تحديات الطاقة وتكنولوجيا النانو

تعتبر الطاقة من أكبر وأهم التحديات التي تواجه البشرية في هذا القرن، فهي من أهم العوامل التي تؤثر في تقدم المجتمعات ورفاهيتها، كما أنها تؤثر بشكل مباشر أو غير مباشر في مواجهة كل التحديات الأخرى. اليوم أكثرمن 1.6 مليار نسمة من سكان العالم لا يتمتعون بالطاقة الكهربائية، وحوالي 2.4 مليار يعتمدون على النباتات وبقايا الزراعة كمصدر للطاقة. أما الطاقة الحديثة في المستوى الذي يتمتع به العالم المتقدم فلا تزيد نسبة المستعملين لها عن 25% من سكان العالم. يستهلك العالم اليوم طاقة بمعدل 1.4 تيرا جول يوميا، وأغلب هذه الطاقة يتم الحصول عليها من حرق الوقود الأحفوري (فحم ونفط وغاز) الذي تنتج عنه مشاكل كبيرة للبيئة بسبب انبعاثات غاز ثانى أكسيد الكربون.

إن الاحتياج المتزايد للطاقة وندرة الوقود الأحفوري واستنزاف موارده بالإضافة للتأثير المناخي السلبي الناتج عن حرقه تجعل تحدي الطاقة يتمثل في إنتاج كميات وفيرة من الطاقة المستدامة التي تكفي لإحتياجات العالم المتزايدة وبتكاليف مقدور عليها (مساوية أو أقل من تكاليف إنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري) ولا تسبب تلوثًا للبيئة (إنبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون وغيره) ويمكن الوصول إليها عند الحاجة من أي مكان وفي كل وقت، وكذلك زيادة كفاءة تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى وزيادة كفاءة تخزينها واستخدامها وتقليل الفاقد في نقلها من مكان إلى آخر.

وتأتي تكنولوجيا النانو لتقدم الحل وتواجه التحدي وذلك لما لها من قدرة على فهم المشاكل والتصدى لها عند المستوى الذري والجزيئي للمادة. حيث تساهم تكنولوجيا النانو في اكتشاف مواد وطرق جديدة تساعد في انتاج الطاقة ونقلها وحفظها وتحويلها من صورة لخرى بأعلى كفاءة وأقل تكلفة.

وستكون هناك سلسلة من المقالات تحت نفس العنوان بإذن الله ستأحدث فيها عن اسهامات تكنولوجيا النانو في مجال الطاقة ودورها في زيادة كفاءة عملية انتاج ونقل وتخزين وحفظ الطاقة.

Read More

مترجم: عشرة أشياء ينبغي عليك معرفتها عن تكنولوجيا النانو (2/ تعريف واستخدام المصطلح )

دعونا نبدأ بالأساسيات حول الموضوع : كلمة نانو يرجع أصلها للكلمة اليونانية (قزم). البادئة نانو تعني جزء من البليون (^-910)  وتطبق عند استخدام المقادير الهندسية، مثلا وحدة الزمن (نانو ثانية)، وحدة الحجم (نانو لتر)، وحدة الوزن (نانو جرام)، أو وحدة الطول (نانومتر). يتم استخدام كلمة نانو بصورة شائعة مع وحدة الطول، والمقياس النانومتري يكون في المستوى الذري في المدى بين 0.1 نانومتر إلى 100 نانومتر. التراكيب النانوية أو المواد النانوية هي أشكال من المادة على مقياس النانومتر.

لإعطائك فكرة عن مدى صغر النانومتر، إذا قمت برص 7 ذرات اوكسجين أو ثلاثة جزيئات ماء سيكون طول ذرات الأوكسجين أو جزيئات الماء حوالي واحد نانومتر. لكن ذلك صعب التخيل. حسنا، ما رأيك بهذا المثال: عرض كرة الدم الحمراء حوالي 7,000 نانومتر، أو هذا المثال، سمك شعرة الإنسان حوالي 50,000 – 100,000 نانو متر. تريد المزيد؟

-         تنمو أظافرك بمعدل واحد نانومتر لكل ثانية.

-         مقارنة حجم كرة قطرها واحد نانومتر مع كرة قدم مماثل لمقارنة حجم كرة القدم مع الأرض.

-         طول 8 الى 10 ذرات متجاورة موضوعة في صف - اعتمادا على نوع العنصر- يساوي واحد نانومتر.

حسنا، وصلتك الفكرة. من الصعب جدا جدا تخيل مقدار صغر الأشياء مهما كان المثال شديد التعقيد، كهذا الأخير: وضع جسيم بحجم واحد نانو متر بدقة في خط طوله واحد متر يماثل وضع حبة فلفل بدقة أيضا في المسافة بين كوبنهاجن ومدريد أو بين طوكيو وبيجين.

يطلق عليها بصورة عامة تكنولوجيا النانو، لكن ينبغي أن نفرق بين العلم والتكنولوجيا. أولا علم النانو وهو دراسة ظاهرة التلاعب بالمادة على مقياس النانومتر، ويمثل جوهريا امتداد للعلوم لكن على مستوى النانومتر. ثانيا تكنولوجيا النانو وهي عبارة عن تصميم ووصف وبناء تراكيب جديدة للمادة وذلك بالتحكم في ترتيب جزيئات المادة على مستوى الناومتر واستخدامها في التطبيقات المختلفة.

تكنولوجيا النانو ينبغي أن يطلق عليها تكنولوجيات النانو: يشير المصطلح بصورة واسعة إلى عدة مجالات علمية كالأحياء والفيزياء والكيمياء، أي مجال علمي يستفيد من ظاهرة تغيير الخصائص عن طريق تغيير ترتيب الذرات. ما ندعوه تقنية النانو في الواقع ليس مجرد صناعة وليس علما إحتكاريا أو أبحاثه محتكرة على مجال واحد، فهو يتألف من تمكين مجموعة من التطبيقات والصناعات.

أحيانا تسمع أن تكنولوجيات النانو توصف بأنها  منصة تقنية فتلك المنصات واسعة الإنتشار تمثل نقاط انطلاق للعلوم الاخرى وأساس للتطبيقات المختلفة. أنطمة تشغيل الحاسوب تعد مثالا جيدا للمنصات التقنية  فبدلا من التعامل المباشر مع عتاد الحاسوب يتعامل المبرمجون مع نظام التشغيل لبناء تطبيقات متنوعة ابتداء من الألعاب وحتى تطبيقات التحكم في المحطات النووية لتوليد الكهرباء. وبصورة مماثلة ستسمح لنا تكنولوجيا النانو بالتحكم بدقة في ذرات المادة مما يقود الى قدرة غير مسبوقة في مختلف المجالات لابتكار مواد واجهزة جديدة.

رابط المقال الأصلي

Read More

تكنولوجيا النانو في الهندسة المدنية

   إن من اميز مظاهر التطور في عالمنا الآن التطور العمراني الذي شهد طفرات هائلة في العقود الأخيرة فشيدت ناطحات السحاب العالية باعداد كبيرة .حيث يتطلب هذا قوة تحمل كبيرة لجسم المبنى ويكون ذلك بتسليحه بالحديد الصلب المعروف بالقوة الكبيرة و يصب فوقه الخرسانة التي يكون فيها الاسمنت عنصرا هاما لزيادة قوة جسم المبنى.
   حديثا وباستخدام تكنلوجيا تعد الأحدث في العالم امكن الحصول على قوة كبيرة زيادة على قوة الصلب والخرسانة و ذات امكانية لعزل الصوت والحرارة و خاصية طرد الماء وخاصية التنظيف الذاتي للاسطح. بعض من هذه المواد
1.النانو سيليكا : يزود الخرسانة بخاصية العزل المائي بالاضافة الى تحسين خاصية المتانة
2.ثاني اكسيد التيتانيوم: هو صبغة بيضاء يمكناستخدامها كمادة طلائية عاكسة ممتازة حيث انها تتفاعل تفاعلات قوية مع الملوثات العضوية والمركبات العضوية المتطايرة و الاغشية البكتيرية مما يمكنها من الحد من الملوثات المحمولة جوا .فهي بالتالي تضيف للخرسانة خاصية التنظيف الذاتي.بعض المواد الاخرى انابيب الكربون النانوية ونانو اكسيد الزركونيوم

Read More

مترجم : عشرة أشياء ينبغي عليك معرفتها عن تكنولوجيا النانو (1/ المفهوم)

   

       

     في عام 1959 ألقى الفيزيائي والحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان محاضرة بعنوان " هناك متسع كبير في القاع " خلال اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية، حيث أدخل للأذهان مفهوم تكنولوجيا النانو من غير تسمية المصطلح.
     في محاضرته المشهورة تحدث عن إمكانية التلاعب والتحكم بجزيئات المادة على مقاييس صغيرة جدا، ووضع هذا السؤال "لماذا لا يمكننا كتابة كل الأربعة وعشرين مجلدا من موسوعة بريتانيكا على رأس دبوس؟".
 
     وضع فاينمان جائزة قدرها 1000 دولار لأول شخص يقوم بصناعة وتشغيل محرك كهربائي يمكن التحكم به من الخارج، وتكون مساحة سطحه 1/64 بوصة مربعة.
     كان فاينمان يأمل في أن تثمر جائزته عن نوع جديد من الصناعات التكنولوجية، ولكنه كان مذهولا بعد مرور سنة من إعلانه عن الجائزة، حيث قام بيل ماكليلان بصناعة المحرك بيديه مستخدما الملقط والمجهر. محرك بيل الذي كان سرعة دورانه 200 لفة في الدقيقة كان يزن 250 مايكرو جرام ويتكون من 13 جزء.

            (محرك ماكليلان المايكرومتري تحت عدسة المجهر. الفقاعة أعلى الصورة عبارة عن رأس دبوس)

     ومنذ 50 سنة من ذلك الحين لم ينجح فقط مجال الإلكرونيات في كسب رهان فاينمان والدخول في الإنتاج التجاري لتلك المحركات بل وعمل أصغر من محرك ماكليلان. بل بدأ الباحثون في استكشاف مستوى آخر من التصغير، وذلك على مستوى النانو متر.

رابط المقال الأصلي

Read More

استخدام تقنية النانو في تنقية المياه

من بين التحديات العالمية التي تواجة التي تواجه الدول والمجتمعات حاليا، الحصول على المياه النقية التي تعد من حقوق الإنسان الأساسية. فطبقا لتقديرات الكثير من الهيئات والمنظمات الدولية، هناك الملايين من الأشخاص لا تتوفر لديهم مصادر للمياه النقية، ويعانون من عدم قدرتهم على الحصول على مياه شرب نقية الأمر الذي يؤدي لانتشار الأمراض والوفيات.

ووفقا لآخر الإحصاءات من اليونيسيف ومنظمة الصحة العالمية، هناك ما يقدر بـ 884 مليون شخص محرومون من الماء الصاح للشرب، و 2.5 مليار دون مياه تستخدم للصرف الصحي. ونتيجة لذلك تنتشر الأمراض والوفيات للأشخاص الذين يستخدمون موارد مياه ملوثة، هذه الأثار واضحة بشكل خاص للأطفال في البلدان المختلفة حيث أن 3900 طفل يموتون يوميا بسبب الإسهال وحده.

ولعل من أبرز الفوائد المبشرة و الملموسة لتقنية النانو هي مساهمتها في الحصول على مياه صحية خالية من الملوثات و الشوائب الضارة بواسطة أنظمة معالجة متقدمة تتضمن وسائل تنقية نانو مترية. ولا ريب أن نجاح تصفية المياه بالطريقة البدائية المعتمدة على أقمشة ملابس الساري، المعروفة في بلدان الهند و ما جاورها، هي الأصل في البحث عن منسوجات مشابهة ِحيكت و ُعولجت بتقنية النانو لجعل عملية التصفية أكثر فاعلية و كفاءة . ففي بنغلادش، على سبيل المثال، أستعمل أهالي القرى أقمشة الساري لتصفية مياههم من بكتيريا الكوليرا، حيث بإمكان أربعة طبقات من قماش الساري حجز 99% من البكتيريا . و في المقابل استفادت أرياف جنوب أفريقيا من إنتاج تقنية النانو المتمثل بأغشية فلتره ذات مسامات نانو مترية في فلتره مياهها من الملوثات و السموم الصناعية و التي تضمنت كبريتات و كلورايد و فوسفات و النتريت.

فعلى سبيل المثال، استخدمت ذرات الفضة النانوية في قتل البكتريا و خصوصاً بكتريا الايكولاي المسببة للأمراض المعدية و القاتلة في كثير من الأحيان، و أظهرت النتائج المنشورة في هذا الموضوع أن هذه المواد قضت و بشكل كامل على هذه الميكروبات. بالإضافة إلى ذلك، استخدمت مواد نانوية أخرى في معالجة و تنقية المياه الملوثة، كالأنابيب الكربونية النانوية حيث أظهرت هذه المواد النانوية أن لها خاصية عالية على ادمصاص المواد و العناصر السامة الملوثة في المياه كالمعادن الضارة و المركبات الكربونية الذائبة في الماء بالإضافة إلى استخدامها في قتل الميكروبات و الجراثيم العالقة بالماء بتعديل أسطحها كيميائياً.

وقد تم نشر العديد من الأبحاث العالمية في هذا المجال، حيث أظهرت النتائج أنه تمت إزالة، وبشكل كامل، بعض المعادن الضارة و السامّة كالزئبق و الزرنيخ و الرصاص و الكادميوم و الكروميوم، ثم أيضاً نزع العديد من المركبات الكربونية كالفينول و الزيوت العالقة و مركبات البنزين و التولوين و الزيلين و المواد الكربونية الصبغية و غيرها.

وهناك العديد من المواد النانوية الأخرى التي تم استخدامها في معاجة المياه كألياف الكربون النانوية وجزيئات الجرافين النانوية و نانوزيوليت و الفلاتر النانوية و أظهرت هذه المواد قابلية عالية في معالجة المياه الملوثة.

وأخيراً ما زالت لأبحاث مستمرة في هذا المجال، و ما زال هناك الكثير من المجالات و التطبيقات التي يمكن من خلالها استخدام المواد النانوية لزيادة انتاجية المياه العذبة و تنقية المياه.

المصادر 1 ، 2

Read More