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 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: مبانی جدید در کاهش اصطکاک و سایش

در صورتی که خودرویی را به خریداری کنید و به مدت 10 سال نیازی به تعویق روغن یا گریس نداشته باشید، در این مورد از تکنولوژی نانوساختارها بهره گرفته شده است. این خودروها از روغن و گریسی استفاده می‌کنند که از مواد نانوساختار ساخته شده‌اند. هدف اصلی تکنولوژی نانوترایبولوژی، کاهش اصطکاک و سایش قطعات با افزایش دوام و کارایی آنهاست. ورود این تکنولوژی به بازار، تغییرات چشمگیری در عملکرد و کاربری خودروها به همراه خواهد داشت.

ترایبولوژی علمی است که بررسی برهم‌کنش‌های سطحی و حرکتی را مدنظر قرار می‌دهد. این علم به بررسی پدیده‌های اصطکاک، روانی و سایش می‌پردازد. ترایبولوژی در زمینه‌های مختلف مهندسی مکانیک و علم مواد به کار می‌رود و در سال 1964 توسط دیوید تابور، فیزیک‌دان بریتانیایی، به عنوان یکی از علوم نوین معرفی شد.

نانوترایبولوژی، یک شاخه از ترایبولوژی است که به مطالعه پدیده‌های اصطکاک در مقیاس نانو می‌پردازد. تفاوت اساسی بین ترایبولوژی و نانوترایبولوژی به دلیل درگیری نیروهای اتمی در تعیین رفتار نهایی سیستم‌ها ایجاد می‌شود. هدف نهایی نانوترایبولوژی، تولید روانکارها و قطعاتی است که به تعویض و ترمیم نیاز نداشته و دارای دوام بالایی باشند.

نانوالکترومکانیک: از آغاز تا ابتکارهای نوین

در دهه 1950، ریچارد فاینمن، فیزیک‌دان مشهور، با ارائه جایزه 1000 دلاری برای کسی که بتواند موتور الکتریکی با ابعاد کمتر از 1 اینچ (2.54 سانتیمتر) بسازد، توجه جامعه‌ی علمی را به خود جلب کرد. به شگفتی، ویلیام مک لیلان با استفاده از انبرک دستی و میکروسکوپ، موفق به ساخت این موتور شد.

این آغازگری، به علم نانوالکترومکانیک راهی باز کرد که ابتدا به سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) و سپس به سیستم‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) منجر شد. هدف اصلی نانوالکترومکانیک، ساخت تجهیزاتی با کارکردهای همزمان الکتریکی و مکانیکی در مقیاس نانو است. این تجهیزات به عنوان NEMS شناخته می‌شوند که تقریباً از MEMS به طور کامل کوچک‌تر هستند.

این سیستم‌ها شامل انواع مختلفی از ادوات نانویی مانند حسگرها، فعال‌کننده‌ها، محرک‌ها و سایر ابزارهای نانویی هستند. ویژگی‌های منحصر به فرد این ادوات شامل قدرت الکتریکی بالا و خصوصیات دیگر متعدد است. پیش‌بینی می‌شود که ارزش بازار جهانی NEMS تا سال 2022 با نرخ رشد 29.69 درصدی به 108.88 میلیون دلار افزایش یابد.

با استفاده از تکنولوژی‌های نانو و ترایبولوژی موفقیت در زندگی در ساختارهای مکانیکی و الکترونیکی، آینده‌ای دست‌نخورده و پر از ابتکارات نوین در دسترس است.