بحث نانوتكنولوژی یكی از رایج‌ترین مباحث در مجامع علمی دنیاست و كشورهایی كه نتوانند در این فن‌آوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آینده در بسیاری زمینه‌ها از گردونه رقابت اقتصادی خارج میشوند چرا كه از جمله مهمترین شاخصه‌های قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیت‌آمیز از بحران انرژی است و از نانوتكنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد می‌شود.
امروزه از طرفی به دلیل كاهش یافتن منابع اولیه انرژی‌های فسیلی در دنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگی‌های شدید زیست‌محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژی‌های خورشیدی، بادی و … می شود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تكنولوژی تبدیل‌كننده این پتانسیل‌ها به انرژی‌های الكتریكی، مكانیكی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهای خورشیدی و …)
از سوی دیگر، نانو تكنولوژی، به سبب بهبود كیفی ابزارها، مصرف كمتر مواد اولیه، مصرف كمتر انرژی، كاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در كشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به كمك این فناوری گامهای موثری در جهت كاهش آلودگی زیست‌محیطی حاصل از سوختهای فسیلی، برداشته شده است. از این رو از مهمترین بسترهای بكارگیری نانوتكنولوژی در ساخت و تولید مبدلهای انرژی‌های نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، كاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از كاتالیست‌های احتراق) و افزایش راندمان این نیروگاهها (با بكارگیری نانوپوششها و نانومگنت‌ها) است.
پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتكنولوژی (متالورژی)
تكنولوژی مواد، یك تكنولوژی بنیانی در زمینه فن‌آوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف و تولید انرژی است. از سوی دیگر نانوتكنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد مورد مصرف و ابداع كاربردهای جدید برای مواد با كنترل ریزساختار آنها در ابعاد بسیار بسیار ریز دارد و از این رو می‌توان ظهور آن را یك انقلاب بزرگ در آغاز قرن بیست‌و یكم دانست. بطور كلی پیشرفتهای حاصل از نانوتكنولوژی در شاخه متالورژی را می‌توان به دو دسته تقسیم كرد:
الف) پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
ب) پیشرفتهای حاصله در تغییر خواص مواد مورد مصرف یه كمك نانوتكنولوژی
پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
در شاخه ساخت و تولید، امروزه مهمترین كارهای انجام شده در زمینه تولید نانوذرات ونانوپودرهاست. نانوپودرها موادی هستند كه به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصی از تولید بنام «تولید پایین به بالا» مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تولید پایین به بالا به جای اینكه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده‌ای بسازند، آن را از ذرات و مولكولهای تشكیل دهنده‌اش می‌سازند. این روش باروش معمولی (تولید از بالا به پایین) بسیار متفاوت است زیرا در تولید معمولی، حجم بسیار زیادی از مواد زاید حاصل از تراش، دور ریخته می‌شود ولی در تولید پایین به بالا، علاوه بر اینكه چنین مشكلی وجود ندارد، استحكام ماده تولیدی نیز به علت كم شدن نواقص ریزساختاری بالا می‌رود.
پیشرفتهای حاصله در بهبود خواص مواد با نانوساختارسازی
محققان و دانشمندان علم مواد و فیزیك بر این باورند كه بسیاری از خواص فیزیكی مواد ارتباط تنگاتنگی با ریزساختار ماده (آرایش اتمی، تركیب شیمیایی و همگنی آرایش كریستالی یك جامد در یك یا دو یا سه بعد) دارد. بدیهی است با پذیرش چنین اصلی می‌توانیم انتظار تغییر خواص فیزیكی یك جامد را در اثر تغییر یافتن یكی از پارامترهای مذكور داشته باشیم. در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددی در خصوص تغییرات خواص در اثر این تحولات ارایه شده است كه با توجه به كاربردهای بسیار جالب آنها، تلاشهای زیادی جهت درك پدیده‌های نوظهور ایجاد شده در حال انجام است. در واقع تغییر در ساختار اتمی مواد، نقش تعیین‌كننده‌ای در كنترل خواص مواد نانوساختار دارد. به عنوان مثال كم‌شدن ابعاد دانه در حد نانونمتر اثر شدیدی بر تولید و حركت نابجائیها و در نتیجه افزایش چشمگیر استحكام تسلیم، سختی و چقرمگی دارد. همچنین مقاومت به سایش و خوردگی مواد نانوساختار از نمونه‌های معمول بیشتر است.
ریزساختار نانو مواد
در یك تقسیم‌بندی كلی انواع مواد نانوساختار می‌توانند بر اساس تركیب شیمیایی كریستالیتها یا مرز دانه‌ها، شكل بلوها و … در چهار گروه دسته‌بندی شوند. بر اساس این مدل در ساده‌ترین حالت (گروه اول) كریستالیتها و نواحی مرزی دارای تركیب شیمیایی یكسان هستند. مثل پلیمرهای نیمه هادی كه در آنها لایه‌های كریستالی روی هم چیده شده، توسط لایه‌های غیركریستالی جدا میشوند. این كریستالیتها، ساختار كریستالی متفاوت اما تركیب شیمیایی یكسانی دارند.
گروه دوم نیز مشابه گروه اول است، با این تفاوت كه علاوه بر ساختار كریستالی، تركیب شیمیایی كریستالیتها نیز با یكدیگر متفاوت است. حالت سوم حالتی است كه یك كریستالیت غالب وجود دارد كه بین دانه‌های آن مرزدانه است. در اینحالت یك نوع اتم یا مولكول در نواحی مرزی به گونه‌ای تجمع می‌یابد كه هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشته باشیم. نوع چهارم جامدهای نانوساختار، می‌تواند بصورت توزیع كریستالهای نانومتری با اشكال مختلف (نظیر صفحه‌ای، میله‌ای و …) در یك زمینه با تركیب شیمیایی متفاوت پدیدار شود (مثل آلیاژهای رسوب سختی شده)
بدین ترتیب می‌توان با اعمال كنترلهای بسیار دقیق، شاهد تاثیرات نانوساختارسازی بر بهبود خواص مواد مورد استفاده بود.
بكارگیری نانوتكنولوژی در پوشش قطعات داغ توربینهای گازی
قطعات داغ توربینهای گازی زمینی از سوپر آلیاژهای گرانقیمت ساخته میشوند كه دوام خزشی نسبتاً بالایی داشته باشند. هزینه تامین مواد اولیه از یك سو و پیچیدگی روشهای تولید، ماشینكاری و كنترل كیفی از سوی دیگر سبب شده است كه این قبیل قطعات قیمت تمام شده بالایی داشته باشند. قطعات مذكور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند و در اثر عوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوكهای حرارتی و شرایط محیطی آسیب می‌بینند. آسیبهای وارده به صورت كاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ، اكسیداسیون، فرسایش و پوسته شدن یا افت خواص مكانیكی در اثر نفوذ عوامل مضر به داخل زمینه آلیاژ بروز می‌كند.
در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت این آلیاژها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام استحكام و مقاومت به اكسیداسیون و خوردگی و امكان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان از سوختهای ناخالص‌تر و ارزانتر برای احتراق استفاده كرد. افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ، با بهبود تركیب شیمیایی، اصلاح ریزساختار، كنترل دمای كاری و كاهش عوامل خورنده در محیط كاری صورت می‌گیرد. همچنین افزودن یكسری از عناصر مانند كروم و آلومینیوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اكسیداسیون می‌شود. اما افزودن این عناصر سایر خواص آلیاژ مثل استحكام و مقاومت به ضربه رابه شدت كاهش می‌دهد. از طرفی كاهش دمای كاری توربینها، راندمان را كاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود. به منظور كاهش عوامل خورنده می‌توان از فیلتر كردن سوخت، هوا و… استفاده كرد ولی حذف كامل این عوامل امكان‌پذیر نیست. از این رو جهت برطرف كردن معضلات مذكور، استفاده از پوشش مطرح شده كه فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یك آلیاژ با استحكام بالا برای تحمل تنشها و یك پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیط باشد.
از بین پوششهای مرسوم می‌توان به پوششهای سرامیكی (تك فاز و كامپوزیتی) و پوششهای كروم سخت اشاره كرد. اما همه این روشها مشكلات مهمی دارند كه باعث محدودیت در استفاده از آنها می‌شود. آبكاری كروم، همراه با مواد سمی و خطرناك است و رفع آنها هزینه بسیار زیادی می‌طلبد، از طرف دیگر پوششهای پاشش پلاسمایی سرامیكی، قیمت كمتری نسبت به كروم سخت دارند، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمی‌كنند. از این رو جایگزینی این پوششها با پوششهایی كه این مشكلات را نداشته باشند بسیار مورد توجه است و در بین راههای مختلف، نانوساختارسازی پوششهای سرامیكی از بهترین و جدید‌ترین شیوه‌ها محسوب می‌شود.
با توجه به تاثیر بسزای بكارگیری نانوساختارها در بهبود خواص پوششها، تاكنون تاثیر نانوساختارسازی روی خواص پوششهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در این میان نانو پوششهای سد حرارتی (TBC) از اهمیت بسزایی جهت ایزوله كردن حرارتی اجزای داغ، برخوردارند، چرا كه این پوشش، فلز را ایزوله می‌كند و باعث می‌شود كه با بالاتر رفتن دمای كاری، بازدهی موتور افزایش یابد، دمای اجزای فلزی پایین‌تر بیاید و در نتیجه زوال، دیرتر صورت گیرد، احتیاج كمتری به خنك‌كننده باشد و احتمال زوال حرارتی كم شود، كه اینها در مجموع منجر به بهبود كارآیی، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربینهای گازی می‌شود. شكل (2) تاثیر حضور پوشش سد حرارتی را نشان می‌دهد.
پوششهای سد حرارتی نانوساختار
بر اساس تحقیقات بعمل آمده، زوال پوششهای سد حرارتی در سیكلهای حرارتی، هنوز مشكل مهمی محسوب می‌شود كه شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را كم می‌كند. این زوال ناگهانی معمولاً بر اثر پوسته‌ای شدن پوشش سرامیكی واقع می شود كه با ریز كردن ابعاد ذرات و كریستالها در پوششهای نانوساختار معضل مذكور برطرف می‌شود. عمده‌ترین روشی كه برای پوسش سد حرارتی در حالت نانوساختار بكار گرفته می‌شود، پوشش دهی پلاسمایی است.
اصول پوششدهی پلاسمایی معمولی و نانوساختار، عملاً تفاوتی با یكدیگر ندارند. مبانی پوششدهی پلاسمایی بدین صورت است كه یك گاز خنثی از ناحیه‌ای كه تخلیه الكتریكی شده، عبور می‌كند و دمای آن بسیار بالا می‌رود تا گاز یونیزه شود. گاز یونیزه شده از داخل یك نازل، با نیروی بسیار و سرعت زیاد خارج شده، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حركت پلاسما قرار گرفته، داغ و ذوب شده، به طرف فلز پایه هدایت میشوند (مطابق شكل 3).
نكته‌ای كه در این راستا مطرح است این است كه استفاده مستقیم از پودر با ذرات نانو، امكان‌پذیر نیست چون نانو ذرات نمی‌توانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چرا كه اندازه این ذرات بسیار كوچك است و اندازه حركت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسب به سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نكته این روش رعایت شرایط ویژه تهیه تغذیه مناسب برای پاشش به روی زطمینه جهت رسیدن به پوششهای نانوساختار است.
در روش پوششدهی، پلاسمایی قطره‌های مذاب كه روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلی پرتاب میشوند، پس از انجماد‌مرزی با بخش منجمد شده تشكیل می‌دهند كه به آن مرز پرتابی گفته می شود. در نمونه‌های پاشش حرارتی شده معمولی، نواحی مرزهای پرتابی مكان مناسبی برای رشد ترك هستند اما در پوششهای نانوساختار، مرزهای پرتابی توسط نواحی ذوب كامل نشده قطع میشوند و ترك از داخل مرزهای پرتابی رشد می‌كند كه با رسیدن به این نواحی متوقف می‌شود و یا مسیرش منحرف می‌شود. علت بهبود سایش پوششهای نانو در مقایسه با پوششهای معمولی این است كه به دلیل سادگی رشد ترك از مرزهای پرتابی. كنده شدن ذرات ماده در اثر سایش راحت‌تر واقع می‌شود در حالی كه در مورد پوششهای نانوساختار به دلیل ریز بودن تركها و منحرف یا متوقف شدن آنها در نواحی ذوب كامل نشده، كنده شدن جسم به سختی صورت می‌گیرد و مقاومت سایشی بهبود می‌یابد.
تاثیر نانو ساختار سازی بر بهبود خواص پوششها
بنا بر عقیده محققان، مهمترین پارامترها در بهبود و كارایی پوششهای (TBC) عبارتند از:
الف) افزایش استحكام و سختی
ب) افزایش مقاومت به خوردگی
ج) كاهش هدایت حرارتی
د) بهبود مقاومت به سایش
در نانو ساختارها به علت ریز شدن ابعاد دانه‌ها، سختی افزایش می‌یابد. همچنین به علت كوتاه شدن فاصله لغزش و دامنه حركت نابجائیها با ریز شدن ابعاد دانه‌ها، استحكام این مواد در اثر تجمع نابجائیها پشت موانع بالاتر از استحكام مواد معمول است. از سوی دیگر افزایش شدید مرز دانه در پوششهای نانوساختار، سبب می شود كه برای غلظت معینی از ناخالصیهای داخل دانه‌ها میزان ناخالصی در واحد مرز دانه كمتر از پوششهای معمول است و این خالص شدن مرز دانه‌ها باعث ایجاد مورفولوژی یكنواخت‌تری از مرزدانه و دانه می‌شود و در اثر این امر، مقاومت به خوردگی نسبت به پوششهای معمول بیشتر می‌شود. همچنین ریزشدن دانه‌ها، منجر به افزایش مرزدانه شده و كاهش هدایت حرارتی بر اثر پراكنده شدن فونونها دراین مرزها می‌شود.
بكارگیری نانوتكنولوژی در افزایش راندمان سلهای خورشیدی
خورشید كه به یك نیروگاه اتمی شباهت دارد، منبع شگفت‌انگیزی است. انرژی خورشید در اثر همجوشی هسته‌ای بوجود می‌آید. درجه حرارت درون خورشید حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد برآورد شده است، به صورتی كه تنها انرژی تشعشعی آن كه پس از طی 15000 میلیون كیلومتر در مدت 8 دقیقه به زمین می‌رسد. هزاران برابر مصرف كنونی جهان است. میزان تابش خورشید و امكان استفاده از آن در كشوهای مختلف متفاوت است. ایران از این نظر دررده نخستین كشورها قرار دارد، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگین سالیانه تابش خورشید بر هر متر مربع، 2200 كیلووات است. در سالیان گذشته حدود شش میلیارد دلار در جهان در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی سرمایه‌گذاری شده است. انرژی خورشیدی را می‌توان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل كرد. یكی از این روشها، استفاده از سلهای خورشیدی است.
سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند كه انرژی خورشیدی را به انرژی الكتریكی تبدیل می‌كنند. در این تبدیل انرژی خورشیدی ابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود. معمولترین نوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الكتریسیته (فوتوولتائیك) بوده و ولتاژ حاصل از آنها می‌تواند در یك مدار خارجی، جریان ایجاد كند و كار انجام دهد.