خواص مغناطیسی در دنیای نانو

آیا می‌دانید چگونه یک آهن‌ربا ساخته می‌شود؟ و یا تاکنون به این فکر کرده‌اید که چه چیز باعث می‌شود برخی از آهن‌رباها خاصیت مغناطیسی زیادی داشته باشند، به حدی که می‌توانند قطعات آهنی چند تنی را جابجا نمایند، در حالیکه برخی دیگر مانند آهن‌رباهای نعلی شکلی که در آزمایشگاه مدرسه دیده‌اید حتی قادر به بلند کردن یک وزنه آهنی چند کیلوگرمی نیستند؟

حال اگر بشنوید با کمک فناوری نانو آهن‌رباهای کوچکی ساخته شده‌اند که خاصیت مغناطیسی بسیار بیشتری از قوی‌ترین آهن‌رباهای موجود را دارند، چه فکر می‌کنید؟ چگونه چنین چیزی امکان‌پذیر شده است؟ بهتر است برای پاسخ به این سوال‌ها ابتدا با ساختار مواد مغناطیسی مثل آهن بهتر آشنا شویم. همان‌طور که می‌دانید یك ماده مغناطیسی مجموعه‌ای از حوزه‌های مغناطیسی است. حوزه مغناطیسی،‌ ناحیه‌ای است كه درون آن همه الكترون‌های لایه‌های منفرد (لایه‌های الکترونی اطراف هسته که هنوز به طور کامل با الکترون‌ها پر نشده‌اند) در یك جهت به دور هسته و به دور خود می‌چرخند و موجب ایجاد نیروی مغناطیسی می‌شوند. در یک ماده مغناطیسی ممکن است چندین حوزه مغناطیسی وجود داشته باشد که جهت نیروهای آنها مختلف می‌باشد. چنانچه بتوانیم حوزه‌های مغناطیسی غیرهم‌جهت را هم‌جهت كنیم تا نیروهای حاصل همدیگر را خنثی نكنند، یک آهن‌ربا ساخته‌ایم. برای این كار می‌توانیم قطعه‌ای از ماده‌ی مغنایطسی را با یك آهن‌ربا مالش دهیم، یا آن‌ را در جهت میدان مغناطیسی زمین گداخته كنیم یا در این جهت چكش‌كاری نماییم. این كارها باعث تغییرِ جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه ‌می‌گردد تا در نهایت تمام حوزه‌ها هم‌جهت شوند. با این كار، مرز بین حوزه‌ها حركت می‌كند و حوزه‌های كوچك‌تر در حوزه‌های بزرگ ادغام (هضم) می‌گردند. حال هر چه بتوانیم تعداد بیشتری از حوزه‌های یک ماده را هم‌جهت سازیم، آهن‌ربایی با خاصیت مغناطیسی قوی‌تری ساخته‌ایم. از سوی دیگر، یك ماده هر چه حوزه‌های کم‌تعدادتری داشته باشد، نیروی كم‌تری برای هم‌جهت کردن حوزه‌های آن لازم است. اگر ماده تنها دارای یك حوزه باشد، در این صورت دیگر نیازی به هم‌جهت كردن آن با دیگر حوزه‌ها نیست. از آنجا‌كه قطر این حوزه‌ها در محدوده یک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، هر ذره‌ای که فقط دارای یک حوزه باشد، یک نانوپودر به شمار می‌رود. از طرف دیگر، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، می‌دانیم که موادی که از حالت طبیعی خارج شده‌اند، تمایل دارند که به حال طبیعی خود بازگردند و مغناطیس كردن یك ماده، ماده را از حالت طبیعی خود خارج می‌کند. اما چون نانوپوردها احتیاج به نیروی زیادی برای مغناطیس شدن ندارند و از حالت طبیعی خود خیلی فاصله نمی‌گیرند، پس از مغناطیس شدن، تمایل زیادی برای از دست دادن این خاصیت و بازگشت به حالت طبیعی ندارند. اکنون با این توضیحات باید بتوانید تصور کنید آهن‌ربایی که تنها متشکل از نانوپودرهای مغناطیسی است، چقدر خاصیت مغناطیسی زیادی دارد. شاید برایتان جالب باشد که بدانید از نانوپودرهای مغناطیسی علاوه بر آهن‌رباها در محیط‌های ذخیره اطلاعات مانند کارت‌های اعتباری نیز استفاده می‌شود. در این محیط‌ها، حفظ و ماندگاری اطلاعات بسیار مهم است و پایداری خاصیت مغناطیسی در پودرها باعث می‌شود اطلاعات حکاکی‌شده‌ای که در قالب حوزه‌های مغناطیسی ثبت شده‌اند، از بین نروند.

محلول‌های مغناطیسی نانو
محلول‌های مغناطیسی یکی از حوزه‌های فناوری نانو به شمار می‌روند که کم‌تر از دیگر شاخه‌ها به آن پرداخته شده ‌است، به تازگی کاربردهای جدیدی برای آنها یافت شده است. محلول‌های مغناطیسی از ذرات نانوپودرهای فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند (مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایع، ساخته می‌شوند.

پخش‌ کردن ذرات در مایع را می‌توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند، که در این صورت حالت کلوییدی از بین رفته، ذرات در محلول ته‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. هر قدر که ذرات ریزتر باشند، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید، موادی با نام "سورفکتانت" به محلول اضافه می‌شود که سطح ذرات را می‌پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن آنها می‌شود. بنابراین، ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. در شکل بالا می‌توانید نحوه قرار گرفتن ذرات مغناطیسی و مولکول‌های سورفکتانت را مشاهده کنید.

تشخیص زود هنگام بیماری
از جمله کاربردهای محلول‌های مغناطیسی در حوزه پزشکی است. از این محلول‌ها می‌توان برای تشخیص زود هنگام سرطان در فرآیندهای تصویربرداری، مانند پرتونگاری تشدید مغناطیسی، استفاده نمود.

در حال حاضر فرآیندهای تصویربرداری تنها می‌توانند از روی تغییرات آناتومی که در اثر تاثیرات طولانی مدت بیماری ایجاد می‌شوند، بیماری را تشخیص دهند. اما، فناوری نانو با استفاده از نانوذرات مغناطیسی در روش‌های جدید تصویربرداری، می‌تواند بیماری را در مراحل اولیه، زمانی‌که پیشرفت بیماری تنها در حد 10 تا 100 سلول است، تشخیص دهد. برای این منظور محلول‌های حاوی نانوذرات مغناطیسی به بدن بیمار تزریق می‌شوند. نانوذرات می‌توانند به آنتی‌بادی‌هایی که به سلول‌های سرطانی متصل می‌شوند، وصل گردند. دستگاه پرتونگار، نانوذراتی را که به سلول سرطانی متصل شده‌اند، به خوبی تشخیص می‌دهد. با تمرکز لیزر بر این نانوذرات متصل به سلول، می‌توان سلول‌های سرطانی را بدون آسیب رساندن به سلول‌های سالم از بین برد.

فناوری نانو در مسابقات اتومبیل‌رانی و موتورسواری
بطوركلی در بسیاری از مسابقات ورزشی كه سرعت بالا نقش مهمی را ایفا می‌کند، بهره‌گیری از فناوری نانو با هدف كاهش نیروی اصطکاک می‌تواند بر جذابیت این مسابقات بیافزاید. از جمله‌ی این ورزش‌ها، اتومبیل‌رانی و موتورسواری هستند که کاهش اصطکاک میان بدنه‌ی این وسایل و هوا باعث افزایش سرعت و هیجان در مسابقات آنها در سال‌های اخیر شده است.

به عنوان مثال شرکت Nanotec-USA با افزودن مولکول‌های خودچیدمان (مولکول‌هایی که تحت تاثیر برهم‌کنش‌های فیزیکی یا شیمیایی، به شکل یک ساختار منظم نانومتری در می‌آیند) به رنگ و پوشش‌های بكاررفته در اتومبیل‌ها و موتورسیكلت‌ها، سطوح کاملاً صافی ایجاد كرده است. این مولکول‌های خودچیدمان در عرض 24 ساعت به هم می‌پیوندند و بر روی حفرات موجود در بین پوشش‌های سطحی، یک ساختار ماتریسی 10- 5 نانومتری را می‌سازند. این ساختار، با ایجاد سطح فوق‌العاده صیقلی باعث کاهش اصطکاک میان بدنه اتومبیل و موتورسیکلت با هوا می‌شود. علاوه براین، وجود این مواد، مانع از تماس آب و آلودگی با پوشش‌های سطحی نیز می‌گردد و آلودگی‌ها با بارش باران از روی سطح لیز خورده و جدا می‌شوند. بنابراین، سطح اتومبیل‌ و موتورسیکلت‌ همیشه تمییز باقی می‌ماند. كم شدن مقاومت هوا در برابر حركت، علاوه بر افزایش سرعت حرکت این وسایل، مصرف سوخت را نیز تا 50% کاهش داده است. به همین جهت، از این فناوری در سفینه‌های فضایی، هواپیماها و قطارهای سریع‌السیر نیز استفاده شده است. بكارگیری سطوح كاملاً صاف در سفینه‌های فضایی مقدار مصرف سوخت را تا 3% کاهش داده است. در هواپیماها هم موجب کاهش هزینه سوخت تا پنج میلیون دلار در سال شده است.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: