نانو مکانیک و زمینه‌های پرکاربرد آن

نانو مکانیک شاخه‌ای از علم نانو است که مشخصات بنیادی مکانیکی سیستم از قبیل الاستیسیته، گرما و بر هم نهی (Superposition) از اجزا را در مقیاس نانو بررسی می‌کند. 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 یعنی 1) اصول تبدیل مومنتوم و انرژی، 2) اصول مکانیک همیلتونی و 3) اصول تقارن می‌باشند.

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 و 5) مهم بودن اثرات کوانتوم نیز بررسی می­شوند.

نانو مکانیک روی ویژگی­های مکانیکی نانو سیستم­ها و نانو ساختارهای مهندسی تمرکز دارد. این سیستم­ها شامل نانو ذرات (Nanoparticle) نانو پودرها (Nano powders)، نانو میله­ها (Nanowire )، نانو نوارها (Nano rods )، نانو لوله­های کربنی (Carbon Nanotubes) و نانولوله­های نیتریدبور (Boron Nitride Nanotube )، نانو پوسته­ها (Nano shell )، نانو موتورها (Nano motor) و غیره… است. برخی از زمینه­های پرکاربرد نانو مکانیک شامل سه حوزه 1) نانوسیالات، 2) نانو ترایبولوژی و 3) سیستم­های نانو الکترومکانیک می­باشند.

نانو سیالات               

یکی از محدودیت­‌های اساسی در پیشرفت مبدل‌های حرارتی (Heat Exchanger ) ضریب انتقال حرارتی (Heat Transfer Coefficient ) 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 می­توانست به نحوی چشم‌گیر ضریب انتقال حرارتی آن­ها را افزایش دهد. نانو سیالات ( Nano Fluid) 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 اساسی­ترین کاربردهای نانوسیالات می­توان به کاربرد در مبدل­های حرارتی، حمل و نقل، سرمایش سیستم­های الکترونیکی، سیستم­های گرمایشی و مطبوع و پزشکی ( حمل دارو در بدن) اشاره کرد.

نانو ترایبولوژی

اگر شما اتومبیلی را خریداری کرده‌اید که به مدت 10 سال نیاز به تعویق روغن یا گریس­کاری را نداشته باشد، در این اتومبیل از روغن و گریسی استفاده شده که از مواد نانو ساخته‌ شده‌اند. اصلی­ترین وظیفه نانو روان کاران (Nano Lubricant) کاهش اصطکاک و خوردگی قطعات همراه بادوام و کارایی بیشتر است. ورود این موارد به بازار تغییرات بسیار زیادی را به دنبال خواهد داشت.

ترایبولوژی (Tribology) دانش بررسی برهم‌کنش سطح و حرکت است. بررسی اصطکاک، روان‌کاری و سایش در این شاخه صورت می‌پذیرد. تریبولوژی میان‌رشته‌ای از مهندسی مکانیک و دانش مواد است که در سال ۱۹۶۴ میلادی به وسیله دیوید تابور فیزیکدان بریتانیایی به عنوان یک دانش نوین عرضه گردید.

نانو ترایبولوژی شاخه­ای از ترایبولوژی است که به مطالعه پدیده­های اصطکاک در مقیاس نانو می­پردازد و تمایز اصلی این دو در واقع به علت درگیری نیرو­های اتمی در تشخیص رفتار نهایی سیستم است. هدف نهایی نانو ترایبولوژی دست یابی به روانکارهایی است که هیچگاه نیاز به تعویض و یا ترمیم نداشته باشند.

سیستم‌­های نانو الکترومکانیک

در اواخر 1950 فیزیکدانی به نام ریچارد فاینمن، با پیشنهاد جایزه 1000 دلاری برای اولین فردی که موفق به ساخت موتور الکتریکی کوچک‌تر از 1 اینچ (2.54 سانتیمتر) شود، توجه مردم را به این موضوع جلب کرد در کمال حیرت ویلیام مک لیلان با کوشش فراوان و صرف ساعات بسیار خسته کننده ، توانست این کار را با انبرک دستی و یک میکروسکوپ انجام دهد.

کاری که فایمن شروع کرد در واقع آغازگر جریان بزرگی از دانش بود که منجر به سیستم­های مایکرو الکترومکانیکی (MEMS) و سپس نانو الکترومکانیکی (NEMS) شد. توجه اصلی نانو الکترومکانیک بر روی ساختن تجهیزاتی است که دارای کارکردهای الکتریکی و مکانیکی در ابعاد نانو می­باشند. NEMS سطح پیشرفته کوچک‌سازی شده ادوات MEMS هستند.

آن‌ها دربرگیرنده ادوات مختلفی نظیر حسگرها، فعال‌کننده‌ها، محرک‌ها و بسیاری دیگر از ادوات نانو هستند. خواص متفاوت ادوات مبتنی بر NEMS شامل قدرت الکتریکی بالا و … باعث منحصر به فرد شدن آن‌ها شده 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 .