پيش‌بيني واكنش فتوشيميايي

نانو : پژوهشگران شركت NEC اعلام كردند كه اولين سيستم پيش‌بيني مبتني بر شبيه‌سازي را براي واكنش‌هاي فتوشيميايي ليزري ارائه كرده‌اند. در اين واكنش‌ها اتم هيدروژن از درون مولكول كلريد هيدروژن كه درون نانولوله‌ي كربني گير فتاده خارج مي‌شود. اين شبيه‌سازي به‌وسيله‌ي «شبيه‌ساز زمين»، كه دستگاهي است كه شركت NEC براي آژانس علم و فناوري زمين و دريا (JAMSTEC) ساخته ، انجام گرفته‌است. JAMSTEC يك سازمان مستقل اداري است.

نتايج اين پروژه در سنتز هيدروژن، مواد ارزان‌قيمت از طريق واكنش فتوشيميايي كه با تابش ليزر انجام مي‌‌شود و همچنين در توسعه‌ي مواد جديد مي‌تواند مفيد باشد. 
 
اين دستگاه شبيه‌ساز در كنفرانس ابررايانه‌ها كه در ماه نوامبر 2010 در آمريكا برگزار شد، به‌دليل عملكرد تبديل سريع فوريه جزء بهترين كارها شناخته شد. شبيه‌ساز زمين ثابت كرد كه پربازده‌ترين رايانه جهان است؛ به‌خصوص در كاربردهاي پيچيده‌اي مانند علم‌نانو، توليد مواد جديد و پيش‌بيني هوا.

تبديل سريع فوريه تقريباً نيمي از پردازش را در نرم‌افزار به كار رفته در اين تحقيق به عهده دارد. شبيه‌ساز زمين، زمان لازم براي محاسبات در تابش پالسي ليزر را به‌شدت كاهش مي‌دهد. در روش‌هاي قبلي چندين ماه زمان براي اين كار لازم بود؛ اما با شبيه‌ساز زمين مي‌توان اين زمان را به دو روز كاهش داد؛ بنابراين اين امكان فراهم آمده‌است تا شدت تابش بهينه‌ي ليزر را براي يك‌سري شبيه‌سازي‌‌ها كه شدت در آنها متغير است، در يك محدوده‌ي زماني قابل قبول مشخص كرد.

اين دستگاه شبيه‌ساز زمين، كاربردهاي وسيعي دارد؛ براي مثال از آن در پيش‌بيني دقيق تغييرات اقليمي، درك جامع از مسائل زيست‌محيطي مانند ارزيابي اثرات گرم شدن و همچنين پيشگيري و كاهش بلاياي طبيعي از طريق شبيه‌سازي‌هاي زلزله با قدرت تفكيك بالا استفاده مي‌شود.

شركت NEC درصدد حمايت از تحقيق و توسعه بر روي ابررايانه‌هاي پيشرفته، مانند شبيه‌ساز زمين، با استفاده از فناوري‌هاي HPC برتر است.

اين تحقيقات با همكاري JAMSTEC و در قالب پروژه‌اي تحت عنوان "Large-scale Simulation of Characteristics of Carbon Nanotubes" انجام شده‌است. نتايج اين پروژه در شماره‌ي دسامبر نشريه‌ي Physical Review Letters به چاپ رسيده‌است.
 

تقويت خواص مكانيكي نانوكامپوزيت‌ها با نانولوله‌ي كربني

نانو :پژوهشگران دانشگاه شهركرد، به كمك روش‌هاي عددي، موفق به پيش‌بيني خواص مكانيكي مواد نانوكامپوزيتي شدند.

دكتر حسين گلستانيان، عضو هيئت علمي دانشگاه شهركرد، در گفتگو با بخش خبري سايت ستاد ويژه‌ي توسعه‌ي فناوري نانو گفت: «كامپوزيت‌هاي تقويت شده با نانولوله‌هاي كربني داراي خواص مكانيكي برتري نسبت به مواد كامپوزيتي متداول هستند. اين نانوكامپوزيت‌ها در صنايع مختلف به‌خصوص در صنايع هوافضا كاربرد فراواني دارند».

وي علت اصلي به‌كارگيري روش‌ها و مدل‌هاي عددي را موجود نبودن امكانات آزمايشگاهي براي توليد نانوكامپوزيت‌ها و اندازه‌گيري خواص مكانيكي آنها در دانشگاه شهركرد عنوان كرد.

دكتر گلستانيان در رابطه با نتايج اين تحقيق گفت: «نانولوله‌هاي كربني در تقويت زمينه‌هاي پليمري بسيار موثر عمل مي‌كنند. همچنين با در نظر گرفتن چگونگي چسبندگي در فاز مشترك بين نانولوله و ماده‌ي زمينه، مشخص گرديد كه هر چقدر چسبندگي بهتر باشد، اثرات تقويتي نانولوله بيشتر خواهد بود».

وي افزود: «در مجموع به اين نتيجه رسيديم كه ميزان تاثير نسبي نانولوله‌ي كربني بر خواص مكانيكي ماده‌ي زمينه براي موادي كه داراي مدول الاستيك پايين‌تري هستند، بيشتر است».

دكتر گلستانيان در پايان گفت: «به‌دليل قيمت بالا و خواص منحصر به فرد اين نانوكامپوزيت‌ها، در حال حاضر مي‌توان از اين مواد در صنايع هوافضا و در ساخت سازه‌هاي هوايي استفاده كرد.

اين پژوهش -كه در قالب پايان‌نامه‌ي كارشناسي ارشد مهندس مصطفي شجايي و با راهنمايي دكتر حسين گلستانيان در دانشكده‌ي فني و مهندسي و مركز پژوهشي فناوري نانوي دانشگاه شهركرد انجام شده‌است- در مجله‌ي Computational Materials Science (جلد 50، صفحات 736-731، سال 2010) منتشر شده‌است.

توليد بنزين از علف هاي هرز

تبيان : يك قارچ مخمر جديد باقيمانده گياهان را به اتانول تبديل مي‌كند و بدين ترتيب روند جستجوي سوخت‌هاي زيستي نسل دوم را پيش مي‌برد.

بشر دلايل خوبي براي درك دقيق عملكرد اين مخمر دارد. اين به اصطلاح مخمر نان كه نام علمي آنها ساكارومايسس سرويسيا است، هنگام پخت نان خدمات ارزشمندي انجام مي‌دهد. علاوه بر غذا، اين قارچ منحصر به فرد در آينده نزديك جهت برآورده ساختن يك نياز اساسي سوم و مدرن مورد استفاده قرار خواهد گرفت: «راندن خودرو». الكل اتانول كه توسط اين قارچ توليد مي‌شود، يك جايگزين دوستدار محيط زيست براي بنزين است. گروهي از محققان آمريكايي اين تك سلولي را به ميكروارگانيسمي مجهز كرده‌اند كه به طور بسيار كارايي اين سوخت را از كاه و ديگر بازمانده هاي گياهي توليد مي‌كند.

بدين ترتيب گام بزرگي در جهت پيشرفت روند جستجوي سوخت‌هاي زيستي نسل دوم برداشته مي‌شود. اين امر مي‌تواند منتقداني را كه در حال حاضر با سوخت زيستي موجود كنوني مخالف هستند، آرام كند. زيرا سوخت كنوني كه اغلب از ذرت، گندم يا ديگر غلات خوراكي توليد مي‌شود، باعث افزايش قيمت مواد غذايي مي‌شود. به علاوه انرژي حاصل از گياهان به هيچ وجه بي تأثير بر آب و هوا نيست. از اول ژانويه سال 2011 قانوني كه طبق آن بايد سوخت زيستي در مقايسه با سوخت معمولي محيط زيست، حداقل 35 درصد توليد گاز گلخانه اي را كاهش دهد، اعتبار مي يابد. براي اين كار بايستي كل زنجيره از زمين قابل كشت گرفته تا لوله اگزوز خودروها ارزيابي شود. روي آوردن به بازمانده‌هاي گياهي يا سبزيجات خالص كه روي زمين هاي با وسعت كم رشد مي‌كنند، مي تواند هم مسئله انتخاب دشوار بين سوخت حاصل از مواد خام يا مواد غذايي را حل كند و هم دوستدار محيط زيست باشد. اما براي تحقق اين امر، ميكروبيولوژيست ها بايد مجموعه اي از مشكلات بغرنج را حل كنند.

اتانول بايستي از دو نوع قند توليد شود كه براي انسان غيرقابل هضم هستند. يكي از آنها سلولز است كه به گياهان استحكام مي بخشد. سلولز يك مولكول زنجيره اي است كه از صد ها تركيب قندي ساده تشكيل شده است. وقتي با افزودن آنزيم ها به اجزاء تشكيل دهنده خود يعني گلوكز تجزيه مي شود، مخمر ها قادرند آن را به خوبي هضم كنند. اما بعد حدود يك سوم كل قند ماده گياهي بدون استفاده باقي مي ماند. اما مخمر ها قادر نيستند اين كار را انجام دهند، زيرا مولكول هاي غير قابل هضم به جاي شش مولكول كربن موجود در گلوكز داراي 5 مولكول كربن هستند. اولين كارخانه در سرتاسر جهان در كالوندبورگ دانمارك كه اتانول را از كاه توليد مي كند، روي اين بخش از فناوري كار مي كند؛ در آنجا قند 5 كربنه بلا استفاده به غذاي دامي تبديل مي‌شود.

زيست شناسان و مديران كارخانجات اين را يك اسراف مي دانند. به گفته آندره كولترمان از شركت چند مليتي شيمي جنوب:«اگر قند 5 كربنه را تجزيه كنيم، حدود نيم برابر اتانول بيشتري به دست مي آوريم.» شركت وي در حال حاضر يك تأسيسات نمايشي را در اشتراوبينگ بازسازي مي كند، ميكروارگانيسم هاي اصلاح يافته در آنجا بايستي هر دو نوع قند را هضم كنند. استاندارد تحقيقات تجهيز ژن هاي قارچ مخمر به ديگر ميكروارگانيسم ها است كه قادرند قند 5 كربنه گزيلوز را تجزيه كنند. اما اغلب براي تحقق اين امر يك مشكل وجود دارد: مخمر ها ابتدا گلوكز و سپس گزيلوز را تجزيه مي كنند و به همين دليل روند كارشان بسيار كند است.

براي دور زدن اين مشكل، محققان مطالعه جديد دوباره به گلوكز روي آوردند:

اين گروه به سرپرستي سوك جين ها از دانشگاه ايلي نويز در اوربانا يك پروتئين انتقالي بيگانه را در قارچ مخمر جاي داد. اين پروتئين نوعي گلوكز دوگانه را كه هنگام تجزيه زنجيره هاي سلولزي در مرحله ماقبل آخر توليد مي شود، از غشاي سلولي عبور مي دهد. تازه آن وقت، آنزيمي نيز كه بعداً افزوده شده است، گلوگز مورد نياز را توليد مي كند. اين ظاهراً عبور از ميان يك گره پيچ خورده بود. قارچ تغيير يافته حالا داراي دو شاخه جدا براي برداشت و تجزيه هر دو نوع قند به طور همزمان است؛ بدين ترتيب اين قارچ تا حدود 25 درصد اتانول بيشتري توليد مي كند.

تشريح مسير واكنشي براي ساخت مواد گرافن‌گونه

 

نانو : گرافن به‌عنوان ماده‌اي براي استفاده در ابزارهاي نانوالكترونيكي آينده، مطرح است؛ البته همچنان تحقيقات براي ساخت گرافن و مشتقات آن با ويژگي‌هاي الكترونيكي مطلوب، در مقياس زياد، ادامه دارد. براي رفع محدوديت‌هاي كنوني، پژوهشگران empa با همكاري دانشمندان مؤسسه‌ي تحقيقات پليمري ماكس پلانك و دانشگاه زوريخ ، با به‌كارگيري پلي‌فنلين از قبل توليدشده، قطعات كوچك گرافن را ساخته‌ و آن را نانوگرافن ناميده‌اند. آنها همچنين، چگونگي پيشرفت مسير واكنش را روي يك صفحه‌ي مسي به همراه نحوه‌‌ي تبديل بلوك‌هاي ساختاري به نانوگرافن‌هاي صفحه‌اي با جزئيات، تشريح كرده‌اند. اين محققان هم‌زمان از ميكروسكوپ تونلي روبشي و شبيه‌سازي‌هاي كامپيوتري بهره برده‌اند. نتايج اين فعاليت، در مجله‌ي «nature chemistry» منتشر شده‌است.

با توجه به كوچك‌تر شدن اجزاي الكترونيكي، اجزاي ميكروالكترونيكي با اجزاي نانوالكترونيكي‌ جايگزين مي‌شوند. هم‌اكنون در مقياس نانومتري، سيليكون رايج‌ترين ماده‌ي به‌كاررفته در فناوري نيمه‌رساناها است. البته به‌دليل پيشرفت‌هاي فناوري نانو، نياز زيادي به مواد الكترونيكي جديد احساس مي‌شود. گرافن كه يك شبكه‌ي دوبعدي كربني است، با داشتن خواص برجسته‌ي الكترونيكي، به‌عنوان جايگزين احتمالي، مطرح است، هر چند كه بايد بر مشكلات زيادي فائق آمد تا بتوان از گرافن در فناوري نيمه‌رسانا‌ها استفاده كرد؛ براي مثال همينك هيچ روش كاربردي ساده‌اي براي توليد مواد گرافن‌گونه در مقياس بالا وجود ندارد.

محققان مشاهدات ميكروسكوپ تونلي روبشي خود را با شبيه‌سازي‌هاي كامپيوتري همراه ساخته‌اند. نتايج مشاهدات عملي به كمك ميكروسكوپ تونلي روبشي و شبيه‌سازي‌هاي كامپيوتري نشان مي‌دهد كه مسير واكنش، شامل شش مرحله با 5 تركيب واسطه است، همچنين دو تركيب واسطه به‌وسيله‌ي سطح پايدار شده‌اند؛ به‌طوري كه مي‌توان تصوير پايدار آنها را با ميكروسكوپ تونلي روبشي مشاهده كرد. محدوديت‌هاي واكنش هم كه مانع از پيوستن تركيبات واسطه مي‌شوند، با اثر كاتاليستي زيرلايه كم شده‌اند.

براي اينكه بتوان از مواد گرافن‌گونه در مدارهاي الكترونيكي استفاده نمود، بايد اين مواد را روي سطوح نيمه‌رسانا(به جاي فلزات) ساخت. نتايج شبيه‌سازي حاكي از آن است كه سنتز با استفاده از اين سطوح، يك روش محتمل براي ساخت نانوگرافن‌هاي با اندازه‌ي مشخص روي يك سري از زيرلايه‌هاي مختلف است.