ورود به آب‌های ناشناخته: محققان برای اولین بار اثر پیزوالکتریک را در مایعات مشاهده کردند
| تاریخ ارسال: 1403/12/13 |
ورود به آب‌های ناشناخته: محققان برای اولین بار اثر پیزوالکتریک را در مایعات مشاهده کردند
تصویر بالا تصویری از یک مایع یونی که توسط پیستون در یک سیلندر فشرده شده و منجر به تولید بار الکتریکی میشود.
The Journal of Physical Chemistry Letters Copyright ۲۰۲۳ American Chemical Society.
پیزوالکتریسیته به تولید بار الکتریکی در مواد خاص ناشی از تنش مکانیکی اعمال شده اشاره دارد. موادی که این پیزوالکتریک "مستقیم" را نشان میدهند، پیزوالکتریک "معکوس" را نیز نشان میدهند، یعنی تولید کرنش مکانیکی با اعمال میدان الکتریکی، جرقه‌زن‌های پیزو که در اجاق‌ها یافت میشوند، تنها نمونه‌ای از روشهای متعدد استفاده از پیزوالکتریک در دنیای امروزی هستند. سایر کاربردها شامل محرکهای صنعتی و سنسورهای پزشکی می‌باشد، در حالی که سرامیک‌ها بیشتر مواد پیزوالکتریک تجاری مرتبط را تشکیل میدهند، رفتار پیزوالکتریک در بسیاری از پلیمرها و همچنین مولکولهای بیولوژیکی مانند DNA، پروتئین‌های ویروسی و اسیدهای آمینه نیز مشاهده میشود. با این حال، همه این مواد متنوع در یک چیز مشترک هستند آنها پیزوالکتریک را در حالی که در فاز جامد هستند نشان میدهند، درک کنونی مکانیسم‌های پشت پیزوالکتریک مستلزم داشتن یک ماده ساختاری قابل توجه است. بنابراین، جای تعجب نیست که همه مواد پیزوالکتریک شناخته شده جامد هستند، زیرا مایعات و گازها معمولاً فاقد نظم پایدار هستند.
گری بلانچارد، استاد شیمی در دانشگاه ایالتی میشیگان، میگوید: «در نتیجه، به سختی فکر میکنیم که به دنبال پاسخ پیزوالکتریک از یک مایع بگردیم.» با این حال، این فرض اساسی در مقاله جدیدی که توسط بلانچارد و دکتر اقبال چاپ شده است. این مقاله مشاهده پیزوالکتریک در مایعات را برای اولین بار گزارش میدهد، به ویژه مایعات یونی با دمای اتاق- مایع یونی اصطلاحی است برای نمک در حالت مایع- برخلاف مایعات معمولی مانند آب و بنزین که عمدتاً از مولکولهای الکتریکی خنثی ساخته شده‌اند، مایعات یونی از یون تشکیل شده و دارای بار الکتریکی خالص هستند. مایعات یونی به عنوان حلال‌های سبز جایگزین بسیار امیدوارکننده در فرآیندهای شیمیایی شناخته میشوند. آنها همچنین به عنوان افزودنی در مواد پیشرفته (فاز جامد) مانند سلولهای خورشیدی پروسکایت استفاده شده‌اند.
بلانچارد در مقاله‌ای در IEEE Spectrum میگوید که گروه پژوهشی‌اش آزمایش‌هایی را انجام می‌دادند که برای درک بهتر خواص اساسی مایعات یونی طراحی شده بودند. آنها وقتی دو مایع یونی با دمای اتاق متفاوت را یافتند که هر کدام با فشار دادن پیستون در داخل سیلندر برق تولید میکنند، شوکه شدند. بلانچارد و شاگردانش آزمایش را چندین بار تکرار کردند تا تکرارپذیری نتایج را تایید کنند. آنها همچنین سیلندر را با دو مایع استاندارد، اتیلن گلیکول و ۱ مولار نمک طعام در اتیلن گلیکول پر کردند تا تایید کنند که هیچ یک از آنها پاسخ پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری را هنگام فشرده شدن ایجاد نمی‌کند. با این اعتبارسنجی، سپس آنها آزمایش کردند که آیا مایعات یونی در دمای اتاق دارای پیزوالکتریک معکوس هستند یا خیر. آنها این کار را با اعمال بار الکتریکی به مایعات یونی ذخیره شده در یک ظرف عدسی شکل انجام دادند. پس از استفاده، یک تغییر قابل اندازه‌گیری در فاصله کانونی مایع یونی - یعنی میزان خمش نور ورودی - وجود داشت که نشان میدهد مایع دارای فشار مکانیکی است. بلانچارد میگوید که آنها هنوز در تلاش هستند تا مکانیسم‌های اساسی در پس اثر پیزوالکتریک در این مایعات را کشف کنند. با این حال، آنچه مسلم است این است که او و حسین در این مقاله می‌نویسند: «تئوری فعلی مواد پیزوالکتریک حالت جامد» برای توضیح مشاهدات تجربی ارائه شده در اینجا نیاز به تغییراتی دارد. بزرگی اثر پیزوالکتریک در این مایعات یونی مرتبه‌ای کوچکتر از کوارتز است که یک سرامیک پیزوالکتریک پرکاربرد است. بلانچارد میگوید جالب است که ببینیم آیا مایعات یونی دیگر تأثیر بیشتری دارند یا خیر.
مقاله مرجع:
The paper, published in The Journal of Physical Chemistry Letters, is “Ionic liquids exhibit the piezoelectric effect” (DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acs.jpclett.۳c۰۰۳۲۹)
منبع:
ترجمه: پرتوخلیف‌پور ، دانشگاه صنعتی شریف
بهبود پیش‌بینی‌های طول عمر برای اجزای هواپیما: دیدگاه‌هایی درباره فرآیندهای اکسایش داخلی کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی
| تاریخ ارسال: 1403/11/29 |
بهبود پیش‌بینی‌های طول عمر برای اجزای هواپیما: دیدگاه‌هایی درباره فرآیندهای اکسایش داخلی کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی
طرح‌واره‌هایی که انتقال در رفتار پسروی و بسته‌شدن را با افزایش ضخامت پوشش و نرخ تبخیر (از چپ به راست) در کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی SiC-BN-SiC نشان میدهند. منبع: کریستنسن و زوک، مجله انجمن سرامیک آمریکا
اگر در چند سال گذشته سفر هوایی داشته‌اید، به احتمال زیاد با هواپیمای حاوی کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMC) سفر کرده‌اید.CMC ها نوع خاصی از مواد کامپوزیتی هستند که از الیاف سرامیکی یا ویسکرهای تعبیه‌شده در یک زمینه‌ی سرامیکی تشکیل شدهاست. در مقایسه با سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل (مواد اصلی فعلی مورد استفاده در مناطق گرم هواپیما) CMC ها دارای چگالی بسیار کمتر (حدود یک سوم سوپرآلیاژها) و قابلیت کارکرد در دمای بالاتر (تا ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد) هستند.
CMC های مبتنی بر کاربید سیلیکون برای اولین بار در سال ۲۰۱۶ به عنوان جایگزینی برای پوشش‌های توربین سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل در موتور جدیدLEAP که توسط GE Aviation (در حال حاضر GE Aerospace) و موتورهای هواپیمای Safran ساخته شده است، استفاده شدند. از آن زمان، CMC ها راه خود را به سایر اجزای هواپیما، به عنوان مثال، به عنوان پوشش داخلی و خارجی احتراق و همچنین نازل در موتور GE۹X پیدا کردند.
اگرچه استفاده از CMC ها وارد فاز تجاری شدهاست، اما همچنان در مورد برخی از جنبه‌های خاص این مواد پرسش‌های بدون پاسخی وجود دارد، از جمله فرایند‌های اکسیداسیون داخلی CMC ها، که دانشمندان به دنبال پاسخ‌های قانع‌کننده برای این پرسش‌ها هستند.
بیشتر ترکیبات غیر اکسیدی داغ به اکسیداسیون سطحی بسیار حساس هستند. به همین دلیل است که برای محافظت در برابر اکسیداسیون سطحی، از پوشش‌های سد محیطی استفاده میشود. با این حال، اگر پوشش سد محیطی لایه‌لایه شود یا ترک بخورد، CMC ممکن است در معرض گازهای داغ احتراق قرار گیرد و در نتیجه اکسید شود. به این ترتیب، برای سازندگان مهم است که فرآیندهای اکسیداسیون را درک کنند تا بتوانند به درستی طول عمر CMC ها را پیش‌بینی کنند.
با وجود این که یک مدل استاندارد برای تجزیه و تحلیل فرآیندهای اکسیداسیون داخلی وجود دارد (کادر سبز رنگ)، ارزیابی توالی رویداد و عناصر مکانیکی مدل استاندارد با مشاهده‌ی مستقیم چالش‌برانگیز است.
پس از اکسیداسیون، شکاف‌های باز بین اجزای ترکیبی ظاهر میشود. این شکاف‌ها باعث میشود که مواد بسیار شکننده بوده و آماده‌سازی آن برای تجزیه و تحلیل با میکروسکوپ الکترونی عبوری یا میکروسکوپ الکترونی روبشی، که هر دو ابزار تجزیه و تحلیل رایج مورد استفاده دانشمندان سرامیک هستند، دشوار باشد.
در مطالعهای که اخیراً انجام شده، دو محقق از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، تلاش کردند نمونه‌هایی را برای آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی با استفاده از روشی مبتنی بر برش‌کاری/صیقل‌کاری آسیاب یونی آماده کنند.
محققین این پژوهش، ویکتوریا کریستنسن، دانشجوی فارغ‌التحصیل و فرنک زوک، عضو انجمن سرامیک آمریکا و استاد برجسته‌ی مواد هستند. آنها برای مطالعه‌ی خود از مینی‌کامپوزیت‌های یک‌طرفه‌ی متشکل از ۸۰۰ الیاف کاربید سیلیکون Tyranno ZMI که با نیترید بور و کاربید سیلیکون از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) پوشانده شده بودند، استفاده کردند.
آنها مینی‌کامپوزیت‌ها را با قرار دادن نمونه‌هایی به طول ۱ سانتی‌متر در کوره‌ی لوله‌ی کوارتز در دمای ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد به مدت ۱۲ ساعت در هوای خشک و روان (محتوای آب ≈ ۱۰ ppm) اکسید کردند. آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی بر روی نمونه‌ها قبل و بعد از اکسایش انجام شد. علاوهبراین، توزیع‌های فازی از تصویربرداری الکترون ثانویه و حالت‌های تصویربرداری الکترون برگشتی و همچنین نقشه‌های طیف‌سنجی پراکندگی انرژی به‌دست آمد. قابل ذکر است که نمونه‌های آزمایش اکسید‌شده از دو نوع شکسته‌شده و نشکسته تشکیل شده‌اند تا تصویر واضح‌تری از مکانیسم‌های اکسایش داخلی ارائه کنند. نمونه‌ی نشکسته دارای یک مقطع عرضی صیقلی بود و برای بررسی به صورت طولی برش داده شد. نمونه‌ی دیگر که در آزمایش کشش شکسته شده بود، برای بررسی به صورت طولی برش داده شد.
به گفته‌ی کریستنسن و زوک، این طرح آزمایشی «مشاهداتی از فرآیندهای اکسیداسیون با درستی بی‌سابقه‌ای را به همراه داشت». به طور خاص، آنها بینش جدیدی در مورد توالی رویداد که منجر به پسروی (recession) پوشش و بسته شدن شکاف میشود، به دست آوردند. به طور کلی، آنها مشخص کردند که وقتی پوشش‌ها نازک هستند و تبخیر آهسته است، فقط مقدار کمی نیترید بور باید مصرف شود تا شکاف‌های انتقال گاز بسته شوند و فرآیند به طور مؤثر متوقف شود. برای پوشش‌های کمی ضخیم‌تر، مقدار نیترید بور حذف شده و اکسید تولید شده بیشتر است و زمان لازم برای بسته شدن شکاف پسروی طولانی‌تر است.
در یک سطح دقیق تر، مشاهدات آنها نشان داد که فرآیند بسته شدن شامل انتقال اکسیدان‌ها در امتداد فصل مشترک‌های پوشش/فیبر و پوشش/زمینه قبل از ناحیه پسروی است. آنها می نویسند: «بنابراین بسته شدن شکاف در مناطق زیرسطحی نزدیک ناحیه پسروی به جای سطح زمینه رخ میدهد.»
علاوهبراین، با اینکه محتوای آب در هوای خشک در حد ppm بود، ایجاد بخار ضمن واکنش بوریا با آب و تشکیل گاز HBO۲ کافی بود تا مقادیر قابل اندازه‌گیری‌ای از پسروی را حتی پس از زمان نسبتاً کوتاهی در دمای ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد ایجاد کند. کریستنسن و زوک می‌نویسند: «حتی اگر آب در غلظت‌های بیشتر وجود داشت، تشکیل سیلیس را نیز تسریع میکرد، زیرا آب برای SiC اکسید‌کننده‌ی قوی‌تری نسبت به اکسیژن است».
بر اساس این مشاهدات، آنها مشخص کردند که مدل استاندارد فعلی برای فرآیندهای اکسیداسیون داخلی CMC تنها در موارد شدید که پوشش‌ها بسیار ضخیم هستند و تبخیر سریع است، قابل استفاده است. در هر مورد دیگر، مدل استاندارد به دلیل سه فرض اساسی، طول پسروی را با خطای بسیار زیادی پیش‌بینی میکند. این سه فرض عبارت‌اند از:
۱- بسته‌شدن شکاف در بالای کانال پسروی اتفاق می‌افتد، نه در پایه‌ی آن.
۲- میزان اکسایش SiC تحت تأثیر حضور بوریا قرار نمی‌گیرد.
۳- انبساط حجمی ناشی از اکسیداسیون صرفاً با جابه‌جایی عمود نسبت به سطوح اکسید‌کننده، بدون محدودیت فیزیکی و بدون جریان موازی با سطوح انجام میشود.
آنها نتیجه‌گیری میکنند: «مشاهدات تجربی فعلی، این مفروضات را زیر سوال می‌برد و به نیاز به مدلهای دقیق‌تر برای ثبت رفتار مشاهده‌شده اشاره میکند.»
مدل استاندارد برای فرآیندهای اکسیداسیون داخلی CMC
فرآیند اکسیداسیون کامپوزیت‌های کاربید سیلیکون (SiC/SiC) با پوشش‌های فیبر نیترید بور (BN) از طریق چندین مرحله‌ی به هم متصل، شامل انتقال جرم، واکنش و تبخیر انجام میشود.
اکسایش داخلی: هنگامی که اکسیدان‌ها به CMC دسترسی داخلی پیدا میکنند (معمولاً از طریق ترک‌های ماتریس) BN و SiC هردو اکسید شده و به ترتیب به بوریا و سیلیس آمورف تبدیل میشوند. در دماهای نسبتاً بالا (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد)، این محصولات اکسیداسیون مخلوط میشوند و شیشه‌ی بوروسیلیکات با نقطه‌ی ذوب پایین و ویسکوزیته‌ی کم ایجاد میشود.
جریان ویسکوز: اکسایش BN و SiC با افزایش حجم همراه است: حدود ۶۰٪ در تبدیل BN به بوریا و حدود ۱۲۰٪ در تبدیل SiC به سیلیس آمورف. انبساط حجمی همراه با ویسکوزیته‌ی کم و فضای محدود منجر به جریان ویسکوز اکسیدهای در حال تکامل به فضاهای موجود مجاور میشود.
تبخیر: همزمان با جریان ویسکوز، بوریا مستقیماً از سطح آزاد به عنوان بخار اکسید بور یا پس از واکنش با آب به عنوان بخار بوروهیدروکسید تبخیر میشود.
تکامل ترکیب: تبخیرشدن، بوریا را در محل واکنش تخلیه میکند و متعاقباً بوریا از نواحی دیستال به سمت سطوح آزاد نفوذ میکند. اگر نرخ تبخیر از سرعتی که بوریا دوباره پر میشود بیشتر شود، اکسید غنی از سیلیس میشود. سپس ویسکوزیته‌ی آن افزایش یافته و جریان کاهش می‌یابد.
توقف پسروی: بعد از مدتی، پوسته‌های سیلیسا روی الیاف و ماتریس به یکدیگر برخورد میکنند. اگر این برهم‌کنش‌ها به طور یکنواخت در اطراف الیاف رخ دهند، انتقال اکسیدان‌ها به منطقه‌ی واکنش کند میشود و در نهایت ممکن است متوقف شود. اگرچه این نتیجه مطلوب است، اما اثرات جانبی‌ای از جمله ایجاد اتصالات قوی بین الیاف و ماتریس را به دنبال دارد. این اتصالات منجر به افزایش تنش در الیاف در طی عملیات تخلیه/بارگذاری مجدد یا چرخه حرارتی میشوند که باعث کاهش مقاومت و انعطاف‌پذیری کامپوزیت میشود.
مقاله‌ی مرجع:
CMC های مبتنی بر کاربید سیلیکون برای اولین بار در سال ۲۰۱۶ به عنوان جایگزینی برای پوشش‌های توربین سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل در موتور جدیدLEAP که توسط GE Aviation (در حال حاضر GE Aerospace) و موتورهای هواپیمای Safran ساخته شده است، استفاده شدند. از آن زمان، CMC ها راه خود را به سایر اجزای هواپیما، به عنوان مثال، به عنوان پوشش داخلی و خارجی احتراق و همچنین نازل در موتور GE۹X پیدا کردند.
اگرچه استفاده از CMC ها وارد فاز تجاری شدهاست، اما همچنان در مورد برخی از جنبه‌های خاص این مواد پرسش‌های بدون پاسخی وجود دارد، از جمله فرایند‌های اکسیداسیون داخلی CMC ها، که دانشمندان به دنبال پاسخ‌های قانع‌کننده برای این پرسش‌ها هستند.
بیشتر ترکیبات غیر اکسیدی داغ به اکسیداسیون سطحی بسیار حساس هستند. به همین دلیل است که برای محافظت در برابر اکسیداسیون سطحی، از پوشش‌های سد محیطی استفاده میشود. با این حال، اگر پوشش سد محیطی لایه‌لایه شود یا ترک بخورد، CMC ممکن است در معرض گازهای داغ احتراق قرار گیرد و در نتیجه اکسید شود. به این ترتیب، برای سازندگان مهم است که فرآیندهای اکسیداسیون را درک کنند تا بتوانند به درستی طول عمر CMC ها را پیش‌بینی کنند.
با وجود این که یک مدل استاندارد برای تجزیه و تحلیل فرآیندهای اکسیداسیون داخلی وجود دارد (کادر سبز رنگ)، ارزیابی توالی رویداد و عناصر مکانیکی مدل استاندارد با مشاهده‌ی مستقیم چالش‌برانگیز است.
پس از اکسیداسیون، شکاف‌های باز بین اجزای ترکیبی ظاهر میشود. این شکاف‌ها باعث میشود که مواد بسیار شکننده بوده و آماده‌سازی آن برای تجزیه و تحلیل با میکروسکوپ الکترونی عبوری یا میکروسکوپ الکترونی روبشی، که هر دو ابزار تجزیه و تحلیل رایج مورد استفاده دانشمندان سرامیک هستند، دشوار باشد.
در مطالعهای که اخیراً انجام شده، دو محقق از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، تلاش کردند نمونه‌هایی را برای آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی با استفاده از روشی مبتنی بر برش‌کاری/صیقل‌کاری آسیاب یونی آماده کنند.
محققین این پژوهش، ویکتوریا کریستنسن، دانشجوی فارغ‌التحصیل و فرنک زوک، عضو انجمن سرامیک آمریکا و استاد برجسته‌ی مواد هستند. آنها برای مطالعه‌ی خود از مینی‌کامپوزیت‌های یک‌طرفه‌ی متشکل از ۸۰۰ الیاف کاربید سیلیکون Tyranno ZMI که با نیترید بور و کاربید سیلیکون از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) پوشانده شده بودند، استفاده کردند.
آنها مینی‌کامپوزیت‌ها را با قرار دادن نمونه‌هایی به طول ۱ سانتی‌متر در کوره‌ی لوله‌ی کوارتز در دمای ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد به مدت ۱۲ ساعت در هوای خشک و روان (محتوای آب ≈ ۱۰ ppm) اکسید کردند. آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی بر روی نمونه‌ها قبل و بعد از اکسایش انجام شد. علاوهبراین، توزیع‌های فازی از تصویربرداری الکترون ثانویه و حالت‌های تصویربرداری الکترون برگشتی و همچنین نقشه‌های طیف‌سنجی پراکندگی انرژی به‌دست آمد. قابل ذکر است که نمونه‌های آزمایش اکسید‌شده از دو نوع شکسته‌شده و نشکسته تشکیل شده‌اند تا تصویر واضح‌تری از مکانیسم‌های اکسایش داخلی ارائه کنند. نمونه‌ی نشکسته دارای یک مقطع عرضی صیقلی بود و برای بررسی به صورت طولی برش داده شد. نمونه‌ی دیگر که در آزمایش کشش شکسته شده بود، برای بررسی به صورت طولی برش داده شد.
به گفته‌ی کریستنسن و زوک، این طرح آزمایشی «مشاهداتی از فرآیندهای اکسیداسیون با درستی بی‌سابقه‌ای را به همراه داشت». به طور خاص، آنها بینش جدیدی در مورد توالی رویداد که منجر به پسروی (recession) پوشش و بسته شدن شکاف میشود، به دست آوردند. به طور کلی، آنها مشخص کردند که وقتی پوشش‌ها نازک هستند و تبخیر آهسته است، فقط مقدار کمی نیترید بور باید مصرف شود تا شکاف‌های انتقال گاز بسته شوند و فرآیند به طور مؤثر متوقف شود. برای پوشش‌های کمی ضخیم‌تر، مقدار نیترید بور حذف شده و اکسید تولید شده بیشتر است و زمان لازم برای بسته شدن شکاف پسروی طولانی‌تر است.
در یک سطح دقیق تر، مشاهدات آنها نشان داد که فرآیند بسته شدن شامل انتقال اکسیدان‌ها در امتداد فصل مشترک‌های پوشش/فیبر و پوشش/زمینه قبل از ناحیه پسروی است. آنها می نویسند: «بنابراین بسته شدن شکاف در مناطق زیرسطحی نزدیک ناحیه پسروی به جای سطح زمینه رخ میدهد.»
علاوهبراین، با اینکه محتوای آب در هوای خشک در حد ppm بود، ایجاد بخار ضمن واکنش بوریا با آب و تشکیل گاز HBO۲ کافی بود تا مقادیر قابل اندازه‌گیری‌ای از پسروی را حتی پس از زمان نسبتاً کوتاهی در دمای ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد ایجاد کند. کریستنسن و زوک می‌نویسند: «حتی اگر آب در غلظت‌های بیشتر وجود داشت، تشکیل سیلیس را نیز تسریع میکرد، زیرا آب برای SiC اکسید‌کننده‌ی قوی‌تری نسبت به اکسیژن است».
بر اساس این مشاهدات، آنها مشخص کردند که مدل استاندارد فعلی برای فرآیندهای اکسیداسیون داخلی CMC تنها در موارد شدید که پوشش‌ها بسیار ضخیم هستند و تبخیر سریع است، قابل استفاده است. در هر مورد دیگر، مدل استاندارد به دلیل سه فرض اساسی، طول پسروی را با خطای بسیار زیادی پیش‌بینی میکند. این سه فرض عبارت‌اند از:
۱- بسته‌شدن شکاف در بالای کانال پسروی اتفاق می‌افتد، نه در پایه‌ی آن.
۲- میزان اکسایش SiC تحت تأثیر حضور بوریا قرار نمی‌گیرد.
۳- انبساط حجمی ناشی از اکسیداسیون صرفاً با جابه‌جایی عمود نسبت به سطوح اکسید‌کننده، بدون محدودیت فیزیکی و بدون جریان موازی با سطوح انجام میشود.
آنها نتیجه‌گیری میکنند: «مشاهدات تجربی فعلی، این مفروضات را زیر سوال می‌برد و به نیاز به مدلهای دقیق‌تر برای ثبت رفتار مشاهده‌شده اشاره میکند.»
مدل استاندارد برای فرآیندهای اکسیداسیون داخلی CMC
فرآیند اکسیداسیون کامپوزیت‌های کاربید سیلیکون (SiC/SiC) با پوشش‌های فیبر نیترید بور (BN) از طریق چندین مرحله‌ی به هم متصل، شامل انتقال جرم، واکنش و تبخیر انجام میشود.
اکسایش داخلی: هنگامی که اکسیدان‌ها به CMC دسترسی داخلی پیدا میکنند (معمولاً از طریق ترک‌های ماتریس) BN و SiC هردو اکسید شده و به ترتیب به بوریا و سیلیس آمورف تبدیل میشوند. در دماهای نسبتاً بالا (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد)، این محصولات اکسیداسیون مخلوط میشوند و شیشه‌ی بوروسیلیکات با نقطه‌ی ذوب پایین و ویسکوزیته‌ی کم ایجاد میشود.
جریان ویسکوز: اکسایش BN و SiC با افزایش حجم همراه است: حدود ۶۰٪ در تبدیل BN به بوریا و حدود ۱۲۰٪ در تبدیل SiC به سیلیس آمورف. انبساط حجمی همراه با ویسکوزیته‌ی کم و فضای محدود منجر به جریان ویسکوز اکسیدهای در حال تکامل به فضاهای موجود مجاور میشود.
تبخیر: همزمان با جریان ویسکوز، بوریا مستقیماً از سطح آزاد به عنوان بخار اکسید بور یا پس از واکنش با آب به عنوان بخار بوروهیدروکسید تبخیر میشود.
تکامل ترکیب: تبخیرشدن، بوریا را در محل واکنش تخلیه میکند و متعاقباً بوریا از نواحی دیستال به سمت سطوح آزاد نفوذ میکند. اگر نرخ تبخیر از سرعتی که بوریا دوباره پر میشود بیشتر شود، اکسید غنی از سیلیس میشود. سپس ویسکوزیته‌ی آن افزایش یافته و جریان کاهش می‌یابد.
توقف پسروی: بعد از مدتی، پوسته‌های سیلیسا روی الیاف و ماتریس به یکدیگر برخورد میکنند. اگر این برهم‌کنش‌ها به طور یکنواخت در اطراف الیاف رخ دهند، انتقال اکسیدان‌ها به منطقه‌ی واکنش کند میشود و در نهایت ممکن است متوقف شود. اگرچه این نتیجه مطلوب است، اما اثرات جانبی‌ای از جمله ایجاد اتصالات قوی بین الیاف و ماتریس را به دنبال دارد. این اتصالات منجر به افزایش تنش در الیاف در طی عملیات تخلیه/بارگذاری مجدد یا چرخه حرارتی میشوند که باعث کاهش مقاومت و انعطاف‌پذیری کامپوزیت میشود.
مقاله‌ی مرجع:
The paper, published in Journal of the American Ceramic Society, is “Insights into internal oxidation of SiC/BN/SiC composites” (DOI: ۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۸۳۴).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/basic-science/improving-lifetime-predictions-for-aircraft-components-insights-into-the-internal-oxidation-processes-of-ceramic-matrix-composites/
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
| تاریخ ارسال: 1403/11/21 |
اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
نمایش یک ماده فروالکتریک دو بعدی. منبع: سورج چیما، دانشگاه برکلی
ضمن تبدیل تولید نیمه‌هادی‌ها به یک کانون توجه برای کشورهای سراسر جهان، مشخص شد قانون مور، یک اصل سنتی برای تولید تراشه‌ها، دیگر صادق نیست.
قانون مور، در واقع پیش‌بینی‌ای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برون‌یابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیش‌بینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمه‌رسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سال‌های اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویه‌ی سنتی قد علم‌کرده‌است.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمه‌هادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان می‌یابد و از طریق کانال‌های نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
قانون مور، در واقع پیش‌بینی‌ای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برون‌یابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیش‌بینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمه‌رسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سال‌های اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویه‌ی سنتی قد علم‌کرده‌است.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمه‌هادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان می‌یابد و از طریق کانال‌های نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
نمونه‌ای از MOSFET کانال n. منبع: کانال EzEd، یوتیوب
گیت شامل یک لایه‌ی فلزی است که توسط یک لایه‌ی اکسید نازک از کانال جدا شدهاست، که معمولاً از یک اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا مانند دی‌اکسید هافنیوم بر روی دی‌اکسید سیلیکون تشکیل شدهاست.
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش می‌یابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. به‌علاوه، یک حد پایین‌تر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچک‌سازی، محققان به تکنیک‌های دیگری مانند نوآوری‌های مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایده‌های جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آورده‌اند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفته‌است. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیره‌ی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق می‌افتد، ظرفیت‌های سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیت‌ها همه کمیت‌هایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سال‌های اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا در گیت MOSFET با یک ماده‌ی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کننده‌ی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمال‌شده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایه‌ی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دی‌اکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشین‌آلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلم‌های Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاس‌های کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهره‌وری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دست‌یابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایه‌ی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعه‌ی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیف‌سنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلم‌های ضخیم‌تر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتاب‌های (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلم‌های بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلی‌مورف‌های ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائل‌شد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازن‌های فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامت‌های مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقه‌های ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریک‌مانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمی‌توان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانه‌ای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیه‌ی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیک‌های بسیار مقیاس‌پذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش می‌یابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. به‌علاوه، یک حد پایین‌تر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچک‌سازی، محققان به تکنیک‌های دیگری مانند نوآوری‌های مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایده‌های جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آورده‌اند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفته‌است. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیره‌ی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق می‌افتد، ظرفیت‌های سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیت‌ها همه کمیت‌هایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سال‌های اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا در گیت MOSFET با یک ماده‌ی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کننده‌ی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمال‌شده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایه‌ی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دی‌اکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشین‌آلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلم‌های Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاس‌های کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهره‌وری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دست‌یابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایه‌ی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعه‌ی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیف‌سنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلم‌های ضخیم‌تر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتاب‌های (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلم‌های بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلی‌مورف‌های ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائل‌شد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازن‌های فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامت‌های مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقه‌های ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریک‌مانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمی‌توان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانه‌ای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیه‌ی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیک‌های بسیار مقیاس‌پذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
“Emergent ferroelectricity in subnanometer binary oxide films on silicon”
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/materials-innovations/good-things-come-in-even-smaller-packages-zro۲-thin-films-on-silicon-show-ferroelectricity-down-to-۵-angstroms
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
| تاریخ ارسال: 1403/11/21 |
اتفاقات خوب در ابعاد کوچکتر: لایههای نازک ZrO۲ روی سیلیکون فروالکتریکی را تا ۵ آنگستروم نشان میدهند.
نمایش یک ماده فروالکتریک دو بعدی. منبع: سورج چیما، دانشگاه برکلی
نمایش یک ماده فروالکتریک دو بعدی. منبع: سورج چیما، دانشگاه برکلی
ضمن تبدیل تولید نیمه‌هادی‌ها به یک کانون توجه برای کشورهای سراسر جهان، مشخص شد قانون مور، یک اصل سنتی برای تولید تراشه‌ها، دیگر صادق نیست.
قانون مور، در واقع پیش‌بینی‌ای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برون‌یابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیش‌بینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمه‌رسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سال‌های اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویه‌ی سنتی قد علم‌کرده‌است.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمه‌هادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان می‌یابد و از طریق کانال‌های نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
قانون مور، در واقع پیش‌بینی‌ای است که توسط گوردون مور، یکی از بنیانگذاران اینتل، در سال ۱۹۶۵ انجام شد. بر اساس مشاهدات، او برون‌یابی کرد که محاسبات به طور چشمگیری قدرت را افزایش میدهد در حالی که هزینه نسبی را با سرعتی تصاعدی کاهش میدهد. این پیش‌بینی از طریق دوبرابر کردن تعداد ترانزیستورها (دستگاه نیمه‌رسانایی که برای تقویت یا سوئیچ کردن سیگنالهای الکتریکی و قدرت استفاده میشود) روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار محقق میشود. با این حال، در سال‌های اخیر، کوچک سازی ترانزیستورها به عنوان یک چالش بزرگ در مقابل رویه‌ی سنتی قد علم‌کرده‌است.
پرکاربردترین نوع ترانزیستور، ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز نیمه‌هادی (MOSFET) است. در این دسته از ترانزیستورها، جریان الکتریکی بین دو پایانه به نام «منبع» و «تخلیه» جریان می‌یابد و از طریق کانال‌های نوع n یا p تخلیه میشود. بین این دو ترمینال گیت قرار دارد، الکترودی که عرض کانال را از طریق ولتاژ آن کنترل میکند.
نمونه‌ای از MOSFET کانال n. منبع: کانال EzEd، یوتیوب
گیت شامل یک لایه‌ی فلزی است که توسط یک لایه‌ی اکسید نازک از کانال جدا شدهاست، که معمولاً از یک اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا مانند دی‌اکسید هافنیوم بر روی دی‌اکسید سیلیکون تشکیل شدهاست.
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش می‌یابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. به‌علاوه، یک حد پایین‌تر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچک‌سازی، محققان به تکنیک‌های دیگری مانند نوآوری‌های مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایده‌های جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آورده‌اند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفته‌است. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیره‌ی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق می‌افتد، ظرفیت‌های سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیت‌ها همه کمیت‌هایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سال‌های اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا در گیت MOSFET با یک ماده‌ی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کننده‌ی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمال‌شده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایه‌ی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دی‌اکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشین‌آلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلم‌های Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاس‌های کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهره‌وری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دست‌یابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایه‌ی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعه‌ی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیف‌سنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلم‌های ضخیم‌تر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتاب‌های (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلم‌های بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلی‌مورف‌های ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائل‌شد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازن‌های فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامت‌های مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقه‌های ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریک‌مانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمی‌توان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانه‌ای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیه‌ی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیک‌های بسیار مقیاس‌پذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
هنگامی که ضخامت اکسید گیت به یک اندازهی مشخص کاهش می‌یابد، تونل مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها از طریق لایه شروع به رخ دادن میکند، که به طور قابل توجهی در اتلاف توان کلی نقش دارد. به‌علاوه، یک حد پایین‌تر اساسی برای میزان ولتاژ گیت برای شروع جریان جریان وجود دارد، که محدودیتی را برای حداقل ولتاژ مورد نیاز برای کار تعیین میکند.
به دلیل محدودیتهای کوچک‌سازی، محققان به تکنیک‌های دیگری مانند نوآوری‌های مواد (مانند مهندسی کرنش) و ایده‌های جدید (مانند ترانزیستورهای اثر میدان f)، برای بهبود کارایی روی آورده‌اند.
ظرفیت منفی یکی از مفاهیمی است که اخیراً مورد توجه قرار گرفته‌است. ظرفیت یک سیستم عبارت است از توانایی ذخیره‌ی بار الکتریکی، که با توجه به میزان تغییر شارژ سیستم هنگام اتصال به منبع ولتاژ تعیین میشود.
آنچه در MOSFETها اتفاق می‌افتد، ظرفیت‌های سرگردان یا پارازیتی و یا مناطقی است که در آنها ظرفیت خازنی به دلیل نزدیکی اجزای ترانزیستور به یکدیگر اجتناب ناپذیر است. به طور معمول، این ظرفیت‌ها همه کمیت‌هایی مثبت هستند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده در یک جهت رخ میدهد.
با این حال، در سال‌های اخیر، محققان کشف کردند که جایگزینی اکسید فلزی با ثابت دی‌الکتریک بالا در گیت MOSFET با یک ماده‌ی فروالکتریک ممکن است این رفتار را تغییر دهد.
فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد برای داشتن قطبش الکتریکی خود به خودی است که از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. این ویژگی به مواد فروالکتریک اجازه میدهد تا رفتار خازنی منفی از خود نشان دهند، به این معنی که تغییرات در شار الکتریکی و میدان الکتریکی اعمال شده مخالف یکدیگر هستند.
در عمل، ظرفیت منفی به فروالکتریک اجازه میدهد تا به عنوان تقویت کننده‌ی ولتاژ عمل کند، به طوری که «ولتاژ دیده شده» توسط کانال بزرگتر از «ولتاژ گیت اعمال‌شده» باشد. این رفتار به این معنی است که ولتاژ کمتری برای تولید جریان بیشتر مورد نیاز است. بنابراین راهی برای فراتر رفتن از محدودیتهای موجود در یک لایه‌ی اکسید سنتی فراهم میشود.
در حال حاضر، لایههای نازک مبتنی بر دی‌اکسید هافنیوم (HfO۲) و زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO۲) با ساختار فلوریت، کانون توجه در تحقیقات خازن منفی هستند، زیرا این مواد از قبل با فرآیندها و ماشین‌آلات تولید الکترونیک معاصر سازگار هستند.
در مطالعهای که اخیرا انجام شده، محققان دانشگاهی و دولتی با لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) با ساختار فلوریت به موفقیت جدیدی دست یافتند که رفتار فروالکتریک را در مقیاس اتمی نشان میدهد.
در حال حاضر، فروالکتریسیته تا ضخامت زیر ۲ نانومتر در فیلم‌های Zr: HfO۲ همپایه و پلی کریستالی مشاهده شدهاست. اما محققان امیدوارند که به این رفتار در مقیاس‌های کوچکتر دست یابند زیرا میتواند بهره‌وری انرژی را بهبود بخشد.
در این مطالعه، محققان به رهبری دانشگاه برکلی کالیفرنیا، به همراه همکاران در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و آزمایشگاه ملی آرگون، تلاش کردند تا با کاهش ابعاد، با تبدیل فاز تتراگونال آنتی فروالکتریک متعارف به فاز اورترومبیک فروالکتریک، به خاصیت فروالکتریسیته در ابعاد اتمی دست‌یابند.
همانطور که آنها در مقاله توضیح میدهند، «در اکسیدهای مبتنی بر فلوریت، کاهش ابعاد منجر به پایداری فاز فروالکتریک اورترومبیکی ناشی از فشار میشود (که به طور معمول از طریق فشار هیدرواستاتیک، فشار شیمیایی یا کرنش اپیتاکسیال به دست می آید)».
آنها از رسوب لایه‌ی اتمی برای رشد لایههای نازک مبتنی بر (ZrO۲) بر روی سیلیکون بافر SiO۲ استفاده کردند. برای مطالعه‌ی وابستگی به ضخامت در تبدیل آنتی فروالکتریک به فروالکتریک، آنها اثرات ساختاری فازهای تتراگونال و اورترومبیک را با استفاده از تکنیک پراشsynchrotron in-plane grazing incidence بررسی کردند.
نتایج طیف‌سنجی، بازتاب مورد انتظار (۱۰۱) فاز تتراگونال را در فیلم‌های ضخیم‌تر (ZrO۲) (۳-۱۰ نانومتر) و ظهور بازتاب‌های (۱۱۱) فاز اورترومبیک برای فیلم‌های بسیار نازک (۲ نانومتر) تا ضخامت ۵ آنگستروم را تأیید کردند. تصویربرداری اتمی اکسیژن موضعی بین پلی‌مورف‌های ساختاری فاز قطبی اورترومبیک و فاز غیرقطبی تتراگونال تمایز قائل‌شد.
برای توصیف رفتار الکتریکی لایههای (ZrO۲) ، محققان خازن‌های فلز-عایق-فلزی (MIM) با ضخامت‌های مختلف (ZrO۲) را ساختند. حلقه‌های ولتاژ پلاریزاسیون MIM برای (ZrO۲) با ضخامت ۵ و ۱۰ نانومتر، پسماند دوگانه ضد فروالکتریک‌مانندی را نشان دادند.
پروبهای ولتاژ قطبش معمولی را نمی‌توان در رژیم فوق نازک اعمال کرد. بنابراین، آنها الکترودهای شانه‌ای (interdigitated electrodes) را برای تسهیل سوئیچینگ پلاریزاسیون درون صفحه ساختند، که به آنها اجازه داد تا انتقال فاز غیرقطبی به قطبی ناشی از میدان را در زیر ضخامت بحرانی ۲ نانومتری تایید کنند. به علاوه، سوئیچینگ پلاریزاسیون برای فیلم ۵ آنگسترومی (ZrO۲) فراتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد (۲۵۷ درجه فارنهایت) حفظ شد، که این ماده را برای کاربردهای الکترونیکی امیدوارکننده میکند.
سورج چیما، اولین نویسنده و محقق فوق دکتری در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، در بیانیه‌ی مطبوعاتی آزمایشگاه ملی آرگون میگوید: «این کار گامی کلیدی در جهت ادغام فروالکتریک در میکروالکترونیک‌های بسیار مقیاس‌پذیر برداشته است».
مقاله مرجع:
“Emergent ferroelectricity in subnanometer binary oxide films on silicon”
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
(DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abm۸۶۴۲).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/materials-innovations/good-things-come-in-even-smaller-packages-zro۲-thin-films-on-silicon-show-ferroelectricity-down-to-۵-angstroms
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
تکنولوژی سیمان کم کربن از آزمایشگاه به بازار میرود
| تاریخ ارسال: 1403/11/16 |
تکنولوژی سیمان کم کربن از آزمایشگاه به بازار میرود
آهک بدون کربن توسعه یافته با استفاده از فرآیند جدید توسط محققان موسسه فناوری ماساچوست
تحت شرکتی به نام Sublime Systems برای تجاری‌سازی این فرآیند توسط محققان MIT راه‌اندازی شده است.
عکس از: Sublime Systems
کمی بیش از یک سال، از زمان اعلام تاسیس اداره فناوری، نوآوری و مشارکت (TIP) توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده می‌گذرد. اداره TIP نماد فشار بر دولت فدرال برای ایفای نقش در حمایت از تحقیقات الهام گرفته از مصرف، و انتقال آن از آزمایشگاه به بازار در سال‌های اخیر بوده است. این اداره در حال حاضر در کنار طرح اصلی خود، موتورهای نوآوری منطقه‌ای، شروع به اجرای ابتکاراتی در مقیاس کوچکتر کرده است. فناوری‌های سبز یکی از حوزه‌های اصلی در تخصیص بودجه‌های تحقیقاتی است. در صورت پایبندی ایالات متحده به تعهدات خود نسبت به توافق نامه آب‌و‌هوای پاریس، عملیات‌های صنعتی می‌بایست کربنزدایی شوند؛ چه از طریق جذب انتشار گازهای گلخانه‌ای، اجرای روشهای پردازش جدید یا استفاده از سوخت‌های جایگزین (برای مقالات در مورد سوخت هیدروژنی و مصارف صنعتی به پژوهشنامه (بولتن) آوریل ۲۰۲۳ مراجعه کنید).
تولید سیمان بخش قابل توجهی از انتشارات گازهای گلخانه‌ای صنعتی را به خود اختصاص میدهد. برای ساخت سیمان پورتلند (Portland) معمولی، کربنات کلسیم (CaCO۳، معمولاً سنگ آهک) آسیاب میشود و سپس با ماسه و خاک رس در حرارت زیاد ایجاد شده توسط سوزاندن زغال سنگ می‌پزد. فرآیند پخت CaCO۳ را به اکسید کلسیم (CaO) و دی‌اکسید کربن (CO۲) تجزیه میکند. سپس CaO با سیلیس (SiO۲) واکنش داده و آلیت، فاز معدنی اصلی سیمان پورتلند تولید میشود.
اگرچه زغال سنگ لازم برای ایجاد حرارت میتواند با سوخت‌های دیگر جایگزین شود، اما به دلیل ماهیت اساسی این ماده، اجتناب از CO۲ منتشر شده از تجزیه CaCO۳ ممکن نیست. با این حال، روشهای مختلفی برای پردازش CaCO۳ وجود دارد که منجر به CO۲ خالص‌تر میشود، که استفاده مجدد از آن را در کاربردهای دیگر آسان‌تر میکند.
محققان MIT، به رهبری Yet-Ming Chiang، همکار انجمن سرامیک آمریکا و پروفسور کیوسرا (Kyocera) در مهندسی و علم مواد و Leah Ellis، همکار فوق دکتری بر روی یکی از این فرآیندها کار میکنند. فرایندی که در ابتدای سال ۲۰۱۹ در CTT گزارش شد، کلسیناسیون الکتروشیمیایی دمای محیط نامیده میشود. این روش از الکترولیز برای کاهش CaCO۳ استفاده میکند.
به کمک این روش، نه تنها نیاز به سوخت‌های فسیلی به دلیل استخراج کلسیم با برق ارزان به جای گرما حذف میشود، بلکه گاز CO۲ دریک جریان خالص گاز O۲/CO۲ آزاد میشود. برخلاف گازهای ناخالص دودکش در کوره‌های سنتی سیمان که همراه با فرآیند گران قیمت اسکراب آمین، در این روش میتوان دی‌اکسید کربن را به راحتی استخراج کرد.
علاوه بر این، محققان میگویند که این فرآیند به طور طبیعی تصفیه‌کننده است، بنابراین میتوان از ورودی‌های ناخالص از جمله سنگ‌های آهکی با عیار پایین یا کانی‌های کلسیم غیر کربناتی که CO۲ تعبیه‌شده ندارند، استفاده کرد.
امکان جداسازی کلسیم از ناخالصی‌های معمولی مانند سیلیس، منیزیم، آهن و آلومینیوم وجود دارد، زیرا این اجزا یا در اسید حل نمی‌شوند یا در pH مشابه کلسیم رسوب نمی‌کنند. فرآیند Sublime برای ساخت آهک تقریباً بدون توجه به نوع ماده اولیه، منجر به یک آهک خالص میشود، و سایر مواد معدنی با ارزش بالاتر مانند منیزیم نیز میتوانند جدا شوند.
در سال ۲۰۲۰، محققان MIT یک شرکت استارت آپی به نام Sublime Systems برای تجاری‌سازی این فرآیند تاسیس کردند. از آن زمان، آنها چندین بهسازی در این فرایند ایجاد کردند. از جمله:
سرمایه جدید برای افزایش تولید در یک کارخانه آزمایشی، ایجاد تیم شرکت، انجام آزمایش محصول و پیشبرد تعهدات مشتریان و شرکای جدید استفاده خواهد شد. فراتر از آن، Sublime Systems قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ یک کارخانه نمایش تجاری ساخته و راه اندازی کند و سپس تا سال ۲۰۲۷-۲۰۲۶ یک کارخانه سیمان در مقیاس کامل با ظرفیت یک میلیون تن در سال، تا سال ۲۰۲۸ احداث کند.
اگر این فرآیند با موفقیت تجاری‌سازی شود، Sublime Systems ممکن است بتواند از ابتکار خرید پاک دولت بایدن-هریس استفاده کند، که خرید فولاد، بتن، آسفالت و شیشه با آلایندگی کمتر توسط دولت فدرال را در اولویت قرار میدهد. در سطح ایالتی، ایالت نیوجرسی اخیراً لایحه‌ای را امضا کرده که در آن، اجرای بتن در پروژه‌های ساختمانی با انتشار کربن کمتر از بتن سنتی را تشویق میکند.
با افزایش بودجه و برنامه‌های تحقیقاتی الهام گرفته از مصرف در هیات مدیره اداره TIP، در حالت ایده‌آل، تعداد بیشتری از محققان دانشگاهی این امکان را خواهند داشت که تحقیقات خود را به بازار انتقال دهند، همانطور که چیانگ و الیس با سیستم‌های Sublime انجام میدهند.
منبع:
ترجمه: مهندس مهدی عرب، دانشگاه صنعتی شریف
تولید سیمان بخش قابل توجهی از انتشارات گازهای گلخانه‌ای صنعتی را به خود اختصاص میدهد. برای ساخت سیمان پورتلند (Portland) معمولی، کربنات کلسیم (CaCO۳، معمولاً سنگ آهک) آسیاب میشود و سپس با ماسه و خاک رس در حرارت زیاد ایجاد شده توسط سوزاندن زغال سنگ می‌پزد. فرآیند پخت CaCO۳ را به اکسید کلسیم (CaO) و دی‌اکسید کربن (CO۲) تجزیه میکند. سپس CaO با سیلیس (SiO۲) واکنش داده و آلیت، فاز معدنی اصلی سیمان پورتلند تولید میشود.
اگرچه زغال سنگ لازم برای ایجاد حرارت میتواند با سوخت‌های دیگر جایگزین شود، اما به دلیل ماهیت اساسی این ماده، اجتناب از CO۲ منتشر شده از تجزیه CaCO۳ ممکن نیست. با این حال، روشهای مختلفی برای پردازش CaCO۳ وجود دارد که منجر به CO۲ خالص‌تر میشود، که استفاده مجدد از آن را در کاربردهای دیگر آسان‌تر میکند.
محققان MIT، به رهبری Yet-Ming Chiang، همکار انجمن سرامیک آمریکا و پروفسور کیوسرا (Kyocera) در مهندسی و علم مواد و Leah Ellis، همکار فوق دکتری بر روی یکی از این فرآیندها کار میکنند. فرایندی که در ابتدای سال ۲۰۱۹ در CTT گزارش شد، کلسیناسیون الکتروشیمیایی دمای محیط نامیده میشود. این روش از الکترولیز برای کاهش CaCO۳ استفاده میکند.
به کمک این روش، نه تنها نیاز به سوخت‌های فسیلی به دلیل استخراج کلسیم با برق ارزان به جای گرما حذف میشود، بلکه گاز CO۲ دریک جریان خالص گاز O۲/CO۲ آزاد میشود. برخلاف گازهای ناخالص دودکش در کوره‌های سنتی سیمان که همراه با فرآیند گران قیمت اسکراب آمین، در این روش میتوان دی‌اکسید کربن را به راحتی استخراج کرد.
علاوه بر این، محققان میگویند که این فرآیند به طور طبیعی تصفیه‌کننده است، بنابراین میتوان از ورودی‌های ناخالص از جمله سنگ‌های آهکی با عیار پایین یا کانی‌های کلسیم غیر کربناتی که CO۲ تعبیه‌شده ندارند، استفاده کرد.
امکان جداسازی کلسیم از ناخالصی‌های معمولی مانند سیلیس، منیزیم، آهن و آلومینیوم وجود دارد، زیرا این اجزا یا در اسید حل نمی‌شوند یا در pH مشابه کلسیم رسوب نمی‌کنند. فرآیند Sublime برای ساخت آهک تقریباً بدون توجه به نوع ماده اولیه، منجر به یک آهک خالص میشود، و سایر مواد معدنی با ارزش بالاتر مانند منیزیم نیز میتوانند جدا شوند.
در سال ۲۰۲۰، محققان MIT یک شرکت استارت آپی به نام Sublime Systems برای تجاری‌سازی این فرآیند تاسیس کردند. از آن زمان، آنها چندین بهسازی در این فرایند ایجاد کردند. از جمله:
- مصرف انرژی کارآمدتر
- حذف تولید خالص H۲
- امکان جداسازی جریان گازهای CO۲ و O۲
- فراهم کردن امکان استخراج مداوم اکسید کلسیم از راکتور
- استفاده از سخت افزار الکترولایزر تجاری خارج از قفسه (COTS)
سرمایه جدید برای افزایش تولید در یک کارخانه آزمایشی، ایجاد تیم شرکت، انجام آزمایش محصول و پیشبرد تعهدات مشتریان و شرکای جدید استفاده خواهد شد. فراتر از آن، Sublime Systems قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ یک کارخانه نمایش تجاری ساخته و راه اندازی کند و سپس تا سال ۲۰۲۷-۲۰۲۶ یک کارخانه سیمان در مقیاس کامل با ظرفیت یک میلیون تن در سال، تا سال ۲۰۲۸ احداث کند.
اگر این فرآیند با موفقیت تجاری‌سازی شود، Sublime Systems ممکن است بتواند از ابتکار خرید پاک دولت بایدن-هریس استفاده کند، که خرید فولاد، بتن، آسفالت و شیشه با آلایندگی کمتر توسط دولت فدرال را در اولویت قرار میدهد. در سطح ایالتی، ایالت نیوجرسی اخیراً لایحه‌ای را امضا کرده که در آن، اجرای بتن در پروژه‌های ساختمانی با انتشار کربن کمتر از بتن سنتی را تشویق میکند.
با افزایش بودجه و برنامه‌های تحقیقاتی الهام گرفته از مصرف در هیات مدیره اداره TIP، در حالت ایده‌آل، تعداد بیشتری از محققان دانشگاهی این امکان را خواهند داشت که تحقیقات خود را به بازار انتقال دهند، همانطور که چیانگ و الیس با سیستم‌های Sublime انجام میدهند.
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/low-carbon-cement-technology-heading-from-lab-to-market
ترجمه: مهندس مهدی عرب، دانشگاه صنعتی شریف
تزریق الماس به آسمان؛ راه حل دانشمندان برای مشکل گرمایش زمین
| تاریخ ارسال: 1403/10/8 |
تزریق الماس به آسمان؛ راه حل دانشمندان برای مشکل گرمایش زمین
وضعیت گرمایش زمین به شرایط بحرانی نزدیک میشود. همین نیز سبب شده که دانشمندان راه‌حل فوق‌العاده عجیب تزریق الماس به آسمان را برای کاهش دمای کره زمین و جلوگیری از یک فاجعه پیشنهاد کنند.
الماس یک سرامیک است که هدایت حرارتی آن بیش از شش برابر بهترین فلزات یعنی نقره و مس است. دلیل این امر پیوند کووالانت بسیار قوی و ساختار ساده و تک اتمی آن است که باعث میشود فونون‌ها به سهولت بتوانند گرما را از طریق الماس هدایت کنند. امواج غیرهارمونیک حاصل از نوسان اتم‌ها را فونون می‌نامند.
بر کسی پوشیده نیست که کره زمین در حال گرم شدن است و کشورهای مختلف نیز چندان توجهی به آن نمی‌کنند. علیرغم هشدارهای مکرر دانشمندان کشورها همچنان به مصرف سوخت‌های فسیلی ادامه میدهند. همین نیز سبب شده که کره زمین در آستانه یک بحران وحشتناک قرار بگیرد. تاکنون راه‌های مختلفی برای حل این مشکل پیشنهاد شده؛ اما جدیدترین راه تزریق الماس به آسمان است.
تزریق الماس به آسمان انسان را از فاجعه نجات میدهد.
افراد زیادی امیدوار هستند که علم بتواند ناگهان راه‌حل فوق‌العاده‌ای را برای حل مشکل گرمایش زمین ارائه کند. در حال حاضر بهترین پاسخ علم به این مشکل تزریق آئروسل به اتمسفر است. در این روش ذرات هواپخش انعکاسی در اتمسفر زمین قرار میگیرند تا مسیر پرتوهای خورشید را منحرف کنند. در نتیجه کره زمین گرمای کمتری را دریافت میکند و میانگین دما کاهش می‌یابد.
این ایده برای اولین‌بار در سال ۱۹۹۱ بهصورت جدی مطرح شد. در آن زمان فوران وحشتناک کوه پیناتوبو فیلیپین باعث شد که ۲۰ میلیون تن گوگرد دی‌اکسید وارد جو شود. به سبب این اتفاق میانگین دمای کره زمین برای چندین سال ۰/۵ درجه سلسیوس کاهش یافت. در نتیجه دانشمندان به این فکر افتادند که آیا انسان نیز میتواند بهصورت مصنوعی همین کار را انجام دهد یا خیر.
طبیعتا استفاده از گوگرد دی‌اکسید نمی‌توانست گزینه خوبی باشد. اول از همه اینکه این ماده سمی است و میتواند به باران‌های اسیدی منجر شود. مشکل دوم اینکه ما نمی‌دانیم چنین‌کاری در بلندمدت چه عواقبی خواهد داشت. دکتر Sandro Vattioni از دانشگاه زوریخ در حال بررسی این موضوع بود که به ایده تزریق الماس به آسمان رسید.
او می‌خواست ببیند آیا ذرات دیگری هستند که بتوانند اثر مشابهی داشته باشند یا خیر. تیم تحت سرپرستی وی ۷ ترکیب مختلف (از جمله گوگرد دی‌اکسید) را امتحان کردند. در نهایت نیز مشخص شد که الماس بیشترین کارایی را دارد. تیم پژوهشی در یک شبیه‌سازی تاثیر تزریق الماس به آسمان را برای مدت ۴۵ سال بررسی کردند.
گرد الماس هم میتواند باعث کاهش دما شود و هم مشکلات دیگر ترکیبات را ندارد. این ماده گران‌قیمت با دیگر مواد واکنش نشان نمی‌دهد و احتمال ندارد که شاهد باران اسیدی یا موارد پیش‌بینی نشده باشیم. همچنین تکه‌های ریز الماس به همدیگر نمی‌چسبند و میتوانند برای مدت قابل ملاحظه‌ای در اتمسفر باقی بمانند.
گوگرد در جایگاه ششم قرار گرفت. چراکه میتواند برخی از طول موج‌های نور خورشید را جذب کند. با وجود این، گوگرد دی‌اکسید یک مزیت مهم نسبت به گرد الماس دارد. این ترکیب ۲۴۰۰ برابر نسبت به الماس ارزانتر است. بررسی‌های دانشمندان نشان داد که تزریق ۵ میلیون تن گرد الماس به آسمان میتواند میانگین دمای کره زمین را ۱/۶ درجه سلسیوس خنک کند. هرچند که هزینه اجرای چنین برنامه‌ای حدود ۱۷۵ ترلیون دلار خواهد بود.
همین هزینه بالا نیز باعث میشود که عده‌ای نسبت به ایده تزریق الماس به آسمان تردید داشته باشند. گوگرد دی‌اکسید تقریبا بهصورت رایگان وجود دارد و فعالیت‌های آتشفشانی ثابت کرده است که میتواند تاثیرگذار باشد. گرچه کسی تاکنون نتوانسته تاثیر تزریق چند میلیون تن گرد الماس را به آسمان ارزیابی کند. به همین‌خاطر برخی احتمال میدهند که چنین ایده‌ای در زمان اجرایی شدن با مشکلات پیش‌بینی نشده مواجه شود.
برخی افراد بر این باور هستند که برای برطرف کردن تغییرات اقلیمی باید همه کشورهای جهان فورا رویه خود را تغییر دهند. گرچه طرفداران روش تزریق آئروسل به یک نکته ظریف اشاره میکنند. برای قرنها حجم بسیار زیادی از کربن دی‌اکسید وارد اتمسفر شده است. به همین‌خاطر تغییرات کلی نمی‌تواند در کوتاه‌مدت مشکل را حل کند. به‌بیانی دیگر ما باید یک راه‌حل فوری برای جلوگیری از بروز فاجعه در کره زمین و یک راه‌حل اصلی داشته باشیم.
به همین‌خاطر است که Vationni روی تزریق گرد الماس به آسمان اصرار دارد. او تاکید میکند که افراد هنوز متوجه عمق فاجعه نشده‌اند. به‌باور وی الماس همیشه در جهان وجود دارد و می‌توانیم در آینده از سیارک‌های مختلف حجم قابل ملاحظه‌ای از الماس را استخراج کنیم. هرچند اگر جلوی گرمایش زمین گرفته نشود، ممکن است مشکلات گسترده و جنگ‌های اقلیمی زمین را برای همیشه غیرقابل سکونت کرده و تمدن انسانی را نابود کند.
مرجع:
تجزیه الکتروشیمیایی آب با یک نانوکاتالیست سریعتر و ارزانتر میشود
| تاریخ ارسال: 1403/9/14 |
تجزیه الکتروشیمیایی آب با یک نانوکاتالیست سریعتر و ارزانتر میشود
یک تیم تحقیقاتی آلمانی-چینی به رهبری فرانچسکو سیوچی از دانشگاه بایروث، روش جدیدی را برای تجزیه الکتروشیمیایی آب ایجاد کرده است. این روش نه تنها تولید هیدروژن را برای استفاده در صنعت تسریع کرده، بلکه آن را پایدارتر میکند.
به گزارش ایسنا، هیدروژن به دلیل خواص منحصر به فرد خود، برای فناوری و صنعت اهمیت حیاتی دارد. هیدروژن سبک‌ترین عنصر شیمیایی است، چگالی انرژی بسیار بالایی دارد و سوختی بدون انتشار دی‌اکسید کربن بوده، زیرا آب تنها محصول جانبی احتراق آن است. این امر هیدروژن را به یک منبع انرژی پاک بسیار جذاب تبدیل میکند. با این حال، تولید آن هنوز هم نیازمند انرژی بالایی است.
هیدروژن را میتوان از طریق تقسیم الکتروشیمیایی آب تولید کرد؛ جایی که الکترودهای آب در معرض جریان الکتریکی قرار میگیرند. تولید هیدروژن کارآمد و پایدار از طریق تقسیم الکتروشیمیایی آب با برق تجدیدپذیر میتواند به طور قابل توجهی پایداری این منبع انرژی را بهبود بخشد.
یکی از بزرگترین چالش‌ها در تقسیم الکتروشیمیایی آب، واکنش تکامل اکسیژن (OER) است؛ یک واکنش کند و زمان‌بر که در آن مولکولهای آب به اکسیژن و هیدروژن تجزیه میشوند. OER را میتوان با استفاده از کاتالیزورهای فلزات نجیب شتاب داد. با این حال، این فلزات گران و کمیاب هستند و سرعت بخشیدن به واکنش نیاز به انرژی اضافی دارد.
این چالش توسط یک تیم تحقیقاتی مورد بررسی قرار گرفته است. آنها روشی نوآورانه برای تجزیه الکتروشیمیایی آب ایجاد کردند.
این رویکرد از ایریدیوم اتمی به عنوان شتاب‌دهنده واکنش استفاده میکند و آنها را با دی‌متیل ایمیدازول و هیدروکسید آهن کبالت جفت میکند. نوآوری کلیدی در آرایش هندسی این اجزا نهفته است که در جهت خارج از صفحه پیکربندی شده‌اند و عملکرد و کارایی کاتالیست را بهینه میکنند.
این رویکرد نوآورانه به طور قابل توجهی فعالیت OER را افزایش میدهد. علاوه بر این، استفاده از فلزات نجیب را کاهش میدهد، زیرا در آن فقط از اتمهای ایریدیوم منفرد استفاده میشود و به طور مثبت بر پایداری واکنش تأثیر می‌گذارد.
به نقل از ستاد نانو، سیوچی میگوید: مطالعه ما نشان‌دهنده گام مهم رو به جلو در توسعه OER کارآمد و مقرون به صرفه برای تولید هیدروژن پایدار است. با غلبه بر چالش کلیدی فناوری فعلی، نتایج ما این پتانسیل را دارد که انتقال جهانی به سمت راه‌حل‌های انرژی پاک را هدایت کند.
محققان یافته‌های خود را در نشریه Nature Nanotechnology منتشر کردند.
منبع:
تازه‌ترین پیشرفت‌ها در درک مکانیزم‌های فلش زینترینگ
| تاریخ ارسال: 1403/8/12 |
تازه‌ترین پیشرفت‌ها در درک مکانیزم‌های فلش زینترینگ
پیشرفت فرآیند فلش زینترینگ در یک لایه‌ی دوتایی لانتانا–زیرکونیا در یک کوره با دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد و با اعمال میدان ۳۰۰ ولت بر سانتی‌متر و محدود کردن جریان به ۱۰۰ میلی‌آمپر بر میلی‌مترمربع.
عکس از: جلالی و راج، ژورنال انجمن سرامیک آمریکا
بدون شک، فرآیند ساخت سرامیک‌ها باید به منظور کاهش هزینه‌ها و کاهش انتشار کربن، بهینه‌سازی شود. این بهینه‌سازی به ویژه برای تولید سرامیکهای با دمای بالا حیاتی است، فرآیندی که در آن دمای زینترینگ ممکن است بیش از ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد باشد. علاوه بر انرژی مورد نیاز برای رسیدن به این دماها، زمان مورد نیاز برای گرم کردن و سرد کردن محصولات سرامیکی طولانی است و میتواند منجر به رشد دانه‌ها شود که میتواند عملکرد را کاهش دهد.
فلش زینترینگ (Flash Sintering) ممکن است برای برخی تولیدکنندگان راهحلی برای این مسائل فراهم کند. در فلش زینترینگ، قطعات همچنان گرم میشوند، اگرچه در دماهای کمتر، و ولتاژ‌های بالا بر روی قطعه اعمال میشود. جریانی در طول قطعه به وجود می‌آید که میتوان آن را به وسیلهی الکترولومینسانس (اثر فلش) مشاهده کرد. در این شرایط، زینترینگ در عرض چند ثانیه یا دقیقه اتفاق می‌افتد، در حالی که روشهای زینترینگ سنتی ممکن است ساعت‌ها طول بکشد.
نه تنها فلش زینترینگ در انرژی و زمان کارآمد است، بلکه میتواند قطعاتی با چگالی بالا (کم تخلخل) تولید کند در حالی که دانه‌های کوچک را حفظ میکند. به عنوان مثال، تصاویر زیر نشان میدهند که آلومینای با خلوص بالا به وسیله زینترینگ بدون فشار در دمای ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد (سمت چپ)، فلش زینترینگ در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد (وسط)، و زینترینگ با فشار بالا در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد (سمت راست) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. هرچند ماده زینترشده با فشار بالا چگالی بالاتری نسبت به نمونه‌ای که به روش فلش زینتر شدهاست دارد (٪۹,۹۹ در مقابل %۹,۹۷)، نمونه زینترشده به روش فلش دارای سختی بالاتری است (۲۰ گیگاپاسکال در مقابل ۳,۱۹ گیگاپاسکال).
فلش زینترینگ (Flash Sintering) ممکن است برای برخی تولیدکنندگان راهحلی برای این مسائل فراهم کند. در فلش زینترینگ، قطعات همچنان گرم میشوند، اگرچه در دماهای کمتر، و ولتاژ‌های بالا بر روی قطعه اعمال میشود. جریانی در طول قطعه به وجود می‌آید که میتوان آن را به وسیلهی الکترولومینسانس (اثر فلش) مشاهده کرد. در این شرایط، زینترینگ در عرض چند ثانیه یا دقیقه اتفاق می‌افتد، در حالی که روشهای زینترینگ سنتی ممکن است ساعت‌ها طول بکشد.
نه تنها فلش زینترینگ در انرژی و زمان کارآمد است، بلکه میتواند قطعاتی با چگالی بالا (کم تخلخل) تولید کند در حالی که دانه‌های کوچک را حفظ میکند. به عنوان مثال، تصاویر زیر نشان میدهند که آلومینای با خلوص بالا به وسیله زینترینگ بدون فشار در دمای ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد (سمت چپ)، فلش زینترینگ در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد (وسط)، و زینترینگ با فشار بالا در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد (سمت راست) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. هرچند ماده زینترشده با فشار بالا چگالی بالاتری نسبت به نمونه‌ای که به روش فلش زینتر شدهاست دارد (٪۹,۹۹ در مقابل %۹,۹۷)، نمونه زینترشده به روش فلش دارای سختی بالاتری است (۲۰ گیگاپاسکال در مقابل ۳,۱۹ گیگاپاسکال).
یانگ و همکاران، مجله انجمن سرامیک آمریکا
اگرچه نتایج فلش زینترینگ شگفت‌انگیز است، اما مکانیسم‌ها و نیروها هنوز به خوبی درک نشده‌اند. چهار مقاله اخیر منتشر شده در ژورنالهای انجمن سرامیک آمریکا، رفتار و پدیده‌های سطح اتمی را که به فلش زینترینگ سرامیکهای اکسیدی، به ویژه آلومینا و اکسیدهای زیرکونیا، کمک میکنند، شناسایی و ارزیابی میکنند.
در این مقالات، نویسندگان پنج مرحله از فرآیند فلش را شناسایی میکنند: گرم کردن، القا، فلش، وضعیت پایدار، و سرد شدن.
در این مقالات، نویسندگان پنج مرحله از فرآیند فلش را شناسایی میکنند: گرم کردن، القا، فلش، وضعیت پایدار، و سرد شدن.
- در مرحله گرم کردن، بدون اعمال ولتاژ، نمونه به دمای نهایی کوره می‌رسد.
- القا، دوره‌ی بین اعمال میدان ولتاژ و آغاز جریان فلش است. وقتی نمونه به اندازهی کافی رسانا باشد، جریان فلش آغاز میشود.
- در حین فلش که در مقیاس زمانی کمتر از یک ثانیه تا چند ثانیه رخ میدهد، جریان افزایش می‌یابد تا زمانی که به یک حد تعیین شده یا فراتر از آن برسد.
- هنگامی که فلش رخ میدهد، ولتاژ اعمالی کاهش می‌یابد تا جریان را در وضعیت پایدار نگه دارد.
- مرحله نهایی، سرد شدن است. جایی که میدان اعمال شده قطع شده و نمونه از طریق خنک‌کردن کوره یا روشهای سریعتر به دمای اتاق بازمی‌گردد.
اغلب محققان بر روی انجام اندازه‌گیری‌ها و مدلسازی در طول مراحل فلش و وضعیت پایدار تمرکز میکنند، اگرچه برخی نتایج جالب از مطالعه مراحل گرم کردن، القا و سرد شدن نیز بوجود آمده است.
به عنوان مثال، فرآیندهایی مانند واکنشهای حالت جامد مواد خام و مراحل اولیه زینترینگ در طول مرحله گرمایش مشاهده شده است. اعتقاد بر این است که تغییرات در سطح اتمی در طول مرحله القا رخ میدهد که هدایت سرامیک را بهبود میبخشد. درشت شدن ساختار و ترسیب فازهای ناخواسته همراه با خنک شدن آرام مشاهده شده است.
در فاز فلش، فرآیندها با سرعت بسیار بالا اتفاق می‌افتند. به عنوان مثال، یانگ و همکارانش میزان تغییر چگال‌شدن از حدود ٪۶۰ به بیش از ٪۹۰ در حدود ۰/۵ ثانیه مشاهده کردند. در حالی که جلالی و راج ضرایب نفوذ را نزدیک به چندین مرتبه بزرگتر از آنچه مقدار اندازه‌گیری شده در حین زینترینگ در دماهای مشابه، اندازه‌گیری کردند. علاوه بر این، انرژی‌های فعال‌سازی محاسبه شده برای تغییرات در طول فلش زینترینگ به طور قابل توجهی کمتر از تغییرات مشابه برای روشهای زینترینگ سنتی بودند.
این مطالعات سعی بر توضیح دلایل اساسی این مشاهدات و اندازه‌گیری‌ها را داشتند. یک امکان آشکار، تشکیل مواد مایع در داخل منطقه فلش است. از این گذشته، گرمایش ژول منجر به افزایش چشمگیر دما میشود. اگرچه حداکثر دماهای اندازه‌گیری شده توسط پایرومتر یا محاسبه شده از مدلهای تابش جسم سیاه زیر نقاط ذوب آلومینای خالص یا زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ) تعیین شد، با این حال، یک مطالعه‌ی دسترسی آزاد انجام شده توسط آئوکی و همکارانش نشان داد که دماهای بالاتر از نقطه یوتکتیک برای ترکیب‌های آلومینا-آلومینات گالیوم وجود دارد.
با این حال که تبدیل کامل سرامیک به مایع بعید است، جلالی و راج اشاره میکنند که افزایش در حجم آزاد به میزان ۳ تا ۴ درصد میتواند مشابه نرخ نفوذ بالا در فلزات را توجیه کند. آنها به تجربیات خود و دیگر آزمایش‌ها اشاره کردند که نشان میدهد گسترش مشابه حجم به میزان ۳ تا ۴ درصد در حین فلش زینترینگ اتفاق می‌افتد. آنها یک "پلاسمای فلش" را با افزایش پراکندگی فضایی در آنتروپی ثابت میکنند.
یانگ و همکارانش، سهم‌هایی که جایخالی‌های اکسیژن و دیگر عیوب نقطه‌ای در نرخ‌های بالای چگالش دارند را مطرح کردند. با استفاده از طیف‌سنجی پراکنده انرژی، آنها مشخص کردند که آلومینا در حین فلش زینترینگ اتمهای اکسیژن خود را از دست میدهد، که فرضیه آنها را تأیید میکند. آنها علاوه بر این انرژی‌های فعال‌سازی را در طول مراحل فلش و در طول فاز پایدار بررسی کردند تا مکانیسم‌های نفوذ را توضیح دهند. تجزیه و تحلیل آنها به این احتمال اشاره میکنند که در طول فاز فلش، اثرات کولومب در طول دماهای بسیار بالا منجر به نفوذ از طریق مرز دانه‌ها و در ادامه منجر به زینترینگ میشود، در حالی که در حین فاز پایدار، نفوذ در شبکه منجر به چگالش میشود.
هر چند فلش زینترینگ نویدبخش بهبود خواص و فرآیندهای سرامیکهای زینتر شده می‌باشد، در مطالعاتی مانند این موارد به محققان سرامیک کمک میکند تا مکانیزم‌های پایه‌ای و اساسی را درک کنند. با این اطلاعات، مهندسان سرامیک میتوانند مواد و رویکردهای تولیدی را برای ساخت محصولاتی با ساختارهای مهندسی‌شده، به منظور برآورده کردن الزامات عملکردی برای برنامه‌های کاربردی تنظیم و طراحی کنند.
برای اطلاعات بیشتر، لینک دسترسی به چهار مقاله‌ی منتشر شده در ژورنالهای انجمن سرامیک آمریکا در زیر قرار میگیرد.
به عنوان مثال، فرآیندهایی مانند واکنشهای حالت جامد مواد خام و مراحل اولیه زینترینگ در طول مرحله گرمایش مشاهده شده است. اعتقاد بر این است که تغییرات در سطح اتمی در طول مرحله القا رخ میدهد که هدایت سرامیک را بهبود میبخشد. درشت شدن ساختار و ترسیب فازهای ناخواسته همراه با خنک شدن آرام مشاهده شده است.
در فاز فلش، فرآیندها با سرعت بسیار بالا اتفاق می‌افتند. به عنوان مثال، یانگ و همکارانش میزان تغییر چگال‌شدن از حدود ٪۶۰ به بیش از ٪۹۰ در حدود ۰/۵ ثانیه مشاهده کردند. در حالی که جلالی و راج ضرایب نفوذ را نزدیک به چندین مرتبه بزرگتر از آنچه مقدار اندازه‌گیری شده در حین زینترینگ در دماهای مشابه، اندازه‌گیری کردند. علاوه بر این، انرژی‌های فعال‌سازی محاسبه شده برای تغییرات در طول فلش زینترینگ به طور قابل توجهی کمتر از تغییرات مشابه برای روشهای زینترینگ سنتی بودند.
این مطالعات سعی بر توضیح دلایل اساسی این مشاهدات و اندازه‌گیری‌ها را داشتند. یک امکان آشکار، تشکیل مواد مایع در داخل منطقه فلش است. از این گذشته، گرمایش ژول منجر به افزایش چشمگیر دما میشود. اگرچه حداکثر دماهای اندازه‌گیری شده توسط پایرومتر یا محاسبه شده از مدلهای تابش جسم سیاه زیر نقاط ذوب آلومینای خالص یا زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ) تعیین شد، با این حال، یک مطالعه‌ی دسترسی آزاد انجام شده توسط آئوکی و همکارانش نشان داد که دماهای بالاتر از نقطه یوتکتیک برای ترکیب‌های آلومینا-آلومینات گالیوم وجود دارد.
با این حال که تبدیل کامل سرامیک به مایع بعید است، جلالی و راج اشاره میکنند که افزایش در حجم آزاد به میزان ۳ تا ۴ درصد میتواند مشابه نرخ نفوذ بالا در فلزات را توجیه کند. آنها به تجربیات خود و دیگر آزمایش‌ها اشاره کردند که نشان میدهد گسترش مشابه حجم به میزان ۳ تا ۴ درصد در حین فلش زینترینگ اتفاق می‌افتد. آنها یک "پلاسمای فلش" را با افزایش پراکندگی فضایی در آنتروپی ثابت میکنند.
یانگ و همکارانش، سهم‌هایی که جایخالی‌های اکسیژن و دیگر عیوب نقطه‌ای در نرخ‌های بالای چگالش دارند را مطرح کردند. با استفاده از طیف‌سنجی پراکنده انرژی، آنها مشخص کردند که آلومینا در حین فلش زینترینگ اتمهای اکسیژن خود را از دست میدهد، که فرضیه آنها را تأیید میکند. آنها علاوه بر این انرژی‌های فعال‌سازی را در طول مراحل فلش و در طول فاز پایدار بررسی کردند تا مکانیسم‌های نفوذ را توضیح دهند. تجزیه و تحلیل آنها به این احتمال اشاره میکنند که در طول فاز فلش، اثرات کولومب در طول دماهای بسیار بالا منجر به نفوذ از طریق مرز دانه‌ها و در ادامه منجر به زینترینگ میشود، در حالی که در حین فاز پایدار، نفوذ در شبکه منجر به چگالش میشود.
هر چند فلش زینترینگ نویدبخش بهبود خواص و فرآیندهای سرامیکهای زینتر شده می‌باشد، در مطالعاتی مانند این موارد به محققان سرامیک کمک میکند تا مکانیزم‌های پایه‌ای و اساسی را درک کنند. با این اطلاعات، مهندسان سرامیک میتوانند مواد و رویکردهای تولیدی را برای ساخت محصولاتی با ساختارهای مهندسی‌شده، به منظور برآورده کردن الزامات عملکردی برای برنامه‌های کاربردی تنظیم و طراحی کنند.
برای اطلاعات بیشتر، لینک دسترسی به چهار مقاله‌ی منتشر شده در ژورنالهای انجمن سرامیک آمریکا در زیر قرار میگیرد.
- Jalali and Raj, “Reactive flash sintering in a bilayer of zirconia and lanthana: Measurement of the diffusion coefficient in real time,” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۸۰۴
- Yang et al., “Flash sintering of ultra-high pure alumina ceramics with fine microstructure.” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۵۵۴
- Yang et al. “Densification behaviors of Al۲O۳ ceramics during flash sintering,” International Journal of Applied Ceramic Technology. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/ijac.۱۴۲۰۵
- Aoki, Masuda, and Yoshida, “Formation of Al۲O۳–GdAlO۳ eutectic ceramics with a fine anisotropic structure in a flash event,” Journal of the American Ceramic Society. https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۹۰۱۲
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/basic-science/done-in-a-flash-advancements-in-the-understanding-of-flash-sintering-mechanisms
ترجمه: مهندس مهدی عرب، دانشگاه صنعتی شریف
پاک‌سازی منابع آب از فلزات: روشی تک‌مرحله‌ای برای تولید مکسین‌های عامل‌دار به منظور حذف سریع جیوه از آب
| تاریخ ارسال: 1403/7/8 |
پاک‌سازی منابع آب از فلزات: روشی تک‌مرحله‌ای برای تولید مکسین‌های عامل‌دار به منظور حذف سریع جیوه از آب
علامت هشدار به بازدیدکنندگان در مورد آلودگی جیوه در فلوریدا اورگلیدز.
صاحب امتیاز: تام فریدل، ویکی مدیا (CC BY ۳.۰)
از آنجایی که در سراسر جهان، دولت‌ها به دنبال کاهش اتکای خود به چین برای مواد معدنی خاکی کمیاب و سایر مواد حیاتی هستند، توجه فزایندهای به شناسایی، توسعه و بهره‌برداری از معادن و تأسیسات فرآوری جدید میشود. اما با پیشرفت این پروژه‌ها در مورد اثرات بالقوه‌ی زیست‌محیطی بحث‌های بیشتری شکل میگیرد، موضوعاتی مانند آلودگی فلزات سنگین.
فلزات سنگین مانند جیوه و کادمیوم با اتصال به سلول‌ها و ممانعت از انجام وظایف خود، اثرات منفی زیادی بر سلامت انسان می‌گذارند. فلزات سنگین به طور منظم در عملیات‌های معدنی و صنعتی ظاهر میشوند. رویه‌ی رایج انجام چنین عملیات‌هایی در نزدیکی منابع آبی میتواند منجر به ورود این فلزات به اکوسیستم آبی شده و باعث آلودگی آب و غذاهایی دریایی شود.
اکثر فلزات سنگین تحت تخریب میکروبی یا شیمیایی قرار نمی‌گیرند. بنابراین، می‌بایست آنها را از طریق فن‌آوری‌های مختلف توسعه‌یافته، از آب حذف کرد.
جذب سطحی به دلیل هزینه‌ی کم، در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست، فرآیندی است که به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از آب استفاده میشود. این فرایند شامل قرار دادن ماده‌ی جامدی به نام جاذب در آب آلوده برای جذب و اتصال ذرات فلز سنگین به سطح آن، است.
مکسین‌ها خانواده‌ای از مواد دو بعدی با پتانسیل بالا به عنوان جاذب برای فلزات سنگین هستند. این کاربیدها، نیتریدها و کربنیتریدهای فلزات واسطه دوبعدی، دارای سطح ویژه‌ی بالا و گروه‌های عملکردی در سطح خود هستند که نه تنها مکان‌هایی را برای تبادل مستقیم یونی فراهم میکنند، بلکه برخی از مولکول‌ها و کاتیون‌های آلی را نیز کاهش میدهند. علاوه بر این، در مقایسه با سایر مواد دو بعدی مانند اکسید گرافن و دی سولفید مولیبدن، مکسین‌ها دارای فاصله‌ی بین صفحات اتمی بزرگتری هستند که به انتشار یون در منافذ و بین لایهها کمک میکند.
مکسین‌های مبتنی بر تیتانیوم، به ویژه کاربید تیتانیوم، (
فلزات سنگین مانند جیوه و کادمیوم با اتصال به سلول‌ها و ممانعت از انجام وظایف خود، اثرات منفی زیادی بر سلامت انسان می‌گذارند. فلزات سنگین به طور منظم در عملیات‌های معدنی و صنعتی ظاهر میشوند. رویه‌ی رایج انجام چنین عملیات‌هایی در نزدیکی منابع آبی میتواند منجر به ورود این فلزات به اکوسیستم آبی شده و باعث آلودگی آب و غذاهایی دریایی شود.
اکثر فلزات سنگین تحت تخریب میکروبی یا شیمیایی قرار نمی‌گیرند. بنابراین، می‌بایست آنها را از طریق فن‌آوری‌های مختلف توسعه‌یافته، از آب حذف کرد.
جذب سطحی به دلیل هزینه‌ی کم، در دسترس بودن و سازگاری با محیط زیست، فرآیندی است که به طور گسترده برای حذف فلزات سنگین از آب استفاده میشود. این فرایند شامل قرار دادن ماده‌ی جامدی به نام جاذب در آب آلوده برای جذب و اتصال ذرات فلز سنگین به سطح آن، است.
مکسین‌ها خانواده‌ای از مواد دو بعدی با پتانسیل بالا به عنوان جاذب برای فلزات سنگین هستند. این کاربیدها، نیتریدها و کربنیتریدهای فلزات واسطه دوبعدی، دارای سطح ویژه‌ی بالا و گروه‌های عملکردی در سطح خود هستند که نه تنها مکان‌هایی را برای تبادل مستقیم یونی فراهم میکنند، بلکه برخی از مولکول‌ها و کاتیون‌های آلی را نیز کاهش میدهند. علاوه بر این، در مقایسه با سایر مواد دو بعدی مانند اکسید گرافن و دی سولفید مولیبدن، مکسین‌ها دارای فاصله‌ی بین صفحات اتمی بزرگتری هستند که به انتشار یون در منافذ و بین لایهها کمک میکند.
مکسین‌های مبتنی بر تیتانیوم، به ویژه کاربید تیتانیوم، (
محققان عملکرد سطح Ti۳C۲Tx را برای به تاخیر انداختن تخریب و بهبود سرعت جذب بررسی کرده‌اند. در مقاله‌ی اخیر، محققان دانشگاه درکسل و دانشگاه تمپل یک روش ساده‌ی تک مرحله‌ای را برای عملکرد Ti۳C۲Tx به منظور حذف جیوه توسعه دادهاند.
در این مطالعه، عامل سطحی معرفی شده، گروه‌های کربوکسیل در سطح Ti۳C۲Tx است. این انتخاب ناشی از این باور است که «گروه‌های کربوکسیل، لایههای مکسین را تثبیت میکنند. این موضوع به دلیل انرژی تشکیل بالاتر در مقایسه با Ti۳C۲Tx پایان‌یافته با OH است.».
در این مطالعه، عامل سطحی معرفی شده، گروه‌های کربوکسیل در سطح Ti۳C۲Tx است. این انتخاب ناشی از این باور است که «گروه‌های کربوکسیل، لایههای مکسین را تثبیت میکنند. این موضوع به دلیل انرژی تشکیل بالاتر در مقایسه با Ti۳C۲Tx پایان‌یافته با OH است.».
آنها مکسین Ti۳C۲Tx کربوکسیله‌شده را با افزودن ۱.۷ گرم اسید کلرواستیک به محلول کلوئیدی لایه‌لایه شده‌ی Ti۳C۲Tx با غلظت ۱ میلی‌گرم در میلی‌لیتر در دمای ۰ درجه سانتیگراد ایجاد کردند. سپس محلول را به مدت دو ساعت هم زدند تا گروه‌های (-OH) روی سطح مکسین را به گروه‌های کربوکسیل تبدیل کنند. سپس مخلوط با آب مقطر خنثی شد.
تجزیه و تحلیل Ti۳C۲Tx کربوکسیله‌شده نشان داد که در بازه‌ی pH ]۸,۵-۲[، بار منفی سطحی در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه بیشتر است. این بار منفی سطحی منجر به افزایش برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک بین یون‌های جیوه و مکسین شد. همچنین گروه‌های کربوکسیل منجر به افزایش فاصله‌ی بین نانوصفحه‌ها‌ی مکسین و افزایش پایداری اکسیداسیون آنها شد.
در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه، نمونه‌ی کربوکسیله در بازه‌ی pH ]۶-۲[ پایداری و سرعت جذب یون جیوه‌ی بیشتری از خود نشان داد. به عنوان مثال، در غلظت اولیه‌ی ppm۲۰۰ جیوه، Ti۳C۲Tx توانست پس از ۲۰ دقیقه ۷۰٪ یون‌های جیوه را حذف کند، در حالی که Ti۳C۲Tx کربوکسیله‌شده موفق شد تنها در ۱ دقیقه به نتیجه‌ی مشابه برسد.
علاوهبراین، بازگشت یون‌های جذب شده توسط نمونه‌ی کربوکسیله‌شده در قیاس با نمونه‌ی اولیه به مراتب کمتر بود. اگرچه میزان بازگشت یون‌ها در هر دو نمونه بسیار کمتر از حد ایمن تعریف‌شده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده‌ی آمریکا بود.
بر اساس این نتایج، Ti۳C۲Tx کربوکسیله شده «پتانسیل صنعتی بالایی برای حذف کارآمد یون‌های فلزات سنگین دارد، زیرا ظرفیت جذب یون جیوه‌ی بالاتری نسبت به جاذب‌های تجاری موجود گزارش‌شده در منابع دارد».
در قیاس با Ti۳C۲Tx اولیه، نمونه‌ی کربوکسیله در بازه‌ی pH ]۶-۲[ پایداری و سرعت جذب یون جیوه‌ی بیشتری از خود نشان داد. به عنوان مثال، در غلظت اولیه‌ی ppm۲۰۰ جیوه، Ti۳C۲Tx توانست پس از ۲۰ دقیقه ۷۰٪ یون‌های جیوه را حذف کند، در حالی که Ti۳C۲Tx کربوکسیله‌شده موفق شد تنها در ۱ دقیقه به نتیجه‌ی مشابه برسد.
علاوهبراین، بازگشت یون‌های جذب شده توسط نمونه‌ی کربوکسیله‌شده در قیاس با نمونه‌ی اولیه به مراتب کمتر بود. اگرچه میزان بازگشت یون‌ها در هر دو نمونه بسیار کمتر از حد ایمن تعریف‌شده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده‌ی آمریکا بود.
بر اساس این نتایج، Ti۳C۲Tx کربوکسیله شده «پتانسیل صنعتی بالایی برای حذف کارآمد یون‌های فلزات سنگین دارد، زیرا ظرفیت جذب یون جیوه‌ی بالاتری نسبت به جاذب‌های تجاری موجود گزارش‌شده در منابع دارد».
مقاله مرجع:
Journal of Hazardous Materials, “Efficient mercury removal from aqueous solutions using carboxylated Ti۳C۲Tx MXene” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.jhazmat.۲۰۲۲.۱۲۸۷۸۰)
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
پردازش سرامیک - آیا ما از مدلهای تف‌جوشی و خزش صحیح استفاده میکنیم؟
| تاریخ ارسال: 1403/6/10 |
پردازش سرامیک - آیا ما از مدلهای تف‌جوشی و خزش صحیح استفاده میکنیم؟
این تصور که تف‌جوشی محدود به سرعت نفوذ نیست، احتمالاً باعث ایجاد تعجب خواهد شد. مدلهای سینتیکی محدود به نرخ نفوذ به شکل فراگیر برای درک، تفسیر و مهندسی تف‌جوشی به مدت بیش از نیم قرن استفاده شده‌اند.
این پیشنهاد که مدلهای خزش با واسطه مرز‌دانه در تنش‌های کم با مدلهای موجود مطابقت ندارند، کمتر بحث‌برانگیز است. خزش غیرخطی کم‌تنش اغلب به ترکیبی از سینتیک‌های تولید و جذب نقص‌های نقطه، لغزش مرزدانهها و یا انعطاف‌پذیری شبکه نسبت داده میشود، اما بسیاری از داده‌های تجربی با هیچ‌یک از مدلهای موجود مطابقت ندارند.
این پیشنهاد که مدلهای خزش با واسطه مرز‌دانه در تنش‌های کم با مدلهای موجود مطابقت ندارند، کمتر بحث‌برانگیز است. خزش غیرخطی کم‌تنش اغلب به ترکیبی از سینتیک‌های تولید و جذب نقص‌های نقطه، لغزش مرزدانهها و یا انعطاف‌پذیری شبکه نسبت داده میشود، اما بسیاری از داده‌های تجربی با هیچ‌یک از مدلهای موجود مطابقت ندارند.
در شکل که نتیجه مطالعه Shen Dillon است، تف‌جوشی در محل ذرات آلومینا (فاز روشن) و زیرکونیا (فاز تاریک) که اتفاقاً در یک راستا قرار گرفتند قابل مشاهده است. توجه داشته باشید که کوچک شدن قسمت گردن‌مانند که با فلش قرمز نشان داده شده است، تنش تف جوشی را افزایش میدهد و پیش از حرکت ذرات صلب، متراکم شدن و چرخش ذرات انجام میشود. به طور مشابه، انقباض دانه آلومینا که توسط فلش آبی نشان داده شده است، از طریق درشت شدن، باعث چگال شدن کلی ساختار میشود. چنین اثراتی در مدلهای تحلیلی با فرض دانه‌های حجم ثابت، که میتواند منجر به پیش‌بینی‌های نادرست از تکامل تنش تف‌جوشی شود، ثبت نمی‌شود.
تف‌جوشی پودرهای بزرگتر از حدود ۱۰۰ نانومتر معمولاً در تنش‌های تف‌جوشی متوسط به خوبی در رژیم مرتبط با خزش مرزی غیرخطی دانه اتفاق می‌افتد، همانطور که در شماتیک زیر مشاهده میشود، این تفاوت بین تف‌جوشی و خزش تا حد زیادی در مطالعات گذشته نادیده گرفته شده است.
در شکل سرعت نسبی تف‌جوشی و خزش را به عنوان تابعی از نیروی محرکه متوسط همراه با بزرگی نسبی تنش‌های جوانه‌زنی گسستگی (disconnection nucleation stresses) توسط Shen Dillon نشان میدهد.
علاوه بر این، سوالات بسیاری در مطالعات مربوط به تف‌جوشی در ارتباط با به اثرات نرخ گرمایش، اثرات میدانی، اثرات تنش برشی، تکامل تنش پسماند، تف‌جوشی سرد و تف‌جوشی دو‌مرحله‌ای وجود دارد. این مجهولات ممکن است به این سوال منجر شود که آیا پدیده‌ها در چارچوب مناسب تفسیر می شوند یا خیر؟
چه فرآیندهای مرزدانه‌ای برای تف‌جوشی و خزش با واسطه مرز‌دانه لازم است؟
چگالش و خزش مرز‌دانه نیاز به حذف و یا افزودن صفحات اتمی در مرز دارد. این فرآیند مستلزم سه جزء اساسی است:
چه مشاهداتی نیاز به یک مدل جدید را نشان میدهند؟
آزمایش‌های خزش پلی‌کریستالی سال‌های اخیر در مقیاس کوچک نشان میدهد که تنش‌های اعمال شده و تف‌جوشی لازم برای القای کرنش مرزی دانه‌ها، بسیار بزرگ هستند و با پیش‌بینی‌ها برای جوانه‌زنی قطع همخوانی دارند. چنین آزمایش‌هایی همچنین نشان میدهد که کرنش مرزی دانه در حین تف‌جوشی و خزش متناوب است و میتواند چرخش را القا کند، این مورد نیز مطابق با پدیده جوانه‌زنی گسستگی در مرز‌دانه‌هاست.
یک چالش موجود مربوط به اختلافات بین تف‌جوشی و خزش ساختار پلی‌کریستالی، هم از نظر بزرگی نسبی تنش‌های مورد نیاز و هم از نظر مکانیسم‌های محدودکننده سرعت پیشنهادی است.
چه مفروضاتی در مدلهای تف‌جوشی کلاسیک میتواند به نتایج اشتباه منجر شود؟
مدلهای تف‌جوشی کلاسیک اغلب با مفروضات هندسی دانه‌های با حجم ثابت شروع میشوند، که باعث میشود تجزیه و تحلیل از نظر ریاضی قابل انجام باشد. چنین مدل‌هایی کاهش سریع تنش تف‌جوشی را به سمت مقادیر نسبتاً کوچک پیش‌بینی میکنند (شکل زیر را ببینید).
با این حال، هنگامی که درشت شدن دانه‌ها رخ میدهد، تنش تف‌جوشی میتواند با انقباض برخی از دانه‌ها افزایش یابد. در حد عدم چگالش، یک ذره منقبض میشود و در این مرحله تنش تف‌جوشی به مقدار لازم برای غلبه بر کار چسبندگی می‌رسد. بنابراین، پودرهای درشت میتوانند به طیف وسیعی از تنش‌های تف‌جوشی بین صفر و تنش شکست دسترسی داشته باشند، که این امکان را برای مرز ایجاد میکند تا منجر به ایجاد تنش‌های زیاد شود و تا قطع جوانه‌زنی ادامه یابد که این اتفاق واسطه چگالش است.
اخیراً یک مدل تف‌جوشی جدید برای توضیح روشی که درشت شدن دانه‌ها میتواند باعث ایجاد جوانه‌زنی گسستگی شود، ایجاد شده است که چگالش را تسهیل میکند. این مدل جدید را نمی‌توان با در نظر گرفتن قانون توان تف‌جوشی هم‌دما از مدل کلاسیک متمایز کرد. با این حال، پیش‌بینی‌های منحصر به فردی در مورد وابستگی دمایی تف‌جوشی و تکامل تنش پسماند انجام میدهد.
شکل نمودارهایی از ذرات را قبل و بعد از مرحله تف‌جوشی را در مطالعه Shen Dillon تحت شرایطی نشان میدهد که مرزهای دانه‌ها یا سینک کامل هستند یا فاقد سینک هستند و دانه‌ها یا حجم ثابتی دارند یا اجازه درشت شدن دارند. درشت شدن باعث افزایش تنش تف‌جوشی میشود.
مطالعهای که به تازگی منتشر شده است نشان میدهد که استفاده از این مدلهای تمرکز تنش برای سینتیک‌های جوانه‌زنی گسستگی، به خوبی تنش، دما و وابستگی‌های اندازه دانه تحت خزش را برای طیف وسیعی از سیستم‌ها پیش‌بینی میکند. مدلهای تف‌جوشی و خزش محدود با نرخ جوانه‌زنی، توافق خوبی را بین هر چهار مجموعه داده، یعنی خزش و تف‌جوشی پلی‌کریستالی فراهم میکنند.
آیا مدل واقعا مهم است؟
هر دو مدل کلاسیک و مدلهای پیشنهادی جدید به خوبی با داده‌های سینتیکی هم‌دما مطابقت دارند. چنین داده‌هایی و برازش آنها اغلب برای استنباط ویژگی‌های مرزدانهها استفاده شده‌اند و استفاده از مدل اشتباه میتواند به نتایج اشتباه منجر شود.
مدلهای جدید علاوه بر برازش خوب داده‌های تجربی، پیش‌بینی‌های مفیدی انجام میدهند و راه‌های جدیدی برای درک و طراحی مواد و فرایند فراهم میکنند. به عنوان مثال، مدل تف‌جوشی جدید به طور طبیعی پیش‌بینی میکند که نرخ گرمایش بالا به نفع انقباض نسبت به انبساط است که در عمل مشاهده میشود.
این مدل همچنین تکامل چگالی اندازه دانه را برای انواع شرایط شروع بر اساس تعداد کمی از نقاط داده تف‌جوشی یا خزشی به خوبی پیش‌بینی میکند. این دانش میتواند به محققان کمک کند تا رویکردهای نوع منحنی تف‌جوشی اصلی خود را که معمولاً برای یک اندازه ذره شروع توسعه می‌یابند، بهبود بخشند.
مدل جدید همچنین تکامل تنش پسماند را پیش‌بینی میکند که از نظر کیفی با مدلهای کلاسیک متفاوت است، زیرا فرآیند جوانه‌زنی گسسته است و تنش‌های محلی بزرگ میتوانند زیر مقدار آستانه یکسانی تثبیت شوند. خواص فیزیکی مرزهای دانه نیز باید به محتوای گسستگی آنها بستگی داشته باشد و مسیری را برای مهندسی خواص آنها فراهم کند.
مقاله مرجع:
چه فرآیندهای مرزدانه‌ای برای تف‌جوشی و خزش با واسطه مرز‌دانه لازم است؟
- شار نفوذی عیوب نقطه‌ای به و از سینک‌ها و منابع تولید نابه جایی
- جذب و نفوذ عیوب نقطه‌ای در سینک‌ها یا منابع
- وجود یا جوانه‌زنی سینک ها و منابعی که در پاسخ به شار نابه جایی در صفحات صعود میکنند.
سینک (sink) به مکان یا منطقه خاصی اشاره دارد که در آن عیوب نقطه‌ای (مانند جای خالی یا بین‌نشینی) تمایل به تجمع یا جذب دارند. سینک‌ها میتوانند شامل ویژگی‌های مختلفی در مواد باشند، مانند مرزهای دانه‌ها، نابجایی‌ها، سطوح یا نابجایی‌ها که میتوانند به عنوان مکان‌های به دام انداختن نقص نقطه‌ای عمل کنند. این سینک‌ها هم به عنوان منبع و هم به عنوان هدف برای شار نفوذ عیوب نقطه‌ای عمل میکنند، به این معنی که عیوب میتوانند به یا از آنها حرکت کنند.
گسستگی‌ها (Disconnections)، یعنی نقص‌های خطی با بردار و خصیصه پله‌ای، زمانی که بردارهای خارج از صفحه مرز دانه‌ها قرار دارند، به‌عنوان منابع مرز‌دانه اولیه یا سینک‌ها عمل میکنند. گسستگی‌‌های موجود از قبل فقط میتوانند مقدار محدودی کرنش را تحمل کنند، که بسیار کمتر از حد معمول چگالش تف‌جوشی است. تنش‌های لازم برای جوانه‌زنی قطع گسستگی‌ها با قابلیت صعود باید چندین مرتبه بزرگتر از تنش‌های تف‌جوشی متوسط یا تنش‌های اعمال‌شده باشد که در نتیجه این مقدار تنش این فرآیندها آسان‌تر میشوند.چه مشاهداتی نیاز به یک مدل جدید را نشان میدهند؟
یک چالش موجود مربوط به اختلافات بین تف‌جوشی و خزش ساختار پلی‌کریستالی، هم از نظر بزرگی نسبی تنش‌های مورد نیاز و هم از نظر مکانیسم‌های محدودکننده سرعت پیشنهادی است.
چه مفروضاتی در مدلهای تف‌جوشی کلاسیک میتواند به نتایج اشتباه منجر شود؟
با این حال، هنگامی که درشت شدن دانه‌ها رخ میدهد، تنش تف‌جوشی میتواند با انقباض برخی از دانه‌ها افزایش یابد. در حد عدم چگالش، یک ذره منقبض میشود و در این مرحله تنش تف‌جوشی به مقدار لازم برای غلبه بر کار چسبندگی می‌رسد. بنابراین، پودرهای درشت میتوانند به طیف وسیعی از تنش‌های تف‌جوشی بین صفر و تنش شکست دسترسی داشته باشند، که این امکان را برای مرز ایجاد میکند تا منجر به ایجاد تنش‌های زیاد شود و تا قطع جوانه‌زنی ادامه یابد که این اتفاق واسطه چگالش است.
اخیراً یک مدل تف‌جوشی جدید برای توضیح روشی که درشت شدن دانه‌ها میتواند باعث ایجاد جوانه‌زنی گسستگی شود، ایجاد شده است که چگالش را تسهیل میکند. این مدل جدید را نمی‌توان با در نظر گرفتن قانون توان تف‌جوشی هم‌دما از مدل کلاسیک متمایز کرد. با این حال، پیش‌بینی‌های منحصر به فردی در مورد وابستگی دمایی تف‌جوشی و تکامل تنش پسماند انجام میدهد.
شکل نمودارهایی از ذرات را قبل و بعد از مرحله تف‌جوشی را در مطالعه Shen Dillon تحت شرایطی نشان میدهد که مرزهای دانه‌ها یا سینک کامل هستند یا فاقد سینک هستند و دانه‌ها یا حجم ثابتی دارند یا اجازه درشت شدن دارند. درشت شدن باعث افزایش تنش تف‌جوشی میشود.
چه چیزی در پروسه‌های کلاسیک خزش مرز دانه‌ای نادیده گرفته شده است؟
اختلاف بین تنش اعمالی و تنش موضعی قبلاً در مطالعات متعدد در زمینه حفرات خزشی مورد توجه قرار گرفته است. این پدیده‌ها معمولاً یکتایی‌ها را در اتصالات سه‌گانه، ذرات فاز دوم یا پله‌های مرز دانه‌ای به‌عنوان متمرکزکننده تنش در نظر میگیرد.مطالعهای که به تازگی منتشر شده است نشان میدهد که استفاده از این مدلهای تمرکز تنش برای سینتیک‌های جوانه‌زنی گسستگی، به خوبی تنش، دما و وابستگی‌های اندازه دانه تحت خزش را برای طیف وسیعی از سیستم‌ها پیش‌بینی میکند. مدلهای تف‌جوشی و خزش محدود با نرخ جوانه‌زنی، توافق خوبی را بین هر چهار مجموعه داده، یعنی خزش و تف‌جوشی پلی‌کریستالی فراهم میکنند.
آیا مدل واقعا مهم است؟
مدلهای جدید علاوه بر برازش خوب داده‌های تجربی، پیش‌بینی‌های مفیدی انجام میدهند و راه‌های جدیدی برای درک و طراحی مواد و فرایند فراهم میکنند. به عنوان مثال، مدل تف‌جوشی جدید به طور طبیعی پیش‌بینی میکند که نرخ گرمایش بالا به نفع انقباض نسبت به انبساط است که در عمل مشاهده میشود.
این مدل همچنین تکامل چگالی اندازه دانه را برای انواع شرایط شروع بر اساس تعداد کمی از نقاط داده تف‌جوشی یا خزشی به خوبی پیش‌بینی میکند. این دانش میتواند به محققان کمک کند تا رویکردهای نوع منحنی تف‌جوشی اصلی خود را که معمولاً برای یک اندازه ذره شروع توسعه می‌یابند، بهبود بخشند.
مدل جدید همچنین تکامل تنش پسماند را پیش‌بینی میکند که از نظر کیفی با مدلهای کلاسیک متفاوت است، زیرا فرآیند جوانه‌زنی گسسته است و تنش‌های محلی بزرگ میتوانند زیر مقدار آستانه یکسانی تثبیت شوند. خواص فیزیکی مرزهای دانه نیز باید به محتوای گسستگی آنها بستگی داشته باشد و مسیری را برای مهندسی خواص آنها فراهم کند.
مقاله مرجع:
- The open-access sintering paper, published in Acta Materialia, “Interface nucleation rate limited densification during sintering” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.actamat.۲۰۲۲.۱۱۸۴۴۸)
- The creep paper, published in Acta Materialia, “A nucleation rate limited model for grain boundary creep” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.actamat.۲۰۲۳.۱۱۸۷۱۸).
ترجمه: مهندس فاطمه شریف‌آبادی، دانشگاه صنعتی شریف
استراتژی‌هایی برای مدیریت توسعه نقاط داغ در طول زینترینگ مایکروویو و فلش زینترینگ
| تاریخ ارسال: 1403/5/10 |
استراتژی‌هایی برای مدیریت توسعه نقاط داغ در طول زینترینگ مایکروویو و فلش زینترینگ
برای محققانی که وارد حوزه سرامیک میشوند، یکی از اولین اصطلاحات کلیدی مورد استفاده، تف‌جوشی/زینترینگ/سینترینگ است.
تف‌جوشی فرآیند فشرده‌سازی و تشکیل یک توده جامد از مواد از طریق اعمال گرما و فشار در زیر نقطه ذوب است. این یک مرحله ضروری در ساخت سرامیک‌ها برای دستیابی به چگالی نهایی یک قطعه سرامیکی است.
در حالی که روشهای تف‌جوشی متعددی وجود دارد، تف‌جوشی با مایکروویو و روش جدیدتر فلش زینترینگ (flash sintering)، کارایی انرژی را بهبود میبخشد. این روش‌ها به جای گرم کردن کل کوره برای تف‌جوشی قطعه، گرمایش کامل یا جزئی را در خود سرامیک از طریق جفت شدن بین ماده و میدان الکترومغناطیسی یا الکتریکی ایجاد میکنند.
با این حال، از آنجایی که حرارت در داخل نمونه اتفاق می‌افتد، سرامیک‌هایی که با استفاده از مایکروویو یا فلش زینترینگ ساخته میشوند، معمولاً نقاط داغ (hot spots) را تجربه میکنند، به عنوان مثال، ایجاد گرمای بیش از حد موضعی در مناطق خاص.
درک مکانیسم‌هایی که توسعه نقاط داغ را هدایت میکنند میتواند به محققان در مدیریت این پدیده کمک کند. مقاله اخیر نگاه مفیدی به این عوامل ارائه میکند و راه‌های ممکن برای مدیریت توسعه نقاط داغ را شرح میدهد.
نویسندگان مقاله از دانشگاه Université Grenoble Alpes و Normandie Universitéفرانسه هستند. آنها قبل از اینکه در مکانیسم‌های خاصی که توسعه نقاط داغ را ایجاد میکنند عمیق شوند به توصیف تجهیزات معمولی برای آزمایش‌های تف‌جوشی مایکروویو و فلش زینترینگ می‌پردازند.
تف‌جوشی فرآیند فشرده‌سازی و تشکیل یک توده جامد از مواد از طریق اعمال گرما و فشار در زیر نقطه ذوب است. این یک مرحله ضروری در ساخت سرامیک‌ها برای دستیابی به چگالی نهایی یک قطعه سرامیکی است.
در حالی که روشهای تف‌جوشی متعددی وجود دارد، تف‌جوشی با مایکروویو و روش جدیدتر فلش زینترینگ (flash sintering)، کارایی انرژی را بهبود میبخشد. این روش‌ها به جای گرم کردن کل کوره برای تف‌جوشی قطعه، گرمایش کامل یا جزئی را در خود سرامیک از طریق جفت شدن بین ماده و میدان الکترومغناطیسی یا الکتریکی ایجاد میکنند.
با این حال، از آنجایی که حرارت در داخل نمونه اتفاق می‌افتد، سرامیک‌هایی که با استفاده از مایکروویو یا فلش زینترینگ ساخته میشوند، معمولاً نقاط داغ (hot spots) را تجربه میکنند، به عنوان مثال، ایجاد گرمای بیش از حد موضعی در مناطق خاص.
درک مکانیسم‌هایی که توسعه نقاط داغ را هدایت میکنند میتواند به محققان در مدیریت این پدیده کمک کند. مقاله اخیر نگاه مفیدی به این عوامل ارائه میکند و راه‌های ممکن برای مدیریت توسعه نقاط داغ را شرح میدهد.
نویسندگان مقاله از دانشگاه Université Grenoble Alpes و Normandie Universitéفرانسه هستند. آنها قبل از اینکه در مکانیسم‌های خاصی که توسعه نقاط داغ را ایجاد میکنند عمیق شوند به توصیف تجهیزات معمولی برای آزمایش‌های تف‌جوشی مایکروویو و فلش زینترینگ می‌پردازند.
علل ایجاد نقاط داغ
به طور کلی، دلیل ساده ایجاد نقاط داغ در طول تف‌جوشی مایکروویو و فلش زینترینگ به دلیل ناپایداری‌های حرارتی در نمونه‌ها است که توسط قدرت و نرخ گرمایش بالا، ضرایب دمای مثبت بالا و یا هدایت حرارتی کم (یعنی اتلاف حرارت کم) ایجاد میشود.
در مورد تف‌جوشی مایکروویو، ناپایداری‌های حرارتی معمولاً به صورت نقاط داغ روی سطح نمونه ظاهر میشوند، اگرچه نقاط داغ در داخل نمونه نیز امکان پذیر است. نقاط داغ همچنین میتوانند در داخل مواد عایق قرار داده شده در اطراف نمونه ایجاد شوند.
در مورد فلش زینترینگ، ناپایداری‌های حرارتی به طور کلی در امتداد یک مسیر جریان ترجیحی ایجاد میشود که به جای یک نقطه داغ منجر به "خط داغ" میشود.
عوامل متعددی تعیین میکنند که ناپایداری‌های حرارتی در یک نمونه کجا رخ میدهد.
در مورد تف‌جوشی مایکروویو، ناپایداری‌های حرارتی معمولاً به صورت نقاط داغ روی سطح نمونه ظاهر میشوند، اگرچه نقاط داغ در داخل نمونه نیز امکان پذیر است. نقاط داغ همچنین میتوانند در داخل مواد عایق قرار داده شده در اطراف نمونه ایجاد شوند.
در مورد فلش زینترینگ، ناپایداری‌های حرارتی به طور کلی در امتداد یک مسیر جریان ترجیحی ایجاد میشود که به جای یک نقطه داغ منجر به "خط داغ" میشود.
عوامل متعددی تعیین میکنند که ناپایداری‌های حرارتی در یک نمونه کجا رخ میدهد.
- گرادیان‌های حرارتی معکوس: به گفته نویسندگان، گرمایش انبوه در هر دو روش مایکروویو و فلش زینترینگ به طور طبیعی یک گرادیان حرارتی ایجاد میکند که با توجه به گرادیان معمولی که از گرمایش سطح در یک کوره کلاسیک به دست می‌آید، «معکوس» میشود. آنها توضیح میدهند که این گرادیان معکوس یک پروفایل دمایی ناهمگن در مقیاس اندازه نمونه را فراهم میکند، "مناسب برای ایجاد ناپایداری در هر نمونه به اندازه کافی بزرگ".
- نقص در توزیع میدان: مقالات مروری اغلب به عدم یکنواختی میدان کنترل نشده در حفره‌های مایکروویو چند حالته به عنوان علت ناپایداری حرارتی اشاره میکنند (یعنی حفره‌هایی که در آنها انرژی مایکروویو به اطراف داخل اپلیکاتور منعکس میشود). میدان و در نتیجه توان تلف شده به شکل و موقعیت نمونه در حفره بستگی دارد. در فلش زینترینگ، میدان حاصل از اعمال ولتاژ در نقاط تماس خاص است. اگر نمونه متقارن نباشد، خارج شدن جزئی از مرکز میتواند منجر به ناپایداری حرارتی شود. علاوه بر این، کیفیت تماس‌ها منبع بالقوه قابل توجهی از نقص است که منجر به محلی‌سازی میشود.
- ناهمگنی ترکیب: در تف‌جوشی مایکروویو، وجود ذرات یک ماده با جذب بالا در یک ماتریس با جفت ضعیف دلیل ایجاد نقاط داغ است. در فلش زینترینگ، ناهمگنی ترکیب محلی باعث ایجاد مسیرهای ترجیحی جریان میشود که منجر به ایجاد نقاط یا خطوط داغ میشود.
در شکل بالا تصاویر (A, C, E) پس از و (B, D, F) در حین فلش زینترینگ نمونه‌های اکسید مس با چگالی توان اعمالی متفاوت را نشان میدهد. نمونه با کمترین چگالی توان اعمال شده (A, B) دارای درخشش نارنجی همگن است، در حالی که دو نمونه با چگالی توان اعمالی بالاتر (C-F) در طول رویداد فلاش به دلیل ایجاد نقاط داغ شکسته میشوند.
Credit: Murray et al., Journal of the American Ceramic Society, https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۷۴۴۵
استراتژی‌هایی برای مدیریت توسعه نقاط داغ
از آنجایی که ناپایداری حرارتی از هر منبع محلی‌سازی (خواه نایکنواختی میدان یا ناهمگنی نمونه، همانطور که در بالا توضیح داده شد) ایجاد میشود، اولین استراتژی برای مدیریت نقاط داغ شامل سرکوب، محدود کردن یا جبران منابع هسته‌زایی است.
عایق حرارتی یکی از گزینه‌های کاهش تبادلات حرارتی است. در مورد فلش زینترینگ، یک مطالعه با استفاده از انواع مختلف عایق بر روی مقطع کوچکی از نمونه‌های استخوانی شکل به موفقیت دست یافت. با این حال، عایق حرارتی از محلی‌سازی در تف‌جوشی مایکروویو جلوگیری نمی‌کند (همانطور که در بالا ذکر شد، نقاط داغ میتوانند در داخل این ماده ایجاد شوند).
تطبیق اعمال جریان راه دیگری برای متعادل کردن گرادیان حرارتی طبیعی است. برای فلش زینترینگ، یک مطالعه رویکرد «مدیریت مسیر فعلی» را روی مدلهای عددی و آزمایش‌ها در مورد یک نمونه استخوانی سگ تخت آزمایش کرد.
با توجه به انطباق جریان در تف‌جوشی مایکروویو، یکی از روشهای رایج مورد استفاده، گرمایش مایکروویو هیبریدی است. در این فرآیند، موادی با قابلیت جفت شدن قابل توجه با امواج مایکروویو و تکامل ضعیف گذردهی با دما در نزدیک یا اطراف نمونه قرار میگیرند. این مواد به‌عنوان «گیرنده‌هایی» عمل میکنند که هم انرژی مگاوات را به گرما تبدیل میکنند (که سپس به طور کلاسیک به نمونه منتقل میشود) و هم میدان اعمال شده به خود نمونه را محدود میکنند.
در حالی که استراتژی اول با هدف جلوگیری از نقاط داغ است، استراتژی دوم برای مدیریت نقاط داغ با هدف محدود کردن یا به تاخیر انداختن توسعه آنها به اندازه کافی برای دستیابی به تراکم رضایت‌بخش است.
اولین گزینه استفاده از نرخ گرمایش کنترل شده است، زیرا نرخ گرمایش بسیار بالا میتواند باعث ناپایداری حرارتی شود. روش گرمایش هیبریدی که در بالا توضیح داده شد این گزینه را به اندازه کافی برای تف‌جوشی در مایکروویو به دست می‌آورد. برای فلش زینترینگ، یک مرحله جریان ثابت، توان تلف شده در نمونه را محدود میکند اما به خودی خود محلی‌سازی را متوقف نمی‌کند. چندین مطالعه، تصویر زیر، "نقشه های ساخت" را ایجاد کردند که حداکثر چگالی جریان ثابت را نشان میدهد که میتواند قبل از شروع گرمایش موضعی استفاده شود.
بر اساس نتایج به‌دست‌آمده با این استراتژی‌ها تاکنون، محققان نتیجه میگیرند که «هر دو نوع رویکرد به دستیابی به شرایط قابل قبول برای چگالش قطعات سرامیکی همگن کمک میکنند و در عین حال مزایای مورد انتظار تکنیک‌های کمک میدانی، یعنی ثبات و صرفه جویی در انرژی را حفظ میکنند.»
در نهایت، امکان استفاده از نقاط داغ برای دستیابی به نتایج مفید وجود دارد. در مقالات دیگری مفهوم تشدید گرمایش مایکروویو موضعی را توسعه دادند و کاربردهایی مانند حفاری شیشه، اشتعال واکنش ترمیت، و تف‌جوشی موضعی پودر فلز را شناسایی کردند.
عایق حرارتی یکی از گزینه‌های کاهش تبادلات حرارتی است. در مورد فلش زینترینگ، یک مطالعه با استفاده از انواع مختلف عایق بر روی مقطع کوچکی از نمونه‌های استخوانی شکل به موفقیت دست یافت. با این حال، عایق حرارتی از محلی‌سازی در تف‌جوشی مایکروویو جلوگیری نمی‌کند (همانطور که در بالا ذکر شد، نقاط داغ میتوانند در داخل این ماده ایجاد شوند).
تطبیق اعمال جریان راه دیگری برای متعادل کردن گرادیان حرارتی طبیعی است. برای فلش زینترینگ، یک مطالعه رویکرد «مدیریت مسیر فعلی» را روی مدلهای عددی و آزمایش‌ها در مورد یک نمونه استخوانی سگ تخت آزمایش کرد.
با توجه به انطباق جریان در تف‌جوشی مایکروویو، یکی از روشهای رایج مورد استفاده، گرمایش مایکروویو هیبریدی است. در این فرآیند، موادی با قابلیت جفت شدن قابل توجه با امواج مایکروویو و تکامل ضعیف گذردهی با دما در نزدیک یا اطراف نمونه قرار میگیرند. این مواد به‌عنوان «گیرنده‌هایی» عمل میکنند که هم انرژی مگاوات را به گرما تبدیل میکنند (که سپس به طور کلاسیک به نمونه منتقل میشود) و هم میدان اعمال شده به خود نمونه را محدود میکنند.
در حالی که استراتژی اول با هدف جلوگیری از نقاط داغ است، استراتژی دوم برای مدیریت نقاط داغ با هدف محدود کردن یا به تاخیر انداختن توسعه آنها به اندازه کافی برای دستیابی به تراکم رضایت‌بخش است.
اولین گزینه استفاده از نرخ گرمایش کنترل شده است، زیرا نرخ گرمایش بسیار بالا میتواند باعث ناپایداری حرارتی شود. روش گرمایش هیبریدی که در بالا توضیح داده شد این گزینه را به اندازه کافی برای تف‌جوشی در مایکروویو به دست می‌آورد. برای فلش زینترینگ، یک مرحله جریان ثابت، توان تلف شده در نمونه را محدود میکند اما به خودی خود محلی‌سازی را متوقف نمی‌کند. چندین مطالعه، تصویر زیر، "نقشه های ساخت" را ایجاد کردند که حداکثر چگالی جریان ثابت را نشان میدهد که میتواند قبل از شروع گرمایش موضعی استفاده شود.
بر اساس نتایج به‌دست‌آمده با این استراتژی‌ها تاکنون، محققان نتیجه میگیرند که «هر دو نوع رویکرد به دستیابی به شرایط قابل قبول برای چگالش قطعات سرامیکی همگن کمک میکنند و در عین حال مزایای مورد انتظار تکنیک‌های کمک میدانی، یعنی ثبات و صرفه جویی در انرژی را حفظ میکنند.»
در نهایت، امکان استفاده از نقاط داغ برای دستیابی به نتایج مفید وجود دارد. در مقالات دیگری مفهوم تشدید گرمایش مایکروویو موضعی را توسعه دادند و کاربردهایی مانند حفاری شیشه، اشتعال واکنش ترمیت، و تف‌جوشی موضعی پودر فلز را شناسایی کردند.
نمونه‌ای از "نقشه ساخت" برای فلش زینترینگ سریای دوپ شده با گادولینیوم با ولتاژ به جریان کنترل شده.
Credit: Prasad Mishra et al., Journal of the American Ceramic Society (CC BY-NC ۴.۰), https://doi.org/۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۷۸۴۷
مقاله مرجع:
“A viewpoint on hot spots in microwave sintering and flash sintering”, Advanced Engineering Materials, (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adem.۲۰۲۲۰۱۷۴۲).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/manufacturing/strategies-for-managing-hot-spot-development-during-microwave-and-flash-sintering/
ترجمه: مهندس فاطمه شریف‌آبادی، دانشگاه صنعتی شریف
مدل نشان میدهد که چگونه نانوحفره‌ها در مواد دوبعدی توسط برخورد یون‌های باردار، تشکیل میشوند
| تاریخ ارسال: 1403/4/16 |
مدل نشان میدهد که چگونه نانوحفره‌ها در مواد دوبعدی توسط برخورد یون‌های باردار، تشکیل میشوند
امروزه مواد و دستگاههای کوچکتر و کوچکتر برای ایجاد نسل بعدی الکترونیک استفاده میشوند. برای اطمینان از عملکرد صحیح این فناوری، محققان به مدلسازی، پردازش و روشهای اندازه‌گیری نیاز دارند که در مقیاس نانو کار کنند.
ساختارهای ناهمسان (Heterostructures) یکی از حوزه‌های الکترونیکی هستند که از این نانوروش‌ها بهره میبرند. ساختارهای ناهمسان روشی برای طراحی نیمه‌هادی‌ها با لایه‌بندی چندین ماده مختلف هستند. چنین لایه‌بندی به محققان اجازه میدهد تا پارامترهای اساسی مختلفی مانند عرض باند ممنوعه، جرم‌های موثر و موبیلیته حامل‌های بار و ضریب شکست را در دستگاههای نیمه‌رسانا کنترل کنند.
استفاده از مواد دو بعدی برای ایجاد ساختارهای ناهمسان، راهی برای ساخت نیمه‌هادی‌هایی با ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی منحصر به فرد ایجاد میکند. در چنین ساختارهای ناهمسانی، هر لایه دوبعدی توسط نیروهای واندروالس به طور ضعیفی کنار هم نگه داشته میشود. به این ترتیب، الکترون‌ها میتوانند آزادانه در هر صفحه معین حرکت کنند، اما حرکت آنها بین صفحات محدود است.
برای تنظیم دقیق خواص ساختارهای دوبعدی، محققان به تکنیک‌های اصلاح با دقت تک‌لایه (single-layer) نیاز دارند. یون های باردار ابزاری هستند که محققان از آن برای دستکاری و اصلاح ساختارهای ناهمسان دوبعدی با دقت لازم استفاده میکنند.
یون‌های باردار اتم‌هایی هستند که تمام یا بیشتر الکترون‌ها در آنها حذف شده است. هنگامی که این یون‌ها به یک ساختار ناهمسان دوبعدی شلیک میشوند، مانند نارنجک‌های دستی عمل میکنند و انرژی زیادی آزاد میکنند زیرا به سرعت الکترون‌ها را از اتمهای اطراف خود میگیرند. این واکنش منجر به تشکیل منافذ به اندازه نانومتر در ساختار ناهمسان دوبعدی میشود.
محققان پاسخ مواد دوبعدی مختلف به بمباران یونی با بار بالا، از جمله گرافن و دی‌سولفید مولیبدن را آزمایش کرده‌اند. در حالی که گاهی یون‌ها بدون هیچ تغییر محسوسی به مواد دوبعدی نفوذ میکنند، در مواقع دیگر، مواد دو بعدی در محل برخورد به طور کامل از بین می‌روند.
برای درک اینکه چرا مواد مختلف به بمباران یونی باردار بسیار متفاوت واکنش نشان میدهند، محققان موسسه فیزیک نظری و موسسه فیزیک کاربردی در دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) در اتریش از شبیه‌سازی برای بررسی مکانیسم‌های تشکیل نانوحفره در فلوروگرافن استفاده کردند.
فلوروگرافن، گرافنی است که فلورینه شده است، به این معنی که از اتم های کربن و فلوئور تشکیل شده است. فلوروگرافن یکی از نازک‌ترین عایق‌ها است و تحقیق در مورد ساختار و شیمی آن رشته نوپایی به حساب می‌آید، زیرا میتواند به مشتقات مختلف گرافن منجر شود.
ساختارهای ناهمسان (Heterostructures) یکی از حوزه‌های الکترونیکی هستند که از این نانوروش‌ها بهره میبرند. ساختارهای ناهمسان روشی برای طراحی نیمه‌هادی‌ها با لایه‌بندی چندین ماده مختلف هستند. چنین لایه‌بندی به محققان اجازه میدهد تا پارامترهای اساسی مختلفی مانند عرض باند ممنوعه، جرم‌های موثر و موبیلیته حامل‌های بار و ضریب شکست را در دستگاههای نیمه‌رسانا کنترل کنند.
استفاده از مواد دو بعدی برای ایجاد ساختارهای ناهمسان، راهی برای ساخت نیمه‌هادی‌هایی با ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی منحصر به فرد ایجاد میکند. در چنین ساختارهای ناهمسانی، هر لایه دوبعدی توسط نیروهای واندروالس به طور ضعیفی کنار هم نگه داشته میشود. به این ترتیب، الکترون‌ها میتوانند آزادانه در هر صفحه معین حرکت کنند، اما حرکت آنها بین صفحات محدود است.
برای تنظیم دقیق خواص ساختارهای دوبعدی، محققان به تکنیک‌های اصلاح با دقت تک‌لایه (single-layer) نیاز دارند. یون های باردار ابزاری هستند که محققان از آن برای دستکاری و اصلاح ساختارهای ناهمسان دوبعدی با دقت لازم استفاده میکنند.
یون‌های باردار اتم‌هایی هستند که تمام یا بیشتر الکترون‌ها در آنها حذف شده است. هنگامی که این یون‌ها به یک ساختار ناهمسان دوبعدی شلیک میشوند، مانند نارنجک‌های دستی عمل میکنند و انرژی زیادی آزاد میکنند زیرا به سرعت الکترون‌ها را از اتمهای اطراف خود میگیرند. این واکنش منجر به تشکیل منافذ به اندازه نانومتر در ساختار ناهمسان دوبعدی میشود.
محققان پاسخ مواد دوبعدی مختلف به بمباران یونی با بار بالا، از جمله گرافن و دی‌سولفید مولیبدن را آزمایش کرده‌اند. در حالی که گاهی یون‌ها بدون هیچ تغییر محسوسی به مواد دوبعدی نفوذ میکنند، در مواقع دیگر، مواد دو بعدی در محل برخورد به طور کامل از بین می‌روند.
برای درک اینکه چرا مواد مختلف به بمباران یونی باردار بسیار متفاوت واکنش نشان میدهند، محققان موسسه فیزیک نظری و موسسه فیزیک کاربردی در دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) در اتریش از شبیه‌سازی برای بررسی مکانیسم‌های تشکیل نانوحفره در فلوروگرافن استفاده کردند.
فلوروگرافن، گرافنی است که فلورینه شده است، به این معنی که از اتم های کربن و فلوئور تشکیل شده است. فلوروگرافن یکی از نازک‌ترین عایق‌ها است و تحقیق در مورد ساختار و شیمی آن رشته نوپایی به حساب می‌آید، زیرا میتواند به مشتقات مختلف گرافن منجر شود.
تصویر بالا بازسازی لایههای کربن به دلیل تأثیر یک یون بسیار باردار با بارهای اولیه (
Credit: Sagar Grossek et al., Nano Letters (CC BY ۴.۰), https://doi.org/۱۰.۱۰۲۱/acs.nanolett.۲c۰۳۸۹۴
همانطور که در مقاله‌ی مرجع توضیح داده شده است، شبیه‌سازی‌های محققان، شامل یک شبیه‌سازی دینامیک مولکولی کلاسیک (برای حرکت اتمهای هدف) همراه با مدل Monte Carlo (برای انتقال بار انتشاری در لایه) بود.
در شبیه‌سازی‌ها، تکه‌های گرافن به صورت چندین حلقه متحدالمرکز در اطراف نقطه برخورد یون بسیار باردار ظاهر شدند. حرکت اتم تا زمانی که شبکه بدون بار بود یا به عبارت دیگر، تا زمانی که بارها از بیرونی‌ترین حلقه خارج شدند، دنبال شد.
علاوه بر این، محققان پتانسیل Stillinger–Weber را در مدل خود گنجانده‌اند. این پتانسیل، که با موفقیت در توصیف مواد دوبعدی مختلف استفاده شده است، بیان میکند که انرژی پیوند هم به فاصله بین اتم‌ها و هم به زوایای پیوند مربوط میشود. محققان توضیح میدهند که آنها این پتانسیل را «به دلیل هزینه عددی کم آن در حالی که با موفقیت تقسیم دانه‌های گرافن را به نانوصفحات گرافن زمانی که کرنش میشوند، بازتولید میکنند» لحاظ کردند. بر اساس این شبیه‌سازی‌ها، محققان تشخیص دادند که تکانه یون‌های بسیار باردار عمدتاً مسئول تشکیل منافذ نمی باشند، بلکه موبیلیته بار ماده دوبعدی است.
گرافن موبیلیته الکترون بسیار بالایی دارد. بنابراین این بار مثبت موضعی (یون بسیار باردار) میتواند در مدت کوتاهی در آنجا متعادل شود. Christoph Lemell، نویسنده ارشد، دانشیار فیزیک نظری، در بیانیه مطبوعاتی TU Wien توضیح میدهد که الکترون‌ها به سادگی از جای دیگر وارد میشوند.
در مقابل، موادی مانند دی‌سولفید مولیبدن موبیلیته الکترونی کندتری دارند و بنابراین الکترون‌ها نمی‌توانند با سرعت کافی از جاهای دیگر به داخل جریان پیدا کنند. بنابراین یک انفجار کوچک در محل برخورد رخ میدهد: اتمهای دارای بار مثبت که یون‌ها الکترون‌های خود را از آن گرفته‌اند، یکدیگر را دفع میکنند و منافذی در ابعاد نانو تشکیل میشود.
این وابستگی تشکیل منافذ به موبیلیته بار توضیح میدهد که چرا گرافن با فلوئور بالا نسبت به تشکیل منافذ حساس‌تر است – فلوئوراسیون ساختار نواری گرافن را تغییر میدهد و در نتیجه موبیلیته بار را کاهش میدهد.
Alexander Sagar Grossek، نویسنده اصلی، در بیانیه مطبوعاتی میگوید: «از طریق یافته‌هایمان، اکنون کنترل دقیقی بر دستکاری مواد در مقیاس نانو داریم. این دانش ابزار کاملاً جدیدی را برای دستکاری لایههای فوق نازک به روشی کاملاً قابل محاسبه برای اولین بار فراهم میکند».
مقاله مرجع:
در شبیه‌سازی‌ها، تکه‌های گرافن به صورت چندین حلقه متحدالمرکز در اطراف نقطه برخورد یون بسیار باردار ظاهر شدند. حرکت اتم تا زمانی که شبکه بدون بار بود یا به عبارت دیگر، تا زمانی که بارها از بیرونی‌ترین حلقه خارج شدند، دنبال شد.
علاوه بر این، محققان پتانسیل Stillinger–Weber را در مدل خود گنجانده‌اند. این پتانسیل، که با موفقیت در توصیف مواد دوبعدی مختلف استفاده شده است، بیان میکند که انرژی پیوند هم به فاصله بین اتم‌ها و هم به زوایای پیوند مربوط میشود. محققان توضیح میدهند که آنها این پتانسیل را «به دلیل هزینه عددی کم آن در حالی که با موفقیت تقسیم دانه‌های گرافن را به نانوصفحات گرافن زمانی که کرنش میشوند، بازتولید میکنند» لحاظ کردند. بر اساس این شبیه‌سازی‌ها، محققان تشخیص دادند که تکانه یون‌های بسیار باردار عمدتاً مسئول تشکیل منافذ نمی باشند، بلکه موبیلیته بار ماده دوبعدی است.
گرافن موبیلیته الکترون بسیار بالایی دارد. بنابراین این بار مثبت موضعی (یون بسیار باردار) میتواند در مدت کوتاهی در آنجا متعادل شود. Christoph Lemell، نویسنده ارشد، دانشیار فیزیک نظری، در بیانیه مطبوعاتی TU Wien توضیح میدهد که الکترون‌ها به سادگی از جای دیگر وارد میشوند.
در مقابل، موادی مانند دی‌سولفید مولیبدن موبیلیته الکترونی کندتری دارند و بنابراین الکترون‌ها نمی‌توانند با سرعت کافی از جاهای دیگر به داخل جریان پیدا کنند. بنابراین یک انفجار کوچک در محل برخورد رخ میدهد: اتمهای دارای بار مثبت که یون‌ها الکترون‌های خود را از آن گرفته‌اند، یکدیگر را دفع میکنند و منافذی در ابعاد نانو تشکیل میشود.
این وابستگی تشکیل منافذ به موبیلیته بار توضیح میدهد که چرا گرافن با فلوئور بالا نسبت به تشکیل منافذ حساس‌تر است – فلوئوراسیون ساختار نواری گرافن را تغییر میدهد و در نتیجه موبیلیته بار را کاهش میدهد.
Alexander Sagar Grossek، نویسنده اصلی، در بیانیه مطبوعاتی میگوید: «از طریق یافته‌هایمان، اکنون کنترل دقیقی بر دستکاری مواد در مقیاس نانو داریم. این دانش ابزار کاملاً جدیدی را برای دستکاری لایههای فوق نازک به روشی کاملاً قابل محاسبه برای اولین بار فراهم میکند».
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in Nano Letters, “Model for nanopore formation in two-dimensional materials by impact of highly charged ions”
(DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acs.nanolett.۲c۰۳۸۹۴).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه شریف‌آبادی، دانشگاه صنعتی شریف
تحکیم دانش چاپ سه بعدی: تأثیر توزیع اندازه ذرات بر رفتار پخت رزینهای فتوترمال پرشده با سرامیک
| تاریخ ارسال: 1403/3/20 |
تحکیم دانش چاپ سه بعدی: تأثیر توزیع اندازه ذرات بر رفتار پخت رزینهای فتوترمال پرشده با سرامیک
نمونه‌ای از یک سرامیک پلیمریزه شده با روش vat (Vat polymerized) که با استفاده از فناوری تولید سرامیک مبتنی بر لیتوگرافی Lithoz ایجاد شده است (منبع سایت یوتیوب Lithoz GmbH).
از روشهای مختلفی که برای پرینت سهبعدی قطعات سرامیکی استفاده میشود، تکنیک‌های پلیمریزاسیون vat (Vat polymerization techniques)، به‌ویژه استریولیتوگرافی (SLA)، انتخاب رایجی برای کاربردهایی است که به قطعات صاف و دقیق نیاز دارند.
تکنیک‌های پلیمریزاسیون Vat با استفاده از یک منبع نور (معمولاً ماوراء بنفش) برای کیور کردن انتخابی رزین مایع فوتوپلیمر حاوی ذرات سرامیکی در یک لایه جامد با استفاده از اطلاعات یک فایل CAD کار میکنند. سپس قطعه تحت فرآیندهای بایندرزدایی حرارتی و تف جوشی قرار میگیرد تا ماتریس پلیمری حذف شود و به چگالی نهایی برسد. با این حال، در حالی که تکنیک‌های پلیمریزاسیون vat درجه بالایی از جزئیات و دقت را ارائه میدهند، قطعات سرامیکی نهایی اغلب از تردی رنج میبرند، به این معنی که آنها محدود به کاربردهای با تنش پایین هستند.
برای بهبود خواص مکانیکی سرامیکهای پلیمریزه شده با روش vat، محققان طیف وسیعی از عواملی را که بر فرآیند فوتوپلیمریزاسیون تأثیر می‌گذارند، مانند نوع رزین و شدت و طول موج نور، مورد مطالعه قرار دادهاند. در حالی که به خوبی تاثیر غلظت و خواص نوری ذرات سرامیکی در رزین بر نحوه پراکندگی و جذب نور مورد مطالعه قرار گرفته است، تاثیر توزیع اندازه ذرات سرامیکی بر ۱) فعل و انفعالات نور-ذره و ۲) رفتار کیورینگ رزینهای سرامیکی به طور کامل تحلیل نشده است.
محققان از دانشگاه اشتوتگارت آلمان، Wadih Yared، عضو ACerS و دانشجوی دکترا، وRainer Gadow ، استاد تمام و مدیر مؤسسه فناوری‌های ساخت قطعات و کامپوزیت‌های سرامیکی تحقیقاتی را در این زمینه انجام دادهاند. یارد و گادو در مطالعه خود به دنبال توضیح این همبستگی بین توزیع اندازه ذرات (PSD) و سینتیک پلیمریزاسیون رزینهای فوتوترمال پر شده با سرامیک بودند. برای انجام این کار، آنها چهار گرید از اکسید آلفا آلومینیوم را با PSD های مختلف انتخاب کردند. اکسید آلومینیوم به دلیل کاربرد گسترده آن در مواد نسوز، سرامیک، پرداخت و ساینده‌ها انتخاب شد. قبل از ایجاد رزینهای پرشده از سرامیک، یارد و گادو پودرهای آلومینا مختلف را در آب دی یونیزه شده پراکنده کردند تا بتوانند برهم‌کنش‌های نور و ذرات را با استفاده از طیف‌سنجی پراش لیزری و طیف‌سنجی UV/Vis ارزیابی کنند. سپس، آنها رزینهای حاوی ذرات سرامیکی را با استفاده از امواج فراصوت و یک میکسر خلاء گریز از مرکز سیارهای ایجاد کردند تا از پراکندگی خوب پودرهای آلومینا در یک رزین فوتوترمال مبتنی بر آکریلات اطمینان حاصل کنند. پس از پراکندگی، آنها رزینهای پر شده از سرامیک را در یک رئومتر با یک لوازم جانبی فوتوروئولوژی خودساخته قرار دادند تا سینتیک کیور شدن مواد را اندازه‌گیری کنند.
بر اساس این آزمایش‌ها، یارد و گادو تعیین کردند که اندازه متوسط ذرات کوچکتر منجر به تضعیف بیشتر (یعنی کاهش) نور UV میشود که مطابق با نرخ فوتوپلیمریزاسیون کمتر است. بر اساس این یافته، که با نتایج نظری و تجربی گزارش شده در منابع مطالعاتی مطابقت دارد، جای تعجب نیست که اندازه‌گیری‌های فوتورئولوژی نشان داد که ذرات بزرگتر به طور کلی منجر به نرخ پلیمریزاسیون سریعتر میشوند. با این حال، رزین های سرامیکی با اندازه ذرات متوسط بزرگتر نیز پایداری ساختاری پایین‌تری را نشان دادند زیرا ذرات بزرگتر سریعتر از ذرات کوچکتر رسوب میکنند، که منجر به لایههای ناقص و مشکلات در چاپ میشود. علاوه بر این، ذرات سرامیکی با اندازه متوسط ذرات کوچکتر به دلیل سطح مؤثر بزرگتر، عموماً رفتار کیورینگ بهتری از خود نشان دادند.
بنابراین، انتخاب پودر سرامیکی با PSD بهینه تابعی از عوامل متعدد است. یارد و گادو جمع‌بندی میکنند که: خوشبختانه، یافته‌های ارائه‌شده در این مقاله میتواند به‌عنوان راهنمایی برای انتخاب پودرهای سرامیکی برای توسعه رزینهای سرامیکی برای فوتوپلیمریزاسیون vat استفاده شوند.
مقاله مرجع:
تکنیک‌های پلیمریزاسیون Vat با استفاده از یک منبع نور (معمولاً ماوراء بنفش) برای کیور کردن انتخابی رزین مایع فوتوپلیمر حاوی ذرات سرامیکی در یک لایه جامد با استفاده از اطلاعات یک فایل CAD کار میکنند. سپس قطعه تحت فرآیندهای بایندرزدایی حرارتی و تف جوشی قرار میگیرد تا ماتریس پلیمری حذف شود و به چگالی نهایی برسد. با این حال، در حالی که تکنیک‌های پلیمریزاسیون vat درجه بالایی از جزئیات و دقت را ارائه میدهند، قطعات سرامیکی نهایی اغلب از تردی رنج میبرند، به این معنی که آنها محدود به کاربردهای با تنش پایین هستند.
برای بهبود خواص مکانیکی سرامیکهای پلیمریزه شده با روش vat، محققان طیف وسیعی از عواملی را که بر فرآیند فوتوپلیمریزاسیون تأثیر می‌گذارند، مانند نوع رزین و شدت و طول موج نور، مورد مطالعه قرار دادهاند. در حالی که به خوبی تاثیر غلظت و خواص نوری ذرات سرامیکی در رزین بر نحوه پراکندگی و جذب نور مورد مطالعه قرار گرفته است، تاثیر توزیع اندازه ذرات سرامیکی بر ۱) فعل و انفعالات نور-ذره و ۲) رفتار کیورینگ رزینهای سرامیکی به طور کامل تحلیل نشده است.
محققان از دانشگاه اشتوتگارت آلمان، Wadih Yared، عضو ACerS و دانشجوی دکترا، وRainer Gadow ، استاد تمام و مدیر مؤسسه فناوری‌های ساخت قطعات و کامپوزیت‌های سرامیکی تحقیقاتی را در این زمینه انجام دادهاند. یارد و گادو در مطالعه خود به دنبال توضیح این همبستگی بین توزیع اندازه ذرات (PSD) و سینتیک پلیمریزاسیون رزینهای فوتوترمال پر شده با سرامیک بودند. برای انجام این کار، آنها چهار گرید از اکسید آلفا آلومینیوم را با PSD های مختلف انتخاب کردند. اکسید آلومینیوم به دلیل کاربرد گسترده آن در مواد نسوز، سرامیک، پرداخت و ساینده‌ها انتخاب شد. قبل از ایجاد رزینهای پرشده از سرامیک، یارد و گادو پودرهای آلومینا مختلف را در آب دی یونیزه شده پراکنده کردند تا بتوانند برهم‌کنش‌های نور و ذرات را با استفاده از طیف‌سنجی پراش لیزری و طیف‌سنجی UV/Vis ارزیابی کنند. سپس، آنها رزینهای حاوی ذرات سرامیکی را با استفاده از امواج فراصوت و یک میکسر خلاء گریز از مرکز سیارهای ایجاد کردند تا از پراکندگی خوب پودرهای آلومینا در یک رزین فوتوترمال مبتنی بر آکریلات اطمینان حاصل کنند. پس از پراکندگی، آنها رزینهای پر شده از سرامیک را در یک رئومتر با یک لوازم جانبی فوتوروئولوژی خودساخته قرار دادند تا سینتیک کیور شدن مواد را اندازه‌گیری کنند.
بر اساس این آزمایش‌ها، یارد و گادو تعیین کردند که اندازه متوسط ذرات کوچکتر منجر به تضعیف بیشتر (یعنی کاهش) نور UV میشود که مطابق با نرخ فوتوپلیمریزاسیون کمتر است. بر اساس این یافته، که با نتایج نظری و تجربی گزارش شده در منابع مطالعاتی مطابقت دارد، جای تعجب نیست که اندازه‌گیری‌های فوتورئولوژی نشان داد که ذرات بزرگتر به طور کلی منجر به نرخ پلیمریزاسیون سریعتر میشوند. با این حال، رزین های سرامیکی با اندازه ذرات متوسط بزرگتر نیز پایداری ساختاری پایین‌تری را نشان دادند زیرا ذرات بزرگتر سریعتر از ذرات کوچکتر رسوب میکنند، که منجر به لایههای ناقص و مشکلات در چاپ میشود. علاوه بر این، ذرات سرامیکی با اندازه متوسط ذرات کوچکتر به دلیل سطح مؤثر بزرگتر، عموماً رفتار کیورینگ بهتری از خود نشان دادند.
بنابراین، انتخاب پودر سرامیکی با PSD بهینه تابعی از عوامل متعدد است. یارد و گادو جمع‌بندی میکنند که: خوشبختانه، یافته‌های ارائه‌شده در این مقاله میتواند به‌عنوان راهنمایی برای انتخاب پودرهای سرامیکی برای توسعه رزینهای سرامیکی برای فوتوپلیمریزاسیون vat استفاده شوند.
مقاله مرجع:
The paper, published in Ceramics International, is “The influence of particle size distribution on the curing behavior of ceramic-filled resins for vat photopolymerization” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.ceramint.۲۰۲۲.۱۱.۱۹۳).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه قاسم زاده، دانشگاه صنعتی شریف
کریستالیزاسیون شیشه‌های هیبرید شده استراتژی کلی و آسان برای ساخت سرامیکهای شفاف را ارائه میدهد
| تاریخ ارسال: 1403/2/8 |
کریستالیزاسیون شیشه‌های هیبرید شده استراتژی کلی و آسان برای ساخت سرامیکهای شفاف را ارائه میدهد
.png)
تصویر میکروسکوپی از سرامیک شفاف BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ که از یک شیشه هیبرید تهیه شده است.
در شماره ژانویه/فوریه ۲۰۲۳ بولتنACerS ، آکیو ایکسو، همکارACerS، رئیس شرکتWorld-Lab. در ناگویا، ژاپن، پیشرفتهای اخیر و پتانسیل سرامیکهای نوری را توصیف میکند .سرامیکهای نوری، سرامیکهای پلی کریستالین با عملکرد نوری برابر یا بیشتر از تک کریستال‌ها هستند. اگرچه اکثر دانشمندان مواد به طور سنتی معتقد بودند که پراکندگی سرامیک‌ها با مرزدانهها همیشه بسیار بزرگتر از تک‌بلورها خواهد بود، از دهه ۱۹۹۰، محققان دریافتند که اتلاف نوری کم و یکنواختی نوری بالا را میتوان در سرامیکهای سنتز شده از طریق واکنش حالت جامد به دست آورد. فرایندها بااینحال، روشهای زینترینگ فعلی و اولیه که برای به‌دست‌آوردن سرامیکهای شفاف با درجه نوری و (کیفیت پایین‌تر) استفاده میشوند، توسط شرایط پردازش شدید؛ مانند دما و فشار بالا یا پلاسمای جرقه محدود میشوند که برای ازبین‌بردن ریز منافذ نامطلوب ضروری است.
علاوه بر این، به جز روشهای چاپ سهبعدی، این روش‌ها از مشکلاتی در تغییر شکل مواد رنج میبرند و محصولات موجود معمولاً بهصورت بالک هستند؛ بنابراین، کوچک‌کردن سرامیکهای با درجه نوری و شفاف به سطح میکرو مقیاس چالش‌برانگیز است. بر خلاف این روشهای پردازش مرسوم، تبلور شیشه یک رویکرد جدیدتر برای ایجاد سرامیکهای شفاف است که دارای چندین مزیت است. مثلاً:
علاوه بر این، به جز روشهای چاپ سهبعدی، این روش‌ها از مشکلاتی در تغییر شکل مواد رنج میبرند و محصولات موجود معمولاً بهصورت بالک هستند؛ بنابراین، کوچک‌کردن سرامیکهای با درجه نوری و شفاف به سطح میکرو مقیاس چالش‌برانگیز است. بر خلاف این روشهای پردازش مرسوم، تبلور شیشه یک رویکرد جدیدتر برای ایجاد سرامیکهای شفاف است که دارای چندین مزیت است. مثلاً:
- شرایط تولید در دسترس: تولید سرامیک شفاف از طریق کریستالیزاسیون شیشه فقط به عملیات حرارتی در فشار اتمسفر نیاز دارد و دمای عملیات حرارتی معمولاً زیر ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است.
- کاهش اندازه آسان: بدون محدودیت شرایط فشار، کوچک‌کردن سرامیکهای شفاف آسان‌تر و راحت‌تر میشود.
- شکل‌دهی آسان: شیشه این مزیت را دارد که به‌راحتی از طریق فناوری‌های قالب‌گیری مرسوم شکل میگیرد. با استفاده از این فناوری‌ها برای شکل‌دهی شیشه‌های پیش‌ساز، میتوان به‌راحتی به سرامیکهای شفاف با اشکال مختلف دست یافت.
بااینحال، چالش‌هایی برای ارضای الزامات سخت و متضاد توانایی عالی شکل‌دهی شیشه و تمایل به تبلور متراکم ذاتی درحالیکه الزامات شفافیت بالا را برآورده میکنند، وجود دارد؛ بنابراین، محققان تا به امروز تنها تعداد محدودی از سرامیکهای شفاف مشتق شده از شیشه تولید کرده‌اند.
در مقاله‌ای جدید، محققان دانشگاه فناوری چین جنوبی و دانشگاه ژجیانگ در چین و همچنین یکی از همکارانش از دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، یک استراتژی کلی برای ساخت سرامیکهای شفاف دوفاز از شیشه‌های آلومینوسیلیکات هیبرید شده متشکل از اکسیدها و فلوراید ارائه کردند محققان توضیح میدهند که در مقایسه با سایر سیستم‌های شیشه‌ای، شیشه‌های هیبرید شده حاوی اکسید و فلوراید انعطاف‌پذیری قوی در فرایند تبلور از خود نشان میدهند.
"ورود فلوراید در شیشه هیبرید شده شبکه شیشه را می شکند، که باعث کاهش ویسکوزیته ماتریس شیشه میشود و انتشار و مهاجرت را آسان تر میکند. بنابراین، شیشه هیبرید شده دارای سد انرژی کمتری برای کریستال شدن است. علاوه بر این، "تضاد قابل توجه در تمایل به تبلور اکسیدها و فلوراید از ماتریس اکسید اجازه میدهد تا منحنی مختصات تبلور را به مراحل مختلف گسسته تغییر دهید و تبلور متراکم را در شرایط ملایم ممکن میکند."برای مطالعه خود، محققان شیشه‌های هیبرید BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ (BASL) را با استفاده از روش ذوب-کونچ سنتز کردند. سپس شیشه را در دماهای مختلف بین ۷۸۰ تا ۸۶۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲.۵ ساعت در هوا تحت عملیات حرارتی قرار دادند تا تبلور ایجاد شود. نمونه عملیات حرارتی در ۸۶۰ درجه سانتیگراد به بالاترین تبلور (~۹۲٪) دست‌یافت. تجزیه و تحلیل‌های میکروسکوپی نشان داد که دارای یک ریزساختار چند مقیاسی و به‌هم‌پیوسته متشکل از حوزه‌های کریستالی LaF۳ در مقیاس نانو است که به طور همگن در فاز کریستالی BaAl۲Si۲O۸ در مقیاس میکرو قرار گرفته‌اند. جالب‌توجه است که ضریب شکست کریستال‌های BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ به ترتیب ۱.۶۱ و ۱.۶۰ بود، بنابراین از پراکندگی بین آنها جلوگیری شد. علاوه بر این، ضریب شکست شیشه و سرامیک شفاف به ترتیب ۱.۶۰۳ و ۱.۵۹۸ در طول‌موج ۶۳۳ نانومتر اندازه‌گیری شد و این شباهت به شفافیت خوب نمونه کمک کرد.
هنگامی که تجزیه و تحلیل نمونه‌های حجیم کامل شد، محققان از همان فرایند برای کریستالیزه کردن شیشه‌هایی با هندسه الیاف استفاده کردند. الیاف سرامیکی شفاف حاصل از BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ در فازهای کریستالی متعدد اما با ساختار کلی کریستالی بسیار همگن تشکیل شده است. مانند نمونه انبوه، فیبر سرامیکی شفاف نیز شفافیت نوری عالی را نشان داد. بر اساس این نتایج امیدبخش، محققان سعی کردند سایر ترکیبات شیشه‌ای هیبرید شده را بسازند. ترکیبات جدید BaAl۲Si۲O۸ با SrAl۲Si۲O۸ (SASL) و LaF۳ با GdF۳ (BASG) جایگزین شده همچنین بلورینگی بالایی (به ترتیب ۸۹ و ۹۳ درصد) و شفافیت نوری را نشان دادند. دستیابی به این نتایج فقط به یک تغییر کوچک در دمای عملیات حرارتی ایده‌آل نیاز داشت (به ترتیب از ۸۶۰ درجه سانتیگراد به ۸۳۰ درجه سانتیگراد و ۸۵۰ درجه سانتیگراد کاهش یافت). سرامیکهای شفاف بر اساس سیستم‌های هیبرید Ba۳Si۵O۱۳-BaF۲ و NaAlSiO۴-LiF نیز با موفقیت ساخته شدند. محققان همچنین امکان کاربردی‌کردن سرامیکهای شفاف دوفاز را از طریق دوپینگ با فعال‌کننده‌های لومینسانس کمیاب خاکی مختلف نشان دادند. سرامیکهای شفاف BASL دوپ شده با سریم، یوروپیوم، تربیوم، دیسپروزیم و ساماریوم تحت تحریک با نور ماورا بنفش (۳۶۵ نانومتر) به ترتیب نشر نور آبی روشن، لاجوردی، آکوامارین، زرد و نارنجی را نشان دادند.
علاوه بر این، محققان از سرامیک شفاف برای ساخت یک دستگاه تصویربرداری رادیوگرافی استفاده کردند و با موفقیت کاربرد آن را برای تصویربرداری اشعه ایکس نشان دادند. در نهایت، محققان به این نتیجه رسیدند که این استراتژی طیف گستردهای از ویژگی‌های مفید را نشان میدهد، از جمله عمومیت، جایی که استراتژی برای سرامیک‌ها و الیاف شفاف با ترکیبات شیمیایی، فازها، ریزساختارها و مورفولوژی‌های مختلف مناسب است.
پردازش آسان، جایی که میتوان از شرایط خارجی سخت فن آوری سرامیک معمولی مانند دما و فشار بالا اجتناب کرد و پتانسیل برای عملکرد بیشتر، جایی که سرامیک را میتوان با مراکز شب‌تاب برای کاربردهای مختلف فوتونیک فعال کرد.
شیفنگ ژو، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه فناوری چین جنوبی، در ایمیلی میگوید: این مطالعه نقطه عطف مهمی در توسعه سرامیکهای نوری شفاف جدید است. ژو میگوید که استفاده از این تکنیک ساخت برای سیستم‌های مواد بیشتری در حال انجام است. او میگوید در حالت ایده‌آل، در آینده، این استراتژی ساخت «مسیری فنی جدید برای تهیه محصولات سرامیکی شفاف تجاری و صنعتی» فراهم میکند.
در مقاله‌ای جدید، محققان دانشگاه فناوری چین جنوبی و دانشگاه ژجیانگ در چین و همچنین یکی از همکارانش از دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، یک استراتژی کلی برای ساخت سرامیکهای شفاف دوفاز از شیشه‌های آلومینوسیلیکات هیبرید شده متشکل از اکسیدها و فلوراید ارائه کردند محققان توضیح میدهند که در مقایسه با سایر سیستم‌های شیشه‌ای، شیشه‌های هیبرید شده حاوی اکسید و فلوراید انعطاف‌پذیری قوی در فرایند تبلور از خود نشان میدهند.
"ورود فلوراید در شیشه هیبرید شده شبکه شیشه را می شکند، که باعث کاهش ویسکوزیته ماتریس شیشه میشود و انتشار و مهاجرت را آسان تر میکند. بنابراین، شیشه هیبرید شده دارای سد انرژی کمتری برای کریستال شدن است. علاوه بر این، "تضاد قابل توجه در تمایل به تبلور اکسیدها و فلوراید از ماتریس اکسید اجازه میدهد تا منحنی مختصات تبلور را به مراحل مختلف گسسته تغییر دهید و تبلور متراکم را در شرایط ملایم ممکن میکند."برای مطالعه خود، محققان شیشه‌های هیبرید BaAl۲Si۲O۸-LaF۳ (BASL) را با استفاده از روش ذوب-کونچ سنتز کردند. سپس شیشه را در دماهای مختلف بین ۷۸۰ تا ۸۶۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲.۵ ساعت در هوا تحت عملیات حرارتی قرار دادند تا تبلور ایجاد شود. نمونه عملیات حرارتی در ۸۶۰ درجه سانتیگراد به بالاترین تبلور (~۹۲٪) دست‌یافت. تجزیه و تحلیل‌های میکروسکوپی نشان داد که دارای یک ریزساختار چند مقیاسی و به‌هم‌پیوسته متشکل از حوزه‌های کریستالی LaF۳ در مقیاس نانو است که به طور همگن در فاز کریستالی BaAl۲Si۲O۸ در مقیاس میکرو قرار گرفته‌اند. جالب‌توجه است که ضریب شکست کریستال‌های BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ به ترتیب ۱.۶۱ و ۱.۶۰ بود، بنابراین از پراکندگی بین آنها جلوگیری شد. علاوه بر این، ضریب شکست شیشه و سرامیک شفاف به ترتیب ۱.۶۰۳ و ۱.۵۹۸ در طول‌موج ۶۳۳ نانومتر اندازه‌گیری شد و این شباهت به شفافیت خوب نمونه کمک کرد.
هنگامی که تجزیه و تحلیل نمونه‌های حجیم کامل شد، محققان از همان فرایند برای کریستالیزه کردن شیشه‌هایی با هندسه الیاف استفاده کردند. الیاف سرامیکی شفاف حاصل از BaAl۲Si۲O۸ و LaF۳ در فازهای کریستالی متعدد اما با ساختار کلی کریستالی بسیار همگن تشکیل شده است. مانند نمونه انبوه، فیبر سرامیکی شفاف نیز شفافیت نوری عالی را نشان داد. بر اساس این نتایج امیدبخش، محققان سعی کردند سایر ترکیبات شیشه‌ای هیبرید شده را بسازند. ترکیبات جدید BaAl۲Si۲O۸ با SrAl۲Si۲O۸ (SASL) و LaF۳ با GdF۳ (BASG) جایگزین شده همچنین بلورینگی بالایی (به ترتیب ۸۹ و ۹۳ درصد) و شفافیت نوری را نشان دادند. دستیابی به این نتایج فقط به یک تغییر کوچک در دمای عملیات حرارتی ایده‌آل نیاز داشت (به ترتیب از ۸۶۰ درجه سانتیگراد به ۸۳۰ درجه سانتیگراد و ۸۵۰ درجه سانتیگراد کاهش یافت). سرامیکهای شفاف بر اساس سیستم‌های هیبرید Ba۳Si۵O۱۳-BaF۲ و NaAlSiO۴-LiF نیز با موفقیت ساخته شدند. محققان همچنین امکان کاربردی‌کردن سرامیکهای شفاف دوفاز را از طریق دوپینگ با فعال‌کننده‌های لومینسانس کمیاب خاکی مختلف نشان دادند. سرامیکهای شفاف BASL دوپ شده با سریم، یوروپیوم، تربیوم، دیسپروزیم و ساماریوم تحت تحریک با نور ماورا بنفش (۳۶۵ نانومتر) به ترتیب نشر نور آبی روشن، لاجوردی، آکوامارین، زرد و نارنجی را نشان دادند.
علاوه بر این، محققان از سرامیک شفاف برای ساخت یک دستگاه تصویربرداری رادیوگرافی استفاده کردند و با موفقیت کاربرد آن را برای تصویربرداری اشعه ایکس نشان دادند. در نهایت، محققان به این نتیجه رسیدند که این استراتژی طیف گستردهای از ویژگی‌های مفید را نشان میدهد، از جمله عمومیت، جایی که استراتژی برای سرامیک‌ها و الیاف شفاف با ترکیبات شیمیایی، فازها، ریزساختارها و مورفولوژی‌های مختلف مناسب است.
پردازش آسان، جایی که میتوان از شرایط خارجی سخت فن آوری سرامیک معمولی مانند دما و فشار بالا اجتناب کرد و پتانسیل برای عملکرد بیشتر، جایی که سرامیک را میتوان با مراکز شب‌تاب برای کاربردهای مختلف فوتونیک فعال کرد.
شیفنگ ژو، نویسنده ارشد و استاد دانشگاه فناوری چین جنوبی، در ایمیلی میگوید: این مطالعه نقطه عطف مهمی در توسعه سرامیکهای نوری شفاف جدید است. ژو میگوید که استفاده از این تکنیک ساخت برای سیستم‌های مواد بیشتری در حال انجام است. او میگوید در حالت ایده‌آل، در آینده، این استراتژی ساخت «مسیری فنی جدید برای تهیه محصولات سرامیکی شفاف تجاری و صنعتی» فراهم میکند.
مقاله مرجع:
The paper, published in Advanced Materials, is “Hybridization engineering of oxyfluoride aluminosilicate glass for construction of dual-phase optical ceramics”
(DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adma.۲۰۲۲۰۵۵۷۸).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه قاسم زاده، دانشگاه صنعتی شریف
فراتر از اکسیدها: تغییر شکل پلاستیک موفقیت‌آمیز در نیترید سیلیکون به دلیل ساختار دو فازی
| تاریخ ارسال: 1403/1/27 |
فراتر از اکسیدها: تغییر شکل پلاستیک موفقیت‌آمیز در نیترید سیلیکون به دلیل ساختار دو فازی
بلبرینگ‌های ساخته شده از نیترید سیلیکون. پژوهشگران در چین روشی برای تغییر شکل پلاستیکی نانوپیلارهای سرامیکی از این نیترید را با بهره‌گیری از یک ترکیب ساختار دوفازی کشف کردند. (تصویر: لوکاس بوش، ویکی مدیا، CC BY-SA ۳.۰)
سرامیک‌ها به دلیل تردی‌شان معروف هستند. بااینحال، تا دهه ۱۹۵۰ میلادی، علت مقاومت شدید سرامیک‌ها در برابر تغییر شکل به دلیل نابجایی ساختاری آنها تأیید نشده بود. نابجایی یا نقص خطی، مناطقی هستند که اتم‌ها در مقایسه با بقیه ساختار بلوری کامل به طور غیرعادی چیده شده‌اند. هنگامی که تنش اعمال میشود، حرکت این نابجایی‌ها به اتم‌ها اجازه میدهد تا بر روی یکدیگر بلغزند و منجر به تغییر شکل پلاستیک ماده به‌جای شکست ترد میشود. سرامیک‌ها به دلایل ذاتی و مرتبط با فرآیند، نابجایی بسیار کمتر و کمتری نسبت به فلزات دارند. برای مثال، مواد سرامیکی عمدتاً حاوی پیوندهای کووالانسی و یونی هستند که از پیوندهای فلزی قوی تر هستند و بنابراین حرکت نابجایی‌ها را محدود میکنند. علاوه بر این، فرآیند پخت معمولی برای سرامیک‌ها باعث درشت‌شدن دانه‌ها می شود که تعداد نابجایی‌ها را در ساختار کاهش میدهد.
محققان راه‌های مختلفی را برای بهبود توانایی سرامیک در تغییر شکل پلاستیکی، برای مثال با استفاده از مسیرهای پردازش جایگزین برای حفظ نابجایی یا اعمال فشار مکانیکی برای ایجاد نابجایی، بررسی کرده‌اند. برخی از این پیشرفتهای اخیر در اپیزود نوامبر ۲۰۲۲ Ceramic Tech Chat پوشش داده شد، که Xufei Fang دانش و تحقیقات خود را در مورد این موضوع به اشتراک گذاشت. فانگ رهبر گروه جوان در گروه تحقیقاتی مواد معدنی غیرفلزی در دانشگاه فنی دارمشتات در آلمان است. در این قسمت، او توضیح داد که بیشتر تحقیقات تا به امروز در مورد تغییر شکل پلاستیک سرامیکهای اکسیدی بوده است. بااینحال، یک مطالعه اخیر به رهبری محققان دانشگاه Tsinghua در چین امکان تغییر شکل پلاستیک را در سرامیکهای غیراکسیدی نیز به‌ویژه نیترید سیلیکون نشان داد. محققان مطالعه اخیر توضیح میدهند که تغییر شکل سرامیکهای غیراکسیدی به دلیل ساختار پیوندی آنها پیچیده است. در مقایسه با سرامیکهای اکسیدی که عمدتاً دارای پیوندهای یونی غیر جهت‌دار هستند، سرامیکهای غیراکسیدی عمدتاً حاوی پیوندهای کووالانسی هستند که ویژگی‌های قوی و جهت‌دار را نشان میدهند. آنها می‌نویسند: "به‌این‌ترتیب، درک تغییرشکل پلاستیکی سرامیکهای کریستالی با پیوند کووالانسی یک چالش طولانی‌مدت و حیاتی بوده است."
از نظر تئوری، تغییر شکل پلاستیک را میتوان با شکستن پیوندهای کووالانسی در حجم بسیار کم و سپس التیام فوری ناحیه از طریق تشکیل پیوندهای جدید، پدیده‌ای که محققان آن را "تغییر پیوند" می‌نامند، به دست آورد. بااینحال، برای دستیابی به سوئیچینگ پیوند، سد انرژی برای بازآرایی‌های اتمی محلی باید کاهش یابد تا انتقال نسبتاً آسان یک پیکربندی پیوند به دیگری امکانپذیر شود. به طور همزمان، شبکه‌های دو طرف صفحه لغزش باید تقریباً فاصله اتمی واحد یکسانی داشته باشند تا از ترجمه‌های اتمی متوالی اطمینان حاصل شود. در مقاله خود، محققان پیشنهاد میکنند که یک ساختار دوفازی با یک فصل مشترک شبکه منسجم (انطباق خوب) ممکن است این الزامات را برآورده کند. در شرایط عادی، نیترید سیلیکون دارای دو پلی مورف، فاز آلفا و فاز بتا است. این فازها ساختارهای شبکه شش‌ضلعی مشابهی دارند؛ اما ثابت‌های شبکه متفاوت در امتداد، جهت c ثابت آلفا دوبرابر ثابت بتا است.
نیترید سیلیکون معمولاً از طریق تف‌جوشی در فاز مایع سنتز میشود که منجر به تولید نمونه‌ای میشود که فقط حاوی فاز بتا است. برای تولید نیترید سیلیکون حاوی هر دو فاز، محققان تحت رهبری Tsinghua از فرآیند تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای استفاده کردند که شامل پخت مخلوط پودری Si۳N۴: Al۲O۳: Y۲O۳ (نسبت وزن ۹۰:۶:۴) در دمای ۱۵۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۵ دقیقه با فشار ۳۰ مگاپاسکال و نرخ گرمایش ۱۵۰ درجه در دقیقه بود. پنج نمونه با درصدهای مختلف رابط‌های همدوس آلفا-بتا با تنظیم محتوای آلفا فاز در مخلوط پودر اولیه تهیه شد. تجزیه و تحلیل با میکروسکوپ الکترونی روبشی میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا نشان داد که عدم تطابق زاویه بین ریزدانه‌های آلفا و بتا کمتر از ۱.۸ درجه است، که نشان دهنده درجه بالایی از تطابق شبکه است. خواص مکانیکی از طریق تست فشار نانوپیلارها مورد ارزیابی قرار گرفت. این رویکرد برای به حداقل رساندن ابهامات ناشی از عیوب ساختاری ناشی از دمای پخت کمتر و زمان نگهداری کوتاه‌تر انتخاب شد .نمونه‌های نانوپیلاری استحکام و مقادیر تغییر شکل پلاستیکی بالاتری نسبت به نیترید سیلیکون تک‌فاز معمولی نشان دادند. نمونه با نسبت فصل مشترک منسجم ۳۲ درصد بهترین عملکرد را با مقاومت شکست حدود ۱۱ گیگاپاسکال و کرنش پلاستیک حدود ۲۰ درصد نشان داد. این قدرت بیش از دوبرابر نیترید سیلیکون تک‌فاز معمولی (۴.۷ GPA) است که هیچ تغییر شکل پلاستیکی را نشان نمی‌دهد.
بازرسی دقیق‌تر در طول تست فشار تأیید کرد که یک تبدیل فاز بتا به آلفا ناشی از تنش باعث تغییر شکل پلاستیک بود. این مشاهدات شگفت‌انگیز بود، زیرا تاکنون، محققان تنها شاهد تبدیل فاز آلفا به بتا در نیترید سیلیکون به دلیل پایداری بالاتر فاز بتا بوده‌اند. محققان تبدیل فاز بتا به آلفا را به حرکت فصل مشترک‌های منسجم در طول تست فشار نسبت دادند. به طور خاص، تحول درگیر موارد زیر است:
۱- لغزش در فصل مشترک بتا / آلفا
۲- تبدیل درون لایه‌ای از فاز بتا به آلفا
۳- دومین تبدیل درون لایه‌ای از فاز بتا به آلفا
۴- لغزش در فصل مشترک بتا / آلفا، و در نتیجه یک‌لایه انباشته از فاز آلفا
در نهایت، این فرایند منجر به تبدیل هر سه‌لایه همسایه در فاز بتا به فاز آلفا میشود. در نهایت، با ادامه فرایند چهارمرحله‌ای، لایه فاز بتا باقی‌مانده نیز به فاز آلفا تبدیل میشود.
جالب اینجاست که این تبدیل بتا به آلفا یک فرایند حالت جامد بدون انتشار است که بدون مشارکت مایع انجام میشود. در مقابل، تبدیل شناخته شده آلفا به بتا یک فرایند انحلال - رسوب مجدد حرارتی با حضور یک فاز مایع است.
تبدیل فاز بتا به آلفا مشاهده‌شده به طور سطحی شبیه تبدیل فاز مارتنزیتی در اکسید سرامیکی ZrO۲ است که هر دو یک فرایند بدون انتشار هستند که منجر به تغییر شکل پلاستیک میشود. اما محققان تأکید میکنند که تفاوت‌های کلیدی بین این تحولات وجود دارد. به طور خاص، درحالیکه تبدیل ZrO۲ با پیوند یونی یک فرایند جابه‌جایی است که توسط برش شبکه محقق میشود، تبدیل نیترید سیلیکون با پیوند کووالانسی در عوض یک فرایند بازسازی است که از طریق چرخش اضافی واحدهای [NSi۳] تحقق می‌یابد. در نتیجه، محققان بیان میکنند که این راه‌حل دوفازی برای تغییر شکل پلاستیک احتمالاً میتواند به سایر سرامیکهای غیراکسیدی بسط داده شود، برای مثال، با مهار فازهای مکعبی و شش‌ضلعی کاربید سیلیکون. ارکا فرانک برگ، محقق فوق دکتری آکادمی دانشگاه دامپر، در مقاله‌ای این تحقیق را که در Science منتشر شده است، تحسین میکند و خاطرنشان میکند که چگونه فرصتی برای گسترش درک تغییر شکل پلاستیک در سرامیک‌ها در دماهای پایین فراهم میکند. او نتیجه میگیرد: «مطالعات آینده باید بررسی کنند که آیا Si۳N۴ حجیم مزایای مشابهی از تحولات ریزساختاری ناشی از تنش مانند ZrO۲ به دست می‌آورد و آیا فصل مشترک‌های منسجم مورد نیاز در دماها و شرایط فرآیندی که برای کاربردهای عملی مرتبط هستند، پایدار می‌مانند یا خیر».
مقاله مرجع:
The paper, published in Science, is “Plastic deformation in silicon nitride ceramics via bond switching at coherent interfaces” (DOI: ۱۰.۱۱۲۶/science.abq۷۴۹۰).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه قاسم‌زاده، دانشگاه صنعتی شریف
اکتشافات بزرگ در مقیاس کوچک: کاهش ضخامت لایههای آنتیفروالکتریک، آنها را به فروالکتریک تبدیل میکند
| تاریخ ارسال: 1402/9/28 |
اکتشافات بزرگ در مقیاس کوچک: کاهش ضخامت لایههای آنتیفروالکتریک، آنها را به فروالکتریک تبدیل میکند
طرح‌واره‌ی فرآیند برداشتن لایههای نازک a r O
با وجود اینکه تقریباً ۷۰ سال از مرگ آلبرت انیشتین می‌گذرد، فیزیکدانان هنوز به دنبال «تئوری همه چیز»، یعنی یک چارچوب فرضی فراگیر که فیزیک کل جهان را در یک معادله توضیح میدهد هستند. ماده در بزرگترین و کوچک‌ترین مقیاس رفتار بسیار متفاوتی دارد و یافتن معادله‌ای که بتواند هر دو حالت را توضیح دهد تاکنون غیر ممکن بوده است و این موضوع منجر به تلخی اوقات فیزیکدانان شدهاست.
اگرچه برای فیزیکدانان آزار‌دهنده است، اما خواص مواد که در مقیاس‌های بسیار کوچک ظاهر میشوند برای دانشمندان مواد هیجان‌انگیز است. انتظار میرود صنایع، از کشاورزی گرفته تا محاسبات کامپیوتری، از انقلاب در حال انجام علم و فناوری نانو بهره‌مند شوند.
یک دسته از موادی که به طور گسترده در مورد اثر اندازه بررسی شده‌اند، مواد فروالکتریک هستند. فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد است که دارای قطبش الکتریکی خودبه‌خودی هستند، که این قطبش از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. قطبش الکتریکی خودبه‌خود در فروالکتریک‌ها به این مواد اجازه میدهد تا چیزی به نام رفتار خازنی منفی را از خود نشان دهند، که برخی از محققان معتقدند در آینده نحوه‌ی کوچک‌سازی قطعات الکترونیکی را متحول خواهد کرد. از سوی دیگر اما، مطالعات بسیار کمتری در مورد چگونگی تکامل ساختار و خواص در مواد آنتیفروالکتریک با ابعاد کاهش‌یافته انجام شدهاست.
مواد آنتیفروالکتریک مشابه مواد فروالکتریک هستند، بدین معنا که هر دو از یک آرایه‌ی منظم (کریستال) از دوقطبی‌های الکتریکی تشکیل شده‌اند. با این حال، دوقطبی‌های مجاور در آنتی‌فروالکتریک‌ها در جهت مخالف هستند و منجر به خنثی‌شدن یک دیگر میشوند و در نتیجه هیچ قطبشی در مقیاس ماکرو ایجاد نمی‌شود. در مقابل، دوقطبی‌های فروالکتریک همه در یک جهت قرار میگیرند، که منجر به قطبش ماکروسکوپی میشود. یک میدان الکتریکی با قدرت کافی میتواند آنتی‌فروالکتریک‌ها را وادار به انتقال فاز به فاز فروالکتریک (یعنی ترتیب دوقطبی موازی) کند. این رفتار باعث میشود که آنتی‌فروالکتریک‌ها برای استفاده در خازن‌های با چگالی انرژی بالا مورد توجه قرار گیرند.
درک اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها امکان استفادهی بهینه از آنها را در قطعات الکترونیکی مینیاتوری فراهم میکند. بنابراین، گروهی از محققان از چندین دانشگاه و آزمایشگاه ملی در ایالات متحده‌ی آمریکا و فرانسه این اثرات را بررسی کردند و مقاله‌ی با دسترسی آزاد آنها، یک کشف شگفت‌انگیز را گزارش میدهد.
یک دسته از موادی که به طور گسترده در مورد اثر اندازه بررسی شده‌اند، مواد فروالکتریک هستند. فروالکتریسیته خاصیت برخی مواد است که دارای قطبش الکتریکی خودبه‌خودی هستند، که این قطبش از طریق اعمال میدان‌های الکتریکی خارجی برگشت‌پذیر است. قطبش الکتریکی خودبه‌خود در فروالکتریک‌ها به این مواد اجازه میدهد تا چیزی به نام رفتار خازنی منفی را از خود نشان دهند، که برخی از محققان معتقدند در آینده نحوه‌ی کوچک‌سازی قطعات الکترونیکی را متحول خواهد کرد. از سوی دیگر اما، مطالعات بسیار کمتری در مورد چگونگی تکامل ساختار و خواص در مواد آنتیفروالکتریک با ابعاد کاهش‌یافته انجام شدهاست.
مواد آنتیفروالکتریک مشابه مواد فروالکتریک هستند، بدین معنا که هر دو از یک آرایه‌ی منظم (کریستال) از دوقطبی‌های الکتریکی تشکیل شده‌اند. با این حال، دوقطبی‌های مجاور در آنتی‌فروالکتریک‌ها در جهت مخالف هستند و منجر به خنثی‌شدن یک دیگر میشوند و در نتیجه هیچ قطبشی در مقیاس ماکرو ایجاد نمی‌شود. در مقابل، دوقطبی‌های فروالکتریک همه در یک جهت قرار میگیرند، که منجر به قطبش ماکروسکوپی میشود. یک میدان الکتریکی با قدرت کافی میتواند آنتی‌فروالکتریک‌ها را وادار به انتقال فاز به فاز فروالکتریک (یعنی ترتیب دوقطبی موازی) کند. این رفتار باعث میشود که آنتی‌فروالکتریک‌ها برای استفاده در خازن‌های با چگالی انرژی بالا مورد توجه قرار گیرند.
درک اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها امکان استفادهی بهینه از آنها را در قطعات الکترونیکی مینیاتوری فراهم میکند. بنابراین، گروهی از محققان از چندین دانشگاه و آزمایشگاه ملی در ایالات متحده‌ی آمریکا و فرانسه این اثرات را بررسی کردند و مقاله‌ی با دسترسی آزاد آنها، یک کشف شگفت‌انگیز را گزارش میدهد.
به طور سنتی، جمع‌آوری داده در مورد اثرات اندازه در آنتی‌فروالکتریک‌ها با توجه به نحوه‌ی ساخت لایههای نازک آنتیفروالکتریک پیچیده است. این لایهها بر روی بسترهای تجاری موجود با ساختارهای شبکه‌ای مختلف رشد میکنند. عدم تطابق شبکه بین زیرلایه و لایه‌ی نازک، آنتیفروالکتریک را تحت کرنش قرار میدهد، بنابراین جدا کردن اثرات کرنش از اثرات اندازه چالش‌برانگیز است. برای غلبه بر این چالش، راه حلی که محققان معرفی کردند، یک لایه‌ی بافر جداشونده بین لایه‌ی نازک سدیم نیوبات بدون سرب( NaNbo۳ )و بستر بود. این لایه‌ی بافر اجازه میدهد تا فیلم پس از رشد به ضخامت مورد نظر، از بستر جدا شود. پس از جدا شدن، محققان از روشهای تجربی مختلفی برای ارزیابی لایههای بدون کرنش در ضخامت‌های ۹ تا ۱۶۴ نانومتر استفاده کردند.
اندازه‌گیری‌های نوری و واکنش پیزو نشان داد که وقتی لایههای NaNbo۳ نازک‌تر از ۴۰ نانومتر هستند، کاملا فروالکتریک میشوند. برای ضخامت‌های بالاتر از ۴۰ نانومتر، لایهها حاوی مخلوطی از مناطق آنتیفروالکتریک و فروالکتریک هستند. اما اگر میدان الکتریکی کافی اعمال شود، نواحی آنتیفروالکتریک تحت یک انتقال غیرقابل برگشت به فروالکتریک قرار میگیرند و در نتیجه یک لایه‌ی نازک کاملا فروالکتریک در ضخامت‌های تا ۱۶۴ نانومتر ایجاد میشود.
این نتایج غیرمنتظره محققان را بر آن داشت تا با انجام محاسبات پایه‌ای، تعیین کنند چه چیزی باعث انتقال آنتیفروالکتریک به فروالکتریک میشود. آنها تعیین کردند که اثرات سطحی ،به طور خاص، نسبت c/a, علت اصلی است. نسبت c/a راهی برای توصیف شکل یک شبکه است. هر چه این نسبت بیشتر باشد، ساختار شبکه اعوجاج بیشتری دارد. هنگامی که ضخامت فیلم کاهش می‌یابد، نسبت c/a بالاتری وجود دارد و این اعوجاج ساختاری به تثبیت فاز فروالکتریک کمک میکند. در مقابل، یک فیلم ضخیم‌تر، دارای نسبت c/a کمتری است که به نفع فاز آنتیفروالکتریک است.
محققان هشدار میدهند که بسیاری از عوامل در محاسبات پایه‌ای در نظر گرفته نشده‌اند، مانند وجود نقص‌های ساختاری یا ناهمگنی‌ها. به این ترتیب، تطابق بین آزمایش‌ها و تئوری باید به جای کمی، کیفی در نظر گرفته شود. آنها همچنین به این احتمال اشاره میکنند که فاز فروالکتریک، میتواند نتیجه‌ی فرآیند سنتز باشد.
در متن مقاله گزارش شدهاست: «توجه داشته باشید که فاز آنتیفروالکتریک
همچنین اضافه میکنند: «آسایش از فاز فروالکتریک تحت کرنش به فاز آنتیفروالکتریک بدون کرنش، مستلزم غلبه بر یک سد انرژی است. اگر بزرگی چنین سد انرژی‌ای در لایههای نازک به دلیل ابعاد یا اثرات سطحی افزایش یابد، لایههای نازک در طی فرایند لایه‌برداری میتوانند در حالت فروالکتریک اولیه خود باقی بمانند.»
در ایمیلی، Ruijuan Xu، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، استادیار دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، میگوید که اکنون در حال کار بر روی ساخت خازن‌های مبتنی بر لایه‌ی نازک NaNbo۳ برای بررسی خواص الکتریکی در مقیاس ماکرو هستند. او می گوید: «ما امیدواریم که به توانایی دستکاری پایداری فاز و به‌دست‌آوردن خواص الکتریکی بهبودیافته در خازن‌های
مقاله‌ی مرجع:
اندازه‌گیری‌های نوری و واکنش پیزو نشان داد که وقتی لایههای NaNbo۳ نازک‌تر از ۴۰ نانومتر هستند، کاملا فروالکتریک میشوند. برای ضخامت‌های بالاتر از ۴۰ نانومتر، لایهها حاوی مخلوطی از مناطق آنتیفروالکتریک و فروالکتریک هستند. اما اگر میدان الکتریکی کافی اعمال شود، نواحی آنتیفروالکتریک تحت یک انتقال غیرقابل برگشت به فروالکتریک قرار میگیرند و در نتیجه یک لایه‌ی نازک کاملا فروالکتریک در ضخامت‌های تا ۱۶۴ نانومتر ایجاد میشود.
این نتایج غیرمنتظره محققان را بر آن داشت تا با انجام محاسبات پایه‌ای، تعیین کنند چه چیزی باعث انتقال آنتیفروالکتریک به فروالکتریک میشود. آنها تعیین کردند که اثرات سطحی ،به طور خاص، نسبت c/a, علت اصلی است. نسبت c/a راهی برای توصیف شکل یک شبکه است. هر چه این نسبت بیشتر باشد، ساختار شبکه اعوجاج بیشتری دارد. هنگامی که ضخامت فیلم کاهش می‌یابد، نسبت c/a بالاتری وجود دارد و این اعوجاج ساختاری به تثبیت فاز فروالکتریک کمک میکند. در مقابل، یک فیلم ضخیم‌تر، دارای نسبت c/a کمتری است که به نفع فاز آنتیفروالکتریک است.
محققان هشدار میدهند که بسیاری از عوامل در محاسبات پایه‌ای در نظر گرفته نشده‌اند، مانند وجود نقص‌های ساختاری یا ناهمگنی‌ها. به این ترتیب، تطابق بین آزمایش‌ها و تئوری باید به جای کمی، کیفی در نظر گرفته شود. آنها همچنین به این احتمال اشاره میکنند که فاز فروالکتریک، میتواند نتیجه‌ی فرآیند سنتز باشد.
در متن مقاله گزارش شدهاست: «توجه داشته باشید که فاز آنتیفروالکتریک
همچنین اضافه میکنند: «آسایش از فاز فروالکتریک تحت کرنش به فاز آنتیفروالکتریک بدون کرنش، مستلزم غلبه بر یک سد انرژی است. اگر بزرگی چنین سد انرژی‌ای در لایههای نازک به دلیل ابعاد یا اثرات سطحی افزایش یابد، لایههای نازک در طی فرایند لایه‌برداری میتوانند در حالت فروالکتریک اولیه خود باقی بمانند.»
در ایمیلی، Ruijuan Xu، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، استادیار دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، میگوید که اکنون در حال کار بر روی ساخت خازن‌های مبتنی بر لایه‌ی نازک NaNbo۳ برای بررسی خواص الکتریکی در مقیاس ماکرو هستند. او می گوید: «ما امیدواریم که به توانایی دستکاری پایداری فاز و به‌دست‌آوردن خواص الکتریکی بهبودیافته در خازن‌های
مقاله‌ی مرجع:
The open-access paper, published in Advanced Materials, is “Size-induced ferroelectricity in antiferroelectric oxide membranes” (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/adma.۲۰۲۲۱۰۵۶۲).
منبع خبر:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
تبدیل ضایعات ماهی به نانوپیاز کربنی عامل‌دار شده توسط فرآیندی یک‌مرحله‌ای
| تاریخ ارسال: 1402/7/29 |
تبدیل ضایعات ماهی به نانوپیاز کربنی عامل‌دار شده توسط فرآیندی یک‌مرحله‌ای
.png)
تصویری از فرآیند پیرولیز مایکروویو یک مرحله‌ای برای تبدیل فلس‌های ماهی به نانوپیاز کربنی. منبع: موسسه فناوری ناگویا، یوتیوب
امسال CTT بازیافت یا استفادهی مجدد از مواد زائد را در صنایع مختلف از جمله تولید نیمه‌هادی، انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی هسته‌ای پوشش داده‌است. امروز، بخش دیگری را در نظر می‌گیریم که با تولید زبالههای سنگین دست و پنجه نرم میکند، یعنی صنعت غذا. سازمان ملل گزارش می دهد که در سراسر جهان، حدود ۱۴ درصد از مواد غذایی تولیدشده بین مراحل برداشت و خرده‌فروشی از بین میرود، به طور کلی تخمین زده میشود که ۱۷ درصد از کل تولید مواد غذایی هدر میرود. مواد غذایی‌ای که از بین رفته و هدر می‌روند، ۳۸ درصد از کل مصرف انرژی در سیستم غذایی جهانی را تشکیل میدهند.
یافتن راه‌هایی برای استفادهی مجدد از ضایعات غذایی، یکی از راه‌های مبارزه با این ضرر است. به عنوان مثال، مواد زاید زیستی به دست آمده از صنعت ماهی به عنوان یک ماده‌ی اولیه‌ی جدید برای اهداف مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. در حال حاضر، حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد از محصولات جانبی ماهی و غذاهای دریایی، از جمله احشاء، پوست، استخوان‌ها، فلس‌ها، گوشت، باله‌ها و پوسته‌ها، در طی فرآوری ماهی هدر میرود. با این حال، این محصولات جانبی منبع غنی کربن، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد هستند. آنها همچنین حاوی مقدار زیادی کلاژن، پروتئین خام و آمینو اسیدها هستند.
محققان، مواد سرامیکی پیشرفته‌ی با ارزشی را از این محصولات جانبی به دست آورده‌اند، به عنوان مثال، بیوسرامیک‌های فسفات کلسیم از ضایعات استخوان ماهی سالمون. اکنون، در یک مطالعه اخیر، محققان موسسه فناوری ناگویا در ژاپن، نانو پیازهای کربنی با بلورینگی بالا (CNOs) را با استفاده از پیرولیز مایکروویو یک‌مرحله‌ای فلس‌های ماهی سیاه تولید کردند.
CNO ها یک نانوساختار جدید کربن هستند، متشکل از فولرن‌ها و نانولوله‌های چندجداره که ساختار متحدالمرکزی از پوسته‌های کروی را تشکیل میدهند. لایههای گرافیتی در ساختار از عیوب و حفره‌های زیادی تشکیل شده‌اند که میتوان آنها را با اتم‌ها یا مولکولهای دیگر پر کرد تا به مواد خواص متفاوتی بدهد. به دلیل این تطبیق‌پذیری، CNO ها در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله الکترونیک، فتوولتائیک، کاتالیزور و تشخیص‌های زیست پزشکی، پتانسیل بالایی از خود نشان میدهند.
اولین روش سنتز در مقیاس بزرگ برای CNO ها بیش از یک دهه پس از اینکه CNO ها برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ به عنوان محصول جانبی ساخت کربن سیاه کشف شدند، توسعه یافت. این روش شامل بازپخت یک پیش ماده‌ی نانوالماس تحت خلاء در دمای بالا (۱۵۰۰ درجه‌ی سانتیگراد تا ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد) بود. اگرچه این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، اما پراکندگی CNO حاصل با این روش در حلال‌های مختلف از نظر قطبیت، یکی از چالشهای پیش رو است. سایر روشهای ساخت CNO عبارتند از تخلیه‌ی قوس (Arc discharge)، رسوب بخار شیمیایی (Chemical vapor deposition)، کاشت یون (Ion implantation)، کند و سوز لیزری (Laser ablation) و پیرولیز حرارتی فاز مایع (Liquid phase-thermal pyrolysis). مشکل این روش‌ها، علاوه بر نیاز به دماهای بالا این است که بسیاری از آنها به منابع کربنی پرهزینه، کاتالیزورهای اضافی، اسیدها یا بازهای خطرناک و عملیات‌های ثانویه برای بهبود خواص نیاز دارند. از مشکلات دیگر میتوان به آلودگی و بلورینگی کم اشاره کرد.
فرآیند سنتز یک‌مرحله‌ای جدید محققان ناگویا، با بهره‌گیری از ترکیب خاص فلس ماهی، از بسیاری از این مشکلات جلوگیری میکند. پس از یک فرآیند تمیزکردن پیچیده برای حذف چربی، رنگ و کلسیم ناخواسته، فلس‌های ماهی با استفاده از فرکانس‌های مشابه مایکروویوهای خانگی معمولی در عرض ۱۰ ثانیه به CNO تبدیل میشوند. این نرخ تبدیل سریع به کلاژن موجود در فلس ماهی نسبت داده میشود که امواج مایکروویو را به سرعت جذب میکند و منجر به افزایش بسیار سریع دما میشود. این فرآیند علاوه بر تولید CNO با بلورینگی بسیار بالا، باعث میشود که سطح CNO به طور انتخابی و کامل با گروه‌های (-COOH) و (-OH) عامل‌دار شود. هنگامی که سطح CNO عامل‌دار نشده‌است، نانوساختارها تمایل دارند به هم بچسبند و پراکندگی آنها در حلال‌ها را دشوار میکند. با این حال، از آنجایی که فرآیند سنتز پیشنهادی CNOهای عامل‌دار را تولید میکند، امکان پراکندگی عالی در حلال‌های مختلف را فراهم میکند. از مزایای دیگر عامل‌دارشدن و بلورینگی بالا، خواص نوری استثنایی است. CNO مشتق‌شده از ضایعات، فوتولومینسانس قابل مشاهده با عرض انتشار باریک کمتر از ۹۰ نانومتر و بازده کوانتومی بسیار عالی ۴۰٪ (یعنی احتمال فلورسانس یا فسفرسانس یک مولکول) را نشان داد. این بازده ۱۰ برابر بیشتر از CNO های موجود است که به طور معمول با استفاده از روشهای پیچیده‌تر تهیه میشوند.
برای نمایش برخی از کاربردهای عملی متعدد CNO های تولیدشده، محققان از یک فرآیند ساده‌ی ریخته‌گری نواری سه‌مرحله‌ای برای ایجاد یک فیلم انعطاف‌پذیر استفاده کردند که نور آبی ساطع میکرد. انتشار درخشنده‌ی حالت جامد تحت تابش فرابنفش حتی در غلظت‌های کم CNOها (۲ میلی‌گرم در میلی‌لیتر) رخ داد. سپس فیلم را به یک LED تبدیل کردند که هنوز نور آبی از خود ساطع میکرد که به CNO های فعال نسبت داده میشد.
در مقاله‌ای در مجله Cosmos، تاکاشی شیرای، دانشیار مؤسسه فناوری ناگویا، نتیجه‌گیری میکند: «این یافته‌ها راه‌های جدیدی را برای توسعه نمایشگرهای نسل بعدی و نورپردازی حالت جامد باز خواهند کرد.»
مقاله‌ی مرجع:
یافتن راه‌هایی برای استفادهی مجدد از ضایعات غذایی، یکی از راه‌های مبارزه با این ضرر است. به عنوان مثال، مواد زاید زیستی به دست آمده از صنعت ماهی به عنوان یک ماده‌ی اولیه‌ی جدید برای اهداف مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. در حال حاضر، حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد از محصولات جانبی ماهی و غذاهای دریایی، از جمله احشاء، پوست، استخوان‌ها، فلس‌ها، گوشت، باله‌ها و پوسته‌ها، در طی فرآوری ماهی هدر میرود. با این حال، این محصولات جانبی منبع غنی کربن، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد هستند. آنها همچنین حاوی مقدار زیادی کلاژن، پروتئین خام و آمینو اسیدها هستند.
محققان، مواد سرامیکی پیشرفته‌ی با ارزشی را از این محصولات جانبی به دست آورده‌اند، به عنوان مثال، بیوسرامیک‌های فسفات کلسیم از ضایعات استخوان ماهی سالمون. اکنون، در یک مطالعه اخیر، محققان موسسه فناوری ناگویا در ژاپن، نانو پیازهای کربنی با بلورینگی بالا (CNOs) را با استفاده از پیرولیز مایکروویو یک‌مرحله‌ای فلس‌های ماهی سیاه تولید کردند.
CNO ها یک نانوساختار جدید کربن هستند، متشکل از فولرن‌ها و نانولوله‌های چندجداره که ساختار متحدالمرکزی از پوسته‌های کروی را تشکیل میدهند. لایههای گرافیتی در ساختار از عیوب و حفره‌های زیادی تشکیل شده‌اند که میتوان آنها را با اتم‌ها یا مولکولهای دیگر پر کرد تا به مواد خواص متفاوتی بدهد. به دلیل این تطبیق‌پذیری، CNO ها در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله الکترونیک، فتوولتائیک، کاتالیزور و تشخیص‌های زیست پزشکی، پتانسیل بالایی از خود نشان میدهند.
اولین روش سنتز در مقیاس بزرگ برای CNO ها بیش از یک دهه پس از اینکه CNO ها برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ به عنوان محصول جانبی ساخت کربن سیاه کشف شدند، توسعه یافت. این روش شامل بازپخت یک پیش ماده‌ی نانوالماس تحت خلاء در دمای بالا (۱۵۰۰ درجه‌ی سانتیگراد تا ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتیگراد) بود. اگرچه این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، اما پراکندگی CNO حاصل با این روش در حلال‌های مختلف از نظر قطبیت، یکی از چالشهای پیش رو است. سایر روشهای ساخت CNO عبارتند از تخلیه‌ی قوس (Arc discharge)، رسوب بخار شیمیایی (Chemical vapor deposition)، کاشت یون (Ion implantation)، کند و سوز لیزری (Laser ablation) و پیرولیز حرارتی فاز مایع (Liquid phase-thermal pyrolysis). مشکل این روش‌ها، علاوه بر نیاز به دماهای بالا این است که بسیاری از آنها به منابع کربنی پرهزینه، کاتالیزورهای اضافی، اسیدها یا بازهای خطرناک و عملیات‌های ثانویه برای بهبود خواص نیاز دارند. از مشکلات دیگر میتوان به آلودگی و بلورینگی کم اشاره کرد.
فرآیند سنتز یک‌مرحله‌ای جدید محققان ناگویا، با بهره‌گیری از ترکیب خاص فلس ماهی، از بسیاری از این مشکلات جلوگیری میکند. پس از یک فرآیند تمیزکردن پیچیده برای حذف چربی، رنگ و کلسیم ناخواسته، فلس‌های ماهی با استفاده از فرکانس‌های مشابه مایکروویوهای خانگی معمولی در عرض ۱۰ ثانیه به CNO تبدیل میشوند. این نرخ تبدیل سریع به کلاژن موجود در فلس ماهی نسبت داده میشود که امواج مایکروویو را به سرعت جذب میکند و منجر به افزایش بسیار سریع دما میشود. این فرآیند علاوه بر تولید CNO با بلورینگی بسیار بالا، باعث میشود که سطح CNO به طور انتخابی و کامل با گروه‌های (-COOH) و (-OH) عامل‌دار شود. هنگامی که سطح CNO عامل‌دار نشده‌است، نانوساختارها تمایل دارند به هم بچسبند و پراکندگی آنها در حلال‌ها را دشوار میکند. با این حال، از آنجایی که فرآیند سنتز پیشنهادی CNOهای عامل‌دار را تولید میکند، امکان پراکندگی عالی در حلال‌های مختلف را فراهم میکند. از مزایای دیگر عامل‌دارشدن و بلورینگی بالا، خواص نوری استثنایی است. CNO مشتق‌شده از ضایعات، فوتولومینسانس قابل مشاهده با عرض انتشار باریک کمتر از ۹۰ نانومتر و بازده کوانتومی بسیار عالی ۴۰٪ (یعنی احتمال فلورسانس یا فسفرسانس یک مولکول) را نشان داد. این بازده ۱۰ برابر بیشتر از CNO های موجود است که به طور معمول با استفاده از روشهای پیچیده‌تر تهیه میشوند.
برای نمایش برخی از کاربردهای عملی متعدد CNO های تولیدشده، محققان از یک فرآیند ساده‌ی ریخته‌گری نواری سه‌مرحله‌ای برای ایجاد یک فیلم انعطاف‌پذیر استفاده کردند که نور آبی ساطع میکرد. انتشار درخشنده‌ی حالت جامد تحت تابش فرابنفش حتی در غلظت‌های کم CNOها (۲ میلی‌گرم در میلی‌لیتر) رخ داد. سپس فیلم را به یک LED تبدیل کردند که هنوز نور آبی از خود ساطع میکرد که به CNO های فعال نسبت داده میشد.
در مقاله‌ای در مجله Cosmos، تاکاشی شیرای، دانشیار مؤسسه فناوری ناگویا، نتیجه‌گیری میکند: «این یافته‌ها راه‌های جدیدی را برای توسعه نمایشگرهای نسل بعدی و نورپردازی حالت جامد باز خواهند کرد.»
مقاله‌ی مرجع:
The paper, published in Green Chemistry, is “Fabrication of ultra-bright carbon nano-onions via a one-step microwave pyrolysis of fish scale waste in seconds” (DOI: ۱۰.۱۰۳۹/D۱GC۰۴۷۸۵J).
منبع خبر:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
در جست‌وجوی استحکام: آیا اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت خواص کاربیدهای سیمانی چاپ شده با پرینت سه بعدی را بهبود میبخشد؟
| تاریخ ارسال: 1402/7/15 |
در جست‌وجوی استحکام: آیا اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت خواص کاربیدهای سیمانی چاپ شده با پرینت سه بعدی را بهبود میبخشد؟
بهبود سرعت، کاهش هزینه و انرژی مصرفی فرآیند ساخت، برای تولیدکنندگان، به‌ویژه موارد مرتبط با مواد سخت مانند کاربیدهای سیمانی، اهمیت ویژه‌ای دارد.
کاربیدهای سیمانی، کامپوزیت‌هایی با زمینه‌ی فلزی هستند که به دلیل سختی، مقاومت در برابر سایش و استحکام شکست بالا، به طور گسترده به عنوان مواد ابزار برش استفاده میشوند. یکی از انواع اصلی کاربیدهای سیمانی مورد استفاده،کاربید تنگستن-کبالت سیمانی است، که در آن کبالت فاز سیمان بین دانه‌های کاربید تنگستن است. قطعات کاربید سیمانی به طور سنتی از طریق فرآیندهای ماشینکاری تفریقی شکل میگیرند، اما به دلیل سختی بالای مواد، اجرای این فرایندها دشوار است. به همین دلیل، در سال‌های اخیر، محققان در ابعاد دولتی، صنعتی و دانشگاهی در حال بررسی استفاده از فرآیندهای ساخت افزایشی برای تولید قطعات کاربید سیمانی هستند.
بعضی از این روش‌ها حتی به مرحله‌ی تجاری نیز رسیده‌اند، به عنوان مثال در آوریل سال ۲۰۲۲، شرکت چند‌ملیتی (Sandvik) واقع در کشور سوئد از کاربیدهای سیمانی با قابلیت تولید به روش پرینت سهبعدی رونمایی کرد.
کاربیدهای سیمانی، کامپوزیت‌هایی با زمینه‌ی فلزی هستند که به دلیل سختی، مقاومت در برابر سایش و استحکام شکست بالا، به طور گسترده به عنوان مواد ابزار برش استفاده میشوند. یکی از انواع اصلی کاربیدهای سیمانی مورد استفاده،کاربید تنگستن-کبالت سیمانی است، که در آن کبالت فاز سیمان بین دانه‌های کاربید تنگستن است. قطعات کاربید سیمانی به طور سنتی از طریق فرآیندهای ماشینکاری تفریقی شکل میگیرند، اما به دلیل سختی بالای مواد، اجرای این فرایندها دشوار است. به همین دلیل، در سال‌های اخیر، محققان در ابعاد دولتی، صنعتی و دانشگاهی در حال بررسی استفاده از فرآیندهای ساخت افزایشی برای تولید قطعات کاربید سیمانی هستند.
بعضی از این روش‌ها حتی به مرحله‌ی تجاری نیز رسیده‌اند، به عنوان مثال در آوریل سال ۲۰۲۲، شرکت چند‌ملیتی (Sandvik) واقع در کشور سوئد از کاربیدهای سیمانی با قابلیت تولید به روش پرینت سهبعدی رونمایی کرد.
تصویری از قطعه‌ی کاربید سیمانی تولید شده به روش پرینت سهبعدی توسط شرکت (Sandvik)
تکنیک پاشش چسب (Binder Jetting) یکی از روشهای اصلی ساخت افزایشی برای تولید قطعات کاربید سیمانی است. در این روش، عامل چسب مایع به طور انتخابی رسوب داده میشود تا پودر‌ها را به یک دیگر متصل کند و از این طریق یک قطعه‌ی سهبعدی شکل میگیرد. در مرحله‌ی بعد، به منظور بهبود استحکام، قطعه‌ی پرینت‌شده تحت عملیات پخت قرار میگیرد و در نهایت با تکنیک‌های برگرفته‌شده از متالورژی پودر، فرایند‌های بایندرزدایی و زینتر روی قطعه اعمال میشود.
اندازه‌‌دانه‌ی کاربیدهای سیمانی یک ویژگی مهم است که باید در حین فرایند پرینت سهبعدی مورد توجه واقع شود. در پژوهشی که اخیرا صورت گرفته‌است، محققان شرکت (Global Tungsten & Powders Corp) توضیح میدهند که طبق مطالعات انجام‌شده، در حالی که قطعات کاربید سیمانی با ریزساختار دانه‌ای دوگانه، سختی خوب و مقاومت در برابر سایش بالا را نشان میدهند، اما این قطعات در مقایسه با کاربیدهای سیمانی تولیدشده معمولی با اندازهدانه یکنواخت، استحکام گسیختگی عرضی کمتری دارند. با توجه به این نتایج، محققان قطعات تولیدشده به روش پرینت سهبعدی با اندازه‌‌دانه‌ی یکنواخت را به منظور تجزیه و تحلیل اثر یکنواختی اندازهدانه بر خواص، بررسی‌کردند. آنها از پودرهای کاربید تنگستن-کبالت کروی پیش آلیاژ شده با ۱۰ و ۱۲ درصد وزنی کبالت برای ایجاد قطعات کاربید سیمانی استفاده کردند. بایندر مورد استفاده در فرآیند پرینت دی اتیلن گلیکول مونو اتیل اتر مبتنی بر آب بود که توسط شرکت (ExOne Inc) فراهم شده‌بود. پس از پرینت، قطعات با حرارت‌دادن تا دمای ۲۰۰ درجه‌ی سانتیگراد در هوا پخته شدند. سپس بایندر زدایی شدند و در نهایت در حضور فشار خارجی که توسط گاز آرگون اعمال میشد زینتر شدند.
خواص سایشی نمونه‌های زینترشده با استفاده از روشهای تست ASTM B۶۱۱ (سایش بیشتر) و ASTM G۶۵ (سایش کمتر) تعیین شد. ASTM B۶۱۱ شامل فشاردادن یک ماده‌ی ساینده (در این مورد آلومینا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ فولادی است. ASTM G۶۵ شامل فشاردادن ماسه خشک (سیلیکا) بر روی نمونه‌ی آزمایشی با چرخ لاستیکی است. نتایج آزمایش نشان داد که سختی، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر سایش کاربیدهای سیمانی پرینت سه بعدی، با قطعات تولید شده‌ی معمولی تطابق دارد. با این حال، استحکام گسیختگی عرضی گزارش‌شده، در حدود کران پایین بازه‌ی استحکام گسیختگی عرضی نمونه‌های تولید شده به روش معمولی باقی ماند.
علیرغم نتیجه‌ی نامطلوب در مورد استحکام گسیختگی عرضی، محققان همچنان این آزمایش را موفقیت آمیز می‌دانستند:
«پودرهای جدید قابلیت پرینت و زینتر عالی و همچنین استحکام خوبی را پس از پخت نشان دادند. بنابراین این قطعات نشان‌دهنده‌ی مزایای ارائه شده توسط BJ۳DP (چاپ سه بعدی پاشش چسب) هستند.»
مقاله مرجع:
International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, “Coarse cemented carbide produced via binder jetting ۳D printing” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.ijrmhm.۲۰۲۲.۱۰۶۰۱۶).
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
مدلسازی فراگیر ما را به سمت زیرکونیای حافظه‌دار جدید با خواص همتا با آلیاژهای حافظه‌دار می‌برد
| تاریخ ارسال: 1402/7/3 |
مدلسازی فراگیر ما را به سمت زیرکونیای حافظه‌دار جدید با خواص همتا با آلیاژهای حافظه‌دار می‌برد
دیاگرام‌ها نمایانگر دو ساختار اتمی متفاوت از یک زیرکونیای حافظه‌دار جدید هستند. یک عامل خارجی مثل تغییر دما میتواند باعث انتقال بین دو حالت بالا باشد
با اینکه سرامیک‌ها همواره به‌طور سنتی به‌سختی خود معروف بوده‌اند، این سختی به قیمت چقرمگی شکست پایین آنها تمام‌شده است. همان پیوندهای بین‌اتمی که باعث استحکام سرامیک‌هاست باعث میشوند سرامیک‌ها تغییر فرم پلاستیک را مانند فلزات و مواد پلاستیکی تجربه نکنند.
در دهه‌های اخیر محققین بهصورت فعال روش‌هایی برای غلبه بر تردی سرامیک‌ها و در عین حال حفظ استحکام و مقاومت شیمیایی و حرارت آنها بدست آورده‌اند. توسعه فناوری سرامیکهای حافظه‌دار هم یکی از نمونه‌های بسیار مفید همین تحقیقات بوده است.
مواد حافظه‌دار موادی هستند که میتوانند شکل درونی خود را تحت تأثیر شرایط خارجی مثل دما، نور، رطوبت، اسیدیته و یا حتی الکتریسیته بازیابی کنند. آلیاژهای فلزی اولین مواد شناخته‌شده بودند که این خاصیت حافظه‌دار بودن را از خود نشان دادند. محققین تاکنون بسیاری از مواد حافظه‌دار پلیمری و پلیمری کامپوزیتی را نیز شناسایی کرده‌اند. خاصیت حافظه‌دار بودن براساس ماده‌ای تعریف میشود که تحت تأثیر یک تغییر فاز با اعمال تغییرات خارجی قرار میگیرد. درمورد مواد حافظه‌دار پلیمری، با توجه به شبکه‌های الاستیسیته درونی آنها، تغییر فاز بین حالت سفت و نرم میتواند توسط ابزارهای مختلفی ایجاد شود. درمورد آلیاژهای حافظه‌دار این حالت براساس ماده‌ای با دو ساختار کریستالی پایدار تعریف میشود. یکی فاز دما بالای آستنیتی و دیگری فاز دما پایین مارتنزیتی.
سرامیک‌ها هم مثل آلیاژها دارای ساختار کریستالی متفاوت در فازهای حالت‌جامد مختلف خود هستند. این شباهت بین آلیاژها و سرامیک‌ها علی‌الخصوص سرامیکهای پایه زیرکونیا منجر به موفقیت در توسعه سرامیکهای حافظه‌دار توسط اعمال استراتژی مشابه آلیاژها در آنها شده است.
برای مثال وقتی آلیاژها و سرامیک‌ها تحت تأثیر تغییر فاز از یک‌فاز جامد به فاز دیگر قرار میگیرند یک‌لایه میانی دارای تنش که باعث جدا شدن دو فاز میشود به وجود می‌آید. این کرنش در شبکه کریستالی میتواند باعث شکست پیوند بهصورت مخرب در شبکه شود. برای کاهش این کرنش محققین تلاش میکنند که از طریقی سازگاری هندسی فازهای مختلف را بهبود بخشند مثل دوپ کردن. در نتیجه کرنش بین قسمت تغییر فاز یافته و قسمت تغییر فاز نیافته‌ی زمینه کاهش می یابد. این دستاورد برای بهبود فرایند تغییر فاز در فلزات بسیار مفید بوده است. برخی آلیاژهای حافظه‌دار میتوانند تحت تأثیر میلیون‌ها چرخه تبدیل فاز قرار گیرند بدون اینکه دچار شکست شوند. با این حال حتی وقتی سازگاری هندسی یک سرامیک حافظه‌دار بهبود پیدا میکند بازهم معمولاً پس از تنها چند هزار چرخه تغییر فاز دچار ترک میشود و یا حتی در صورت استفاده از عناصر دوپ کننده اشتباه دچار نتایج انفجاری شود.
در مقاله جدید محققین از مرکز تکنولوژی ماساچوست با کمک مدلسازی چندحالته توانسته‌اند پایداری سرامیکهای حافظه‌دار را بهبود ببخشند. آن‌طور که در این مقاله توضیح داده‌شده است سازگاری ساختار شبکه به‌تنهایی بیانگر موفقیت در تغییر فاز نیست بلکه عوامل دیگری مثل اصطکاک در قسمت متحرک نیز نقش بسیار اساسی دارد.
درنتیجه آنها مهندسی شبکهی قدیمی و سنتی را توسط ابزارهای مدرن متعددی بهبود و گسترش دادند. ابزارهایی مثل محاسبات ترمودینامیکی، فیزیک تغییر فاز، محاسبات کریستالوگرافی و استفاده از ماشین لرنینگ. این مدلسازی چند حالته باعث شد ترکیب جدید زیرکونیایی (ZrO۲–TiO۲–[AlO۱.۵– CrO۱.۵]) بدست آید که خواصی همپا با برخی از آلیاژهای حافظه‌دار را به نمایش گذاشت.
به‌عنوان مثال این زیرکونیای حافظه‌دار مقادیر هیسترزیس پایین در حد k۱۵ (هیسترزیس به اختلاف دمای بین گرم کردن و سرد کردن مربوط میشود) را ثبت کرد. این یعنی ده برابر کمتر از هیسترزیس حالت عادی و تقریباً ۵ برابر کمتر از بهترین رکوردهای ثبت‌شده تا الان. ثبت این مقدار هیسترزیس پایین در نمونه‌ای که به‌طور کامل از حالت مونوکلینیک و تتراگونال خود عبور کرد نیز مشاهده‌شده بود که بیانگر موفقیت در کاهش عدم انطباق حجمی در ساختار بوده است.
بعلاوه اندازه‌گیری‌های مربوط به پارامتر شبکه نشان میدهد که زیرکونیا حین تغییر فاز تحت تأثیر کرنش‌هایی در حد ۱۰ درصد با هیسترزیس پایین بوده است. این نشان میدهد که هیسترزیس بهبودیافته تنها با کاهش کرنش تغییر فاز بدست نمی‌آید بلکه توسط ایجاد سازگاری و هماهنگی هندسی بیشتر قابل حصول است.
در مقاله یادآوری شده است که کشف زیرکونیای جدید حافظه‌دار تنها با ایجاد تغییرات شیمیایی صورت گرفته و با حفظ ثبات در شرایط فرایند همراه بوده است و با توجه به اینکه هیسترزیس میتواند متأثر از شرایط فرایند هم باشد، ترکیب بهینه‌ی بدست آمده در صورت بهینه‌سازی شرایط فرایند میتواند کاهش شدیدتر مقادیر هیسترزیس را هم به دنبال داشته باشد.
این یک پتانسیل خیلی خوب برای کاربردهای سرامیکهای حافظه‌دار میتواند باشد. کاربردهایی مثل محرک‌هایی که جریان هوا را به‌طور مستقیم به داخل موتور جت می‌فرستند. همانطور که MIT گزارش میکند: وقتی محیط بسیار داغ است کانال‌های متعدد جریان هوا توسط یک سرامیک حافظه‌دار هوای داغ یا سرد را به داخل دستگاه هدایت میکنند.
محققین تصمیم دارند با پیدا کردن روشهای نوین برای تولید این سرامیک‌ها با مقیاس بالاتر و اشکال پیچیده‌تر و درعین‌حال ارزیابی آنها از نظر پایداری تحمل چرخه‌های متعدد تغییر فاز به کشف و توسعه این مواد جدید ادامه دهند.
The paper, published in Nature, is “Low-hysteresis shape-memory ceramics designed by multimode modelling” (DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۵۸۶-۰۲۲-۰۵۲۱۰-۱).
منبع:
ترجمه: مهندس نازنین فرمانی، دانشگاه علم و صنعت ایران
معرفی روشی نوین برای تولید سیم، میله و لوله‌های نانو بور با کمک لیزر در دماهای بالا
| تاریخ ارسال: 1402/6/5 |
معرفی روشی نوین برای تولید سیم، میله و لوله‌های نانو بور با کمک لیزر در دماهای بالا
.jpg)
تصاویر رسم‌شده از انواع نانومواد بور صفر، یک و دو بعدی، مانند: نانوکلاستر‌ها، نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها، نانوتسمه‌ها، نانوروبان‌ها و نانوصفحات. (مرجع: کندو، علم و تکنولوژی مواد پیشرفته)
در دنیای نانومواد دوبعدی، نانوساختارهای کربنی منحصر به فرد هستند زیرا بسیاری از نانوسیستم‌های پیشرفته‌ی دیگر، ترکیبات چند عنصری هستند (مانند نیترید بور شش‌ضلعی و مکسین‌ها). کربن به طور طبیعی و به هنگام اتصال به خود در ساختارهای صاف و لایه‌ای شکل میگیرد. این موضوع امکان توسعه‌ی آسان ورقه‌های آزاد و بادوام کربنی را فراهم میکند. در مقابل، سایر سیستم‌های تک عنصری، مانند سیلیسین (سیلیکون دوبعدی) و فسفرن (فسفر دوبعدی)، ترجیح میدهند به شکل کمانش یا موجدار باند شوند، که برای توسعه‌ی ورق‌های پایدار مناسب نیست.
با وجود ضعف در پایداری مکانیکی، این دسته از نانومواد با خواص ویژه‌ای که دارند، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. به عنوان مثال، بور دارای ویژگی طبیعی و منحصر به فرد کمبود الکترون است که به آن اجازه میدهد تا پیکربندی‌های ساختاری پیچیده‌ای داشته باشد. به این ترتیب، بور تحرک ساختاری بسیار بیشتری نسبت به کربن ارائه میکند، که محققان انتظار دارند سازگاری آن با دستگاه‌ها و کاربردهای مختلف را ساده‌تر کند. (در حالی که تصور ساختارهای مسطح‌تر با بور امکانپذیر است، اغلب منجر به پیوندهای آویزان میشود که بور دوبعدی را مستعد اکسیدشدن سریع در هوا میکند. از سوی دیگر، محققان نشان دادهاند که تشکیل شبکه‌های متشکل از پیکربندی‌های ساختاری متعدد میتواند به نانومواد بسیار پایدار منجر شود.)
مانند نانومواد کربنی، نانومواد بور معمولاً از طریق روش‌هایی مانند رسوب شیمیایی بخار (CVD)، سنتز تخلیه قوس الکتریکی (Arc-discharge synthesis) و آسیاب بال‌میل (Ball milling) تشکیل میشوند. با این حال، در دهه‌ی گذشته، اکتشافات محاسباتی و شبیه‌سازی شده نانومواد بور بر مطالعات تجربی غالب شده است، به این معنی که چنین موادی هنوز تا معرفی تجاری فاصله‌ی زیادی دارند.
در مقاله‌ای که با دسترسی آزاد اخیرا منتشر شد، گروهی بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه کوازولو-ناتال در آفریقای جنوبی نشان دادند که روشی را که قبلاً برای سنتز نانومیله‌های دی سولفید مولیبدن به کار می‌بردند "کندوسوز لیزر دو پالسی" (double-pulse laser ablation) میتواند برای سنتز نانومواد بور نیز استفاده شود.
کندوسوز لیزری نوعی رسوب فیزیکی بخار (PVD) است. در این روش از پرتو لیزر برای تبخیر سطح یک ماده جامد استفاده میشود. اتم‌ها و کلاستر‌های حاصل، که توسط فوتون‌ها در پالس لیزر انرژی میگیرند، یک ستون پلاسما را تشکیل میدهند که به سمت بیرون منبسط میشود و نانوذرات را روی یک بستر رسوب میدهد.
کنترل توزیع اندازهدانه، تراکم و ساختار کریستالی در فرآیند فرسایش لیزری معمولی دشوار است. خوشبختانه، تکنیک‌های لیزری پیشرفته مانند کندوسوز لیزر دو پالسی، میتواند کنترل مورفولوژی را بهبود بخشد.
با وجود ضعف در پایداری مکانیکی، این دسته از نانومواد با خواص ویژه‌ای که دارند، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. به عنوان مثال، بور دارای ویژگی طبیعی و منحصر به فرد کمبود الکترون است که به آن اجازه میدهد تا پیکربندی‌های ساختاری پیچیده‌ای داشته باشد. به این ترتیب، بور تحرک ساختاری بسیار بیشتری نسبت به کربن ارائه میکند، که محققان انتظار دارند سازگاری آن با دستگاه‌ها و کاربردهای مختلف را ساده‌تر کند. (در حالی که تصور ساختارهای مسطح‌تر با بور امکانپذیر است، اغلب منجر به پیوندهای آویزان میشود که بور دوبعدی را مستعد اکسیدشدن سریع در هوا میکند. از سوی دیگر، محققان نشان دادهاند که تشکیل شبکه‌های متشکل از پیکربندی‌های ساختاری متعدد میتواند به نانومواد بسیار پایدار منجر شود.)
مانند نانومواد کربنی، نانومواد بور معمولاً از طریق روش‌هایی مانند رسوب شیمیایی بخار (CVD)، سنتز تخلیه قوس الکتریکی (Arc-discharge synthesis) و آسیاب بال‌میل (Ball milling) تشکیل میشوند. با این حال، در دهه‌ی گذشته، اکتشافات محاسباتی و شبیه‌سازی شده نانومواد بور بر مطالعات تجربی غالب شده است، به این معنی که چنین موادی هنوز تا معرفی تجاری فاصله‌ی زیادی دارند.
در مقاله‌ای که با دسترسی آزاد اخیرا منتشر شد، گروهی بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه کوازولو-ناتال در آفریقای جنوبی نشان دادند که روشی را که قبلاً برای سنتز نانومیله‌های دی سولفید مولیبدن به کار می‌بردند "کندوسوز لیزر دو پالسی" (double-pulse laser ablation) میتواند برای سنتز نانومواد بور نیز استفاده شود.
کندوسوز لیزری نوعی رسوب فیزیکی بخار (PVD) است. در این روش از پرتو لیزر برای تبخیر سطح یک ماده جامد استفاده میشود. اتم‌ها و کلاستر‌های حاصل، که توسط فوتون‌ها در پالس لیزر انرژی میگیرند، یک ستون پلاسما را تشکیل میدهند که به سمت بیرون منبسط میشود و نانوذرات را روی یک بستر رسوب میدهد.
کنترل توزیع اندازهدانه، تراکم و ساختار کریستالی در فرآیند فرسایش لیزری معمولی دشوار است. خوشبختانه، تکنیک‌های لیزری پیشرفته مانند کندوسوز لیزر دو پالسی، میتواند کنترل مورفولوژی را بهبود بخشد.
.jpg)
شماتیک تشکیل نانوذرات از طریق روش سنتز " کندوسوز لیزری"
(مرجع: Kim et al., KONA Powder and Particle Journal (CC BY ۴.۰)
در این مطالعه‌ی جدید، محققان از پالس های لیزری با طول موج های ۱۰۶۴ و ۵۳۲ نانومتر، با نرخ تکرار پالس ۱۰ هرتز و از گاز آرگون برای کندکردن انبساط ستون قطع شده با لیزر و کمک به حمل نانومواد تشکیل‌شده به پشت لوله‌ی کوارتز که آزمایش در آن انجام شد، استفاده کردند.
مشاهده‌شد که شرایط ترمودینامیکی بر نوع نانوساختار بور تأثیرگذار است. آزمایش‌هایی در ۸۰۰ درجه سانتیگراد، ۹۰۰ درجه سانتیگراد و ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام شد و به ترتیب نانومیله‌های بور، نانوسیم‌های بور و نانولوله‌های بور مانند بامبو را تشکیل دادند.
تجزیه و تحلیل مورفولوژی میله، سیم، و لوله ساختارهایی با قطر جانبی بین ۱۰-۱۰۰ نانومتر و با طول های ۰.۲-۱.۵ میکرومتر را نشان داد. تمام این نانوساختارها خواص الکتریکی و نوری بهتری را نسبت به بالک بور مرجع از خود نشان دادند.
نتایج این پژوهش نشان میدهد که «تکنیک کندوسوز لیزری، هنگامی که با یک کوره‌ی لوله‌ای با دمای بالا ترکیب میشود، روشی منحصر به فرد برای تولید نانومواد جدید است».
مقاله مرجع:
physica status solidi (a) – applications and materials science, is “High temperature laser assisted synthesis of boron nanorods, nanowires and bamboo-like nanotubes” (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/pssa.۲۰۲۲۰۰۴۶۴).
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف
کاربید سیلیکون تک لایه با هر دو روش سنتز از بالا به پایین و پایین به بالا به دست می آید
| تاریخ ارسال: 1404/4/11 |
شکل ۱
(سمت چپ) شماتیک که ساختار لانه زنبوری کاربید سیلیکون تک لایه را به تصویر می کشد. (راست) تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری کاربید سیلیکون تک لایه.
https://doi.org/۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳
https://doi.org/۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹
کاربید سیلیکون به خاطر خواص مکانیکی استثنایی خود در دنیای سرامیک شناخته شده است. ترکیب سختی بالا، استحکام زیاد و چگالی کم آن تقریبا بی نظیر است. امکان تکرار این ویژگی ها در دو بعد، مورد علاقه شدید پژوهشگران قرار گرفته است. اما سنتز کاربید سیلیکون دو بعدی نشان داده که یک چالش بزرگ است .دلیل این چالش تا حدی به دلیل ترجیحات پیوند شیمیایی مختلف بین سیلیکون و کربن است.
کربن هنگام پیوند با خود، به طور طبیعی در ساختارهای مسطح و لایه ای تشکیل می شود. هیبریداسیون (sp۲)، برعکس آن، سیلیکون ترجیح می دهد به شکل کمانش یا راه راه بپیوندد (هیبریداسیون sp۳). محاسبات پایه ای پیش بینی می کند که کاربید سیلیکون پیوندی (مسطح) sp۲ نه تنها امکان پذیر است، بلکه باید از نظر انرژی مطلوب ترین پیکربندی برای این ماده در دو بعد باشد. با این حال، بیشتر تلاش های تجربی تا به امروز در مورد سنتز کاربید سیلیکون دو بعدی به ساختار لانه زنبوری ایده آل دست پیدا نکرد. دلیل شکست این است که نانوصفحات چند لایه - حتی فقط یک دو لایه - شبیه ساختار کاربید سیلیکون توده ای هستند که از پیوند sp۳ تشکیل شده است. فقط یک تک لایه واقعی از کاربید سیلیکون می تواند ساختار مسطح پایدار را تشکیل دهد.
دو مقاله جدید با موفقیت به کاربید سیلیکون تک لایه دست یافتند و همانطور که در زیر توضیح داده است، آن را، از طریق دو رویکرد کاملا متفاوت به دست اورده اند.
سنتز از بالا به پایین کاربید سیلیکون تک لایه
پژوهشگران دانشگاه نیومکزیکو در ژوئیه ۲۰۲۱، مقاله ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که یک روش از بالا به پایین برای سنتز کاربید سیلیکون تک لایه را توصیف می کند. ترفند استفاده از رویکرد از بالا به پایین این است که کاربید سیلیکون فله دارای پیوند sp۳ است. به این ترتیب، برای جداسازی تک لایه کاربید سیلیکون باید یک تبدیل فاز از پیوند sp۳ به sp۲ وجود داشته باشد. محققان سیلیکون کاربید شش گوشه ای را با استفاده اولتراسونیک حمامی در ایزوپروپیل الکل یاN متیل ۲ پیرولیدون در حمام به مدت ۲۴ ساعت ورقه ورقه کردند. سپس آنها پخش را به مدت تقریباً ۵ دقیقه با سرعت متوسط ۱,۰۰۰ دور در دقیقه در توسط سانتریفیوژ جدا شدند. ورقه های مجزای سیلیکون کاربید روی زیرلایه‌های مختلفی مانند مش کربن سوراخ‌دار یا زیرلایه سیلیکون قرار داده شد و قبل از مشخصه نمایی با میکروسکوپ الکترونی و طیف‌سنجی رامان، در شرایط محیطی خشک شدند.
مشخصه نمایی قطرات تأیید کرد که کاربید سیلیکون تک لایه دارای ساختار صفحه‌ای ثابتی است. تحلیل‌های اضافی مشخصه های نوری ماده نشان داد که نانوصفحات در محدوده مرئی انتشار قوی دارند. پژوهشگران نتیجه گیری کردند“این نتایج نشان میدهد که SiC دوبعدی ممکن است برای دستگاههای تابش نور آبی-سبز، مثل دیودهای ساطع کننده نور، و همچنین مدارهای میکرو/نانو الکترونیکی یکپارچه، مانند چیپ‌های کامپیوتری یکپارچه LED و برپسب زنی زیستی و حس زیستی و استفاده شود”
شکل ۲ (a) عکس‌هایی از فرایند لایه‌برداری و کاربید سیلیکون پراکنده‌شده. (b) تصویر میکروسکوپ نوری از نانوبرگ‌های کاربید سیلیکون تک‌لایه.
https://doi.org/۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹
سنتز از پایین به بالا کاربید سیلیکون تک لایه
در فوریه ۲۰۲۳، پژوهشگران دانشگاه لوند، دانشگاه فناوری چالمرز و دانشگاه لینکاپینگ در سوئد مقاله‌ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که روش از پایین به بالا برای سنتز کاربید سیلیکون تک لایه را توصیف میکند.
فرایند آنها با یک ویفر کاربید سیلیکون به ضخامت ۳۶۰ میکرون آغاز شد، که روی آن فیلمی به ضخامت کمتر از ۳ نانومتر از کاربید تانتالیوم یا کاربید نیوبیوم اسپاتر شد. سپس ویفر پوشش‌دار را به مدت ۱۰ دقیقه در دمای ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد کوره آنیل کردند. در طول فرایند پخت، اتمهای سیلیکون و کربن از ویفر به سطح سیستم کاربید مهاجرت کردند و دوباره چیدمان یافتند تا یک لایه یکنواخت و پایدار از کاربید سیلیکون شکل بگیرد. این ساختار که با اندازه‌گیری‌های طیفی تأیید شد، در دماهای تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد تحت شرایط خلا پایدار باقی‌ماند.
شکل ۳ (الف) تصویر توپوگرافیک میکروسکوپ تونلی روبشی از کاربید سیلیکون تک لایه روی سطح کاربید تانتالیوم. (ب) تصویر پراش الکترونی با انرژی پایین؛ بردارهای معکوس واحد سلولی ۲.۳۲ Å−۱ نشان داده شده‌اند. (ج) نمایش شماتیک ساختار نمونه. (د) تصویر میکروسکوپ عبوری روبشی میدان- تاریک با زاویه بالا از مقطع عرضی رابط کاربید تانتالیوم/کاربید سیلیکون.
https://doi.org/۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳
در حال حاضر، کاربید سیلیکون تک لایه را نمی‌توان از ماده‌ی زیرین خود جدا کرد زیرا با شدت با لایه‌ی کاربید فلزی که روی آن قرار دارد، به شدت واکنش نشان می دهد. پژوهشگران خاطر نشان میکنند که آزمایش‌های آینده احتمالاً به بررسی راه‌هایی برای جداسازی کاربید سیلیکون تک لایه از زیرلایه آن خواهند پرداخت.
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in Nanomaterials, is “The creation of true two-dimensional silicon carbide” (DOI: ۱۰.۳۳۹۰/nano۱۱۰۷۱۷۹۹).
The open-access paper, published in Physical Review Letters, is “Bottom-up growth of monolayer honeycomb SiC” (DOI: ۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۰.۰۷۶۲۰۳).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/monolayer-silicon-carbide-achieved-with-both-top-down-and-bottom-up-synthesis-methods/
تولید کاشی و سرامیکهای زیستی از طریق فعالیت میکروبی
| تاریخ ارسال: 1404/3/18 |
شکل ۱ [تصویر بالا] کاشی و سرامیک هایی که از طریق فعالیت میکروبی رشد می کنند، در مقایسه با سرامیک های معمولی کوره ای دی اکسید کربن کمتری را در طول فرآیند تولید در جو آزاد می کنند. اما این فرآیند باید بهینه شود تا اطمینان حاصل شود که کاشی ها دارای خواص مکانیکی کافی هستند.
https://pxhere.com/en/photo/۹۴۷۰۰۴
عبارت چیزی را از زمین خالی یا هیچ به وجود آوردن یک عبارت معمولا مجازی است. اما دیلون رندال دانشیار مهندسی عمران در دانشگاه کیپ تاون آفریقای جنوبی، آجرهای ساخته است که مجازی نیست بلکه واقعا همین طور است.
رندال و دانشجویانش در سال ۲۰۱۸، با استفاده از رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی (MICP) در دمای اتاق، آجر تولید کردند. یک فرآیند زیست تقلیدی است که به کنش متابولیکی میکروارگانیسم ها برای تشکیل کربنات کلسیم متکی است. از این فرآیند دراصل برای بهبود خواص خاک استفاده می کنند، اما رندال و دانش جویانش از آن برای اتصال دانه های شن و ماسه به یکدیگر استفاده کردند و در نتیجه یک آجرساختند.
در سال ۲۰۱۸، آجرهای زیستی که رندال و دانشجویانش در فرآیند رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی استفاده کردند به دلیل یک عنصر کلیدی خبرساز شد. این عنصر کلیدی ادرار انسان بود. ادرار منبع اوره انها بود که، یک ترکیب آلی و محصول پسماندی است و توسط بسیاری از موجودات زنده می شود. در فرآیند رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی، میکروارگانیسم ها آنزیمی به نام اوره آز تولید می کنند که اوره را به یون های کربنات تجزیه می کند. این یون ها با یون های کلسیم اضافی ترکیب می شوند و کربنات کلسیم را تشکیل می دهند. در حالی که آجرهای زیستی در مقایسه با آجرهای کوره ای مزایای متعددی مانند کاهش انتشار دی اکسید کربن در جو در طول فرآوری دارند، تک تک آجرها، جداگانه تولید می شد. روشی برای تولید چندین آجر در آن واحد لازم است تا فرآیند تجاری سازی سرعت بگیرد.
تکنیک غرقه سازی که توسط ژائو و همکاران در سال ۲۰۱۴ برای ستون های زیستی ایجاد شد، توان افزایش تولید مواد زیستی مبتنی بر رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی را دارد. در این روش، فرآیند رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی داخل یک قالب انعطاف پذیر با تماس کامل انجام می شود تا واکنش بین میکروارگانیسم ها و واسطه سیمانی (مثلا ماسه) را افزایش دهد. در سال ۲۰۲۰، چنگ و همکاران از تکنیک غرقه سازی برای تولید همزمان آجر زیستی استفاده کردند. اما آنها متوجه شدند که وسط آجرها از لبه های بیرونی ضعیفتر هستند و نتایج مطالعه قبلی بو و همکاران در سال ۲۰۱۸ تأیید شد.
رندال و همکارانش در یک مقاله جدید با دسترسی آزاد می نویسند: از این رو، تولید یک ماده زیستی نازک تر، مانند بیوتیل ها، باید امکان انتشار و مقاومت فشاری سازگارتری را فراهم کند. رندال این مقاله را با دانشجوی دکترا به نام اما جین هورن و رابرت هادی، مدیر پروژه توسعه پروپوزال در دانشکده علوم بهداشتی نوشت. هدف آنها رشد کاشی و سرامیک قوی با استفاده از فرآیند سوب کربنات کلسیم با القای میکروبی با تمرکز بر چهار پارامتر کلیدی بود مطالعات قبلی نشان داد این پارامترها تأثیرگذار عمده ای بر خواص نهایی بیومواد مبتنی بر رسوب کربنات کلسیم با القای میکروبی دارند:
غلظت کلسیم
غلظت اوره
توزیع اندازه ذرات مواد سنگدانه ای (در این مورد، ماسه شنی الک نشده)
غلظت منیزیم
شکل ۲ عکس (A) و نمودار شماتیک (B) از قالب بیوتایل، که در آن قاب پرس با مش بالایی با مهره های بال به سمت پایین بسته می شود تا یک بیوتایل با ارتفاع دلخواه فشرده شود. استات شفاف و ژله نفتی دیواره های قالب را پوشانده اند. ابعاد بر حسب میلی متر.
https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.scitotenv.۲۰۲۳.۱۶۵۰۵۰
همانطور که در نمودار زیر مشاهده می شود، محققان پارامترهای لازم برای دستیابی به بیوتیل ها را با مقادیر قابل قبول برای قدرت شکست (۶۳۷ نیوتن ± ۶۰ نیوتن) و مدول گسیختگی (۱۳.۰ نیوتن بر میلی متر مربع ± ۲.۳ نیوتن) تعیین کردند. این مقادیر از استانداردهای مرسوم قدرت شکست (۶۰۰ نیوتن) و مدول گسیختگی (۸ نیوتن بر میلی متر مربع) برای کاشی هایی با جذب آب بالای ۱۰ درصد فراتر می رود.
محققان خاطرنشان می کنند که اوره مصنوعی به عنوان منبع اوره در این مطالعه استفاده شده است، اما آنها اذعان می کنند که ادرار انسان نیز می تواند به عنوان منبع اوره استفاده شود. این [انتخاب ادرار] منجر به بازیافت یک جریان "زباله" دیگر می شود، اما هزینه اضافی دارد. بنابراین پیشنهاد می شود که کارهای آینده به ارزیابی دقیق اقتصادی و چرخه عمر فرآیند پیشنهادی برای طیف وسیعی از محصولات (آجر، سنگفرش، کاشی های سقف و غیره) و شرایط عملیاتی مختلف توجه کند.
شکل ۳ نمودار داده های هر یک از چهار پارامتر کلیدی آزمایش شده را نشان می دهد، خطوط مورب نشان می دهد که حداقل ضخامت (میلی متر) در امتداد لبه شکسته بیوتایل و مقاومت در برابر شکست (n = ۴) و مدول اهداف گسیختگی برآورده می شود. ناحیه قرمز نشان می دهد که هر یک از اهداف در کجا برآورده نمی شوند، مناطق سفید نشان می دهد که یک هدف در کجا مورد برخورد قرار گرفته است، و منطقه سبز نشان می دهد که هر دو هدف در کجا برآورده می شوند. https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.scitotenv.۲۰۲۳.۱۶۵۰۵۰
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in Science of The Total Environment, is “Growing bio-tiles using microbially induced calcium carbonate precipitation” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.scitotenv.۲۰۲۳.۱۶۵۰۵۰).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/growing-the-built-environment-ceramic-tiles-fabricated-via-microbial-activity/
ترجمه: مهندس آیدا صابر، دانشگاه علم و صنعت
کاشی و سرامیک لعاب مسی با باکتری ها از طریق آبگریزی و انحلال یونی مبارزه می کنند
| تاریخ ارسال: 1404/2/24 |
نمونه ای از لعاب های مختلف مسی که محققان در کره جنوبی اخیرا پتانسیل کاشی و سرامیک لعاب مسی را برای حفظ کارایی ضد باکتریایی طولانی مدت نشان دادند. ( Credit: John Britt, YouTube)
همه چیز در محیط ساخته شده، هدفی را دنبال می کند. اما اگر بتواند بیش از یک هدف را در بر بگیرد چه؟ پوشش های سرامیکی راه را برای اینکار باز می کنند. معماران با پوشش دیوارها و سقف ساختمان در یک لایه سرامیکی نازک، این عناصر سازه ای را برای خدمت به بسیاری از اهداف اضافی کاربردی کرده اند. به عنوان مثال، برای مقابله با گرما، کاهش آلودگی هوا و حتی صرفه جویی در انرژی. از پوشش های سرامیکی می توان برای اهداف ضد باکتری و ضد ویروسی نیز استفاده کرد. این بخش از پژوهش کاربردی سازی سطحی، اخیرا به دلیل نگرانی های ناشی از همه گیری ویروس کرونا مورد توجه قرار گرفته است. بسیاری از مطالعات در مورد پوشش های سرامیکی ضد باکتری با نگاهی به غیرفعال کردن یا از کار انداختن عامل بیماری زا به این موضوع ورود کرده اند. با این حال، پوشش هایی که مستقیم با عوامل بیماری زا سروکار دارند ، معمولا از دوام چندانی ندارند و ممکن است به طور ناخواسته به افزایش مقاومت باکتریایی کمک کنند. در عوض، برخی از محققان به دنبال بهبود خواص ضد باکتریایی با القای ابرآبگریزی روی سطح هستند.
ابرآبگریز به موادی اطلاق می شود که از جذب آب گریزان هستند و بسیار سخت رطوبت میگیرند. امید است که پوشش های سرامیکی فوق آبگریز بتوانند چسبندگی باکتری ها را مهار کرده و از تشکیل بیوفیلم های ضخیم در سطح زیرین جلوگیری کنند - بنابراین از طریق مسدود کردن عوامل بیماری زا به جای از بین بردن آن، به عقیم سازی دست می یابند.
در مطالعه ای جدید، سه محقق از شعبه Icheon موسسه مهندسی و فناوری سرامیک کره پتانسیل لعاب های مسی را برای ایجاد کاشی و سرامیک فوق آبگریز بررسی کردند. لعاب های مسی که حاوی اکسید مس سیاه/قرمز، کربنات مس یا سولفات مس هستند، لعاب های چینی سنتی هستند. اتفاقا، مس و آلیاژهای مس مواد ضد میکروبی جامد هستند که به طور گسترده در تولید محصولات ضد باکتری استفاده می شوند. محققان کره ای قبلا گزارش کرده بودند که شرایط اکسیداسیون و کاهش عملیات حرارتی می تواند بر خواص ضد باکتریایی و آبگریزی لعاب های مس تأثیر بگذارد. با این حال، تاکنون دوام لعاب های مسی هنگام اعمال روی کاشی و سرامیک تایید نشده است. در این مطالعه، محققان به طور سیستماتیک خواص ضد باکتریایی کاشی و سرامیک لعاب مسی را با نصب آنها در حمام عمومی بررسی کردند، جایی که هر ۶ ماه یکبار به مدت دو سال مورد ارزیابی قرار گرفتند.کاشی های لعاب دار مسی در مقایسه با لعاب استاندارد بدون مس که هیچ فعالیت ضد باکتریایی علیه باکتری های رایج استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) و اشریشیا کلی (Escherichia coli) نشان ندادند، کاشی های لعاب دار مسی فعالیت ضد باکتریایی در برابر هر دو نوع باکتری بسته به ضخامت لعاب از خود نشان دادند. بهترین نتایج برای لعاب مسی با ضخامت ۲۰۰-۱۵۰ میکرومتر به دست آمد که کارایی ضد باکتریایی را در ۹/۹۹ درصد در برابر هر دو باکتری در تمام دو سال حفظ کرد.
این نتایج با وجود اینکه سطح فقط کمی آبگریز بود به دست آمد (زاویه تماس آب ۰.۴± ۱۰۹.۶ درجه، در مقابل زاویه تماس فوق آبگریز ۱۵۰ درجه). عامل اضافی انحلال یون مس، که باکتری های جذب شده روی سطح را از بین برد ، به موفقیت کمک کرد. ممکن است وسوسه انگیز باشد که بیشتر موفقیت ها را به انحلال یون مس نسبت دهیم. با این حال، محققان نشان دادند که آبگریزی خفیف نقش مهمی به همان اندازه دارد. زیرا لعاب های نازک تر/ضخیم تر با زوایای تماس کوچکتر کارایی ضد باکتریایی یکسانی را حفظ نمی کنند. به عنوان مثال، لعاب های مسی با ضخامت ۲۰۰-۲۵۰ میکرومتر (زاویه تماس ۶۶.۳ درجه ± ۱.۲ درجه) به ترتیب در برابر استافیلوکوکوس اورئوس و اشریشیا کلی تنها ۸۹.۴ و ۸۲.۱ درصد راندمان ضد باکتریایی داشتند. در نهایت، ترکیب آبگریزی و انحلال یون «با هم از تشکیل کلنی های باکتری استافیلوکوکوس اورئوس و اشریشیا کلی در سطح لعاب جلوگیری می کند. این مقاله که در مجله انجمن سرامیک کره منتشر شده است، "ماندگاری ضد باکتریایی کاشی و های سرامیکی با لعاب هیدروفوبی" است.
مقاله مرجع:
Journal of the Korean Ceramic Society, “Antibacterial persistence of hydrophobically glazed ceramic tiles” (DOI: ۱۰.۱۰۰۷/s۴۳۲۰۷-۰۲۲-۰۰۲۱۶-x).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/copper-glazed-ceramic-tiles-combat-bacteria-through-hydrophobicity-and-ion-dissolution//
آیا سنتز الکتروشیمیایی نمک مذاب می تواند پایداری تولید فسفر سفید را بهبود بخشد؟ آیا سنتز الکتروشیمیایی نمک مذاب می تواند پایداری تولید فسفر سفید را بهبود بخشد؟
| تاریخ ارسال: 1404/2/14 |
تصویر یک تکه فسفر سفید در آب را نشان می دهد. فسفر سفید بسیار واکنش پذیر است و اگر در هوا ذخیره شود به طور خود به خود می سوزد.
از کودها و بازدارنده‌های شعله گرفته تا افزودنی‌های غذایی و لوازم الکترونیکی، بسیاری از مواد شیمیایی وجود شان به فسفر سفید بازمی‌گردد. فسفر سفید یا تترافسفر شکل مصنوعی فسفر است که از چهار اتم فسفر تشکیل شده است. این ماده با شکستن سنگ های حاوی فسفات به شکل اولیه تولید می شود که سپس به اسید فسفریک یا سایر ترکیبات فسفر تبدیل می شود (مقدار کمی مستقیماً به عنوان واکنش دهنده استفاده می شود). این توالی کاهش-اکسیداسیون مجدد برای ایجاد محصولات مبتنی بر فسفر برای غلبه بر پایداری باورنکردنی پیوند فسفر-اکسیژن در فسفات طبیعی ضروری است. این پیوند قوی مانع از تبدیل مستقیم سنگ های حاوی فسفات به فسفیت ها یا فسفونات های با ارزش می شود.
با این حال، فرآیند کاهش کربوترمال معمولی برای تولید فسفر سفید دارای ردپای کربن بالایی است. این فرآیند شامل حرارت دادن کک کربن و فسفات تا دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در یک کوره قوس برای شکستن پیوندهای فسفر-اکسیژن قوی است. این واکنش دی اکسید کربن را به عنوان یک محصول جانبی اصلی تولید می کند. همچنین یک سرباره متاسیلیکات کلسیم تولید می کند زیرا کک به طور کامل اکسید نمی شود که حدود ۳۰٪ از انرژی ورودی را هدر می دهد.
امروزه با تمرکز بر کاهش انتشار کربن صنعتی، محققان در حال بررسی راه های جدیدی برای ساخت فسفر سفید هستند. سنتز الکتروشیمیایی نمک مذاب یکی از گزینه های مورد بررسی برای کاهش انتشار کربن است. در این فرآیند با دمای نسبتا پایین، نمک‌های مذاب به عنوان حلال عمل میکنند و با افزایش تحرک واکنش‌دهنده‌ها و سطح تماس بین آنها، سرعت واکنش را افزایش میدهند. سنتز نمک مذاب، از جمله با بازیافت دی اکسید کربن به محصولات جدید، در حال حاضر به عنوان راهی برای بهبود پایداری و اثربخشی هزینه تولید نانوموادمورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به استفاده از آن برای تولید فسفر، سنتز نمک مذاب چندین مانع در واکنش احیای فسفات را برطرف می کند. به طور خاص، انجام واکنش در نمک های مذاب از تکامل هیدروژن انگلی جلوگیری می کند و همچنین از تشکیل رسوبات فسفر قرمز عایق الکتریکی جلوگیری می کند.
در فوریه امسال، محققان مؤسسه فناوری ماساچوست مقاله‌ای با دسترسی آزاد منتشر کردند که در آن جزئیات توسعه فرآیند سنتز نمک مذاب برای تولید فسفر سفید توضیح داده شد. در فرآیند آنها از یک شکل دهیدراته اسید فسفریک استفاده می شود که حاوی زنجیره های طولانی نمک های فسفات است که توسط پیوندهایی به نام انیدرید فسفوریل در کنار هم نگه داشته می شوند. پیوندهای فسفریل انیدرید به طور چشمگیری دمای همجوشی مذاب نمک را از ۱۵۸۳ درجه سانتی گراد برای ارتوفسفات سدیم (Na۳PO۴) به تنها ۶۲۸ درجه سانتی گراد برای متافسفات سدیم ([NaPO۳]n) کاهش می دهد.
شماتیک بریده ای از سلول الکتروشیمیایی نمک مذاب توسط محققان MIT. این سیستم دارای محفظه‌های آندی و کاتدی مجزا با جریان‌های نیتروژن مستقل، یک الکترود Na/Na+ برای استفاده به عنوان مرجع با پتانسیل ثابت، و یک تله سرد برای تعیین مشخصات و کمیت محصول است. (W.E. = الکترود کار)؛ (R.E. = الکترود مرجع)؛ (C.E = الکترود کمکی/شمارنده). میله های گرافیتی برای تمام الکترودها استفاده می شود.
آزمایشات روی این سیستم نمک مذاب توانایی آن را برای دستیابی به تولید بسیار کارآمد و پایدار فسفر سفید نشان داد. به طور خاص، آنها راندمان فارادیک ۹۵ درصد را ثبت کردند که نشان دهنده مقدار محصول جمع آوری شده نسبت به مقدار تولید شده از کل شارژ منتقل شده است.
از دیگر مزایای سیستم می توان به:
کاهش انتشار کربن: این سیستم ردپای کربن کلی فرآیند سنتز را در مقایسه با روش معمولی حدود ۵۰ درصد کاهش می دهد. محققان امیدوارند در آینده با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر برای تامین برق مورد نیاز، انتشار کربن را تقریبا به صفر برسانند.
پتانسیل برای تولید در محل: محققان پیش‌بینی میکنند که اگر بتوانند این فرآیند را افزایش دهند، به کاربران صنعتی اجازه میدهد به جای ارسال فسفر سفید در محل، فسفر سفید تولید کنند که این امر خطرات حمل و نقل این مواد منفجره را کاهش میدهد.
برای انجام این مطالعه، محققان مجبور شدند ابزار جدیدی برای کنترل و اندازه‌گیری الکترولیت‌های سیستم ایجاد کنند. آنها قصد دارند از این ابزارهای جدید برای توسعه فرآیندهای کم کربن برای جداسازی سایر عناصر مهم صنعتی مانند سیلیکون و آهن استفاده کنند.
یوگش سورندرانات، دانشیار شیمی و مهندسی شیمی در MIT، در بیانیه مطبوعاتی MIT میگوید: «این کار در راستای منافع گسترده‌تر ما در کربنزدایی از این فرآیندهای صنعتی قدیمی است که دارای ردپای کربن عظیمی هستند. "علم اساسی که ما را به آنجا هدایت می کند درک این است که چگونه می توان الکترولیت ها را برای تقویت این فرآیندها تنظیم کرد."
مقاله مرجع:
The open-access paper, published in ACS Central Science, is “Electrolytic synthesis of white phosphorus is promoted in oxide-deficient molten salts” (DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acscentsci.۲c۰۱۳۳۶).
منبع:
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/processing-۱/molten-salt-electrochemical-synthesis-could-improve-sustainability-of-white-phosphorus-production/
ترجمه: پرتو خلیف پور، دانشگاه صنعتی شریف
حسگر نوری سنجش رطوبت فوق سریع
| تاریخ ارسال: 1401/3/28 |
سوسک هرکول بومی آمریکای جنوبی دارای ویژگی شگفت انگیزِ تغییر رنگ پوسته ی خود بسته به شرایط رطوبت خارجی است و دلیل آن تشکیل شدن داخل پوسته ی سوسک از ساختار شبکه ای متخلخل با سوراخ های مربع است. هنگامی که نور با طول موج های خاص به پوسته برخورد میکند، پوسته آنها را منعکس میکند و رنگ های مختلفی را نشان می دهد و این طول موج ها بسته به رطوبت تغییر می کنند. اخیراً حسگری که مانند این سوسک بسته به رطوبت تغییر رنگ می دهد با سرعت ۱۰۰۰۰ برابر بیشتر از حسگرهای نوری معمولی پیشنهاد شده است.
گروه پژوهشی POSTECH به رهبری پروفسور Junsuk Rho (گروه مهندسی شیمی و گروه مهندسی مکانیک) و دانشجویان دکتری Chunghwan Jung و Jaehyuck Jang (گروه مهندسی شیمی)، با همکاری Sung-Hoon Hong و دکتر Soo-Jung Kim (موسسه پژوهش الکترونیک و مخابرات، ETRI) و پروفسور Young Min Song (موسسه علم و فناوری گوانگژو، GIST )، یک حسگر رنگ سنجی فوق العاده سریع پاسخگو به رطوبت ایجاد کرده است. یافته های این مطالعه در Science Advances منتشر شد.
حسگرهایی که از نور استفاده می کنند در حال حاضر در زندگی روزمره ما برای اندازه گیری الکتروکاردیوگرام و کیفیت هوا استفاده میشوند. این حسگرها از نور برای تشخیص تغییرات محیط اطراف خود و تبدیل آنها به سیگنال های دیجیتال استفاده میکنند. گروه پژوهشی با استفاده از یک لایه نانوذرات فلزی نامنظم - هیدروژل کیتوسان - بستری بازتابنده، یک حسگر رنگ‌سنجی ساخت که از ساختار فلز- هیدروژل-فلز تشکیل شده است. هنگامی که رطوبت خارجی تغییر می کند، فرکانس رزونانس حسگر به دلیل ویژگی هیدروژل کیتوسان تغییر میکند که در حالت مرطوب متورم میشود و در حالت خشک به طور مکرر منقبض میشود. این حسگر جدید دارای سرعت فوق العاده سریعی است که ۱۰۰۰۰ برابر سریع تر از حسگرهای نوری مبتنی بر تداخل سنج معمولی Fabry-Pero است. این سرعت واکنش سریع به لطف فضای متخلخل بین نانوذراتی است که حسگر را تشکیل میدهند، دقیقاً مانند پوسته سوسک که بسته به رطوبت رنگ‌ها را تغییر میدهد.
پروفسور Rho که سرپرستی این مطالعه را بر عهده داشت، توضیح داد: «این حسگر رطوبت جدید از این جهت خاص است که امکان مقیاس‌پذیری تولید با هزینه کم را حتی با وجود استفاده از نانومواد و نانوساختارها فراهم میکند. "معرفی پیکسل های رنگی پاسخگو به رطوبت در کدهای امنیتی، استفاده از برچسب های امنیتی را برای دستگاه های الکترونیکی حساس به رطوبت، اسکناس ها، گذرنامه ها و کارت های شناسایی امکان پذیر می کند. "
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۴/۱۴/real-time-ultrafast-humidity-sensing-optical-sensor
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
گروه پژوهشی POSTECH به رهبری پروفسور Junsuk Rho (گروه مهندسی شیمی و گروه مهندسی مکانیک) و دانشجویان دکتری Chunghwan Jung و Jaehyuck Jang (گروه مهندسی شیمی)، با همکاری Sung-Hoon Hong و دکتر Soo-Jung Kim (موسسه پژوهش الکترونیک و مخابرات، ETRI) و پروفسور Young Min Song (موسسه علم و فناوری گوانگژو، GIST )، یک حسگر رنگ سنجی فوق العاده سریع پاسخگو به رطوبت ایجاد کرده است. یافته های این مطالعه در Science Advances منتشر شد.
حسگرهایی که از نور استفاده می کنند در حال حاضر در زندگی روزمره ما برای اندازه گیری الکتروکاردیوگرام و کیفیت هوا استفاده میشوند. این حسگرها از نور برای تشخیص تغییرات محیط اطراف خود و تبدیل آنها به سیگنال های دیجیتال استفاده میکنند. گروه پژوهشی با استفاده از یک لایه نانوذرات فلزی نامنظم - هیدروژل کیتوسان - بستری بازتابنده، یک حسگر رنگ‌سنجی ساخت که از ساختار فلز- هیدروژل-فلز تشکیل شده است. هنگامی که رطوبت خارجی تغییر می کند، فرکانس رزونانس حسگر به دلیل ویژگی هیدروژل کیتوسان تغییر میکند که در حالت مرطوب متورم میشود و در حالت خشک به طور مکرر منقبض میشود. این حسگر جدید دارای سرعت فوق العاده سریعی است که ۱۰۰۰۰ برابر سریع تر از حسگرهای نوری مبتنی بر تداخل سنج معمولی Fabry-Pero است. این سرعت واکنش سریع به لطف فضای متخلخل بین نانوذراتی است که حسگر را تشکیل میدهند، دقیقاً مانند پوسته سوسک که بسته به رطوبت رنگ‌ها را تغییر میدهد.
پروفسور Rho که سرپرستی این مطالعه را بر عهده داشت، توضیح داد: «این حسگر رطوبت جدید از این جهت خاص است که امکان مقیاس‌پذیری تولید با هزینه کم را حتی با وجود استفاده از نانومواد و نانوساختارها فراهم میکند. "معرفی پیکسل های رنگی پاسخگو به رطوبت در کدهای امنیتی، استفاده از برچسب های امنیتی را برای دستگاه های الکترونیکی حساس به رطوبت، اسکناس ها، گذرنامه ها و کارت های شناسایی امکان پذیر می کند. "
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۴/۱۴/real-time-ultrafast-humidity-sensing-optical-sensor
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
یک کنترل از راه دور برای مواد کاربردی
| تاریخ ارسال: 1401/3/25 |
تهیج شدید مادون قرمز میانی به عنوان یک ابزار قدرتمند برای کنترل خواص مغناطیسی، فروالکتریک و ابررسانایی مواد پیچیده نشان داده شدهاست. فونونیک غیرخطی برای این منظور، کلیدی است؛ زیرا اتمهای خاص را از موقعیت‌های تعادلی خود دور میکند تا برهم‌کنش‌های میکروسکوپی را دستکاری کند. تاکنون تصور میشد که این اثر تنها در حجم برانگیخته ی نوری رخ میدهد. اکنون، پژوهشگران در هامبورگ کشف کردند که معکوس شدن پلاریزاسیون در نیوبات لیتیوم فروالکتریک (LiNbO۳) حتی در مناطقی به دور از ضربه ی مستقیم نور نیز رخ میدهد. پدیده‌ای که تاکنون ناشناخته بود، که فونونیک غیرخطی غیرمحلی نامیده میشود، در مجلهی Nature Physics منتشر شده است.
مواد فروالکتریک مانند LiNbO۳، دارای پلاریزاسیون الکتریکی ساکن هستند که توسط خطوط بار مثبت و منفی ایجاد میشود که می توانند با یک میدان الکتریکی تعویض شوند. این ویژگی منحصر به فرد، این مواد را به بلوک اصلی ساختمان بسیاری از اجزای الکترونیکی مدرن در تلفن های هوشمند، لپ تاپ ها و دستگاه های تصویربرداری اولتراسوند تبدیل میکند. استفاده از نور لیزر برای تغییر پلاریزاسیون فروالکتریک، یک رویکرد جدید است که فرآیندهای بسیار سریع را امکانپذیر میکند و گامی کلیدی در توسعه ی کلیدهای نوری فوق سریع بسیار کارآمد برای دستگاه های جدید خواهد بود.
پژوهشگران گروه Andrea Cavalleri در مؤسسه ساختار و دینامیک ماکس پلانک (MPSD) از پالس‌های فروسرخ میانی برای تهیج سطح بلور LiNbO۳ استفاده کردند و ارتعاش قوی را در سراسر ناحیه‌ای که در عمق ۳ میکرومتری از بلور قرار داشت به راه انداختند. سپس، آنها از روشی به نام فمتوثانیه تهیج پراکندگی رامان برای اندازه گیری تغییرات فوق سریع پلاریزاسیون فروالکتریک در سراسر ضخامت کامل بلور ۵۰ میکرومتری استفاده کردند. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که پالس‌های نور با چگالی انرژی بسیار بالا باعث میشوند که پلاریزاسیون فروالکتریک در کل بلور معکوس شود. با استفاده از روشهای محاسباتی برای شبیه‌سازی اثرات فونونیکهای غیرخطی در LiNbO۳، نویسندگان دریافتند که امواج پلاریزاسیونی قوی به نام پلاریتون‌ها از حجم کوچکی که پالس نور از آن عبور میکند، پدیدار میشود و در سراسر عمق باقی‌ماندهی بلور حرکت میکند. اعتقاد بر این است که این امواج پلاریتون نقش مهمی در تغییر پلاریزاسیون فروالکتریک در سراسر بخش‌هایی از بلور دارند که توسط پالس نور دست نخورده هستند.
نتایج گزارش شده توسط Henstridge و همکاران، یک قطعه ی جدید هیجان انگیز را به پازل گریزان فروالکتریک فوق سریع اضافه میکند، که درک آن میتواند به اجزای دستگاه جدید مانند کلیدهای نوری پایدار منجر شود. به‌طور گسترده‌تر، این پژوهش سؤال بزرگی را در مورد امکان نمایش نوع مشابهی از این رفتار غیرمحلی در سیستم‌های گذشته و آینده که توسط فونونیک غیرخطی هدایت میشوند، باز میکند. توانایی دستکاری ویژگی‌های عملکردی در یک فاصله میتواند قلمرو امکانات را برای ترکیب فونونیک های غیرخطی در دستگاههای یکپارچه و سایر مواد پیچیده گسترش دهد و راه‌های جدیدی را برای کنترل سیستم‌ها با نور باز کند.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۳/۱۰/a-remote-control-for-functional-materials
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
مواد فروالکتریک مانند LiNbO۳، دارای پلاریزاسیون الکتریکی ساکن هستند که توسط خطوط بار مثبت و منفی ایجاد میشود که می توانند با یک میدان الکتریکی تعویض شوند. این ویژگی منحصر به فرد، این مواد را به بلوک اصلی ساختمان بسیاری از اجزای الکترونیکی مدرن در تلفن های هوشمند، لپ تاپ ها و دستگاه های تصویربرداری اولتراسوند تبدیل میکند. استفاده از نور لیزر برای تغییر پلاریزاسیون فروالکتریک، یک رویکرد جدید است که فرآیندهای بسیار سریع را امکانپذیر میکند و گامی کلیدی در توسعه ی کلیدهای نوری فوق سریع بسیار کارآمد برای دستگاه های جدید خواهد بود.
پژوهشگران گروه Andrea Cavalleri در مؤسسه ساختار و دینامیک ماکس پلانک (MPSD) از پالس‌های فروسرخ میانی برای تهیج سطح بلور LiNbO۳ استفاده کردند و ارتعاش قوی را در سراسر ناحیه‌ای که در عمق ۳ میکرومتری از بلور قرار داشت به راه انداختند. سپس، آنها از روشی به نام فمتوثانیه تهیج پراکندگی رامان برای اندازه گیری تغییرات فوق سریع پلاریزاسیون فروالکتریک در سراسر ضخامت کامل بلور ۵۰ میکرومتری استفاده کردند. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که پالس‌های نور با چگالی انرژی بسیار بالا باعث میشوند که پلاریزاسیون فروالکتریک در کل بلور معکوس شود. با استفاده از روشهای محاسباتی برای شبیه‌سازی اثرات فونونیکهای غیرخطی در LiNbO۳، نویسندگان دریافتند که امواج پلاریزاسیونی قوی به نام پلاریتون‌ها از حجم کوچکی که پالس نور از آن عبور میکند، پدیدار میشود و در سراسر عمق باقی‌ماندهی بلور حرکت میکند. اعتقاد بر این است که این امواج پلاریتون نقش مهمی در تغییر پلاریزاسیون فروالکتریک در سراسر بخش‌هایی از بلور دارند که توسط پالس نور دست نخورده هستند.
نتایج گزارش شده توسط Henstridge و همکاران، یک قطعه ی جدید هیجان انگیز را به پازل گریزان فروالکتریک فوق سریع اضافه میکند، که درک آن میتواند به اجزای دستگاه جدید مانند کلیدهای نوری پایدار منجر شود. به‌طور گسترده‌تر، این پژوهش سؤال بزرگی را در مورد امکان نمایش نوع مشابهی از این رفتار غیرمحلی در سیستم‌های گذشته و آینده که توسط فونونیک غیرخطی هدایت میشوند، باز میکند. توانایی دستکاری ویژگی‌های عملکردی در یک فاصله میتواند قلمرو امکانات را برای ترکیب فونونیک های غیرخطی در دستگاههای یکپارچه و سایر مواد پیچیده گسترش دهد و راه‌های جدیدی را برای کنترل سیستم‌ها با نور باز کند.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۳/۱۰/a-remote-control-for-functional-materials
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
یک رویکرد جدید امیدوارکننده برای بازسازی بافت استخوانی
| تاریخ ارسال: 1401/3/25 |
در طول ۳۰ سال گذشته، جامعه علمی برای ایجاد جایگزین مصنوعیِ پیوند استخوان جهت ترمیم استخوان بیمار یا آسیب دیده تلاش کرده است. پژوهشگران دانشگاه مک گیل از Canadian Light Source (CLS) در دانشگاه ساسکاچوان برای پیشبرد روشی جدید برای رشد بافت استخوانی مصنوعی استفاده کردند.
گرایش مهندسی بافت استخوان، به سرعت در حال پیشرفت است و بر روی رشد سلولهای استخوانی در آزمایشگاه بر روی موادی به نام داربست متمرکز شده است و سپس این ساختارها را به بدن فرد برای ترمیم آسیب های استخوانی منتقل میکند. مانند استخوانی که تقلید میکند، داربست‌ها به شبکه‌ای به هم پیوسته از منافذ کوچک و بزرگ نیاز دارند که به سلول‌ها و مواد مغذی اجازه میدهد پخش شوند و به تولید بافت استخوانی جدید کمک کنند.
فرآیند امیدوارکننده ی تیم مک‌گیل بر روی تغییر ساختار داخلی ماده‌ای به نام اکسید گرافن کار میکند تا آن را برای بازسازی بافت استخوانی مفیدتر کند.
اکسید گرافن یک ترکیب فوق نازک و بسیار قوی است که به طور فزایندهای در الکترونیک، اپتیک، شیمی، ذخیره انرژی و زیست شناسی استفاده میشود. یکی از خواص منحصر به فرد آن این است که وقتی سلولهای بنیادی روی آن قرار میگیرند، تمایل دارند به سلولهای استخوان ساز به نام استئوبلاست تبدیل شوند.
گروه چند رشته ای، متشکل از پژوهشگران دپارتمان مهندسی معدن و مواد، مهندسی برق و دندانپزشکی مک گیل، دریافتند که با افزودن امولسیون روغن و آب به اکسید گرافن و سپس انجماد آن در دو دمای مختلف، دو اندازهی متفاوت تخلخل در سرتاسر ماده تولید میشود. پروفسور Marta Cerruti گفت که وقتی داربست متخلخل را با سلولهای بنیادی مغز استخوان موش کاشتند، سلول‌ها تکثیر شدند و در داخل شبکه منافذ پخش شدند؛ نشانه‌ای امیدوارکننده است که رویکرد جدید در نهایت میتواند برای بازسازی بافت استخوانی در انسان استفاده شود. او گفت: "ما نشان دادیم که داربست ها کاملاً زیست سازگار هستند، وقتی سلول ها را در آنجا قرار می دهید خوشحال می شوند و می توانند در تمام داربست نفوذ کنند و کل داربست را مستعمره کنند."
پژوهشگران از خط پرتو BMIT-BM در CLS برای تجسم منافذ با اندازه های مختلف در داخل داربست و همچنین رشد و گسترش سلول ها استفاده کردند. پژوهشگر اصلی Yiwen Chen، دانشجوی دکتری که زیر نظر Cerruti کار میکرد، گفت که کار آنها بدون سینکروترون(synchrotron) ممکن نبود زیرا چگالی کم اکسید گرافن به این معنی است که فقط مقدار بسیار کمی نور را جذب میکند. او می گوید: "طبق اطلاعات ما، این اولین بار است که مردم از نور سنکروترون برای دیدن ساختار داربست های اکسید گرافن استفاده میکنند. " در حالی که تا استفاده ی گسترده بالینی از این رویکرد جدید ممکن است هنوز سال ها باقی مانده باشد،Cerruti فکر میکند که کار آنها میتواند سایر پژوهشگران را قادر سازد تا در مورد چگونگی تبدیل سلول های بنیادی به سلول های استخوانی اطلاعات بیشتری کسب کنند. او گفت: "شاید این منجر به درک بهتری از زیست شناسی استخوان ها شود که در غیر این صورت نمی فهمیدیم. شاید در کوتاه مدت بتوانیم از روش های آزمایشگاهی برای درک بهتر استخوان و شاید تولید داروهای جدید استفاده کنیم. "
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۲/۱۷/a-promising-new-approach-to-rebuild-bone-tissue
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
گرایش مهندسی بافت استخوان، به سرعت در حال پیشرفت است و بر روی رشد سلولهای استخوانی در آزمایشگاه بر روی موادی به نام داربست متمرکز شده است و سپس این ساختارها را به بدن فرد برای ترمیم آسیب های استخوانی منتقل میکند. مانند استخوانی که تقلید میکند، داربست‌ها به شبکه‌ای به هم پیوسته از منافذ کوچک و بزرگ نیاز دارند که به سلول‌ها و مواد مغذی اجازه میدهد پخش شوند و به تولید بافت استخوانی جدید کمک کنند.
فرآیند امیدوارکننده ی تیم مک‌گیل بر روی تغییر ساختار داخلی ماده‌ای به نام اکسید گرافن کار میکند تا آن را برای بازسازی بافت استخوانی مفیدتر کند.
اکسید گرافن یک ترکیب فوق نازک و بسیار قوی است که به طور فزایندهای در الکترونیک، اپتیک، شیمی، ذخیره انرژی و زیست شناسی استفاده میشود. یکی از خواص منحصر به فرد آن این است که وقتی سلولهای بنیادی روی آن قرار میگیرند، تمایل دارند به سلولهای استخوان ساز به نام استئوبلاست تبدیل شوند.
گروه چند رشته ای، متشکل از پژوهشگران دپارتمان مهندسی معدن و مواد، مهندسی برق و دندانپزشکی مک گیل، دریافتند که با افزودن امولسیون روغن و آب به اکسید گرافن و سپس انجماد آن در دو دمای مختلف، دو اندازهی متفاوت تخلخل در سرتاسر ماده تولید میشود. پروفسور Marta Cerruti گفت که وقتی داربست متخلخل را با سلولهای بنیادی مغز استخوان موش کاشتند، سلول‌ها تکثیر شدند و در داخل شبکه منافذ پخش شدند؛ نشانه‌ای امیدوارکننده است که رویکرد جدید در نهایت میتواند برای بازسازی بافت استخوانی در انسان استفاده شود. او گفت: "ما نشان دادیم که داربست ها کاملاً زیست سازگار هستند، وقتی سلول ها را در آنجا قرار می دهید خوشحال می شوند و می توانند در تمام داربست نفوذ کنند و کل داربست را مستعمره کنند."
پژوهشگران از خط پرتو BMIT-BM در CLS برای تجسم منافذ با اندازه های مختلف در داخل داربست و همچنین رشد و گسترش سلول ها استفاده کردند. پژوهشگر اصلی Yiwen Chen، دانشجوی دکتری که زیر نظر Cerruti کار میکرد، گفت که کار آنها بدون سینکروترون(synchrotron) ممکن نبود زیرا چگالی کم اکسید گرافن به این معنی است که فقط مقدار بسیار کمی نور را جذب میکند. او می گوید: "طبق اطلاعات ما، این اولین بار است که مردم از نور سنکروترون برای دیدن ساختار داربست های اکسید گرافن استفاده میکنند. " در حالی که تا استفاده ی گسترده بالینی از این رویکرد جدید ممکن است هنوز سال ها باقی مانده باشد،Cerruti فکر میکند که کار آنها میتواند سایر پژوهشگران را قادر سازد تا در مورد چگونگی تبدیل سلول های بنیادی به سلول های استخوانی اطلاعات بیشتری کسب کنند. او گفت: "شاید این منجر به درک بهتری از زیست شناسی استخوان ها شود که در غیر این صورت نمی فهمیدیم. شاید در کوتاه مدت بتوانیم از روش های آزمایشگاهی برای درک بهتر استخوان و شاید تولید داروهای جدید استفاده کنیم. "
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۲/۱۷/a-promising-new-approach-to-rebuild-bone-tissue
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
روشی دوستدار محیطزیست برای تمیز کردن فیلترهای تصفیه فاضلاب
| تاریخ ارسال: 1401/3/25 |
فیلترهای غشایی برای تصفیه آب به انرژی زیادی نیاز ندارند و به همین دلیل برای تصفیه فاضلاب محبوب هستند. برای نگه داشتن این مواد در بهترین حالت، معمولاً آنها را با مقادیر زیادی از مواد شیمیایی قوی تمیز میکنند، اما برخی از این عوامل در این فرآیند غشاها را از بین میبرند. اکنون، پژوهشگرانی که درACS Applied Materials & Interfaces گزارش میدهند، کاتالیزورهای نانوذرات قابل استفادهی مجدد را توسعه دادهاند که از گلوکز برای کمک به تجزیه موثر آلایندههای داخل این فیلترها بدون آسیب رساندن به آنها کمک میکند.
به طور معمول، مسدودیت فیلترهای فاضلاب کثیف با اسیدها، بازها یا اکسیدان های قوی برطرف میشود. اکسیدان های حاوی کلر مانند سفیدکننده میتوانند سرسخت ترین زباله های آلی را تجزیه کنند؛ اما آنها همچنین به غشاهای پلی آمیدی که در اکثر سیستم‌های نانوفیلتراسیون تجاری هستند، آسیب می‌رسانند و محصولات جانبی سمی تولید میکنند. یک جایگزین ملایم تر برای سفیدکننده، پراکسید هیدروژن است، اما آلاینده ها را به آرامی تجزیه میکند.
پیش از این، دانشمندان پراکسید هیدروژن را با اکسید آهن ترکیب کردند تا رادیکال های هیدروکسیل تشکیل دهند که کارایی پراکسید هیدروژن را در فرآیندی به نام واکنش فنتون بهبود میبخشد. با این حال، برای واکنش فنتون و تمیزکردن فیلترها، پراکسید هیدروژن و اسید اضافی مورد نیاز است که هزینه های مالی و زیست محیطی را افزایش میدهد. یکی از راه های جلوگیری از این مواد شیمیایی اضافی، استفاده از آنزیم گلوکز اکسیداز است که به طور همزمان پراکسید هیدروژن و اسید گلوکونیک را از گلوکز و اکسیژن تشکیل میدهد. بنابراین، Jianquan Luo و همکارانش می‌خواستند گلوکز اکسیداز و نانوذرات اکسید آهن را در سیستمی ترکیب کنند که تجزیه آلایندههای مبتنی بر فنتون را کاتالیز کند و یک سیستم تمیزکننده کارآمد و ظریف برای فیلترهای غشایی ایجاد کند.
ابتدا، پژوهشگران حذف آلاینده های آلی از فیلترهای پلی آمیدی توسط آنزیم گلوکز اکسیداز و نانوذرات اکسید آهن را با سایر روشهای تمیز کردن، از جمله واکنش سنتی فنتون مقایسه کردند. آنها دریافتند که این رویکرد در تجزیه آلاینده های رایج بیسفنول A و متیلن بلو برتر است؛ در حالی که ساختار غشایی را نیز حفظ میکند.
این تیم که برای نتایج اولیه ی خود تشویق شدند، گلوکز اکسیداز و اکسید آهن را در یک نانوذره ترکیب کردند و آنها را با یک پل آمینه به هم متصل کردند. در نهایت، آنها توانایی نانوذرات جدید را برای تمیزکردن غشاهای نانوفیلتراسیون آغشته به متیلن بلو، که آنها را برای سه چرخه رسوب کرده و تمیز کردند، آزمایش کردند. پس از هر چرخه تمیز کردن، نانوذرات با آهنربا بازیابی شدند و با گلوکز تازه برای فعال کردن کاتالیزور دوباره استفاده شدند. نانوذرات در تمیز کردن غشاها بسیار مؤثر بودند و آنها را به ۹۴ درصد ظرفیت اولیه تصفیه آب بازگرداندند. از آنجایی که نانوذرات به مواد شیمیایی قوی نیاز ندارند و به راحتی قابل بازیابی هستند، پژوهشگران میگویند سیستم جدید آنها رویکردی "دوستدار محیط زیست تر" و مقرون به صرفه تر برای تمیز کردن غشاهای نانوفیلتراسیون است.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۳/۲/a-greener-way-to-clean-wastewater-treatment-filters
نویسندگان:
دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
به طور معمول، مسدودیت فیلترهای فاضلاب کثیف با اسیدها، بازها یا اکسیدان های قوی برطرف میشود. اکسیدان های حاوی کلر مانند سفیدکننده میتوانند سرسخت ترین زباله های آلی را تجزیه کنند؛ اما آنها همچنین به غشاهای پلی آمیدی که در اکثر سیستم‌های نانوفیلتراسیون تجاری هستند، آسیب می‌رسانند و محصولات جانبی سمی تولید میکنند. یک جایگزین ملایم تر برای سفیدکننده، پراکسید هیدروژن است، اما آلاینده ها را به آرامی تجزیه میکند.
پیش از این، دانشمندان پراکسید هیدروژن را با اکسید آهن ترکیب کردند تا رادیکال های هیدروکسیل تشکیل دهند که کارایی پراکسید هیدروژن را در فرآیندی به نام واکنش فنتون بهبود میبخشد. با این حال، برای واکنش فنتون و تمیزکردن فیلترها، پراکسید هیدروژن و اسید اضافی مورد نیاز است که هزینه های مالی و زیست محیطی را افزایش میدهد. یکی از راه های جلوگیری از این مواد شیمیایی اضافی، استفاده از آنزیم گلوکز اکسیداز است که به طور همزمان پراکسید هیدروژن و اسید گلوکونیک را از گلوکز و اکسیژن تشکیل میدهد. بنابراین، Jianquan Luo و همکارانش می‌خواستند گلوکز اکسیداز و نانوذرات اکسید آهن را در سیستمی ترکیب کنند که تجزیه آلایندههای مبتنی بر فنتون را کاتالیز کند و یک سیستم تمیزکننده کارآمد و ظریف برای فیلترهای غشایی ایجاد کند.
ابتدا، پژوهشگران حذف آلاینده های آلی از فیلترهای پلی آمیدی توسط آنزیم گلوکز اکسیداز و نانوذرات اکسید آهن را با سایر روشهای تمیز کردن، از جمله واکنش سنتی فنتون مقایسه کردند. آنها دریافتند که این رویکرد در تجزیه آلاینده های رایج بیسفنول A و متیلن بلو برتر است؛ در حالی که ساختار غشایی را نیز حفظ میکند.
این تیم که برای نتایج اولیه ی خود تشویق شدند، گلوکز اکسیداز و اکسید آهن را در یک نانوذره ترکیب کردند و آنها را با یک پل آمینه به هم متصل کردند. در نهایت، آنها توانایی نانوذرات جدید را برای تمیزکردن غشاهای نانوفیلتراسیون آغشته به متیلن بلو، که آنها را برای سه چرخه رسوب کرده و تمیز کردند، آزمایش کردند. پس از هر چرخه تمیز کردن، نانوذرات با آهنربا بازیابی شدند و با گلوکز تازه برای فعال کردن کاتالیزور دوباره استفاده شدند. نانوذرات در تمیز کردن غشاها بسیار مؤثر بودند و آنها را به ۹۴ درصد ظرفیت اولیه تصفیه آب بازگرداندند. از آنجایی که نانوذرات به مواد شیمیایی قوی نیاز ندارند و به راحتی قابل بازیابی هستند، پژوهشگران میگویند سیستم جدید آنها رویکردی "دوستدار محیط زیست تر" و مقرون به صرفه تر برای تمیز کردن غشاهای نانوفیلتراسیون است.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۳/۲/a-greener-way-to-clean-wastewater-treatment-filters
نویسندگان:
دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
۲۰۲۲ - سال بین‌المللی شیشه
| تاریخ ارسال: 1400/12/14 |
بسیار واضح است که این روزها در همه جا شیشه میبینیم.
شیشه ما را تحریک میکند که بیشتر و بیشتر به آن نگاه کنیم تا به کارهای مهمی که انجام میدهد توجه کنیم. شیشه بسیاری از جنبه های حیاتی زندگی ما را ممکن میسازد و آگاهی از نقشی که ایفا میکند هرگز بیشتر از این نبوده است. شیشه زندگی ما را آسان تر، ایمن تر، سریع تر و بهتر میکند. همچنین میتواند دنیای رنگین تری را ایجاد کند. شیشه در حال تبدیل شدن به یک کالای داغ است.
بنابراین انتخاب سال ۲۰۲۲ به عنوان سال بین المللی شیشه توسط مجمع عمومی سازمان ملل متحد (سازمان ملل)، مناسب است.
البته در موزه شیشه کورنینگ، در ۷۰ سال گذشته شیشه را جشن می‌گیریم؛ بنابراین دیدن شیشه به عنوان ماده ای باورنکردنی و همه‌کاره، برای ما تعجب‌آور نیست. این یک ماده باستانی است اما همچنان قدرت و پتانسیل را برای دنیایی که امروز در آن زندگی میکنیم به ارمغان می آورد. شیشه و دمیدن شیشه، راه هایی برای اتصال ما به قرنها سنت، نوآوری و همچنین دروازه هایی به سوی آینده و امکانات بی پایانِ در انتظار هستند.
کمپینی برای به رسمیت شناختن شیشه توسط سازمان ملل متحد برای اولین بار توسط کمیسیون بین المللی شیشه در سال ۲۰۱۸ پیشنهاد شد و به زودی پس از آن سرعت گرفت. هنگامی که این ایده به موزه شیشه کورنینگ ارائه شد، به طور کامل توسط رهبری و کارکنان موزه مورد استقبال قرار گرفت و توسط استیو گیبز، مدیر ارشد بازنشسته، توسعه تجارت/فناوری شیشه داغ که در پیشبرد این تلاش در بین المللی نقش داشت، حمایت شد. انجمن هنر شیشه این نامگذاری رسمی توسط سازمان ملل در سال ۲۰۲۲ را به عنوان سال بین المللی شیشه، صحنه ای را برای جشن گرفتن یکی از متحول کننده ترین و باستانی ترین مواد ساخته شده از شن و ماسه در جهان فراهم میکند. شیشه شفاف، بادوام و دارای توانایی انتقال نور است که مانند هیچ ماده ی دیگر شناخته شده توسط بشر نیست. برای هزاران سال، شیشه جهان ما را از اختراع بطری به لامپ شکل داده و تبدیل کرده و عصر اطلاعات را فعال کرده است؛ زیرا ما اکنون با سرعت نور از طریق شیشه با هم ارتباط برقرار میکنیم. به ما بپیوندید تا سال بین المللی شیشه را جشن بگیریم، زیرا جهان در عصر شیشه وارد آینده ی ما میشود.
علیرغم تاخیرهای ناشی از همه گیری جهانی کووید-۱۹، مجمع عمومی سازمان ملل متحد برای تصویب قطعنامه ای در ۱۸ می ۲۰۲۱ تشکیل جلسه داد. این قطعنامه اذعان دارد که شیشه برای قرنها بشر را همراهی کرده است و کیفیت زندگی میلیون ها نفر را غنی میکند. به عنوان یکی از مهم‌ترین، همه‌کاره‌ترین و متحول‌کننده‌ترین مواد تاریخ، شیشه جزء مهمی در بسیاری از زمینهها از جمله در بخش هوافضا و خودروسازی، معماری، هنر، اطلاعات و ارتباطات، انرژی و سلامت است.
ما امسال، سال آینده و هر سال به جشن شیشه ادامه خواهیم داد.
منبع:
https://blog.cmog.org/۲۰۲۱/۰۷/۲۰/۲۰۲۲-the-international-year-of-glass/
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
شیشه ما را تحریک میکند که بیشتر و بیشتر به آن نگاه کنیم تا به کارهای مهمی که انجام میدهد توجه کنیم. شیشه بسیاری از جنبه های حیاتی زندگی ما را ممکن میسازد و آگاهی از نقشی که ایفا میکند هرگز بیشتر از این نبوده است. شیشه زندگی ما را آسان تر، ایمن تر، سریع تر و بهتر میکند. همچنین میتواند دنیای رنگین تری را ایجاد کند. شیشه در حال تبدیل شدن به یک کالای داغ است.
بنابراین انتخاب سال ۲۰۲۲ به عنوان سال بین المللی شیشه توسط مجمع عمومی سازمان ملل متحد (سازمان ملل)، مناسب است.
البته در موزه شیشه کورنینگ، در ۷۰ سال گذشته شیشه را جشن می‌گیریم؛ بنابراین دیدن شیشه به عنوان ماده ای باورنکردنی و همه‌کاره، برای ما تعجب‌آور نیست. این یک ماده باستانی است اما همچنان قدرت و پتانسیل را برای دنیایی که امروز در آن زندگی میکنیم به ارمغان می آورد. شیشه و دمیدن شیشه، راه هایی برای اتصال ما به قرنها سنت، نوآوری و همچنین دروازه هایی به سوی آینده و امکانات بی پایانِ در انتظار هستند.
کمپینی برای به رسمیت شناختن شیشه توسط سازمان ملل متحد برای اولین بار توسط کمیسیون بین المللی شیشه در سال ۲۰۱۸ پیشنهاد شد و به زودی پس از آن سرعت گرفت. هنگامی که این ایده به موزه شیشه کورنینگ ارائه شد، به طور کامل توسط رهبری و کارکنان موزه مورد استقبال قرار گرفت و توسط استیو گیبز، مدیر ارشد بازنشسته، توسعه تجارت/فناوری شیشه داغ که در پیشبرد این تلاش در بین المللی نقش داشت، حمایت شد. انجمن هنر شیشه این نامگذاری رسمی توسط سازمان ملل در سال ۲۰۲۲ را به عنوان سال بین المللی شیشه، صحنه ای را برای جشن گرفتن یکی از متحول کننده ترین و باستانی ترین مواد ساخته شده از شن و ماسه در جهان فراهم میکند. شیشه شفاف، بادوام و دارای توانایی انتقال نور است که مانند هیچ ماده ی دیگر شناخته شده توسط بشر نیست. برای هزاران سال، شیشه جهان ما را از اختراع بطری به لامپ شکل داده و تبدیل کرده و عصر اطلاعات را فعال کرده است؛ زیرا ما اکنون با سرعت نور از طریق شیشه با هم ارتباط برقرار میکنیم. به ما بپیوندید تا سال بین المللی شیشه را جشن بگیریم، زیرا جهان در عصر شیشه وارد آینده ی ما میشود.
علیرغم تاخیرهای ناشی از همه گیری جهانی کووید-۱۹، مجمع عمومی سازمان ملل متحد برای تصویب قطعنامه ای در ۱۸ می ۲۰۲۱ تشکیل جلسه داد. این قطعنامه اذعان دارد که شیشه برای قرنها بشر را همراهی کرده است و کیفیت زندگی میلیون ها نفر را غنی میکند. به عنوان یکی از مهم‌ترین، همه‌کاره‌ترین و متحول‌کننده‌ترین مواد تاریخ، شیشه جزء مهمی در بسیاری از زمینهها از جمله در بخش هوافضا و خودروسازی، معماری، هنر، اطلاعات و ارتباطات، انرژی و سلامت است.
ما امسال، سال آینده و هر سال به جشن شیشه ادامه خواهیم داد.
https://blog.cmog.org/۲۰۲۱/۰۷/۲۰/۲۰۲۲-the-international-year-of-glass/
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
حس کردن و تصویربرداری برتر در مقیاس نانو با پروب های بهینه شده ی الماس
| تاریخ ارسال: 1400/12/14 |
از کشف میکروارگانیسم ها در زمینه زیست شناسی گرفته تا تصویربرداری از اتم ها در زمینه فیزیک، تصویربرداری میکروسکوپی درک ما از جهان را بهبود بخشیده است و باعث پیشرفت های علمی بسیاری شده است. اکنون، با ظهور spintronics و دستگاههای مغناطیسی مینیاتوری، نیاز روزافزونی به تصویربرداری در مقیاس نانومتری برای تشخیص ویژگی‌های کوانتومی ماده، مانند اسپین‌های الکترون، ساختار حوزه مغناطیسی در فرومغناطیس‌ها، و پیچ‌های (vortices) مغناطیسی در ابررساناها وجود دارد.
به طور معمول، این کار با تکمیل تکنیک‌های میکروسکوپ استاندارد، مانند میکروسکوپ تونلی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، با حسگرهای مغناطیسی برای ایجاد «پروبهای مغناطیس‌سنجی روبشی» که میتوانند به حس کردن و تصویربرداری در مقیاس نانو دست یابند، انجام میشود. با این حال، این پروب ها اغلب به شرایط خلاء فوق‌العاده بالا، دماهای بسیار پایین نیاز دارند و از نظر تفکیک مکانی به دلیل اندازه ی پروب، محدود هستند.
در این راستا، مراکز خالی نیتروژن (NV) در الماس (نقص در ساختار الماس تشکیل شده توسط اتمهای نیتروژن در مجاورت "جای خالی" ایجاد شده توسط اتمهای از دست رفته) توجه قابل توجهی به دست آورده اند. جفت NV را میتوان با AFM ترکیب کرد تا تصویربرداری مغناطیسی محلی را انجام دهد و میتواند در دما و فشار اتاق کار کند. با این حال، ساخت این پروب‌ها شامل تکنیک‌های پیچیده‌ای است که امکان کنترل زیادی بر شکل و اندازه پروب را نمی‌دهد.
در یک مطالعه جدید که توسط دانشیار Toshu An از مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته ژاپن (JAIST) و Yuta Kainuma، دانشجوی دکتری JAIST، با همکاری پژوهشگران دانشگاه Kyoto، ژاپن، و موسسه ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته ژاپن انجام گرفت، به این موضوع پرداختند و پروب های الماس میزبان NV را با استفاده از یک روش جدید ترکیبی از برش لیزر و پرتو یون متمرکز (FIB) ساختند که هم درجه بالایی از آزادی فرآوری و هم کنترل بر شکل پروب را امکان پذیر میکند. این مقاله در مجله Applied Physics منتشر شده است.
برای شروع، این تیم مراکز N-V را در الماس بالک با کاشت یون های نیتروژن در آن ایجاد کردند. سپس سطح مقابل را صیقل دادند و چندین قطعه میله ای شکل را با برش لیزری تولید کردند. آنها یکی از میله های الماس را به نوک یک پروب AFM وصل کردند و از فرآوری FIB برای تبدیل سطح جلوی میله الماس به شکل نهایی پروب استفاده کردند. از یون‌های گالیوم برای شکل دادن به پروب در روش FIB استفاده میشود. با این حال، این یون‌ها میتوانند جای خالی در ساختار الماس ایجاد کنند و حالت شارژ در عیب NV را تغییر دهند. برای جلوگیری از هر گونه آسیب به مرکز NV، ما از یک الگوی آسیاب دونات شکل در اطراف مرکز پروب استفاده کردیم. پروب نهایی یک میکروستون متشکل از ۱۰۳ مرکز NV با قطر ۳/۱ میکرومتر و طول ۶ میکرومتر بود.
با استفاده از این پروب، این گروه از ساختار دامنه مغناطیسی دورهای در یک نوار مغناطیسی تصویربرداری کردند. دکتر An توضیح میدهد: "ما میدان‌های مغناطیسی سرگردان را از ساختار حوزه مغناطیسی با نقشه برداری شدت فوتولومینسانس در یک فرکانس ثابت مایکروویو و فرکانس‌های تشدید در طیف‌های تشدید مغناطیسی تشخیص‌داده‌شده نوری تصویر کردیم. این تیم خوشبین است که روش ساخت جدید، کاربرد پروبهای تصویربرداری کوانتومی را گسترش دهد. در سال های اخیر، توسعه دستگاه های جدید برای حل مشکلات زیست محیطی و انرژی و تحقق شکوفایی پایدار جامعه بشری مورد کاوش بوده اند. انتظار میرود فناوری اندازه گیری و سنجش کوانتومی، سیستمی را که زیرساختهای اجتماعی را پشتیبانی میکند، در آینده اصلاح کند. از این نظر، تکنیک ساخت ما میتواند به افزایش تلاش‌ها برای تحقق تصویربرداری کوانتومی در مقیاس نانو کمک کند.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۱/۱۴/toward-superior-nanoscale-sensing-and-imaging-with-optimized-diamond-probes
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
به طور معمول، این کار با تکمیل تکنیک‌های میکروسکوپ استاندارد، مانند میکروسکوپ تونلی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، با حسگرهای مغناطیسی برای ایجاد «پروبهای مغناطیس‌سنجی روبشی» که میتوانند به حس کردن و تصویربرداری در مقیاس نانو دست یابند، انجام میشود. با این حال، این پروب ها اغلب به شرایط خلاء فوق‌العاده بالا، دماهای بسیار پایین نیاز دارند و از نظر تفکیک مکانی به دلیل اندازه ی پروب، محدود هستند.
در این راستا، مراکز خالی نیتروژن (NV) در الماس (نقص در ساختار الماس تشکیل شده توسط اتمهای نیتروژن در مجاورت "جای خالی" ایجاد شده توسط اتمهای از دست رفته) توجه قابل توجهی به دست آورده اند. جفت NV را میتوان با AFM ترکیب کرد تا تصویربرداری مغناطیسی محلی را انجام دهد و میتواند در دما و فشار اتاق کار کند. با این حال، ساخت این پروب‌ها شامل تکنیک‌های پیچیده‌ای است که امکان کنترل زیادی بر شکل و اندازه پروب را نمی‌دهد.
در یک مطالعه جدید که توسط دانشیار Toshu An از مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته ژاپن (JAIST) و Yuta Kainuma، دانشجوی دکتری JAIST، با همکاری پژوهشگران دانشگاه Kyoto، ژاپن، و موسسه ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته ژاپن انجام گرفت، به این موضوع پرداختند و پروب های الماس میزبان NV را با استفاده از یک روش جدید ترکیبی از برش لیزر و پرتو یون متمرکز (FIB) ساختند که هم درجه بالایی از آزادی فرآوری و هم کنترل بر شکل پروب را امکان پذیر میکند. این مقاله در مجله Applied Physics منتشر شده است.
برای شروع، این تیم مراکز N-V را در الماس بالک با کاشت یون های نیتروژن در آن ایجاد کردند. سپس سطح مقابل را صیقل دادند و چندین قطعه میله ای شکل را با برش لیزری تولید کردند. آنها یکی از میله های الماس را به نوک یک پروب AFM وصل کردند و از فرآوری FIB برای تبدیل سطح جلوی میله الماس به شکل نهایی پروب استفاده کردند. از یون‌های گالیوم برای شکل دادن به پروب در روش FIB استفاده میشود. با این حال، این یون‌ها میتوانند جای خالی در ساختار الماس ایجاد کنند و حالت شارژ در عیب NV را تغییر دهند. برای جلوگیری از هر گونه آسیب به مرکز NV، ما از یک الگوی آسیاب دونات شکل در اطراف مرکز پروب استفاده کردیم. پروب نهایی یک میکروستون متشکل از ۱۰۳ مرکز NV با قطر ۳/۱ میکرومتر و طول ۶ میکرومتر بود.
با استفاده از این پروب، این گروه از ساختار دامنه مغناطیسی دورهای در یک نوار مغناطیسی تصویربرداری کردند. دکتر An توضیح میدهد: "ما میدان‌های مغناطیسی سرگردان را از ساختار حوزه مغناطیسی با نقشه برداری شدت فوتولومینسانس در یک فرکانس ثابت مایکروویو و فرکانس‌های تشدید در طیف‌های تشدید مغناطیسی تشخیص‌داده‌شده نوری تصویر کردیم. این تیم خوشبین است که روش ساخت جدید، کاربرد پروبهای تصویربرداری کوانتومی را گسترش دهد. در سال های اخیر، توسعه دستگاه های جدید برای حل مشکلات زیست محیطی و انرژی و تحقق شکوفایی پایدار جامعه بشری مورد کاوش بوده اند. انتظار میرود فناوری اندازه گیری و سنجش کوانتومی، سیستمی را که زیرساختهای اجتماعی را پشتیبانی میکند، در آینده اصلاح کند. از این نظر، تکنیک ساخت ما میتواند به افزایش تلاش‌ها برای تحقق تصویربرداری کوانتومی در مقیاس نانو کمک کند.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۱/۱۴/toward-superior-nanoscale-sensing-and-imaging-with-optimized-diamond-probes
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
گرافن می تواند جایگزین فلز کمیاب مورد استفاده در صفحه نمایش تلفن همراه شود
| تاریخ ارسال: 1400/10/27 |
گرافن می تواند جایگزین فلز کمیاب مورد استفاده در صفحه نمایش تلفن همراه شود
پژوهشگران دانشگاه Paragraf و Queen Mary لندن، ساخت موفقیت‌آمیز یک دیود ساطع کننده ی نور آلی (OLED) را با یک آند گرافن تک لایه به عنوان جایگزین ITO در دیودهای ساطع کننده نور آلی نشان دادند. این مطالعه جدید در مجله Advanced Optical Materials منتشر شده است.ایندیوم یکی از ۹ عنصر کمیاب در پوسته زمین است و در فهرست مواد حیاتی اتحادیه اروپا قرار دارد. با این حال، بیشتر به شکل اکسید قلع ایندیوم (ITO) و بخش کلیدی صفحه نمایش لمسی در تلفنهای همراه و رایانه های ما به طور گسترده استفاده می شود. اکثر خانه ها دارای اقلام زیادی حاوی ایندیوم هستند، از آن در تلویزیون های صفحه تخت، پنل های خورشیدی و همچنین چراغهای LED در خانه ها استفاده می شود.
این پژوهش نوآور با بودجه انگلستان راه را به روی تغییر اساسی در آینده بر پتانسیل دستگاههای با فناوری پیشرفته با حذف عنصر محدودکننده ی ایندیوم باز میکند.
پروفسور Colin Humphreys از Paragraf و Queen Mary می گوید: "به دلیل اهمیت و کمیاب بودن، تلاشهای زیادی برای جایگزینی ITO صورت گرفته است؛ اما تاکنون هیچ ماده ای یافت نشده است که عملکرد مشابهی در یک دستگاه الکترونیکی یا نوری داشته باشد. "
مقاله ی ما، اولین مقاله در جهان است که نشان میدهد گرافن میتواند جایگزین ITO در یک دستگاه الکترونیکی-اپتیکی شود. ما نشان داده‌ایم که یک گرافن-OLED عملکرد یکسانی با یک ITO-OLED دارد ITO-OLED .به طور گسترده به عنوان صفحه لمسی در تلفنهای همراه مان استفاده میشود.
گرافن یک لایه منفرد از اتمهای کربن است. کربن در زمین بسیار فراوان است و برخلاف ایندیوم یک ماده پایدار است.
هنگامی که گرافن به شکل پولک های کوچک کشف شد، به دلیل خواص فوق العاده، ماده شگفت انگیز نامیده شد. با این حال، سازمانهایی مانند IBM، اینتل و سامسونگ نتوانسته اند رشد گرافن را افزایش دهند تا بتوان از آن در دستگاه های الکترونیکی استفاده کرد. Paragraf روش جدیدی را برای تولید گرافن با سطح بزرگ و مناسب برای چنین دستگاه هایی ایجاد کرده است.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۲/۱/۱۰/graphene-could-replace-rare-metal-used-in-mobile-phone-screens
نویسندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
کنفرانس بین المللی سرامیک های پیشرفته و کامپوزیت ها
| تاریخ ارسال: 1400/10/18 |
کنفرانس بین المللی سرامیکهای پیشرفته و کامپوزیت ها
چهل و ششمین کنفرانس و نمایشگاه بین المللی سرامیک و کامپوزیت های پیشرفته (ICACC'22) از 23 تا 28 ژانویه 2022 در ساحل Daytona، فلوریدا برگزار خواهد شد. این کنفرانس دارای سابقه قوی در برگزاری برترین نشست بین المللی در مورد سرامیکهای ساختاری و کاربردی پیشرفته، کامپوزیت ها و همچنین سایر مواد و فناوری های سرامیکی در حال ظهور است. بخش مهندسی سرامیک (ECD) انجمن سرامیک آمریکا، این رویداد را از سال 1977 سازماندهی کرده است. به دلیل کیفیت بالای ارائه های فنی و فرصتهای تعامل منحصر به فرد، این رویداد مورد توجه جهانی قرار گرفته و مشارکت فعال پژوهشگران و توسعه دهندگان سرامیک را از طرف جامعه فنی جهانی به لطف تعهد و حمایت اعضای ما به خود جلب کرده است.
این برنامه دارای 18 نشست، پنج جلسه متمرکز، یک جلسه متمرکز ویژه در زمینه تنوع، کارآفرینی و تجاری سازی و همچنین یازدهمین مجمع جهانی پژوهشگران جوان است. این جلسات فنی، متشکل از هر دو ارائه های شفاهی و پوستری است که یک انجمن آزاد برای دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان از سراسر جهان برای ارائه و تبادل یافته ها در مورد پیشرفتهای اخیر در جنبه های مختلف مرتبط با علم و فناوری سرامیک را فراهم میکند.
منبع:
https://ceramics.org/event/46th-international-conference-and-expo-on-advanced-ceramics-and-composites
گردآورندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گوذرزی
کنفرانس الکتروسرامیک ۲۰۲۲
| تاریخ ارسال: 1400/10/14 |
کنفرانس الکتروسرامیک ۲۰۲۲
مجموعه کنفرانسهای دوسالانهی Electroceramics در اواخر دهه ۱۹۸۰ تأسیس شد و یکی از بسترهای بین‌المللی مرکزی برای پژوهشگران دانشگاهی و صنعتی برای بحث و تبادل نظر در مورد پیشرفت‌ها، اکتشافات و روندهای نوظهور در زمینه مواد الکتروسرامیک و کاربردهای آن است.از اولین ویرایش، مجموعه کنفرانسهای الکتروسرامیک بر جنبهها و موضوعات مختلف مواد الکتروسرامیک، به صورت تک و چند بلوری بالک و همچنین به صورت لایههای نازک یا ضخیم متمرکز شدهاست. بنابراین ایدهی شبکهی الکتروسرامیک، گرد هم آوریِ دانشگاهیان و پژوهشگران صنعتی، دانشمندان جوان و دانشجویان دکتری، به منظور تبادل و به اشتراک گذاشتن نتایج جدید و نوآورانه در تمام جنبه‌های الکتروسرامیک است.
از سال ۲۰۱۶، کنفرانسهای الکتروسرامیک توسط ECerS برگزار میشود.
کنفرانس بعدی الکتروسرامیک با عنوان Electroceramics XVIII از ۱۰ الی ۱۴ جولای سال ۲۰۲۲ در کراکوف لهستان، به طور مشترک با کنفرانسهای ECerS XVII و ICC۹ سازماندهی میشود.
منبع:
https://ecers.org/electroceramics-conferences
https://ecers.org/news/۱۰۹/۳۹۸/۰۷۲۲-Ceramics-in-Europe-۲۰۲۲/d,ceramic_details_conferences
گردآورندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
جمع آوری عناصر کمیاب خاکی از زباله های الکترونیکی
| تاریخ ارسال: 1400/10/13 |
جمع آوری عناصر کمیاب خاکی از زباله های الکترونیکی
سازندگان برای ایجاد آهنرباهای قوی مورد استفاده در موتورهای الکترونیکی از جمله خودروهای هیبریدی، ژنراتورهای هواپیما، بلندگوها، هارد دیسک‌ها و هدفون‌های داخل گوش، به عناصر کمیاب خاکی مانند نئودیمیم متکی هستند. اما دسترسی به ذخایر معدنی حاوی نئودیمیم سخت است و تنها در چند نقطه از زمین یافت میشود.با افزایش نیاز به نئودیمیم در چندین صنعت، توجه به بازیافت عناصر موجود در رایانه‌های قدیمی و بردهای مدار چاپی، به عنوان زبالههای الکترونیکی، برای پاسخگویی به تقاضا معطوف شدهاست. اما جداسازی عناصر ارزشمند از سایر مواد معدنی و اجزای موجود در زبالههای الکترونیکی یک چالش است.
امیر شیخی، استادیار مهندسی شیمی و مهندسی زیست پزشکی Penn State، در مقاله‌ی اخیر در مجله Chemical Engineering، نانوفناوری جدیدی را برای جداسازی نئودیمیم با استفاده از سلولز گیاهی که در کاغذ، پنبه و خمیر کاغذ یافت میشود، توضیح میدهد. Patrictia Wamea، یکی از اعضای سابق آزمایشگاه شیخی که در ماه می با مدرک کارشناسی ارشد علوم فارغ التحصیل شد، در نویسندگی این مقاله مشارکت داشت و جایزه سالانه بهترین مقاله وزارت مهندسی شیمی Penn State را در پاییز ۲۰۲۱ به خاطر مشارکتهایش دریافت کرد. به گفته شیخی، در این فرآیند، نانوبلورهای سلولز مویی، نانوذراتی که از فیبرهای سلولز به دست می‌آیند، به طور انتخابی به یون‌های نئودیمیم متصل میشوند و آنها را از سایر یون‌ها مانند آهن، کلسیم و سدیم جدا میکنند. این نانوذرات به دلیل زنجیره‌های سلولزی متصل به دو سرشان که عملکردهای شیمیایی حیاتی را انجام میدهند، به عنوان «مویی» ،hairy، شناخته میشوند. برای انجام این کار، پژوهشگران لایههای مویی نانوذرات را به منظور جذب و اتصال با یون‌های با بار مثبت نئودیمیم، با بار منفی باردارکردند و در نتیجه ذرات را به قطعات بزرگتری تبدیل کردند که میتوانند به طور موثر بازیافت شوند و دوباره مورد استفاده قرار گیرند. شیخی گفت: این فرآیند در ظرفیت حذف، گزینشپذیری و سرعت آن موثر است. همچنین میتواند با حذف انتخابی عنصر از برخی ناخالصی‌های آزمایش شده، نئودیمیم را در چند ثانیه جدا کند.
به گفته شیخی، فرآیندهای فعلی بازیافت عناصر خاکی کمیاب برای محیط زیست مضر هستند. آنها اغلب از شرایط بسیار اسیدی برای استخراج عناصر در واکنشهای شیمیایی استفاده میکنند. فرآیند شیخی به دلیل استفاده از سلولز به عنوان منبعی تجدیدپذیر و ارزان قیمت، سازگار با محیطزیست است. فرآیند استخراج سنتی خطرناک و پرهزینه است و اثرات زیانبار محیطی ناشی از استخراج روباز دارد. شیخی گفت: استفاده از سلولز به عنوان عامل اصلی، راهحلی پایدار، مقرون به صرفه و پاک است. با استفاده از این فرآیند، ایالات متحده قادر خواهد بود با غولهای دیگر مانند چین برای بازیابی مواد کمیاب خاکی و تولید مستقل آنها رقابت کند. چین بزرگترین صادرکننده نئودیمیم است که بیش از ۷۰ درصد از عرضه جهانی مواد را صادر میکند.
علاوه بر زبالههای الکترونیکی، عناصر خاکی کمیاب مانند نئودیمیم را میتوان از پساب‌های صنعتی، معدن و آهنرباهای دائمی استخراج کرد که دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. شیخی گفت که امیدوار است فرآیند جذب مبتنی بر سلولز در آینده در این منابع نیز اعمال شود. شیخی گفت: این کمک به بازیافت خاکهای کمیاب تأثیر استراتژیک و اقتصادی بر چندین صنعت خواهد داشت. هرچه نئودیمیم بیشتری بازیافت کنیم، بیشتر می‌توانیم وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی و توربین‌های بادی تولید کنیم که منجر به فشار کمتری بر محیطزیست میشود.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۱۱/۲۵/salvaging-rare-earth-elements-from-electronic-waste
گرد آورندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
پژوهشگران مواد پایداری برای سلولهای خورشیدی کارآمدتر ایجاد میکنند
| تاریخ ارسال: 1400/10/5 |
پژوهشگران مواد پایداری برای سلولهای خورشیدی کارآمدتر ایجاد میکنند
پژوهشگران دانشگاه Queen Mary لندن، فرآیند جدید تولید مواد پروسکایتی پایدار را برای ایجاد سلولهای خورشیدی کارآمدتر، توسعه دادهاند.
سیلیکون بلوری پرمصرفترین ماده برای سلولهای خورشیدی است. بااین حال، در طول دهه گذشته، سلولهای خورشیدی پروسکایتی، ساخته شده از مواد پروسکایت هالید فلزی، نوید ساخت سلولهای خورشیدی ارزانتر و کارآمدتر از سیلیکون را داده اند. اما در حالیکه اکنون سلولهای خورشیدی پروسکایت میتوانند از نظر کارایی با سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون تثبیت شده رقابت کنند، یک چالش کلیدی که هنوز به آن توجه نشده است، ناپایداری شیمیایی آنهاست. مواد پروسکایتی به رطوبت، اکسیژن و حتی نور بسیار حساس هستند؛ به این معنی که میتوانند به سرعت در هوا تجزیه شوند.
یکی از مواد پروسکایتی، فرمامیدینیم پروسکایت، میتواند به حل این مشکل کمک کند؛ زیرا ساختار بلوری خالص و سیاه رنگ آن، معروف به FAPbI۳، از نظر شیمیایی پایدارتر از بسیاری از پروسکایتهای دیگر است. خواص نوری آن نیز برای جذب نور و تولید برق پربازده در سلول خورشیدی نسبت به مواد پروسکایت موجود بسیار مناسب تر است. بااینحال، ایجاد این شکل سیاه و پایدار از ماده دشوار است و اغلب میتواند فاز زرد رنگی را تشکیل دهد که برای سلولهای خورشیدی مناسب نیست.
در مطالعهای که در مجله Advanced Materials چاپ شده است (بلوری کردن بدون افزودنی و در دمای پایین پروسکایت پایدار α-FAPbI۳)، پژوهشگران فرآیند جدیدی را برای ایجاد FAPbI۳ توصیف میکنند.
یکی از چالشهای ساخت FAPbI۳ این است که دمای مورد استفاده بالای (۱۵۰ درجه سانتیگراد) میتواند باعث کشیده شدن بلور‌های درون ماده شود و آنها را تحت فشار قرار دهد که به نفع فاز زرد رنگ است. در حالیکه برخی گزارش‌های پیشین از مقادیر کمی از مواد شیمیایی اضافی یا افزودنی‌ها برای کمک به تشکیل FAPbI۳ در این شرایط استفاده کرده‌اند، کنترل یکنواختی و مقادیر این افزودنی‌ها هنگام ساخت سلولهای خورشیدی در مقیاس بسیار زیاد میتواند بسیار سخت باشد. همچنین تأثیر بلندمدت حضور آنها هنوز مشخص نیست.
رویکرد جدیدی که در این مطالعه توضیح داده شد، استفاده از فیلم‌های FAPbI۳ در معرض یک آئروسل حاوی مخلوطی از حلال‌ها در دمای پایین‌تر (۱۰۰ درجه سانتیگراد) است. پژوهشگران دریافتند که در مقایسه با روشهای دیگر که ممکن است حدود ۲۰ دقیقه زمان ببرد، میتوانند پس از یک دقیقه فاز سیاه بسیار پایدار FAPbI۳ را تشکیل دهند. آنها همچنین نشان میدهند که دمای پایین‌تر استفاده شده به آرامش بلور‌های درون ماده کمک میکند. دکتر Joe Briscoe، خوانندهی مواد و دستگاههای انرژی در Queen Mary، گفت: فرمامیدینیم پروسکایت خالص میتواند سلولهای خورشیدی پروسکایتی را تولید کند که کارآمدتر و پایدارتر از پروسکایتهای هیبریدی دیگر بر پایه متیل آمونیوم هستند. این میتواند برای تجاری‌سازی این فناوری بسیار مهم باشد، به‌ویژه که این فرآیند را میتوان به راحتی صنعتی کرد.
در این مطالعه، ما یک رویکرد جدید و کارآمدتر برای ایجاد فرمامیدینیم پروسکایت سیاه خالص و پایدار FAPbI۳ نشان داده‌ایم. از آنجایی که فرآیند ما از ساختار سلول خورشیدی پروسکایت معکوس و دمای آنیل پایین‌تر استفاده میکند، این نیز آن را برای ساخت سلولهای خورشیدی انعطاف‌پذیر روی پلاستیک بسیار مناسب میکند که میتواند کاربردهای زیادی برای مثال در لباس‌ها و وسایل نقلیه داشته باشد.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۱۲/۱۶/scientists-create-stable-materials-for-more-efficient-solar-cells
گردآورندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان_مهندس ریحانه گودرزی
سیلیکون بلوری پرمصرفترین ماده برای سلولهای خورشیدی است. بااین حال، در طول دهه گذشته، سلولهای خورشیدی پروسکایتی، ساخته شده از مواد پروسکایت هالید فلزی، نوید ساخت سلولهای خورشیدی ارزانتر و کارآمدتر از سیلیکون را داده اند. اما در حالیکه اکنون سلولهای خورشیدی پروسکایت میتوانند از نظر کارایی با سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون تثبیت شده رقابت کنند، یک چالش کلیدی که هنوز به آن توجه نشده است، ناپایداری شیمیایی آنهاست. مواد پروسکایتی به رطوبت، اکسیژن و حتی نور بسیار حساس هستند؛ به این معنی که میتوانند به سرعت در هوا تجزیه شوند.
یکی از مواد پروسکایتی، فرمامیدینیم پروسکایت، میتواند به حل این مشکل کمک کند؛ زیرا ساختار بلوری خالص و سیاه رنگ آن، معروف به FAPbI۳، از نظر شیمیایی پایدارتر از بسیاری از پروسکایتهای دیگر است. خواص نوری آن نیز برای جذب نور و تولید برق پربازده در سلول خورشیدی نسبت به مواد پروسکایت موجود بسیار مناسب تر است. بااینحال، ایجاد این شکل سیاه و پایدار از ماده دشوار است و اغلب میتواند فاز زرد رنگی را تشکیل دهد که برای سلولهای خورشیدی مناسب نیست.
در مطالعهای که در مجله Advanced Materials چاپ شده است (بلوری کردن بدون افزودنی و در دمای پایین پروسکایت پایدار α-FAPbI۳)، پژوهشگران فرآیند جدیدی را برای ایجاد FAPbI۳ توصیف میکنند.
یکی از چالشهای ساخت FAPbI۳ این است که دمای مورد استفاده بالای (۱۵۰ درجه سانتیگراد) میتواند باعث کشیده شدن بلور‌های درون ماده شود و آنها را تحت فشار قرار دهد که به نفع فاز زرد رنگ است. در حالیکه برخی گزارش‌های پیشین از مقادیر کمی از مواد شیمیایی اضافی یا افزودنی‌ها برای کمک به تشکیل FAPbI۳ در این شرایط استفاده کرده‌اند، کنترل یکنواختی و مقادیر این افزودنی‌ها هنگام ساخت سلولهای خورشیدی در مقیاس بسیار زیاد میتواند بسیار سخت باشد. همچنین تأثیر بلندمدت حضور آنها هنوز مشخص نیست.
رویکرد جدیدی که در این مطالعه توضیح داده شد، استفاده از فیلم‌های FAPbI۳ در معرض یک آئروسل حاوی مخلوطی از حلال‌ها در دمای پایین‌تر (۱۰۰ درجه سانتیگراد) است. پژوهشگران دریافتند که در مقایسه با روشهای دیگر که ممکن است حدود ۲۰ دقیقه زمان ببرد، میتوانند پس از یک دقیقه فاز سیاه بسیار پایدار FAPbI۳ را تشکیل دهند. آنها همچنین نشان میدهند که دمای پایین‌تر استفاده شده به آرامش بلور‌های درون ماده کمک میکند. دکتر Joe Briscoe، خوانندهی مواد و دستگاههای انرژی در Queen Mary، گفت: فرمامیدینیم پروسکایت خالص میتواند سلولهای خورشیدی پروسکایتی را تولید کند که کارآمدتر و پایدارتر از پروسکایتهای هیبریدی دیگر بر پایه متیل آمونیوم هستند. این میتواند برای تجاری‌سازی این فناوری بسیار مهم باشد، به‌ویژه که این فرآیند را میتوان به راحتی صنعتی کرد.
در این مطالعه، ما یک رویکرد جدید و کارآمدتر برای ایجاد فرمامیدینیم پروسکایت سیاه خالص و پایدار FAPbI۳ نشان داده‌ایم. از آنجایی که فرآیند ما از ساختار سلول خورشیدی پروسکایت معکوس و دمای آنیل پایین‌تر استفاده میکند، این نیز آن را برای ساخت سلولهای خورشیدی انعطاف‌پذیر روی پلاستیک بسیار مناسب میکند که میتواند کاربردهای زیادی برای مثال در لباس‌ها و وسایل نقلیه داشته باشد.
منبع:
https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۱۲/۱۶/scientists-create-stable-materials-for-more-efficient-solar-cells
گردآورندگان:دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان_مهندس ریحانه گودرزی
توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی بسیار تغییر شکلپذیر برای دستگاههای لمسی
| تاریخ ارسال: 1400/8/26 |
توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی بسیار تغییر شکل پذیر برای دستگاههای لمسی
با افزایش اهمیت محیط‌های غیر تماسی به دلیل COVID-۱۹، دستگاههای الکترونیکی لمسی با استفاده از فناوری لمس (haptic) به‌عنوان رسانه‌های ارتباطی جدید مورد توجه قرار میگیرند.
فناوری لمس در طیف گستردهای از زمینهها مانند روباتیک یا نمایشگرهای تعاملی استفاده میشود. دستکشهای لمسی برای فناوری ارتباطات اطلاعات تقویت شده استفاده میشود. مواد پیزوالکتریک کارآمدی که میتوانند محرکهای مکانیکی مختلف را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل کنند و بالعکس، پیشنیازی برای پیشرفت فناوری لمسی با کارایی بالا هستند.
یک تیم پژوهشی به سرپرستی پروفسور Seungbum Hong پتانسیل دستگاههای لمسی را با توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی که تا سه برابر تغییر شکل‌پذیرتر هستند، تأیید کردند. برای ساخت نانومواد بسیار تغییر شکلپذیر، تیم پژوهشی یک نانوساختار توخالی اکسیدروی با استفاده از نانوالگوسازی میدان مجاور و رسوب لایه اتمی ساختند.
ضریب پیزوالکتریک تقریباً pm/V ۲/۹ اندازه‌گیری شد و آزمایش فشرده‌سازی نانومیله، حد کرنش الاستیک تقریباً ۱۰% را نشان داد که سه برابر بیشتر از اکسید روی بالک است. سرامیکهای پیزوالکتریک دارای ضریب پیزوالکتریک بالا با محدودیت کرنش الاستیک کم هستند؛ درحالیکه عکس این امر برای پلیمرهای پیزوالکتریک صادق است. بنابراین، دستیابی به عملکرد خوب در هر دو ضرایب پیزوالکتریک بالا و همچنین محدودیتهای کرنش الاستیک بالا بسیار چالش برانگیز بودهاست. برای شکستن حد الاستیک سرامیکهای پیزوالکتریک، تیم پژوهشی یک نانوساختار توخالی خرپایی سهبعدی با دیوارههای نازک در مقیاس نانومتری معرفی کردند. با توجه به معیار گریفیث، استحکام شکست یک ماده با جذر اندازه عیب موجود، نسبت معکوس دارد. بااینحال، یک نقص بزرگ به میزان کمتری در یک ساختار کوچک رخ میدهد که به نوبه خود، استحکام مواد را افزایش میدهد. بنابراین، اجرای فرم یک نانوساختار توخالی خرپایی سهبعدی با دیوارههای نازک در مقیاس نانومتری میتواند حد الاستیک ماده را افزایش دهد. علاوهبراین، یک ساختار سهبعدی یکپارچه میتواند در برابر فشارهای بالا در همهی جهات مقاومت کند و همزمان از خسارت ناشی از گلوگاه جلوگیری کند. پیش از این، کنترل خاصیت شکست مواد سرامیکی پیزوالکتریک به دلیل واریانس زیاد در اندازه‌های ترک دشوار بود. بااینحال، تیم پژوهشی از نظر ساختاری، اندازه ترک را برای مدیریت خواص شکست محدود کرد.
نتایج پروفسور Hong پتانسیل توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی بسیار تغییر شکلپذیر را با بهبود حد الاستیک با استفاده از یک نانوساختار توخالی سهبعدی نشان میدهد. از آنجایی که اکسیدروی دارای ضریب پیزوالکتریک نسبتاً پایینی در مقایسه با سایر مواد سرامیکی پیزوالکتریک است، استفاده از ساختار پیشنهادی برای چنین اجزایی نتایج بهتری را از نظر فعالیت پیزوالکتریکی وعده میدهد.
پروفسور Hong گفت: "با ظهور عصر غیرتماسی، اهمیت ارتباطات عاطفی در حال افزایش است. از طریق توسعه فناوری‌های جدید تعامل لمسی، علاوه بر ارتباطات دیداری و شنیداری کنونی، بشر وارد عصر جدیدی میشود که در آن میتواند با هر کسی با استفاده از هر پنج حس و بدون توجه به موقعیت مکانی ارتباط برقرار کند، انگار که شخصاً با آنها هستند. "درحالیکه تحقیقات بیشتری باید برای تحقق کاربرد طرحهای پیشنهادی برای دستگاههای تقویتکننده لمسی انجام شود، این مطالعه به دلیل حل یکی از چالش برانگیزترین مسائل در استفاده از سرامیکهای پیزوالکتریک ارزش بالایی دارد و به ویژه فرصتهای جدیدی را برای استفاده از آنها با غلبه بر محدودیتهای مکانیکی میگشاید.
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع: https://www.azom.com/news.aspx?newsID=۵۵۴۷۹
فناوری لمس در طیف گستردهای از زمینهها مانند روباتیک یا نمایشگرهای تعاملی استفاده میشود. دستکشهای لمسی برای فناوری ارتباطات اطلاعات تقویت شده استفاده میشود. مواد پیزوالکتریک کارآمدی که میتوانند محرکهای مکانیکی مختلف را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل کنند و بالعکس، پیشنیازی برای پیشرفت فناوری لمسی با کارایی بالا هستند.
یک تیم پژوهشی به سرپرستی پروفسور Seungbum Hong پتانسیل دستگاههای لمسی را با توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی که تا سه برابر تغییر شکل‌پذیرتر هستند، تأیید کردند. برای ساخت نانومواد بسیار تغییر شکلپذیر، تیم پژوهشی یک نانوساختار توخالی اکسیدروی با استفاده از نانوالگوسازی میدان مجاور و رسوب لایه اتمی ساختند.
ضریب پیزوالکتریک تقریباً pm/V ۲/۹ اندازه‌گیری شد و آزمایش فشرده‌سازی نانومیله، حد کرنش الاستیک تقریباً ۱۰% را نشان داد که سه برابر بیشتر از اکسید روی بالک است. سرامیکهای پیزوالکتریک دارای ضریب پیزوالکتریک بالا با محدودیت کرنش الاستیک کم هستند؛ درحالیکه عکس این امر برای پلیمرهای پیزوالکتریک صادق است. بنابراین، دستیابی به عملکرد خوب در هر دو ضرایب پیزوالکتریک بالا و همچنین محدودیتهای کرنش الاستیک بالا بسیار چالش برانگیز بودهاست. برای شکستن حد الاستیک سرامیکهای پیزوالکتریک، تیم پژوهشی یک نانوساختار توخالی خرپایی سهبعدی با دیوارههای نازک در مقیاس نانومتری معرفی کردند. با توجه به معیار گریفیث، استحکام شکست یک ماده با جذر اندازه عیب موجود، نسبت معکوس دارد. بااینحال، یک نقص بزرگ به میزان کمتری در یک ساختار کوچک رخ میدهد که به نوبه خود، استحکام مواد را افزایش میدهد. بنابراین، اجرای فرم یک نانوساختار توخالی خرپایی سهبعدی با دیوارههای نازک در مقیاس نانومتری میتواند حد الاستیک ماده را افزایش دهد. علاوهبراین، یک ساختار سهبعدی یکپارچه میتواند در برابر فشارهای بالا در همهی جهات مقاومت کند و همزمان از خسارت ناشی از گلوگاه جلوگیری کند. پیش از این، کنترل خاصیت شکست مواد سرامیکی پیزوالکتریک به دلیل واریانس زیاد در اندازه‌های ترک دشوار بود. بااینحال، تیم پژوهشی از نظر ساختاری، اندازه ترک را برای مدیریت خواص شکست محدود کرد.
نتایج پروفسور Hong پتانسیل توسعه مواد پیزوالکتریک سرامیکی بسیار تغییر شکلپذیر را با بهبود حد الاستیک با استفاده از یک نانوساختار توخالی سهبعدی نشان میدهد. از آنجایی که اکسیدروی دارای ضریب پیزوالکتریک نسبتاً پایینی در مقایسه با سایر مواد سرامیکی پیزوالکتریک است، استفاده از ساختار پیشنهادی برای چنین اجزایی نتایج بهتری را از نظر فعالیت پیزوالکتریکی وعده میدهد.
پروفسور Hong گفت: "با ظهور عصر غیرتماسی، اهمیت ارتباطات عاطفی در حال افزایش است. از طریق توسعه فناوری‌های جدید تعامل لمسی، علاوه بر ارتباطات دیداری و شنیداری کنونی، بشر وارد عصر جدیدی میشود که در آن میتواند با هر کسی با استفاده از هر پنج حس و بدون توجه به موقعیت مکانی ارتباط برقرار کند، انگار که شخصاً با آنها هستند. "درحالیکه تحقیقات بیشتری باید برای تحقق کاربرد طرحهای پیشنهادی برای دستگاههای تقویتکننده لمسی انجام شود، این مطالعه به دلیل حل یکی از چالش برانگیزترین مسائل در استفاده از سرامیکهای پیزوالکتریک ارزش بالایی دارد و به ویژه فرصتهای جدیدی را برای استفاده از آنها با غلبه بر محدودیتهای مکانیکی میگشاید.
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع: https://www.azom.com/news.aspx?newsID=۵۵۴۷۹
.jpg)
کنفرانس سیمان
| تاریخ ارسال: 1400/8/26 |
کنفرانس سیمان
Cemtech Americas ۲۰۲۱
۲۳ و ۲۴ نوامبر ۲۰۲۱
این کنفرانس مجازی شامل ارائه هایی از رهبران صنعت منطقه و کارشناسان فناوری در رابطه با آخرین تحولات منطقه است و برخی از بازارهای پیشرو جهان از جمله ایالات متحده امریکا، مکزیک، کلمبیا و برزیل را دربرمیگیرد.
موضوعات کلیدی مرتبط با بخش سیمان منطقه ای:
Cemtech Americas ۲۰۲۱
۲۳ و ۲۴ نوامبر ۲۰۲۱
این کنفرانس مجازی شامل ارائه هایی از رهبران صنعت منطقه و کارشناسان فناوری در رابطه با آخرین تحولات منطقه است و برخی از بازارهای پیشرو جهان از جمله ایالات متحده امریکا، مکزیک، کلمبیا و برزیل را دربرمیگیرد.
موضوعات کلیدی مرتبط با بخش سیمان منطقه ای:
- بهروزرسانی صنعت و روند بازار در سراسر قاره آمریکا
- بهترین روش در فناوری تولید
- نقشه راه فناوری و روندهای کربنزدایی
این برنامه دیدگاه های کلیدی در مورد بهترین شیوه تولید سیمان از جمله تعمیر و نگهداری و بهره وری عملیاتی، فرآوری حرارتی و سوخت های جایگزین، کنترل کیفیت و توسعه محصول، سیستم های آسیاب، کنترل فرآیند پیشرفته و دیجیتالی سازی، تدارکات سیمان و بتن آماده، کنترل انتشار، جابه جایی مواد بالک و طراحی ترمینال، سیمان با دی اکسیدکربن کم و خاک رس کلسینه شده را پوشش خواهد داد.
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع: https://www.cemnet.com/Conference/Item/۱۸۸۲۲۰/cemtech-americas-۲۰۲۱.html
شیشه الماسی پنهان در آینده ی بدون کربن است!
| تاریخ ارسال: 1400/8/26 |
شیشه الماسی پنهان در آینده ی بدون کربن است!
بازیافت شیشه باعث تخریب آن نمی شود و تولید شیشه می تواند بدون استفاده از کربن صورت گیرد. پس چرا بسیاری از کشورها هنوز شیشه را در زمین دفن می کنند؟
شیشه را میتوان بی نهایت مرتبه بازیافت کرد، بدون اینکه خاصیت خود را از دست بدهد. پس چرا بیشتر کشورها - به استثنای کشورهای اروپایی - هنوز بیشتر شیشه های خود را دفن می کنند؟ طبق گزارش آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، در سال ۲۰۱۸، ایالات متحده به تنهایی تقریباً ۷ میلیون تن شیشه را در محل های دفن زباله تخلیه کرد که ۵.۲ درصد از کل زباله های جامد شهری را تشکیل می دهد.
در سراسر جهان، تولید شیشه در هر سال حداقل ۸۶ میلیون تن دی اکسید کربن تولید می کند. اما بسیاری از این موارد را می توان با بازیافت شیشه حذف کرد چراکه فناوری های موجود می توانند تولید شیشه را به فرآیندی عمدتاً بدون کربن تبدیل کنند. آنچه باید اتفاق بیفتد این است که کشورها بازیافت شیشه را اجباری کرده و ارسال شیشه به محل های دفن زباله را متوقف کنند.
تولید برخی از این مواد می تواند با استفاده از شیشه های بازیافتی خرد شده که به نام cullet شناخته می شوند، انجام گیرد. هنگامی که کولت ذوب می شود، گازCO۲ آزاد نشده و کوره ها نیز مجبور نیستند برای ذوب شیشه به شدت بسوزند تا مواد خام ذوب شوند و همین امر باعث صرفه جویی بیشتر در مصرف کربن می گردد. به گفته ی فدراسیون شیشه مظروف اروپا (FEVE)، یک گروه صنعتی مستقر در بروکسل اظهار داشته اند که استفاده از ۱۰ درصد بیشتر cullet در یک کوره، انتشار CO۲ را به میزان ۵ درصد(در مقایسه با حالتی که شیشه کاملا از مواد خام تهیه می شود) کاهش داده است.
شایان ذکر است در بازیافت شیشه ها لازم است نکاتی مد نظر قرار گیرند. به عنوان مثال، نوع شیشه ای که برای ساختن پنجره ها استفاده می شود - که به عنوان شیشه تخت شناخته می شود - برخلاف شیشه های مورد استفاده در بسیاری از کاربردهای دیگر، نمی تواند حاوی ناخالصی باشد. بنابراین امکان ذوب شیشه های مربا برای گرفتن شیشه پنجره وجود ندارد. اما می توان از cullet های شیشه ای تخت برای ساخت شیشه های مسطح استفاده کرد.
سه چهارم شیشه مورد استفاده برای ظروفی مانند بطری ها، در تمامی ۲۷ کشور عضو اتحادیه اروپا و بریتانیا به منظور بازیافت جمع آوری می گردد اما کشورهای دیگر در جایی که باید باشند نیستند! علاوه بر این، یافتن داده‌های مربوط به بازیافت شیشه ها دشوار است زیرا بیشتر کشورها گزارشی از آنچه انجام میدهند ارایه نداده و به نظر می رسد هیچ نهاد بین المللی برای جمع آوری داده های بازیافت شیشه وجود ندارد. با این حال، تلاش های ملی برای بهبود نرخ جمع آوری و بازیافت در حال انجام است. ایالات متحده به طور متوسط فقط ۳۱٪ از ظروف شیشه ای خود را بازیافت می کند، اما یک موسسه بسته بندی شیشه ای در یک انجمن تجاری مستقر در ویرجینیا تلاش می کند تا این میزان را تا سال ۲۰۳۰ به ۵۰٪ افزایش دهد. به طور مشابه، پروژه ای که توسط شرکت بازیافت شیشه در ژوهانسبورگ اجرا شد، نرخ بازیافت را در سراسر آفریقای جنوبی از ۱۸ درصد در سال های ۲۰۰۵-۲۰۰۶ به ۴۲ درصد در سال های ۲۰۱۸-۱۹ افزایش داد.
شیشه یک ماده ضروری است و این امکان وجود دارد که ساخت آن در مدت زمان نسبتاً کوتاه و تقریباً بدون کربن انجام شود اما قانون گذاری هایی لازم است تا از درستی روش جمع آوری و بازیافت شیشه اطمینان حاصل گردد.
گردآورندگان: مهندس پریا شیخ
منبع: https://www.nature.com/articles/d۴۱۵۸۶-۰۲۱-۰۲۹۹۲-۸
شیشه را میتوان بی نهایت مرتبه بازیافت کرد، بدون اینکه خاصیت خود را از دست بدهد. پس چرا بیشتر کشورها - به استثنای کشورهای اروپایی - هنوز بیشتر شیشه های خود را دفن می کنند؟ طبق گزارش آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، در سال ۲۰۱۸، ایالات متحده به تنهایی تقریباً ۷ میلیون تن شیشه را در محل های دفن زباله تخلیه کرد که ۵.۲ درصد از کل زباله های جامد شهری را تشکیل می دهد.
در سراسر جهان، تولید شیشه در هر سال حداقل ۸۶ میلیون تن دی اکسید کربن تولید می کند. اما بسیاری از این موارد را می توان با بازیافت شیشه حذف کرد چراکه فناوری های موجود می توانند تولید شیشه را به فرآیندی عمدتاً بدون کربن تبدیل کنند. آنچه باید اتفاق بیفتد این است که کشورها بازیافت شیشه را اجباری کرده و ارسال شیشه به محل های دفن زباله را متوقف کنند.
تولید برخی از این مواد می تواند با استفاده از شیشه های بازیافتی خرد شده که به نام cullet شناخته می شوند، انجام گیرد. هنگامی که کولت ذوب می شود، گازCO۲ آزاد نشده و کوره ها نیز مجبور نیستند برای ذوب شیشه به شدت بسوزند تا مواد خام ذوب شوند و همین امر باعث صرفه جویی بیشتر در مصرف کربن می گردد. به گفته ی فدراسیون شیشه مظروف اروپا (FEVE)، یک گروه صنعتی مستقر در بروکسل اظهار داشته اند که استفاده از ۱۰ درصد بیشتر cullet در یک کوره، انتشار CO۲ را به میزان ۵ درصد(در مقایسه با حالتی که شیشه کاملا از مواد خام تهیه می شود) کاهش داده است.
شایان ذکر است در بازیافت شیشه ها لازم است نکاتی مد نظر قرار گیرند. به عنوان مثال، نوع شیشه ای که برای ساختن پنجره ها استفاده می شود - که به عنوان شیشه تخت شناخته می شود - برخلاف شیشه های مورد استفاده در بسیاری از کاربردهای دیگر، نمی تواند حاوی ناخالصی باشد. بنابراین امکان ذوب شیشه های مربا برای گرفتن شیشه پنجره وجود ندارد. اما می توان از cullet های شیشه ای تخت برای ساخت شیشه های مسطح استفاده کرد.
سه چهارم شیشه مورد استفاده برای ظروفی مانند بطری ها، در تمامی ۲۷ کشور عضو اتحادیه اروپا و بریتانیا به منظور بازیافت جمع آوری می گردد اما کشورهای دیگر در جایی که باید باشند نیستند! علاوه بر این، یافتن داده‌های مربوط به بازیافت شیشه ها دشوار است زیرا بیشتر کشورها گزارشی از آنچه انجام میدهند ارایه نداده و به نظر می رسد هیچ نهاد بین المللی برای جمع آوری داده های بازیافت شیشه وجود ندارد. با این حال، تلاش های ملی برای بهبود نرخ جمع آوری و بازیافت در حال انجام است. ایالات متحده به طور متوسط فقط ۳۱٪ از ظروف شیشه ای خود را بازیافت می کند، اما یک موسسه بسته بندی شیشه ای در یک انجمن تجاری مستقر در ویرجینیا تلاش می کند تا این میزان را تا سال ۲۰۳۰ به ۵۰٪ افزایش دهد. به طور مشابه، پروژه ای که توسط شرکت بازیافت شیشه در ژوهانسبورگ اجرا شد، نرخ بازیافت را در سراسر آفریقای جنوبی از ۱۸ درصد در سال های ۲۰۰۵-۲۰۰۶ به ۴۲ درصد در سال های ۲۰۱۸-۱۹ افزایش داد.
شیشه یک ماده ضروری است و این امکان وجود دارد که ساخت آن در مدت زمان نسبتاً کوتاه و تقریباً بدون کربن انجام شود اما قانون گذاری هایی لازم است تا از درستی روش جمع آوری و بازیافت شیشه اطمینان حاصل گردد.
گردآورندگان: مهندس پریا شیخ
منبع: https://www.nature.com/articles/d۴۱۵۸۶-۰۲۱-۰۲۹۹۲-۸
کنفرانس خنثایی کربن با شیشه
| تاریخ ارسال: 1400/8/8 |
کنفرانس خنثایی کربن با شیشه
۲۵ و ۲۶ نوامبر ۲۰۲۱
شرایط اقلیمی خنثی و کربن زدایی، چالشهای بزرگ عصر ما برای تجارت و جامعه هستند. همچنین صنعت جهانی شیشه برای کمک به تولید کربن خنثی، وظیفه ی توسعه ی راه حلهای جایگزین را بر عهده دارد. ۲۵ و ۲۶ نوامبر ۲۰۲۱
متخصصان صنعت و علم شیشه، بینشهای ارزشمندی را در مورد روند تحول، تحت عنوان کنفرانس "خنثایی کربن با شیشه"، در این صنعت ارائه میدهند.
برای همه روشن است: چیزی باید تغییر کند.
گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع: https://www.glassonline.com/glasstec-update-conference-carbon-neutrality-with-glass/