هواي پاك با فناوري نانو

‏ ‏افزایش مشکل دی اکسید کربن در هوا یکی از مشکلات اساسی در سطح جهان است. امید می‌رود که با استفاده از کشف منابع جدید روزی برسد که از مصرف سوخت‌های فسیلی بی نياز شویم و در هوایی عاری از دی اکسید کربن و انواع آلودگی‌ها تنفس كنیم. فناوری نانو از جمله فناوري‌هایی است که به کمک حل این مسئله آمده است و این امکان را به وجود آورده است تا ‏به سوی ساخت انرژیی ارزانتر و پاکيزه‌تر از سوخت‌های فسیلی نزديک شویم.

‏از میان فرآورده‌های هوایی فناوری نانو، نانو کریستال‌ها مي‌توانند به ايجاد هواي پاكتر كمك كنند. نانو كريستال درست مانند يك كاتاليزور عمل مي‌كند. هنگامي كه دي اكسيدكربن هوا بر روي نانو كريستال حاوي كادميوم، سيلينيوم و ايديوم مي‌نشيند، يك الكترون به        دي اكسيدكربن مي‌دهد تا در مجاورت ساير اجزاي دود واكنش نشان دهد و بي ضرر شود. اگر فيلترهاي متشكل از اين نانو كريستال‌ها را بتوان با قيمت مناسبتري ساخت و آنها را در دودكشها نصب كرد مي‌توان تا حد زيادي از انتشار و خروج دي اكسيد كربن در هوا جلوگيري كرد.

ذره معلق ديگري كه دانشمندان اميدوارند تا با استفاده از نانو كريستال بتوانند آن را خنثي و يا از بين ببرند، بخار جيوه است. تجهيزاتي كه با زغال سنگ كار مي‌كنند از مهمترين ‏عوامل تولید بخار جیوه و انتشار آن در هوا هستند. یک روش جلوگيری از انتشار جیوه، استفاده از نانوکریستال‌های اکسید تیتانیوم است که می توانند بخار جیوه را به اکسید جیوه جامد تبدیل نمایند.

‏افرادی که در ترافیک در مجاورت اگزوز و یا دود اتوبوس و یا یک کامیون قرار گرفته باشند حتماً اکسید نیتروژن را استشمام کرده‌اند. موتورهای دیزلی (گازوئیل سوز) از جمله مهمترین منابع آلوده کننده هوا با اکسیدهای نیتروژن می باشند.

‏شرکت بیوفرندلی1با کمک آژانس حفاظت محیط زیست و دریافت کمک مالی از ایالت تگزاس، موفق به ساخت نانوکریستالی شده است که با افزودن آن به گازوئیل می‌تواند از تولید اکسید نیتروژن جلوگیری کند و سبب شود تا سوخت کامل بسوزد.

‏شاید بسیاری تصور کنند که صنایع تولید تمیز مانند صنایع تولید تراشه‌هاي رایانه‌ای به عنوان آلوده کننده‌های محیط زیست به شمار نمی‌آيند در حالی که برعکس این صنایع به علت استفاده از مواد شیمیایی آلی در فرایندهای تولید، منشأ تولید بخارات آلی هستند كه خود مضر مي‌باشند.

 

 

1 Biofriendly

محققان آزمايشگاه ملي شمال غربي اقيانوس آرام در حال بررسي نانو موادي هستند كه با استفاده از آن در فيلترها بتوانند از انتشار ين دسته از كارخانجات جلوگيري كنند.

 

1-6-2-فناوري نانو و خودروهاي امروزي:

‏مواد کامپوزیتی مواد مهندسیی هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده‌اند به گونه‌ای که اين مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس(زمینه) و تقويت کننده (پرکننده) تشکیل شده است. ماتریس با احاطه کردن تقويت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد.

‏یکی از گسترده‌ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو، تا‏کنون ساخت نانوکامپوزیتها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیتها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسيار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده‌اند. اما علاوه بر ویژگی‌های فیزیکی بهتر، این کامپوزیتها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند. نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می‌کنند و بنابراین نانو کامپوزیتها سطح زیباتر و رنگهای شفافتری دارند. دیگر اینکه نانوکامپوزیتها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیتهای رایج سبکترند.

‏اثر نیلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تمیز شونده  ‏نیز یکی از شناخته شده‏ترین مزیتهای فناوری نانو است که تولید سطوح خود تمیز شونده ‏را امکان پذیر می‌سازد. به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند. به همین صورت اگر سطوح اجسام، دارای ساختار بسیار صاف و صيقلی (در مقیاس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنین آب روی آنها باقی نخواهد ماند. رنگها و پوششهای سقف خودرو که این اصل طبیعی را به کار می برند امروزه ‏در بازار موجود می‌باشند. ساختار نانویی این سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسیار ریز آب نیز جلوگيری می‌کند. همچنین رینگهای خود تمیز شونده ‏نیز با استفاده ‏از این ویژگی در حال تولید هستند.

‏به علاوه ‏پوشش نانویی در حال تولید است که با اضافه کردن آن به سطح شیشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی‌های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده ‏و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد می‌کند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شيشه باقی نمی‌ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاکنها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه و همچنین بهبود دید در شب در نتیجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.

‏نمونه ای دیگر از کاربردهای نانو فناوری در صنعت شیشه خودرو، شيشه هایی با قابلیت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشید می‌باشد. به این گونه که یک لایه بسیار نازک از نانوذرات بین دو لایه شیشه قرار گرفته‌اند که وظیفه آنها بازتاباندن پرتو فروسرخ نور خورشید و در نتیجه جلوگیری از گرم شدن زیاد داخل خودرو می باشد.

 

1-6-3-خطرات نانو ذرات

‏نانوذرات همانند یک شمشير دولبه دارای اثرات مفید و مضر می باشند و بی شک اگر به روشهای صحیح کار با نانوذرات توجه شود از خطرات آن کاسته خواهد شد.

  • اثرات مضر بر سلامتي

‏نانوذرات به دو دلیل می‌توانند برای سلامتی مضر باشند. اول اینکه می‌توانند خيلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اینکه به دليل جدید بودن این مواد مسمومیتهای جدید و ناشناخته‌ای را به وجود بیاورند.

  • منابع نانو ذرات

‏نانو ذرات به لحاظ منشا می‌توانند به سه دسته تقسیم بندی شوند.

الف) نانوذرات طبیعی

‏ب) نانوذرات انسانی

‏ج) نانو ذرات ممنوعی ( ساخته دست بشر)

‏دسته اول (نانو ذرات طبیعی) از طرق مختلف مانند آتش سوزی جنگلها و یا فوران آتشفشانها ساخته می شوند.

‏دسته دوم (نانوذرات انسانی) اغلب به عنوان محصول جانبی فعالیتهای انسانی در صنعت تولید می‌شوند مانند نانو ذراتی که در حین جوشکاری بوجود می آيد و یا از اگزوز خودروها خاج می شود.

‏دسته سوم (نانو ذرات مصنوعی یا ساخته دست بشر) شامل نانوذرات مهندسی شده می‌باشد. این نانوذرات عمدتاً به علت ویژگیهای مطلوبشان مانند خواص جدید فیزیکی و شیمیایی، واکنش پذيری بالاتر و… تهیه می شوند. این ویژگیهای جدید مواد معمولی که فقط در مقیاس نانو مشاهده می‌شود دارای كا‏ربردهای تجاری می باشد. مثلاً نانو ذرات می توانند در کرمهای ضد آفتاب، یا خمیردندانها و یا پوششهای بهداشتی استفاده شوند.

‏وقتی مواد در مقیاس نانو تبدیل شوند در خواص شیمیایی، بیولوژیکی و فعالیتهای کاتالیتکی آنها تغییراتی ایجاد می شود. بنابراین موادی که در حالت توده‌ای1 بی‌خطر هستند وقتی به حالت نانو تبدیل شوند می‌توانند سمی و خطرناک باشند. به علاوه اندازه کوچک نانوذرات باعث می شود تا این مواد بتوانند بر سدهای دفاعی بدن فائق آیند.

  • ‏ مهمترين خواص بحث برانگيز نانو ذرات:

‏الف) فضای سطحی بزرگ ( باعث افزایش فعالیتهای شیمیایی و بیولوژیکی می‌شود.)

ب) ویژگیهای جدید مانند انحلال پذيري و فعاليت بيشتر

‏ج) تحرک بسیار زیاد در بدن انسان

‏د) توانایی نفوذ به غشا سلولی

‏بعضی بر این باورند که انسانها آنقدر در معرض نانو ذرات نمی باشند که برای آنها ایجاد خطراتی از جنبه سلامتی کند. برای مثال گزارش شده است که بلعیدن TiO2  توسط انسان بی ضرر است. اما اگر در معرض نانو ذرات بودن بیشتر از حد معمولی گردد احتمال ایجاد خطر بر سلامتی وجود دارد.

 

 

1 Bulk

‏عامل دیگری که باعث نگرانی در مورد نانو ذرات می باشد این است که نانوذرات می‌توانند به دیگر آلاینده‌های خطرناک در آب یا هوا متصل شوند یا با آنها واکنش دهند و در نتیجه ورود آنها را در بدن آسانتر سازند.

‏در ارزیابی خطرات نانو ذرات نکاتی مانند اندازه و توزیع اندازه، شکل، خواص، بار سطحی، جرم، غلظت و تعداد قابل توجه می باشند.

‏اندازه ‏ذرات در توزیع آنها در بدن موثر است . ذرات بزرگتر از 100 nm  ‏به مغز استخوان نمی رسند و ذرات بزرگتر از 300 nm  ‏در خون وجود ندارند. بار سطحی ذرات در توزیع آنها در بدن نقش دارد.

  • مراحل اثر گذاري نانو ذرات بر سلامتي:

‏اولین مرحله در ایجاد خطر بر سلامتی در معرض نانو ذرات قرار گرفتن می باشد. نکته قابل ذکر این است که نانوذرات باید توانایی ورود به بدن و سپس پخش شدن در بافتهای هدف را داشته باشند. سپس نانوذرات وارد شده ‏به بدن باعث اخلال در عملکرد دستگاههای بدن می شوند. این اثرات ابتدا کم وجزئی هستند ولی چنانچه ورود نانو ذرات به بدن ادامه يابد به اثرات غیر قابل برگشت تبدیل می شوند.

  • برخي راههاي كنترل اثرات مضر نانو ذرات:

‏الف) از تماس پوست با نانوذرات و یا محلولهای حاوی نانوذرات جلوگیری شود. (دستکش، عینک ایمنی و لباس آزمایشگاه ‏استفاده ‏گردد)

‏ب) شستشوی دستها و رعایت بهداشت فردی در محیط كار با نانوذرات انجام گیرد.

‏ج) دفع و انتقال زباله‌های نانو ذرات طبق اصول زباله های شیمیایی خطرناک صورت پذيرد.

‏د) وسایل مورد استفاده ‏در کار کردن با نانو ذرات باید قبل از استفاده ‏مجدد، تعمیر، مصرف از نظر آلودگی بررسی شوند.

 

 

1-7-تاريخچه‌اي از فعاليت‌هاي انجام شده در راستاي بررسي ديناميكي نانو لوله‌هاي كربني

‏در سال 2004  ‏هه و همکاران [8] اثرات نیروی واندروالس در رفتار کمانشی نانو لوله‌ها را مطالعه نمودند. ارتعاشات آزاد نانو لوله‌های کربنی دو جداره ‏با استفاده ‏از مدل تیر اویلر-برنولی در سال 2005 ‏توسط ژانگ و همکاران [9] بررسی شده ‏است. در همین سال وانگ و همکاران [8] رفتار نانو لوله‌های چند جداره ‏را با  ‏به کارگیری مدل تیر تیموشنکو مطالعه کرده ‏و مورد بحث قرار دادند. در ادامه فعالیتها، در سال 2007 ‏لو و همکاران[25] درباره اثر مقياس کوچک (نظریه ارینگنن) در رفتارآزاد ارتعاشي نانو لوله‌های کربنی مطالعاتی انجام داده ‏و با استفاده ‏از نظریه‌های تصحیح شده تیر اویلر-برنولی و تیر تیموشنکو، ارتعاشات آزاد عرضی نانو لوله‌های کربنی را مطالعه نمودند . در همین سال متین [11]به طور مجزا ارتعاشات آزاد نانو لوله‌های کربنی دو جداره ‏را با استفاده ‏از مدل تیر تیموشنکو مورد ارزیابی قرار داد.در زمینه آنالیز غیر خطی ارتعاشات  آزاد نانولوله کربنی در سال 2006 وانگ و همکاران او در دپارتمان مکانیک دانشگاه هونان چین به بررسی ارتعاشات غیر خطی نانولوله کربنی در یک بستر الاستیک پرداختند[14] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

آناليز ارتعاشات غير خطی نانولوله های کربنی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-1-مقدمه

در این فصل سعی بر این است که به کمک روش “معدل گیری”1 تحلیل ارتعاشات آزاد غیر خطی نانولوله کربنی تک جداره ،دو جداره و در حالت کلی چند جداره انجام پذیرد.

جهت انجام این تحلیل برای نانو لوله کربنی چند جداره از مدل تیر “اویلر- برنولی”2 استفاده می شود.

تاکنون تحلیل های بسیاری بر روی ارتعاشات “خطی”نانو لوله کربنی چند جداره انتشار یافته است[12,13] ، اما تحلیل ارتعاشات “غیر خطی”نانو لوله کربنی تا زمان انتشار این پایان نامه تنها توسط چند تن از اعضای دپارتمان مکانیک دانشگاه “Hunan “چین به نامهای “Y.M.Fu” ،”J.W.Hong “و “X.Q.Wang “تحت مقاله ای با عنوان” آنالیز ارتعاشات غیر خطی نانو لوله کربنی چند جداره در بستر الاستیک”صورت گرفته است[14].در مقاله مذکور از روش “بالانس هارمونیک”3جهت تحلیل مدل تیر اویلر-برنولی نانولوله کربنی استفاده می شود[15].از این رو سعی بر آن است که در فصل سوم بررسی ومقایسه نتایج حاصل از روش معدل گیری  با نتایج حاصل از بالانس هارمونیک انجام گردد..

 

2-2-مفاهيم و معادلات اساسی

2-2-1-مدل اويلر برنولی

همانطور که ذکر شد  مدلی که هم اکنون  برای تحلیل ارتعاشات آزاد غیر خطی نانو لوله کربنی استفاده می شود،مدل تیر اویلر-برنولی است[16].اگرچه این مدل در قیاس با مدل تیر “تیموشنکو”4 از دقت پایین تری برخوردار است اما به عنوان قدیمی ترین مدل در تحلیل تیر،نتایج بدست آمده از این روش قابل استناد و مورد توجه محافل علمی در تحلیل های

1 Averaging

2 Euler-bernuli

3 Harmonic Balance

4 Timoshenko

 

استاتیک و دینامیک است.در تئوری اویلر-برنولی فرض بر این است که سطح مقطع تیر نسبت به طول آن به میزان قابل ملاحظه ای کوچک می باشد.اما در تئوری تیموشنکو ابعاد سطح مقطع هم در محاسبات فرکانس ظاهر می شود.به عبارت دیگر تیموشنکو باتاثیر نیروی برشی1 واینرسی چرخشی2 المان در مدل اویلر-برنولی مدل خود را برای اولین بار بنیان نهاد[16].این اثر وقتی اهمیت می یابد که بخواهیم فرکانس های بالا را برای تیر های کوتاه بررسی نمائیم،به عبارت دیگر هر چه فرکانس بیشتر و تیر ها کوتاه تر باشند جواب مدل اویلر –برنولی از جواب مدل تیموشنکو فاصله بیشتری می گیرد.

تیموشنکو به این واقعیت توجه کرد که المانهای یک تیر در خلال ارتعاش عرضی نه تنها یک حرکت انتقالی در راستای عمود بر محور میله انجام می دهند بلکه هر المانی با زوایای متفاوت چرخش در قسمت های مختلف میله شروع به چرخش می کند که این زاویه چرخش با شیب منحنی تغییر شکل تیر در آن نقطه برابر است و بنابراین بایستی سرعت زاویه ای وشتاب زاویه ایدر آن نقطه را برای هر المان به محاسبه در آورد.

تیموشنکو به یک معادله مرتبه چهار برای مدل خود دست یافت،در حالیکه مدل  تیر اویلر-برنولی  یک معادله مرتبه دو منتهی خواهد شد که در مسایل نانو لوله به علت کوچک بودن ضرایب به معادله معروفی به نام “دافینگ”3 منجر می شودکه با روش معدل گیری جواب های قابل قبولی خواهد داد زیرا که در این مساله خاص معادله بسیار به معادله خطی نزدیک خواهد شد.

در تحقیقی که پیش رو دارید چون نسبت قطر به طول نانولوله ها در بازه قرار دارد و فرکانس های طبیعی مقادیر کوچکی را اختیار می کند،مدل

 

1 Shearing Force

2 Rotary Inertia

3 Duffing Equation

 

اویلر-برنولی تقریب مناسبی از جواب دقیق ارائه می کند.

 

2-2-2-روش معدل گيری

معادله  را در نظر بگیرید که ε بسیار کوچک است و فرض کنید این معادله حداقل یک حل پریودیک داشته باشد،این معادله بسیار به معادله خطی نزدیک است ،بنابراین باید امکان پذیر  باشد که بتوان از این نزدیکی جهت حل تقریبی معادله غیر خطی استفاده کرد و  انتظار داشت که جواب های فرکانسی ،بسیار نزدیک به حالتی باشند که با حل معادله خطی به صورت دقیق بدست می آیند[15].

به منظور تعیین حل های پریودیک از فرایندی استفاده می کنیم که ضرورتا وجود یک سیستم بسته را مفروض می دارد که بسیار نزدیک به مسیر دایروی منتها با شعاع نامعلوم است.این فرایند اساس روش معدل گیری را تشکیل می دهد .

 

 

2-2-3-نيروی وان دروالس1 بين نانولوله ها

نیروی وان دروالس بین دو اتم کربن را با استفاده از مدل لئونارد-جونز2 می توان تخمین زد.همچنین نیروی وان دروالس روی هر اتم کربن را می توان با جمع کردن نیروهای بین یک اتم و اتم های دیگر تخمین زد[17].در شکل (2-1) یک نانو لوله کربنی دو جداره واقع در محیط الاستیک نشان داده شده است.زیرنویس های (1) و(2) به ترتیب مربوط به نانولوله های داخلی و خارجی می باشند که نانولوله خارجی در محیط الاستیک واقع است.