث شد تا یک دماسنج (حسگری که ولتاژی را برای نشان دادن دما تولید می‌کند) ۱۸۴۷ درجه فارنهایت را نشان دهد درحالی‌که عملاً در دمای اتاق قرار دارد! به طور مشابه آن‌ها حس‌گر ولتاژ را در یک ضربان‌ساز قلبی چنان دستکاری کرده‌اند تا سیگنال‌های غیردقیق نتیجه دهد.

این پژوهش‌گران یک آشوب اضافی با امواج صوتی تولید کرده‌اند تا نشان دهند که شتاب‌سنج‌ Fitbit ها، تلفن‌های همراه و دیگر قطعات آسیب‌پذیر هستند. در یک آزمایش آن‌ها نشان دادند که امواج صوتی با فرکانس بالای مشخصی می‌توانند فیت‌بیتی (مچ‌بندهایی دارای نشان‌گر تعداد قدم‌ها) را ایجاد کنند که گام‌هایی را بدون حرکت اضافه می‌کنند. در آزمونی دیگر آن‌ها از جبهه‌موج‌های آکوستیکی ویژه‌ای استفاده کرده‌اند تا گراف خروجی ولتاژ یک شتاب‌سنج را تحت فشار قرار دهند تا کلمه‌ی «WALNUT» را هجی کند. این جبهه‌ی موج حتی زمانی که موج، مخفیانه در یک آهنگ صوتی جاسازی شده است کار می‌کند بنابراین یک مهاجم می‌تواند شتاب‌سنج تلفن همراه شما را با گول زدن شما برای دیدن یک ویدیوی آنلاین کنترل کند.

آخرین حقه‌ی این تیم تبدیل یک درایو سخت به یک میکروفن است. آنها به سیستم بازخورد ضربه زدند؛ سیستمی که موقعیت سرخوان بالای دیسک مغناطیسی را کنترل می‌کند. هنگامی که سرخوان توسط امواج صوتی ضربه می‌خورد، این ارتعاش در سیگنال ولتاژ تولید شده توسط حس‌گرهای موقعیتِ درایو منعکس می‌شود. با خواندن این سیگنال، فو و همکارانش توانستند ضبط های با کیفیت بالا از افرادی که در نزدیکی درایو صحبت می‌کنند را تهیه کنند.

سرخوان در یک درایو سخت در حضور امواج صوتی ارتعاش پیدا می‌کند که می‌تواند به یک مهاجم از راه دور این امکان را بدهد تا به شنود صداها بپردازد!

این پژوهش‌گران در آزمونی دیگر نشان داده‌اند که موزیکی که در نزدیکی درایو باز می‌شود را می‌توان با کیفیت خوبی ضبط کرد طوری‌که برنامه‌ی Shazam که برای تشخیص موزیک بکار می‌رود، بتواند با موفقیت آهنگ را تشخیص دهد. بدافزارها می‌توانند از این فناوری برای ضبط صدا و سپس بارگزاری محرمانه آن در یک مکان دور استفاده کرده و بدون کاشتن میکروفن صدا را شنود کنند.

این تیم دفاع‌هایی را برای مقابله با این حملات، پیشنهاد داده‌اند اما فو هنوز نگران است. او عمدتاً از امنیت سیستم‌های وابسته به حس‌گری که تصمیمات مستقلی را اتخاذ می‌کند نگرانی دارد؛ مثل کنترل‌کننده‌های دما در آزمایشگاه‌های جنین، خودروهای بدون سرنشین و حتی فضاپیماها. به گفته‌ی وی: «ما فقط کورکورانه به این حس‌گرها اعتماد داریم. صنعت باید این تهدیدات را جدی‌تر بگیرد و متخصصین رایانه بایستی بیشتر وقت خود را در آزمایشگاه های فیزیک صرف کنند».

بهنام زینالوند فرزین - انجمن فیزیک ایران

منبع: physics.aps

ترکیب دو نانو قطره

شبیه‌سازی‌ها نشان داده است که قطراتِ در ابعاد نانو به شکلی زیپ‌مانند به واسطه‌ی امواج در ابعاد مولکولی با هم ترکیب می‌شوند.

 

قطرات کوچک مایع، از ابرها گرفته تا چاپگرهای سه‌بعدی طی هزاران فرآیند برای تشکیل قطرات بزرگ‌تر با هم ترکیب می‌شوند. با این وجود دانش‌مندان کاملاً نمی‌دانند که چه چیزی باعث این فرآیندها می‌شود. اکنون سهاری پروماناس (Sreehari Perumanath) و همکارانش از دانشگاه ادینبورگ در انگلستان شبیه‌سازی‌هایی را بر روی نانوقطرات به انجام رسانیده و نشان داده‌اند که حرکتی زیپ‌مانند از امواج، در طول سطح یک قطره می‌تواند عامل این فرآیند باشد. به گفته‌ی این تیم، با احتساب این فرآیندِ ادغام می‌توان پیش‌بینی‌های دقیق‌تری از طوفان‌ها فراهم کرد و برای مثال کنترل دقیق‌تری از جوهرها در فناوری‌های چاپ بدست آورد.

این تیم دو قطره‌ی خاصِ آب با قطر چند ده نانومتر را شبیه‌سازی کرده‌ و مشاهده کرده‌اند که امواج کوچک (به درازای تنها یک یا دو مولکول) در سرتاسر قطره مواج می‌شوند. این امواج به واسطه‌ی حرکت حرارتی مولکول‌های آب القا می‌شود. با آوردن این قطرات به نزدیکی هم طوری‌که قله‌ی دو موجِ مخالف به حدکافی بهم نزدیک باشد، این تیم دریافته‌اند که قطرات شروع به ادغام می‌کنند.

این ادغام زمانی شروع می‌شود که دو موج هم‌دیگر را ملاقات کرده و پلی را ایجاد کنند تا سطح قطرات بهم نزدیک‌تر شوند. سپس پل‌های دیگر در مجاورت آن تشکیل می‌شوند. این ترکیب‌شدن با پهن‌شدن پل‌ها و کشیده‌شدن دو قطره به سوی هم بحالتی که شبیه به بسته شدن یک زیپ است ادامه می‌یابد. این فرآیند وقتی پل‌ها پهن‌شده و گسترده‌تر و آمیخته می‌شوند به اتمام می‌رسد.

پل‌‌های مایع در ابعاد میکرو در آزمایش‌هایی شامل قطرات بزرگ‌تر و قطراتی که بهم ملحق شده، دیده شده است. اما اینکه این فرآیندها چگونه در نانوقطره‌ها آغاز می‌شود نامشخص بوده است، چون مشاهده‌ی امواج مولکولی و پل‌های کوچک با استفاده از آزمایش‌های موجود غیرممکن است. این تیم می‌گوید که یافته‌های آن‌ها می‌تواند چگونگیِ شروع این ترکیب در قطره‌های بزرگ‌تر را توضیح دهد.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

کاترین رایت ویراستار مجله‌ی فیزیک است.

 

بهنام زینال وند فرزین - انجمن فیزیک ایران

منبع: physics.aps

آسانسور فضایی و سفر به فضا با نانو فناوری؛ یوری آرتسوتانوف: "به کیهان توسط قطار الکتریکی"

عنوان ما امروز اشاره به مقاله 1960 یوری آرتسوتانوف در پراودا دارد: "به کیهان توسط قطار الکتریکی". این مقاله، پدربزرگ همه مفاهیم فضایی است و برای اولین بار پیش‌نهاد می‌کند که یک سیستم حمل و نقل مبتنی بر کابل می‌تواند جایگزین راکت برای راه‌اندازی انتقال مردم و حمل بار در فضا شود.

شکل شماتیک از یک آسانسور فضایی

یوری آرتسوتانوف نوشت: «یک قطعه تاری را بیاورید و یک سنگ را به آن وصل کنید. این زنجیره‌ای ساده شروع به چرخش می‌کند. تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز، سنگ سعی خواهد کرد که خود را دور بکشد و طناب را محکم ببندد. خوب، چه اتفاقی خواهد افتاد اگر یک طناب را به استوای زمین ببندیم و آن را به کیهان پرتاب کنیم و یک بار مناسب را به آن وصل کنیم؟ محاسبات نشان می‌دهد که اگر طناب به اندازه کافی بلند باشد، نیروی گریز از مرکز نیز آن را بیرون می‌کشد و اجازه نمی‌دهد که آن به زمین بیفتد، همانطور که تار به سنگ ما اجازه نمی‌دهد. در واقع، نیروی جاذبه زمین به نسبت مربع فاصله کاهش می‌یابد و نیروی گریز از مرکز با افزایش فاصله زیاد می‌شود. و در حال حاضر در فاصله ای نزدیک به 42،000 کیلومتر نیروی گریز از مرکز و نیروی گرانش زمین باهم برابر هستند. "اگر شما علاقه مند به یادگیری بیشتر در مورد پروژه آسانسور فضایی هستید، به این ویدیو نگاهی بیندازید و یا از پایگاه آسانسور صندوق فضایی 2010 دیدن کنید.

تنها مشکل ترین وظیفه در ساخت آسانسور فضایی، دستیابی به قدرت قوی نسبت به وزن مورد نیاز است، به عبارت دیگر، مشکل اصلی ما توسعه ماده‌ای است که به اندازه کافی قوی و سبک باشد تا بتواند تا فاصله 100،000 کیلومتر را پشتیبانی کند. به لطف فناوری نانو، این ماده در قالب نانولوله های کاربنی (CNTs) در اختیار ما قرار دارد. چالش پیش رو اما این است که این CNT های خام را به شکل مفید با یک نوار قابل صعود فضایی بپوشانیم. تبدیل نانولوله‌های کاربن به الیاف قابل استفاده تجاری، هنوز یکی از چالش‌های بسیار بزرگی است و محققان فناوری نانو در تلاش برای بهره برداری از خواص شگفت انگیز بسیاری از نانومواد هستند.

قبل از اینکه که ساختن فیزیکی یک کابل شروع شود و علیرغم موانع فنی زیادی برای ساخت یک کابل آسانسور فضایی، محققان باید مدل‌ها و شبیه‌سازی‌ها را برای شناسایی اندازه مناسب، شکل و میزان نقص برای چنین کابل های انجام دهند. دانشمندانِ Politecnico di Torino در ایتالیا اکنون یک روش عددی چند بعدی جدید برای شبیه‌سازی مکانیک کابل‌های ماکروسکوپی ساخته شده از نانولوله‌های کاربنی ایجاد کرده اند. دکتر نیکولا پوگنو به نانووِرک می‌گوید: «ما هزاران شبیه‌سازی تصادفی چند مرحله‌ای را انجام دادیم تا اینکه اولین آزمایشات کششی سیلیکانی مگاکابل‌های مبتنی بر CNT با طول‌های مختلف انجام شود. طولانی‌ترین کابل که تحت عمل قرار گرفته شده است مگا‌کابل آسانسور است، اما کابل‌های کوتاه‌تر و واقع‌گرایانه نیز در تحقیقات سطح پایین ما در نظر گرفته شده اند.»

دانشیار مکانیک ساختمانی، همراه با همکارانش دکتر آلبرتو کارپینتری و دکتر فدریکو بوسیا، برای اولین بار نشان داده اند که یک مدل کامپیوتری می‌تواند یک کابل CNT طولانی را شبیه‌سازی کند. آنها یافته‌های خود را در یک مقاله اخیر در Small ("شبیه‌سازی اتفاقی چند منظوره برای آزمایش کششی کابل‌های ماکروسکوپی مبتنی بر نانوذرات") گزارش دادند. محققان ایتالیایی شبیه‌سازی کرده اند که اندازه‌ها، شکل‌ها و میزان حضور نقص‌های مختلف، موجب افزایش قدرت مگاکابل نمی‌شود که بیشتر از 10 گیگاپاسکال باشد، در حالی‌که بسیار کوچکتر از مقاومت نانولوله‌های نظری یعنی 100 گیگاپاسکال است.

تصویر شماتیک از روش شبیه‌سازی چند منظوره تصویب شده برای تعیین قدرت کابل آسانسور.
(Reprinted with permission from Wiley)

پوگنو توضیح می‌دهد که بهترین پارامترهای مناسب در شبیه‌سازی‌های چندبعدی شان وجود دارد: ورودی در سطح 1 به طور مستقیم از آزمایشات نانو کششی CNTs برآورد می‌شود، در حالی‌که خروجی آن به‌عنوان ورودی برای سطح 2 استفاده می‌شود و به همین صورت تا سطح 5 ، برای مگاکابل استفاده می‌شود. به این ترتیب، پنج سطح سلسله مراتبی برای طول، از یک تک نانولوله حدود 100 نانومتر تا به طول مگاکابل آسانسور فضایی حدود 100،000 کیلومتر استفاده می‌شود. به منظور ارزیابی عددی کابل آسانسور فضایی، نویسندگان، کد SE3 را که قبلا توسط پوگنو در سال 2006 ارائه شده است ("بر پایه کابین آسانسور فضایی مبتنی بر نانولوله کربنی: از نانومکانیک تا مکانیک") به تصویب رساندند. با این مدل، منحنی‌های فشار، مدول یانگ، تعداد و محل الیاف شکسته، انرژی سینتیکی منتشر شده، جذب انرژی شکستگی و غیره، علاوه بر تنش شکست کابل، می‌تواند محاسبه شود. پوگنو می‌گوید: «در این مقاله، شبیه‌سازی اولیه بر روی یک قطعه کوچکی از کابل آسانسور فضا انجام شد و اساسا سطح 1 ما در مقاله فعلی برای بررسی دقیق و سلسله مراتبی به عنوان موضوع اصلی بعدی یعنی مقاله حاضر به تعویق انداخته شد.» 

شبیه‌سازی چند‌منظوره برای مقابله با مقیاس‌های اندازه‌گیری شده، شامل بیش از 15 برابر از طول نانولوله‌ها تا طول کابل کابین آسانسور، و نیز ارائه اطلاعات مفیدی در مورد خواص پوسته پوسته شدن کابل در طول کابل لازم است. با توجه به مفهوم کابین آسانسور پیشنهاد شده، نتایج تیم Politecnico اخبار بسیار جدی‌ای هستند. پوگنو می‌گوید: «شبیه سازی‌های ما نشان می‌دهد که قدرت مگاکابل پیش‌بینی شده بسیار کوچکتر از مقاومت نانولوله‌های نظری‌ای (100گیگا پاسکال) است و این مورد قبلا در طراحی آسانسور فضایی اشتباه تصور شده بود. نتایجی که پوگنو و همکارانش به دست می‌آورد، پیش‌بینی‌های پیشین نظری را در مورد نقش برجسته‌ای را که انتظار می‌رود نقص‌های کوچک در در مگاکابل داشته باشند، تایید می‌کنند. پوگنو می‌گوید: «پیش‌بینی‌های ما محافظه کارانه هستند، زیرا ما بین جفت‌های نانولوله اتصالاتی کاملی را فرض کرده ایم. انتظار می‌رود که این اتصال‌ها ضعیف‌ترین اتصالات باشند، حتی اگر هنوز فناوری نانوی پیشرفته هم وجود نداشته باشد، می‌تواند منجر به اتصالات تقریبا کامل شود، به عنوان مثال، اتصالات با قدرت که بزرگتر از خود نانولوله‌ها هستند.»

تیم Politecnico در حال حاضر به‌جای رسیدن به‌ستاره‌ها با کابل آسانسور فضایی، تمرکز شانرا بر مقیاس خواص اسمی مانند قدرت، تراکم انرژی تخلیه و غیره معطوف داشته است که یکی از موضوعات مهم در ایجاد مدل‌های واقعی برای رفتار و ویژگی‌های نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها است.

نوشته شده توسط مایکل برگر. مایکل نویسنده دو کتاب از سوی انجمن سلطنتی شیمی است: انجمن نانو؛ فشاری بر مرزهای فناوری و فناوری نانو؛ آینده کوچک است.

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

منبع: nanowerk

 

نانولوله‌های کاربنی؛ آنها چه هستند، چگونه ساخته می‌شوند و در چه چیزهایی استفاده می‌شوند؟

نا لوله‌های کاربنی چه هستند؟

نانولوله‌های کاربنی (CNTs) مولکول‌های استوانه‌ای هستند که از تاب خوردن ورق‌های تک‌لایه اتم کاربن (گرافن) تشکیل شده است. آن‌ها می‌توانند تک‌دیواری (SWCNT) با قطر کمتر از 1 نانومتر (nm) یا چند‌جداره (MWCNT) باشند که شامل چندین نانولوله متصل به هم هستند و قطر آن‌ها بیش از 100 نانومتر است. طول آن‌ها می‌تواند به چندین میکرومتر یا حتی میلی متر برسد.

مانند ساختار بلوک ساختمانی آن‌ها، یعنی گرافن، CNT ها به صورت کیمیایی با پیوند‌های SP2، یک نوع پیوند بسیار قوی مالیکولی دارند. این ویژگی همراه با گرایش و ویژگی طبیعی نانولوله‌های کاربنی با استفاده از نیروهای واندروالس، امکان ایجاد مواد فوق الذکر و مواد کم‌وزن با ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی بسیار هدایت کننده را فراهم می‌کند. این باعث می‌شود آن‌ها برای برنامه‌های کاربردی متعدد بسیار جذاب باشند. 

Schematic of how graphene could roll up to form a carbon nanotube.

جهت پیچ‌خوردگی یا تاب‌خوردگی (پیج خوردگی یا وکتور کایروال) لایه‌های گرافنی خواص الکتریکی نانولوله‌ها را تعیین می‌کند. کایرالیتی(دست‌سان) زاویه شبکه‌ای کاربن شش ضلعی نانولوله را توصیف می‌کند. نانولوله‌های صندلی که به دلیل شکل صندلی‌مانند لبه‌های آن‌ها نامیده می‌شوند، دارای شاخص‌های کروی هستند و به خاطر هدایت کامل آن‌ها بسیار ضروری می‌باشند.  آن‌ها بر خلاف نانولوله‌های زیگزاگ هستند که ممکن است نانو لوله‌های زیزاگ نیمه‌هادی باشند. پیچانیدن یک ورقه گرافین به اندازه زاویه 30 درجه، نانولوله‌ها را از زیگزاگ به صندلی و برعکس تبدیل می‌کند.

با آن‌که MWCNT ها همیشه هادی می‌شوند و در حدی که تقریبا مشابه فلزات عمل می‌کنند، اما هدایت SWCNT ها به بردارهای کریستال آن‌ها وابسته است. آن‌ها می‌توانند مثل یک فلز رفتار کنند و به صورت فلزی هدایت الکتریکی داشته باشند؛ می‌توانند خواص نیمه‌هادی را نمایش دهند یا حتی می‌توانند غیر هادی شوند. برای مثال، یک تغییر جزئی در helicity (ترکیبی از چرخش و حرکت خطی ذرات زیراتمی.) آن می‌تواند لوله را از یک فلز به یک نیمه‌هادی با گاف انرژی بزرگ تبدیل کند.

به غیر از خواص الکتریکی آن‌ها، که آن‌ها از گرافن به ارث می‌برند، CNT ها نیز دارای خواص حرارتی و مکانیکی منحصر به فرد هستند که آن‌ها را برای ساخت مواد جدید مورد توجه قرار می.دهد:

• قدرت کشش مکانیکی آن‌ها می‌تواند 400 برابر فولاد باشد؛
• آن‌ها بسیار سبک وزن هستند - تراکم آن‌ها یک ششم از فولاد است؛
• هدایت حرارتی آن‌ها بهتر از الماس است؛
• آنه‌ا یک نسبت بسیار بزرگ نسبت به 1000 دارند، به عنوان مثال نسبت به طول شان، آن‌ها بسیار نازک هستند؛

یک منطقه نوک سطح در نزدیکی حد تیوریکی (کوچکتر از ساحه نوک سطح، میدان مقناطیسی بیشتر متمرکز شده و عامل افزایش دهنده میدان بیشتر است)؛ درست مانند گرافیت، از لحاظ کیمیایی پایدار هستند و تقریبا در مقابل هرگونه اثر کیمیایی مقاومت می‌کنند مگر اینکه همزمان در معرض دمای بالا و اکسیجن قرار گیرد، امری که باعث می‌شود آن‌ها در مقابل خوردگی بسیار مقاوم باشند. خالیگاه داخل آن‌ها را می توان با نانومواد مختلف پر کرد و آن‌ها را از محیط اطراف جدا کرده و محافظت کرد، اموالی که برای برنامه‌های کاربردی نانو مواد(nanomedicine)، مانند تحویل و انتقال و حفاظت دارو، بسیار مفید است.

تمام این خواص نانولوله‌های کاربنی نامزدهای ایده آل برای دستگاه‌های الکترونیکی، کیمیایی، الکتروکیمیایی و بیوسنسورها، ترانزیستورها، فرستنده‌های الکترونی، باتری‌های یونی لیتیوم، منابع نور سفید، سلول‌های ذخیره سازی هایدروجن، لوله‌های اشعه کاتود (CRT)، تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و برنامه های الکتریکی محافظ می‌باشند. 

لطفا توجه داشته باشید که نانولوله‌های کاربنی متفاوت از الیاف کاربنی یا nanofibers کاربنی (CNFs) هستند. CNF ها معمولا چندین میکرومتر طول دارند و قطر حدود 200 نانومتر دارند. الیاف کاربنی برای دهه‌های مختلف برای تقویت ترکیبات استفاده شده‌اند، اما آن‌ها ساختار شبکه‌ای مشابه CNT ندارند. در عوض، آن‌ها ترکیبی از چندین نوع کاربن و یا چند لایه گرافیت هستند که در زوایای مختلف بر روی کاربن آمورف (که اتم‌ها در ساختارهای مرتب به ترتیب قرار نمی‌گیرند) انباشته می‌شوند. CNF ها داراي خواص مشابه CNT هستند، اما استحکام کششی آن‌ها به دلیل ساختار متغیر آ‌ن‌ها کم است و درون آن‌ها هم خالی نیستند. برای شروع، شما می‌توانید این پنج ویدیو کوتاه را در مورد نانولوله‌های کاربنی مشاهده کنید.

چه کسی نانولوله‌های کاربنی را کشف کرد؟

هزاران مقاله در هر سال در مورد CNTs و یا ساحات مربوطه منتشر می‌شود که بسیاری از این مقالات برای کشف CNTs به سومیو ایجیما Sumio Iijima در سال 1991، اعتبار می‌دهند. وی در این سال مقاله‌ای را در زمینه طبیعت منتشر کرد ("میکروتیوبهای حلقوی کربن گرافیتی") که از کشف نانولوله‌های کاربنی چند هسته‌ای خبر دادند. با توجه و نگاهی دقیق به ادبیات علمی، ممکن است این تصور را بپذیریم که Iijima کاشف واقعی نانولوله‌های کاربن است. مطمئنا شکی نیست که او دو معنی را برای این زمینه ایجاد کرده است، اما تحلیل دقیق از ادبیات علمی نشان می‌دهد که مطمئنا او اولین کسی نیست که وجود CNT را گزارش کرده است. 

یک سرمقاله در مجله کاربن ("چه کسی باید به خاطر کشف نانولوله‌های کربنی مورد اعتماد قرار گیرد؟") سعی کرد با شناسایی وقایع زمانی که منجر به کشف نانولوله‌های کاربنی شد، هوا را پاک کند. با کاوش عمیق‌تر در تاریخ نانولوله‌های کاربنی، کاملا معلوم می‌شود که منشا CNT ها می‌تواند حتی ماقبل تاریخ در طبیعت باشد. (در اینجا مقاله ما در مورد تاریخ تولد و تاریخ اولیه نانولوله‌های کاربنی را بیشتر مطالعه کنید.)

نانولوله‌های کاربنی چگونه ساخته می‌شوند؟

در حال حاضر سه روش عمده برای تولید CNTs وجود دارد: تخلیه قوس، تخلیه لیزری گرافیت و رسوب بخار کیمیایی (CVD). در دو فرایند اول، گرافیت به صورت الکتریکی یا با استفاده از یک لیزر احتراق می‌شود و CNT هایی که در فاز گازی ایجاد می‌شوند از هم جدا می‌شوند. هر سه روش نیاز به استفاده از فلزات (مثلا آهن، کبالت، نیکل) به عنوان کتلست ها دارند.

دید کلی از رشد CNT بر روی ذرات کاتالیستی در طول CVD. اول، ذرات کوچک کاتالیزه ثانویه به اندازه قطر CNT، که در آن نانولوله‌ها شروع به رشد می‌کنند، توسعه می‌یابد. ذرات کاتالیست در بالا یا در انتهای نانولوله‌های در حال ظهور واقع شده است. اگر رشد ذرات کاتالیست از طریق توسعه یک پوشش کاربنی غیر فعال شود رشد متوقف خواهد شد.
(Image: © Royal Society of Chemistry)

 

فرآیند CVD در حال حاضر بزرگترین استفاده را دارد، زیرا اجازه می‌دهد که تولید مقادیر بیشتری از CNT ها در شرایط راحت تر کنترل و با هزینه کمتر تولید شوند. در فرآیند CVD، تولید کنندگان می‌توانند یک  کتلیست فلزی (مانند آهن) را با گازهای واکنشی حاوی کاربن (مانند هایدروجن یا کاربن مونوکساید) را برای ساختن نانولوله‌های کاربنی بر روی کتلیست در کوره با درجه حرارت بالا ترکیب کنند. فرایند CVD می‌تواند صرفا کتلیستی یا پلاسمایی باشد. دومی نیاز به دمای کتلیستی کم (200 تا 500 درجه سانتیگراد) نسبت به کتلیستی (تا 750 درجه سانتیگراد) دارد و هدف آن تولید رشد CNT به شکل رشد چمن است.

با وجود این‌که تکنیک های مصنوعی برای به دست آوردن نانولوله‌های کاربنی با خلوص بالا بهبود یافته است، اما تشکیل محصولات جانبی حاوی ناخالصی‌های مانند نانوذرات کپسوله شده فلزی، ذرات فلز در نوک یک نانولوله کاربن و کاربن آمورف پدیده‌های اجتناب ناپذیری بوده است، زیرا نانوذرات فلزی برای رشد نانولوله‌ها ضروری است. این نانوذرات خارجی و همچنین نقایص ساختاری که در طول سنتز اتفاق می‌افتد، متاسفانه خواص فیزیکی و کیمیایی نانولوله‌های کاربنی تولید شده را تغییر می‌دهند. به همین دلیل است که نانولوله‌های کاربنی با کمک روش‌های مختلف مانند تعامل اسیدی و یا سونوگرافی در پایان فرایند تولید، باید تمیز شوند.

موارد استفاده و کاربردهای نانولوله‌های کاربنی

CNT ها برای تقریبا هر کاربردی که نیاز به قدرت بالا، دوام، هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی و خواص سبک دارند نسبت به مواد معمولی مناسب‌تر هستند. در حال حاضر CNT ها به طور عمده به عنوان مواد افزودنی در مواد صنعتی استفاده می‌شوند. CNTs های تجارتی به شکل پودری یافت می‌شوند، به عنوان مثال در شکل بسیار فشرده و متراکم شده یافت می‌شوند. CNTs ها برای این‌که خواص شان به خوبی باز شوند، باید به صورت ارهم و در هم و به طور مساوی در بستر پخش گردد. یکی دیگر از الزامات این است که CNT باید به صورت کیمیایی با بستر پیوند داده شود، برای مثال مواد پلاستیکی برای این منظور در CNT ها کاربردی هستند. سطح آنها به لحاظ کیمیایی برای ترکیب بهینه با مواد مختلف و برای کاربرد مورد نظر سازگار است. نانولوله‌های کاربنی نیز می‌توانند به الیاف متصل شوند، که نه تنها فرصت‌های جالب برای پارچه‌های مخصوص را ایجاد می‌کنند، بلکه ممکن است به تحقق بخشیدن به یک پروژه ی خاص - ائتلاف فضایی کمک کند.

نانوکامپوزیت‌های فعال شده در نانولوله‌های کاربنی به دلیل خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، مقاومت و خواص کیمیایی مانند هدایت الکتریکی، افزایش استحکام کششی، درجه حرارت انحراف گرما یا بازدارندگی شعله به عنوان یک جایگزین بسیار جذاب برای مواد کامپوزیتی معمول مورد توجه قرار گرفته اند. این مواد در برابر سایش و قدرت شکستن، خواص آنتی استاتیک و همچنین کاهش وزن استفاده خواهد شد. به عنوان مثال، برآورد شده است که کامپوزیت‌های پیشرفته CNT می توانند تا 30٪ وزن هواپیما و فضاپیماها را کاهش دهند.

این مواد کامپوزیتی در حال حاضر استفاده می‌شود

• کالاهای ورزشی (فریم‌های دوچرخه، راکت تنیس، چوب هاکی، باشگاه‌های گلف و توپ‌ها، اسکی، قایق‌های تفریحی، فلش‌های ورزشی)؛ 

• قایقرانی (ماموریت، پوسته و دیگر قسمت‌های قایقرانی)؛ 

• منسوجات (پارچه‌های ضد الکتریسیته و الکتریکی (پارچه‌های هوشمند)؛ جلیقه ضد گلوله، پارچه‌های مقاوم در برابر آب و مقاوم در برابر شعله)؛ 

• خودرو، هواپیما و فضا (سبک وزن، کامپوزیت‌های ساختاری با مقاومت بالا)؛ 

• مهندسی صنایع (به عنوان مثال پوشش تیغه روتور توربین بادی، اسلحه روبات صنعتی)؛

• حفاظت از چارج‌های الکترواستاتیک (به عنوان مثال محققان فضایی یک فیلم CNT الکترونیکی و انعطاف پذیر مخصوصا برای کاربردهای فضایی دارند) و محافظ تابش با نانوفوم‌های مبتنی بر CNT و آئروژل؛

استفاده‌های کتلیستی

چیزی که نانو لوله‌های کاربنی را برای استفاده‌های کتلیستی جداب کرده است سطح فوق العاده بالایش در پیوستن مواد کیمیایی مختلف با دیواره‌های شان است. در حال حاظر نانولوله‌های کاربنی به عنوان کتلیست در بسیاری از پروسه‌های کیمیایی مربوطه استفاده می‌شوند ولی کنترل خاصیت کتلیستی آن‌ها بسیار دشوار است. 

ترانزیستورها

با وجود افزایش گرافن و دیگر مواد دو بعدی (2D)، نمیرساناهای ساخته شده از نانولوله‌های کاربنی تک‌جداره هنوز به عنوان کاندیداهای قوی برای نسل بعدی ترانزیستورهای با کارایی بالا، فوق العاده شبیه سازی شده است و همچنین ترانزیستورهای فیلم نازک در دستگاه‌های اپتیکی‌الکترونیکی(opto-electronic) جایگزین خوبی برای سلیکان الکترونیک می‌باشند. (ادامه مطلب: "20 سال ترانزیستور نانولوله‌ای")

طرح بندی ترانزیستور نانولوله کاربنی زیر 10 نانومتر.
Image: Aaron Scott, Southern Illinois University

یکی از سوالات حیاتی این است که آیا ترانزیستورهای CNT می‌توانند مزایای عملکرد بیش از سیلیکان در طول 10 نانومتری داشته باشند. در جامعه نانوالکترونیک، نظرات متفاوتی در مورد اینکه آیا ترانزیستورهای CNT عملکرد قابل توجهی را در مقیاس‌های طولی مورد پذیرش حفظ می‌کنند، وجود دارد. برخی معتقد بودند که مجموعه‌های بسیار مؤثر از حامل‌های الکتریکی به پدیده تونل‌زنی کمک می‌کند که باعث می‌شود تا دستگاه‌ها به حدود 15 نانومتر برسند. این نظریه، حمایت از مطالعات اندک نظری است که دستگاه‌های نانولوله‌ای را در ابعاد مختلف بررسی می‌کند. در عین‌حال، دیگران همچنان متقاعد شدند که بدنه نازک نانولوله‌های کربنی تک‌محور، فقط 1 نانومتر در قطر، اجازه می‌دهد که رفتار ترانزیستور عالی و حتی تا دامنه کمتر از 10 نانومتر قابل استفاده باشد. تا کنون محققان تنها نتایج تجربی قابل توجهی را به دست آورده اند نشان داده اند که در این راستا چالش‌های متعددی در ارتباط با ترکیب ترانزیستورهای CNT با تولید تراشه‌های صنعتی وجود دارد.

سنسورها

گروه Cees Dekker با نشان دادن امکان SWCNT ها به‌عنوان سیم‌های کوانتومی، و اثربخشی آن‌ها در توسعه ترانزیستورهای اثر میدان، راه را برای توسعه نانوسنسورهای الکتروشیمیایی مبتنی بر CNT تسریع کرده است. بسیاری از مطالعات نشان داده اند که اگرچه CNT ها ساختارهای قوی و بی اثر هستند، اما خواص الکتریکی آن‌ها بر انتقال و دوپینگ شیمیایی مالکولهای مختلف بسیار تاثیر گذار است. اکثر سنسورهای مبتنی بر CNT، ترانزیستورهای اثر میدان (FET) هستند. CNTs-FET ها به طور گسترده ای برای تشخیص گازهای مانند گازهای گلخانه‌ای در محیط زیست مورد استفاده قرار گرفته اند. کارکرد CNTها برای ساختن آلیاژ‌های مورد نظر بسیار مهم است. انواع مختلف سنسورها بر مبنای تعاملات تشخیص مالکولی بین کارکردی‌بودن CNT و آنالیت‌های هدف ساخته می‌شوند. به عنوان مثال، محققان حسگر هایدروجن را با استفاده از نانولوله‌های کاربنی تک‌محوره ساخته شده با نانوذرات پالادیوم ساخته اند.

همچنان نانولوله‌های کاربنی کاربردهای فراوانی دارد که می‌توانید با مراجعه به منبع جزئیات آنها را مطالعه نموده و مستفید شوید. 

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

منبع: nanowerk

 

نانولوله‌های کاربنی، کلیدی برای مکانیک میکروسکوپی!

در آخرین شماره مجله Elsevier's Materials Today، اکتوبر ۲۰۱۱، محققان اسپانیا و بلژیک از استفاده نوآورانه از نانولوله‌های کاربنی برای ایجاد اجزای مکانیکی در نسل جدید میکروماشین‌ها کزارش دادند. در حالی‌که صنعت الکترونیک در اجزای کوچک و کوچکتر، با عناصر فردی نزدیک به نانومواد (یا میلیاردم متر) پیشرفت قابل توجه داشته، اما کاهش اندازه سیستم‌های مکانیکی به مراتب سخت تر است.

نانو لوله تک لایه ای کاربنی

یکی از مشکلات کاهش دستگاه‌های مکانیکی این است که تکنیک‌های متداول که برای تولید اجزای فردی استفاده می‌شود برای ایجاد اشکال پیچیده در محدوده میکروسکوپ مفید نیستند. یکی از روشهای امیدبخش، ماشینکاری الکتریکی (EDM) است که از جرقه الکتریسیته برای انفجار مواد ناخواسته جهت ایجاد اشکال پیچیده استفاده می‌کند. با این‌حال، این روش نیاز به این دارد که مواد هدف از لحاظ الکتریکی هادی باشد، و همینطور  استفاده از EDM در مواد سخت سرامیکی را محدود می‌کند.

اما اکنون، با کاشت نانولوله‌های کاربنی در نایترید سیلیکان، سرامیک انتخابی، مانوئل بلمونت و همکارانش توانستند هدایت الکتریکی مواد را به 13 مرتبه افزایش دهند و EDM را برای تولید یک میکرودنده بدون به خطر انداختن زمان تولید یا یکپارچگی دستگاه استفاده کرده اند. 

نانولوله‌های کاربنی در اوائل دهه 1990 به دلیل برجسته شدن خواص قابل توجه خود مشهور شدند. این شامل استحکام فوق‌العاده و خواص الکتریکی است که می‌تواند مقرون به صرفه باشد. هر لوله از یک ورقه پیجانیده شده‌ای از اتم های کاربن در یک ساختار شش‌گوشی ساخته شده است. ورقه غیر پیچانیده شده آن همچنین به عنوان گرافن شناخته شده است، مواد نوآورانه‌ای که موضوع جایزه نوبل فیزیک 2010 بود. این نانولوله ها درون یک سرامیک ایمن، یک شبکه هدایت کننده ایجاد می‌کنند که به‌طور قابل توجهی مقاومت الکتریکی را کاهش می‌دهد. هدایت الکتریکی مواد ترکیبی بسیار بالاتر است، در حالی‌که خواص مکانیکی سرامیک حفظ شده و مقاومت در برابر سایش به‌طور قابل توجهی بهبود یافته است.

به‌عنوان نویسنده متناظر، دکتر مانوئل بلمونت، روشن می کند؛ «این پیشرفت، اجازه ساخت قطعات پیچیده سه بعدی، گسترش استفاده بالقوه از سرامیک پیشرفته و دیگر مواد عایق بندی را می‌دهد. تیم امیدوار است که چنین مواد نانوکامپوزیتی در برنامه‌های در حال ظهور، مانند میکروتوربین‌ها، میکروسکوپ‌ها و القای‌ بیولوژیکی استفاده شود.»

 

متن کامل این مقاله؛ "نانوفیلرهای کاربنی(پرکننده‌های نانو یا نانو بتونه‌ها) برای ماشینکاری سرامیک عایق‌بندی شده"، در اینجا قابل درسترسی می باشد.

 

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

منبع: www.elsevier.com