مهندسی شیمی-موازنه مواد و انرژی

تبيان : يك ورقه فشرده از الياف مصنوعي اغلب به مبلمان هاي تخته اي چند لا باقيمانده جذابيت چوبي را مي‌بخشد. شيميدانان آمريكايي موفق شده اند سر اسلحه را برگردانند و الياف مصنوعي را از چوب توليد كنند. پليمر ساخته شده توسط آنان داراي ويژگي هاي مشابهي مانند ماده PET معروف بطري‌هاي پلاستيكي است.

در سرتاسر جهان سالانه بيش از 40 ميليون تن PET (پلي اتيلن ترفتالات) به طور عمده از نفت خام و در نتيجه از مواد خام فسيلي در حال كاهش توليد مي شود. اين محققان به سرپرستي استفان ميلر از دانشگاه فلوريدا اميدوارند كه در آينده حداقل بتوان بخشي از نياز را از طريق پليمري از جنس چوب به عنوان ماده خام تجديد شدني برطرف كرد.شيميدانان براي سنتز اين پليمر در واقع از ليگنين، يكي از اجزاء اصلي تشكيل دهنده چوب، استفاده مي كنند. در ليگنين حلقه هاي كربو هيدراتي معطر (آروماتيك) از طريق زنجيره هاي جانبي به شكل نوعي شبكه به يكديگر متصل هستند كه الياف سلولزي چوب را كنار هم نگه مي دارد. ليگنين و فرآورده هاي حاصل از تجزيه آن ـ از جمله وانيلين، كه به عنوان ماده اوليه به كار ميلر و همكارانش مي آيد ـ براي مثال هنگام توليد كاغذ به مقدار زيادي به وجود مي آيند.

محققان وانيلين معطر ـ به معناي واقعي كلمه ـ را با استان هيدريد تغيير مي دهند و پس از يك مرحله واكنشي ديگر استيل دي هيدروفرولا اسيد را به دست مي آورند. آنان اين اسيد را به صورت مولكول هاي زنجيري طويل به يكديگر متصل مي سازند. پلي دي هيدروفرولا اسيد داراي ساختاري متشكل از حلقه هاي كربوهيدراتي و «پيوند هاي» كوتاه است كه درست مشابه ساختار PET است.

به گزارش ميلر و گروهش در مجله «شيمي سبز»، همچنين در مورد ويژگي مقاومت در برابر گرما و قابليت تغيير شكل در اولين آزمايش ها معلوم شد كه قابل مقايسه با PET است. اگر اين ماده از نظر شيميايي و مكانيكي به اندازه كافي مورد تأييد باشد، مي تواند آينده سبزي پيش روي بطري ها و ورق هاي الياف مصنوعي قرار گيرد. به هر حال شيميدانان تجزيه پذيري زيستي اين پليمر را تضمين شده مي دانند.

تبيان : در طي دو دهه اخير، پيشرفت هاي شگرفي در كنترل و مهندسي مواد جديد (در مقياس نانومتر) نظير ساختارهايي از مرتبه اتم ها، مولكول ها و ابرمولكول ها صورت گرفته است. ايجاد چنين ساختارهايي نويدبخش پديد آمدن قطعاتي مينياتوري با مقياس هاي قابل تغيير، براي سيستم هاي الكترونيكي، فوتونيك، مغناطيسي، الكترو مكانيكي با بازدهي انرژي بالا (به منظور انتقال محاسبات و ارتباطات) در آينده مي باشند. هدايت ارتباطات آينده به طور معقولانه به سويي كه انتقال اطلاعات و داده ها به سادگي و با آهنگ بيشتري براي سامانه هاي فراگير در منازل و ادارات و حتي مكان هاي عمومي صورت پذيرد، كليد پيشرفت در همه زمينه مذكور مي باشد. در حال حاضر، اين نانو قطعات براي پردازنده هاي مينياتوري، حافظه، مدارها، پيونددهنده ها (Interconnects)، و سيستم هاي محاسباتي آينده با قابليت شارژ خودكار و با ظرفيت بالا و باور نكردني دريافت اطلاعات، بازدهي فوق العاده انرژي، و قابليت تغيير مقياس جاي خود را در بين مهندسان فن آوري هاي جديد باز كرده و ديگر موضوعاتي صرفا تحقيقاتي نيستند. شكي نيست كه تلاش ها در زمينه هاي مختلف علمي و موفقيت هاي چشمگير در ورود نانوذرات و نانو قطعات به عرصه هاي مختلف تجارت در آينده پتانسيل زيادي را در زمينه هاي اقتصادي فراهم مي كند كه مي توان آن را با فن آوري ارتباط از راه دور(Telecommunication) در دهه 90 و رشد فنآوري اطلاعات (IT) در دهه اخير قابل قياس دانست.

در اين مقاله ما تلاش خواهيم كرد تا به صورت فشرده نو آوري هاي انجام گرفته در زمينه نانو ذرات و نانو قطعات را مرور كنيم و گسترده اي از عامل هاي حياتي در تضمين موفقيت فنآوري ارتباطات آينده و شبكه حسگرهاي هوشمند را مطرح مي سازيم.

 نانوذرات براي قطعات مورد نياز مخابرات افزايش تقاضا براي اتصال بي سيم، بوسيله سيستم هاي هوشمند فراگير و دريافت اطلاعات بطوري كه شخص، محدود به مكان هاي خاصي نباشد، اين نياز را بوجود آورده است كه آهنگ ارسال اطلاعات بيشتر گردد. براي دست يابي به اين مهم بايد حافظه و قابليت پردازش و محاسبات در قطعات مورد نياز در حوزه مخابرات افزايش يابد؛ در عين حال شكل كوچك اين قطعات حفظ شود و توان مصرفي آنها پايين باقي ماند براي بيشتر از يك دهه است كه فعاليت هاي مربوط به اين زمينه، بر روي بهبود فناوري نقاط اتصال داخل تراشه و بين تراشه اي و ارتباطات Board- Board متمركز شده است. اين كار بوسيله كاهش مقاومت رساناها نظير مس و هم چنين كاهش ثابت دي الكتريك مواد با بكارگيري پليمرهايي كه داراي ضريب دي الكتريك پايين (Iow- K Polymers) دارند، قابل دست يابي است. چون آهنگ ارسال اطلاعات حدود ده ميليارد بر ثانيه است، از طرفي ابعاد مسير آزاد الكترون در يك سيم مسي در دماي اتاق، حدود 40 نانومتر مي باشد؛ در نتيجه مقاومت داخلي سيم هاي پيوند دهنده بين قطعات، بسيار زياد خواهد بود. دليل وجود اين مقاومت داخلي بالا در سيم مسي، وجود نقص و ناخالصي در شبكه بلوري مس مي باشد، به طوري كه ارسال سيگنال ها حتي براي فاصله كوتاه 50 سانتي متر، از ميرايي بالايي برخوردار خواهد بود و اين سبب افزايش پراكندگي گرمايي مي شود (يادداشت مترجم: ساختار دروني فلزات به صورت يك شبكه كريستالي و منظم است كه اتم ها در مكان هاي خاصي قرار دارند و الكترون هاي رسانشي در فضاي آزاد، بين اتم ها حركت مي كنند ولي به سبب ناخالصي و نقص هاي شبكه، برخي اتم ها از ساير عناصر به جاي اتم اصلي در شبكه منظم بلوري قرار مي گيرند، بدين ترتيب مسيرهاي آزاد براي حركت الكترون رسانش بوسيله اين اتم ها مختل مي گردند الكترون هاي رسانش در برخورد با اين اتم ها از مسير اوليه خود خارج مي شوند، هر چه ميزان پراكنندگي به سبب نقص شبكه بلوري فلز بيشتر باشد. جريان خروجي كمتري خواهيم داشت اين دقيقا همان مفهوم مقاومت الكتريكي مي باشد. انرژي كه توسط الكترون حمل مي شد در برخورد با اتم ها جذب مي شود و اين سبب بالا رفتن دماي فلز و در نتيجه نوسانات با دامنه بزرگ تر اتم ها در جاي خود مي گردند كه اين نيز به نوبه خود احتمال برخورد اتم ها با الكترون هاي ديگر رسانشي را افزايش مي دهد. يعني با بالا رفتن دما مقاومت الكتريكي بيشتر مي شود) بنابراين سيم هاي رابط بين قطعات، يكي از بزرگ ترين مشكلاتي است كه سيستم ها در مقياس گيگا(Gigascale systems) با آن مواجه اند. در حال حاضر، بيشتر از 70 درصد خازن هاي موجود بر روي تراشه ها با كارآيي بالا بوسيله چنين رابطه هايي با يكديگر در ارتباطند، و توان ديناميكي پراكنده شده در چنين رابط هايي بيشتر از آنچه كه در يك ترانزيستور اتفاق مي افتد، مي باشد.

بنابراين، سيم هاي مذكور مانع بزرگي در جهت پيشرفت سيستم هاي پردازشگر بسيار بزرگ آينده خواهند بود مقاومت، ظرفيت، القاي مزاحم مربوط به پيونددهنده هاي مسي، باعث پايين آمدن كارآيي كامپيوترها مي گردد و به طور افزاينده اي سد راه توسعه فن آوري ريزپزدازنده هاي فوق العاده كوچك ULSI هستند، (ULSI Ultra-Large- Scale Integration)، ابتدا تاخير سيگنال ها در سيم هاي رابط افزايش مي يابد و اين امر تبديل به يك محدوديت ذاتي براي سرعت مدارهاي ديجيتالي مي گردد كه نتيجه آن پايين آمدن سرعت ريزيزدارنده ها مي باشد. به نظر نمي رسد فناوري هاي حال حاضر راه حل مناسبي براي رفع اين مشكلات در دست داشته باشد، در نتيجه نياز به تكنيك هاي جديد و نوآوري براي شكستن سد بزرگ رابط هاي مسي احساس مي شود. يكي از راه هاي ممكن براي حل اين مشكل استفاده از رابط هاي Photonic و رابط هاي نوري فضا- آزاد (Free- Space) مي باشد.

تبيان : فكر كنيد ديگر دغدغه ي لباس خريدن و اينكه لباس سايزتان باشد يا نه ، بلند يا كوتاه نباشد! و … را نخواهيد داشت. درست است، شايد اين طرح فقط در حد يك ايده باشه ولي فراموش نكنيد كه هميشه براي تغيير و تحول يك نقطه ي آغازي هم وجود دارد. اين مايع مخلوط كه توسط Imperial College لندن و شركتي به نام Fabricon درست شده به شما اين اجازه را مي دهد كه لباس رو به صورت مستقيم و به شكل و اندازه ي دلخواه بر روي بدن خودتان اسپري كنيد!!

بعد از اسپري كردن و خشك شدنش روي بدن، يك لايه ي نازك از پارچه بر روي بدن شما تشكيل مي شود كه لباستان نام دارد! خوب قبلا هم همچين تكنولوژي اي وجود داشته است! بله اين تكنولوژي قبلا هم درست شده بود و به عنوان لباس هاي Latex مطرح مي شد ولي آن ها را براي از تن در آوردن بايد پاره مي كرديد و يك بار مصرف بودند! اما اين نوع لباس را شما مي توانيد از تن به راحتي در بياريد، بشوئيد، اتو كنيد و در كنار بقيه لباس هايتان استفاده كنيد !

"وقتي اين پروژه را شروع كردم واقعا مي خواستم يك لباس با متد متفاوت ، يكپارچه ( يعني چيزي كه درز نداشته باشد تا شكافته شود و بدون نياز به خياطي توليد شود ) ، سريع و راحت از لحاظ توليد و پوشيدن، درست كنم." اينها صحبت هاي Manel Torres طراح اسپانيايي اين نوع لباس بود.

Torres با همكاري Paul Luckam استاد بخش تكنولوژي ذرات در Imperial College اين نوع پارچه را ساخته است. Torres همچنين اضافه كرده است: "خواسته ي من از اين روش جديد عوض كردن و پايبند نبودن به اصول فعلي صنعت نساجي و پوشاك بود، روشي كه بتوانيم پارچه و لباس را بدون نياز به دوخت و خياطي توليد كنيم."

كمپاني سازنده Fabricon مي گويد : Spray-on Fabric شامل الياف كوتاهي است كه با نوعي پليمر تركيب شده و حلالي به آن اضافه شده كه پارچه را به صورت مايع در مي آورد ؛ بعد از اينكه پارچه اسپري شد و پوست بدن را لمس كرد حلال تبخير شده و در نهايت اليافي كه با پليمر با هم ارتباط متقابلي برقرار كردند پارچه و لباس را تشكيل مي دهند. Spray -on تنوع زيادي در پوشش انواع پارچه اعم از طبيعي و مصنوعي شامل پشم، كتان يا اكريليك دارد. جنس اين لباس با توجه به نوع فيبر استفاده شده و نحوه افشاندن آن بر سطح پوست مي تواند شبيه پشم، نخ و يا آكريل باشد. اين لباس منعطف و قابل شستشو است و مي توان آن را در مجاورت ساير البسه به راحتي نگه داري كرد.
Fabricon همچنين ادعا كرده اين فناوري فقط براي استفاده در دنياي مد و لباس نخواهد بود بلكه مصارف پزشكي مانند باند پيچي پوست تن بدون اختلال در آن نيز خواهد داشت. البته اشكالاتي هم بر سر راه اين ايده قرار دارد كه بايد برطرف شوند مانند بوي قوي ناشي از ماده ي حلال در هنگام تبخير يا اينكه لباس هاي توليدي حاصل از اين روش تنها لايه ي نازكي هستند كه آنچنان گرم نخواهند بود.