نانوفناوری

ترمودینایک و مکانیک اماری به بررسی سیستم‌هایی با تعداد ذرات بسیار بالا (از رده ی عدد آووگادرو) می‌پردازد. در این مبحث، با استفاده از خاصیتهای میکروسکوپی این ذرات مانند ساختار اتمی و برهمکنش بین آنها، اطلاعاتی در مورد خواص ماکروسکوپی سیستم مانند فشار، انتروپی و انرژی آزاد گیبس، از طریق محاسبات و روشهای آماری به دست می‌آید. پیش نیاز این درس فیزیک ٢ میباشد. پیامی از طرف استاد درس: *Caveat*: These lectures and the special choice of the subjects covered here as the syllabus should in no ways be considered as a substitute for a good textbook or the standard syllabus of your school. It is strongly advised that you consult standard textbooks closely, and do not rely on these lectures alone. These lectures have not yet been double-checked by the lecturer, thus they may still contain scientific errors. If, anyhow,you would like to use these lectures, beware of this point and use them at your own risk.Hopefully, annotated versions of the lecture files with corrections and explanatory comments will be available in near future.   ***متأسفانه جلسه بیستم ضبط نشده‌است***

***متأسفانه جلسه نوزدهم این درس ناقص ضبط شده‌است.***

درس «علم مواد دکتر محمدعلی نوریان» در نیم‌سال دوم سال تحصیلی 99-98 با کمک تیمی از دانشجویان دانشکده هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی ضبط شده‌است.   علم مواد (Materials Science) یا مهندسی و علم مواد یک حوزه‌ی میان‌رشته‌ای است که در آن رابطه‌ی بین ساختار و خواص مواد به‌منظور طراحی مواد جدید برای پاسخگویی به نیازهای روزافزون فناوری مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد. علم و مهندسی مواد شاخه‌ای از علوم است که به طور گسترده در زمینه مواد مختلف مهندسی مانند فلزات، سرامیک‌ها، مواد الکترونیکی و بایومتریال‌ها فعالیت می‌­کند. در این رشته ارتباط بین ساختار مواد، روش ساخت آن‌ها، خواص آن‌ها و عملکرد مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد. مهندسی مواد و متالورژی در گذشته در دو زمینه مجزای سرامیک و متالورژی تقسیم‌بندی می­‌شده‌است ولی اکنون شامل طیف وسیعی از مواد از قبیل فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها، نیمه‌هادی‌ها، مواد مغناطیسی، مواد فوتونیک و مواد بیولوژیکی می‌­شود که تمرکز ما عمدتاً در این درس بر روی مواد مهندسی است یعنی موادی که در عمل و در کاربردهای حرفه‌ای مهندسان مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولاد، پلاستیک، شیشه، چوب، بتون، مس، کاغذ و آلومینیم نمونه‌هایی از متداول‌ترین این مواد مهندسی هستند. همچنین با توجه به تحقیقاتی که انجام می‌شود درحالی‌که اغلب مواد قدیمی بهبود می‌یابند پیوسته مواد جدید دیگری نیز بر مجموعه آن‌ها افزوده می‌شود. برای اینکه یک ماده را بتوان ماده مهندسی نامید باید سه شرط زیر را هم‌زمان دارا باشد: غیرزنده باشد (به عنوان مثال پوست گاو تا زمانی که گاو زنده است ماده مهندسی نیست اما پس از مرگ گاو، می‌توان آن را ماده مهندسی به شمار آورد. زیرا زنده‌بودن سبب تغییر می‌شود. ماده مهندسی باید ثبات داشته باشد.) حالت جامد داشته باشد (مایعات و گازها مواد مهندسی محسوب نمی‌شوند.) کاربرد مهندسی داشته باشد.  تولید و تحت فرایند قرار دادن مواد جهت دستیابی به محصولات نهایی مناسب، بخش وسیعی از اقتصاد حال حاضر دنیا را تشکیل می‌دهد. مهندسان به طور پیوسته در حال طراحی محصولات تولیدی و سیستم‌های تولید نوینی بوده که تمامی آن‌ها نیازمند مواد هستند. بدین‌جهت آن‌ها باید با ساختار و خواص مواد مهندسی آشنا باشند تا قادر به انتخاب نمونه‌های مناسب برای هر کاربرد باشند و بتوانند روش‌های تولید بهتری را توسعه دهند. یک مثال ساده در این زمینه، انتخاب ماده یک لوله به‌منظور کاربرد در یک سیستم انتقال سیالات است. در این زمینه مهندس طراح با دامنه وسیعی از مواد گوناگون جهت ساخت لوله، شامل انواع آلیاژهای فلزی همانند انواع فولادها و چدن‌ها (آلیاژهای آهنی)، انواع آلیاژهای غیر آهنی مانند آلیاژهای آلومینیمی، مسی، تیتانیومی، نیکلی، انواع مواد پلیمری (پلی‌اتیلن و غیره) و مواد سرامیکی (کاربید سیلیکون و غیره) ، انواع مواد مرکب و گرافیت روبرو است. زیرا که لوله‌های ساخته شده از تمامی این مواد در ابعاد و اندازه‌های مختلف در بازارهای تجاری در دسترس هستند. در نتیجه او باید با توجه به شرایط کاربرد لوله مذکور و خواص موردنیاز برای آن، مانند مقاومت به انواع خوردگی، سبکی، مقاومت به ضربه، استحکام، دمای کاربرد و مقاومت به شوک‌های حرارتی همراه با درنظرگرفتن سایر موارد مانند قابلیت تولید، قابلیت اتصال دهی و هزینه‌های مرتبط، جنس (ماده) لوله مورد استفاده را انتخاب کند؛ بنابراین آشنایی مهندس طراح با ساختار و خواص مواد اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. مثال دیگر در این زمینه توربین‌های گاز هستند که برای تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی استفاده می‌شوند و به انواع زمینی، هوایی و دریایی تقسیم می‌شوند. کاربرد اصلی این وسایل در ساخت موتورهای جت و توربین‌های نیروگاهی است. در طول نیم‌قرن اخیر مهندسان تلاش قابل‌ توجهی به‌منظور افزایش بازدهی و کارایی آن‌ها انجام داده‌اند که در این بین، مواد نقش اساسی را بر عهده داشته‌اند. در حقیقت تاریخ پیشرفت توربین‌های گازی همان تاریخ توسعه مواد مقاوم در درجه حرارت‌های بالا است. با توجه به اینکه امروزه کارایی سوپرآلیاژهای توسعه‌یافته به‌منظور استفاده در توربین‌های گازی به حد اشباع رسیده و سرعت افزایش کارایی آن‌ها رو به کاهش است، بنابراین زمان جایگزینی این فلزات فرارسیده و حرکت به سمت کاربرد مواد مرکب و ترکیب‌های بین فلزی آغاز شده‌است. اتومبیل نمونه دیگری در این زمینه است. جهت کاهش وزن اتومبیل به‌منظور کاهش مصرف انرژی تجدیدناپذیر که اثرات مطلوبی بر روی بهبود شرایط زیست‌محیطی و کاهش هزینه انرژی مصرفی دارد، مهندسان به دنبال موادی با استحکام به وزن بالا، قابلیت شکل‌دهی مناسب و هزینه تولید مطلوب برای جایگزینی با فولاد کم‌کربن هستند. برای تأمین این خواسته، در اواخر دهه هشتاد و اوایل دهه نود استفاده از فولادهای پر استحکام کم آلیاژ (HSLA) و آلیاژهای آلومینیوم و در اواخر دهه نود کاربرد آلیاژهای منیزیم و مواد مرکب در این زمینه توسعه یافت. این‌ها تنها نمونه‌هایی از موارد بی‌شمار تحقیق و توسعه در زمینه ابداع مواد مهندسی جدید و اصلاح مواد قبلی و کاربرد آن‌ها در صنایع گوناگون است. بنابراین جستجو برای مواد مهندسی جدید به طور پیوسته ادامه دارد. زیرا همان‌طور که قبلاً هم بیان شد مهندسان مکانیک در جستجو برای مواد با ظرفیت دمای بالایی هستند که بازدهی عملکرد موتورهای جت را افزایش دهند و مهندسان برق در جستجوی موادی هستند که با استفاده از آن‌ها وسایل الکتریکی بتوانند سریع‌تر و در دماهای بالاتر عمل کنند. درحالی‌که مهندسان هوافضا به دنبال موادی با نسبت استحکام به وزن بالاتر برای هواپیماها و فضاپیماها می‌باشند و مهندسان شیمی، موادی را می‌خواهند که مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشد.  در این درس روش‌های گوناگون بررسی عملکرد و ویژگی مواد مختلف با تمرکز بر رفتار آن‌ها متأثر از نیروها و تنش‌های مختلف و کاربردهای آنان مطالعه می‌شود تا صنعتگران و مهندسان بتوانند به‌صورت بهینه و منطبق با نیازهای خود از مواد گوناگون در فعالیت‌های خود بهره ببرند. سرفصل مباحث ارائه شده در این درس عبارت‌اند از: خواص مواد: در این بخش اشاره‌ای به انواع مواد شده سپس مقدمه‌ای در ارتباط با تنش‌ها و نیروهای وارد شده به قطعه و رفتار ماده و قطعه در برابر آن‌ها در چندین حالت بارگذاری نیرو از جمله بارگذاری استاتیکی، دینامیکی و در اثر دما مورد ارزیابی قرار می‌گیرد همچنین در این بخش اشاره‌ای به انواع روش‌های تولید و نحوه انتخاب ماده مطلوب می‌شود. ماهیت فلزات و آلیاژها: در این بخش رابطه خواص ماده و ساختار آن در ابعاد میکروسکوپی و ساختار اتم‌ها، ساختار بلورین فلزات و ساختارهای دانه‌ای مواد مورد ارزیابی قرار گرفته و تأثیر کار سرد و گرم و تبلور مجدد و ... در همین ابعاد مورد بررسی قرار می‌گیرد. نمودارهای تعادل فازی و سیستم آهن-کربن: در این بخش فاز یک ماده و نمودارهای تعادل فازی ماده سپس نمودار تعادل آهن-کربن و تأثیر درصد کربن بر انواع فولاد و دماهای مختلف تحلیل می‌شود. عملیات حرارتی: در این بخش انواع عملیات حرارتی و اهداف مختلف آن تأثیر آن بر روی ماده بررسی می‌شود. فلزات و آلیاژهای آهنی: در این بخش با تمرکز بر آلیاژ آهنی، انواع آن‌ها و ارتباطشان با درصد کربن موجود در ساختار آنان، کوئنچینگ و ... ارزیابی شده و ارتباطشان با استحکام و دیگر خواص مکانیکی مقایسه می‌شود. فلزات و آلیاژهای غیر آهنی: در این فصل برخی از آلیاژهای غیر آهنی از جمله آلیاژهای مس، آلومینیم، منیزیم و ... همچنین برخی از آلیاژها با کاربرد هوافضایی به طور خاص از جمله سوپر آلیاژها، آلیاژهای آلومینیوم با کاربرد هوافضایی بررسی خواهند شد.   از کتب مرجع برای این درس می‌توان به مواد و فرایندهای تولید ای.پال دگارمو و علم مواد اشبی اشاره کرد که این دو کتاب به‌عنوان مرجع در این آموزش نیز استفاده شده است. پیش‌نیاز درس علم مواد درس مقاومت مصالح است. ------------------------------------------- فیلم‌برداری و تدوین: مانی قبولی خوشرو تهیه‌کننده: مانی قبولی خوشرو و کیوان حاجی هاشمی هماهنگی: هادی فتحی‌پور

یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که خواص مواد در مقیاس نانو بسیار متفاوت از مقیاس ماکرو است؛ به عبارت دیگر اگر ذراتِ یک ماده خاص را در حد چند نانومتر (1 تا 100 نانومتر) کوچک کنیم، این ذرات ویژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگ اولیه خواهند داشت. این در حالی است که کوچک کردن ذرات یک تغییر فیزیکی بوده و ما انتظار نداریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی‌های اصلی ماده تغییر کند. این امر سبب گردیده مقیاس نانو بیش از سایر مقیاس‌ها موردتوجه قرار گیرد. دوره آموزش فناوری نانو با هدف آموزش این علم مهم در مکتب خونه تهیه و تدوین شده است که در ادامه به معرفی آن خواهیم پرداخت. دوره آموزش فناوری نانو دوره آموزش فناوری نانو با هدف آموزش این فناوری در مکتب خونه تهیه شده است. در این دوره آموزشی دانشجویان به‌صورت ساده و با بیانی شیوا با این فناوری آشنا خواهند شد. هدف از این آموزش آشنایی اجمالی مخاطب رشته‌های مختلف با علم نانو است. امروزه نانو فناوري، موتور محرکه نوآوري بوده و از پيدايش آن به‌عنوان انقلاب در فناوري تعبير می‌شود و که نقش بسیار قابل توجهی در زندگی ما دارد. یکی از ویژگی‌های مهم نانوتکنولوژی جنبه چندرشته‌ای آن است. بین‌رشته‌ای بودن فناوری نانو و قابلیت به‌کارگیری آن در زمینه‌های علمی و فناوری مختلف ازجمله فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی، رشته‌های مختلف مهندسی و حتی پزشکی، توجه طیف وسیعی از پژوهشگران را به خود جلب نموده است. این دوره آموزش فناوری نانو به‌طور خلاصه برای ما توضیح می‌دهد که چرا ذره کوچکی به نام «نانو» این‌قدر مهم شده و نام آن بر سر زبان‌ها افتاده است.  دوره آموزش فناوری نانو برای چه کسانی مناسب است؟ دوره آموزش فناوری نانو برای همه افرادی که قصد دارند با نانو و مفهوم آن آشنا شوند بسیار حائز اهمیت است و با این حال این دوره یک دوره مقدماتی بوده و در نانو خیلی عمیق نخواهد شد. این دوره برای دانشجویان رشته‌های فیزیک، شیمی، رشته‌های مهندسی و پزشکی می‌تواند جالب باشد. هدف از دوره آموزش فناوری نانو چیست؟ از آن جهت که فناوری نانو به‌عنوان یک فناوری با اولویت ملی در کشور ما شناخته می‌شود، به‌منظور توسعه آن، یک ستاد ویژه توسعه فناوری نانو تأسیس کرده‌اند. از طرفی نانو به‌عنوان یکی از علوم بین‌رشته‌ای به‌حساب می‌آید که مباحث مختلف آن بر اساس علومی مانند فیزیک، ریاضی، شیمی و زیست‌شناسی شکل‌گرفته است. همچنین نانو در علوم کاربردی مانند مهندسی شیمی، مهندسی مواد، مهندسی عمران، صنایع غذایی و بسیاری علوم دیگر مورداستفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این از مهم‌ترین کاربردهای فناوری نانو می‌توان به استفاده از آن در صنایع دارویی، آرایشی بهداشتی و مهم‌تر از آن نانو در پزشکی اشاره کرد که توانسته در تولید داروهای مؤثر و روش‌های درمانی جدید تأثیر به سزایی داشته باشد. برای مثال در صنایع دارویی و غذایی از نانو ذرات مغناطیسی برای تثبیت آنزیم‌ها یا خالص‌سازی پروتئین‌ها کمک گرفته می‌شود. حتی علمی با عنوان نانو الکترونیک شکل‌گرفته است که در آن بر روی ساخت ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک کار می‌کنند. این کاربردهای گسترده در حوزه نانو باعث شده تا دوره‌های آموزشی فناوری نانو برای دانشجویان و علاقه‌مندان به این علم برگزار شود و شما بتوانید با مفاهیم پایه این علم، روش‌های آنالیز مواد و نرم‌افزارهای کاربردی آن آشنا شوید.

مهندسی سطح شامل کاربرد تکنولوژی‌های سنتی یا نوینعملیات حرارتی یا دیگر عملیات سطحی نظیر انواع روش‌های پوشش‌دهی بر روی مواد و قطعات حساس مهندسی به منظور دستیابی به بک ماده مرکب با خواصی است که در هیچ یک از مواد تشکیل دهنده مغز یا سطح قطعه به تنهایی وجود ندارد. اغلب دیده شده که تکنولوژی‌های مختلف سطحی را بر روی قطعات مهندسی از پیش طراحی و ساخته شده اعمال می‌کنند. مهندسی سطح عبارت است از طراحی و ساخت قطعه با علم به اینکه چه نوع عملیات سطحی یا عملیات حرارتی سطحی قرار است بر روی آن انجام گیرد.

قرن بیست و یکم را می‌توان قرن شکوفایی فناوری نانو دانست. می‌توان گفت که قرن نانو در واقع مهم‌ترین دوران صنعت، قرن سلامتی، صرفه‌جویی و آرامش است. باید بدانید که نانو نه یک ماده و نه یک جسم است، نانو در واقع یک مقیاس برای درک اندازه اجسام بسیار کوچک است. نانو معادل با یک میلیاردم متر است و اجسام در مقیاس نانو به‌اندازه‌ای کوچک هستند که دیده نمی‌شوند، اما باید بدانید فناوری نانو تأثیری بسیار بزرگ در زندگی انسان‌ها داشته‌اند. تک‌تک اتم‌ها مولکول‌ها در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی متفاوت با خواص توده ماده است. جالب است بدانید که ذرات نانو در چنین مقیاس و مشخصه‌های منحصربه‌فردی موجب پیدایش دستاوردهای نوینی در علوم پزشکی و مهندسی شده‌اند. به طور خلاصه فناوری نانوتکنولوژی لازم مهندسی مواد در ابعاد اتمی–مولکولی و ساخت موادی با خواص کاملاً متفاوت در ابعاد نانو است. تعریف دیگری نیز برای فناوری نانو وجود دارد، بر اساس این تعریف نانوتکنولوژی برای آرایش دادن و دست‌کاری اتم‌ها ساخت مواد موردنظر است. همان‌طور که گفته شد هر نانومتر معادل با یک میلیاردم متر است، لذا هر نانومتر در واقع فضایی به‌ اندازه چیدن ۵ الی ۱۰ اتم در کنار یکدیگر است. جالب است بدانید که مکعبی با ابعاد ۲.۵ نانومتر تقریباً معادل با ۱۰۰۰ اتم خواهد بود. خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده در ابعاد نانو نسبت به خواص آن در ابعاد ماکرویی کاملاً متفاوت است. در مولکول‌های ماده در ابعاد نانو دارای انرژی بالایی را می‌توانند ایجاد کنند، به همین دلیل انرژی ایجاد شده در ابعاد نانو معجزه‌آسا نیز نامیده می‌شود. در آموزش دوره مقدماتی از صفر تا صد نانو سعی شده است تا شما مفاهیم مهم فناوری نانو را یاد بگیرید. هدف از دوره آموزش مقدماتی از صفر تا صد نانو چیست؟  در این دوره قصد داریم برنامه‌های آموزش برای یادگیری مفاهیم کلی فناوری نانو و کاربردهای آن برای ارتقای سطح مبتدیان و دانشجویان ارائه دهیم. می‌توانید اطمینان داشته باشید که میزان دانش شما در مورد فناوری نانو و کاربردهای آن در هر سطحی که باشد، این دوره به شما کمک می‌کند تا پیشرفت کنید. شیوه تدریس در این دوره بر پایه فیلم‌های آموزشی، ارائه نمونه‌هایی برای توضیح بیشتر است. شما در این دوره به طور زنجیرواری با مفاهیم اساسی فناوری نانو و کاربردهای آن آشنا خواهید شد. همچنین در پایان این دوره یک آزمون جمع‌بندی برای سنجش یادگیری شما درباره مفاهیم فناوری نانو و کاربردهای آن وجود دارد.   دوره آموزش مقدماتی از صفر تا صد نانو مناسب چه کسانی است؟  اگر می‌خواهید با جدیدترین فناوری‌های روز دنیا آشنا شوید، این دوره می‌تواند برای شما مفید باشد. در واقع این دوره برای تمامی افراد، به‌خصوص افراد غیرمتخصص در این زمینه مناسب است. البته باید گفت که این دوره برای دانشجویان علاقه‌مند به این زمینه و دانش‌آموزان که در حال آماده‌شدن برای المپیاد نانو هستند و کاملاً کارآمد خواهد بود.   بعد از فراگیری دوره آموزش مقدماتی از صفر تا صد نانو چه مهارت‌هایی کسب خواهید کرد؟  در این دوره شما با مباحث نانو و اصول اولیه آن آشنا می‌شوید این دوره به‌صورت قدم‌به‌قدم اطلاعات کاملی از علم نانو، جایگاه و کاربردهای آن در علوم دیگر را در اختیار شما قرار می‌دهد. در پایان این دوره شما آگاهی مناسبی نسبت به فناوری نانو خواهید داشت. شما در این دوره با مفاهیم مهم در دانش فناوری نانو نظیر زیست سازگاری و زیست تخریب‌پذیری، کاربرد فناوری نانو در دنیای امروز و البته تغییر خواص نوری، خواص الکتریکی و مکانیکی و البته خواص مغناطیسی در مقیاس نانو آشنا خواهید شد. علاوه بر این شما در این دوره روش‌های مشخصه‌یابی نانومواد بر اساس روش‌های طیف‌سنجی و میکروسکوپی را یاد خواهید گرفت.