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 اطاعات ارزشمند علم نوین نانو است که مشخصات بنیادی مکانیکی سیستم از قبیل الاستیسیته، گرما و بر هم نهی (Superposition) از اجزا را در مقیاس نانو 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.
نانوتکنولوژی در ترایبولوژی
اگرچه شما یک خودروی تازه‌ترین مدل را خریده باشید که در طول ده سال نیازی به تعویض روغن یا گریس نداشته باشد، این به دلیل استفاده از مواد نانوساخته‌شده در روغن و گریس آن خواهد بود. نانوترایبولوژی به عنوان یک شاخه از ترایبولوژی، به مطالعه پدیده‌های اصطکاک در مقیاس نانومتر می‌پردازد. هدف اصلی این تکنولوژی، کاهش اصطکاک و سایش در قطعات با افزایش دوام و کارایی آن‌هاست. ورود مصالح نانوساخته‌شده به بازار، تحولات قابل توجهی را به همراه خواهد داشت.
ترایبولوژی، به عنوان زیرشاخه‌ای از علم مکانیک و علم مواد، به بررسی تعامل‌های سطحی و حرکتی می‌پردازد. این مفهوم علمی شامل مطالعه اصطکاک، روانکاری و سایش در سطوح مختلف است. ترایبولوژی ابتدا توسط دیوید تابور در سال 1964 میلادی به عنوان یک علم جدید و نوین معرفی شد.
نانوترایبولوژی، به مطالعه پدیده‌های اصطکاک در مقیاس نانومتر می‌پردازد و تفاوت اصلی بین ترایبولوژی و نانوترایبولوژی اساساً در نیروهای اتمی درگیر در تعیین رفتار نهایی سیستم است. هدف نهایی نانوترایبولوژی، دستیابی به روانکارهایی است که نیازی به تعویض یا ترمیم نداشته باشند.
سیستم‌های نانوالکترومکانیک
در دهه 1950، فیزیک‌دان معروف به نام ریچارد فاینمن با ارائه جایزه‌ای به ارزش 1000 دلار برای اولین شخصی که توانایی ساخت موتور الکتریکی با ابعاد کمتر از 1 اینچ (2.54 سانتیمتر) را داشته باشد، توجه به خود جلب کرد. پس از مدتی، ویلیام مک‌لیلن با تلاش و پشتکار زیاد، با استفاده از انبر دستی و یک میکروسکوپ، به موفقیت در ساخت چنین موتوری دست یافت.
فعالیت‌های فاینمن در واقع نخستین قدم در جریانی بزرگ از دانش بود که منجر به توسعه سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) و سپس نانوالکترومکانیکی (NEMS) شد. نانوالکترومکانیک به تحقیق و توسعه ابزارها و دستگاه‌هایی با ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی در ابعاد نانومتری می‌پردازد. NEMS عبارت‌اند از ابزارهای MEMS که به سطح نانومتری کوچک‌تر شده‌اند.
در این دستگاه‌ها، انواع مختلفی از حسگرها، انگیزنده‌ها، محرک‌ها و سایر ادوات نانومتری قرار می‌گیرند. خواص منحصربه‌فرد این ادوات، شامل قدرت الکتریکی بالا و…، آن‌ها را به ابزارهای استثنایی تبدیل کرده است. انتظار می‌رود که ارزش بازار جهانی NEMS تا سال 2022 با میانگین نرخ رشد ناخالص سالیانه 29.69 درصد، به 108.88 میلیون دلار افزایش یابد.