شگفتی حرکت نانو ذرات

مهندسی مکانیک، کاربرد عملی قوانین فیزیکی حاکم بر اجسام در حال حرکت را مورد بررسی قرار می دهد. برای این که بتوانیم پیش از وقوع پدیده هایی مانند پرتاب موشک به فضا، شرایط محیطی را به گونه ای تغییر دهیم که به حد اکثر بازده مورد نظر دست یابیم، مطالعه و بررسی نیروهای مقاوم در برابر حرکت جسم در محیط سیال از اهمیت بسیاری برخوردار است. از این رو تحقیق درباره ی نیروی مقاوم در برابر حرکت اجسام موضوعی ست که مورد توجه محققان مهندسی مکانیک قرار گرفته است. یکی از زمینه های تحقیقاتی بسیار ارزش مند، مطالعه ی چگونگی چرخش نانوذرات کروی در محیط سیال است. سیالات از مولکول هایی تشکیل شده اند که همواره در حال حرکت و برخورد با یکدیگرند.
عدم لغزش یا به عبارتی چسبندگی جریان سیال روی سطوح در حال حرکت فرضیه ای بود که به دلیل دقیق نبودن آزمایش های تجربی انجام شده و در نتیجه ی عدم دسترسی به وسایل دقیق اندازه گیری و پرهزینه بودن انجام آزمایش های تکمیلی و دقیق تر ارائه شد. دانشمندان از سال ۱۸۳۰ تا ۱۹۵۰ معتقد بودند هنگام حرکت جریان آب در لوله ودر محل تماس سیال به سطح، سیال روی سطح می چسبد. یعنی چسبندگی سیالات از عواملی مانند دما، جنس یا زبری سطح و هم چنین نوع سیال تاثیر نمی پذیرد، اما با پیشرفت فناوری و اندازه گیری های دقیق مشاهده شد در این زمینه استثنا هایی نیز وجود دارد که میتواند بسیاری از نتایج پیشین را به طور کلی تغییر دهد. در مهندسی مکانیک برای تحلیل حرکت ها از یک معادله ی دیفرانسیلی استفاده میشود که برای حل آن لازم است به شرایط محیطی مختلف توجه کرد. یک معادله می تواند در شرایط محیطی مختلف پاسخ های متعددی داشته باشد. برای مدل سازی دقیق این شرایط و دست یابی به نتایج بهینه، پیش بینی دقیق تر مفاهیم حرکت جریان سیالات بسیار تاثیر گذار خواهد بود. برای بهینه سازی شرایط حرکت در محیط سیالات علاوه بر مطالعات نظریه، طرح های تحقیقاتی بسیاری انجام شده است که از آن جمله میتوان به مدل سازی شرایط محیطی مختلف با استفاده از اصول شبیه سازی دینامیک مولکولی اشاره کرد.
● فناوری های نوین
درصنایع مربوط به هوا فضا و خودرو سازی آن چه برای کاربر و سرنشینان حائز اهمیت است، افزایش سرعت و ایجاد آرامش روانی بهتر در انتقال از یک مسیر به مسیر دیگر است. روش های متعددی برای افزایش سرعت خودرو ها و وسایل نقلیه ی هوایی وجود دارد. آن چه در مهندسی مکانیک مورد توجه قرار می گیرد، کاهش Drag یا نیروی مقاوم سیال در برابر حرکت جسم است. در جریان داخل کانال ها و لوله ها نیز، اصطکاک سیال سبب افت زیاد انرژی و به تبع آن افزایش هزینه انتقال خواهد شد، بنابر این لازم است راه هایی را برای کاهش این نیروی مقاوم جست وجو کرد. از روش های نوین در این زمینه میتوان به پوشش دهی سطح با مواد ضد آب ( هیدروفوبیک ) اشاره کرد.از میان برداشتن این موانع در علوم، مطابق با فناوری های نوین روز به روز در حال گسترش است وطراحی سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) و ماشین های اندازه گیری بسیار دقیق در علوم و صنایع مربوط به علم مکانیک، اهمیت زیادی پیدا کرده است .
با افزایش سرعت تحقیقات در سیستم های اندازه گیری MEMS، تحقیقات زیادی در حوزه های غیر متعارف فیزیک و تولید اجزا و ابزار های مینیاتوری و بسیار ریز انجام شده است. در سال های اخیر این فناوری در ساخت تجهیزات فضایی و شرایط خلاء مورد استفاده قرار گرفته است و درصنایع نظامی مانند ساخت هواپیماهای بسیارکوچک تجسسی در حوزه های نظامی و هم چنین کاهش دما در میکرو پردازش گرها و سخت افزارهای رایانه، بررسی نیروی مقاوم در برابرحرکت بسیارحائزاهمیت است. آزمایشهای موفقیت آمیز استفاده از نانوبمب های کروی در جراحی سرطان و گرفتگی عروق در حیوانات، دورنمای وسیع استفاده ازاین ذرات درابعاد زندگی انسان ها را به مراتب افزایش داده است. با اصلاح نانو ذرات برحسب نوع مولکول هدف، می توان ازاین ذرات به عنوان یک ماده ی هوشمند برای دارورسانی و تصویربرداری از تومورها استفاده کرد. براین اساس استفاده از ویژگی های شگفت انگیز مواد در ابعاد نانو در مهندسی مکانیک و بررسی نیروهای موثر در حرکت اجسام در محیط سیال نیز مورد توجه محققان قرار گرفته است.
● ذرات و جریان ها
حرکت جریان در اطراف ذرات کروی در بررسی میزان دقت و صحت نظریه های مطرح شده به وسیله ی دانشمندان از اهمیت خاصی برخوردار است. بررسی جریان های سه بعدی در سیالات حالت ساده تری است که در بسیاری از کاربرد های مهندسی دیده می شود. با وجود شکل متقارن ذرات کروی، جریان پیرامون این ذرات از مسائل پیچیده مکانیک سیالات است. نتایج به دست آمده می تواند بسیاری از حوزه های مختلف علمی وصنعتی مانند صنایع غذایی و دارویی، هوا فضا، سوخت موشک، محفظه ی احتراق، صنایع دفاعی و اصول و مهارت های ورزشی را تحت تاثیر قراردهد. اگر چه چنین جریانی بیش تر برای ما محسوس نخواهد بود، اما جالب است بدانید این جریانات در بسیاری از پدیده های روزمره مانند پخش رسوبات معلق در هوا و محیط اطراف، حضور دائمی وهمیشگی دارند. هنگام خروج موشک از جو درحین حرکت موشک، یا ناوبرهای هوایی در ارتفاعات به علت رقیق شدن گازها در فضا، متوسط فاصله آزاد نسبت به طول مشخصه ی ناوبر یا موشک کاهش می یابد که در نتیجه، نیروی مقاوم سیال را در برابر حرکت نیز تغییر می دهد. از این رو استفاده از ذرات کروی در ابعاد نانو برای بررسی شرایط بهینه ی حرکت ها در مکانیک مطالعه شده است. اجتناب از اثر جریان حول ذرات کروی در بسیاری از پدیده ها مانند حرکت قطره های سوخت در محفظه ی احتراق، پدیده های اسمزی، انتقال ذرات آب های زیر زمینی، صنایع غذایی و صنایع شیمیایی غیر ممکن است. همان طور که می دانیم با توجه به کمبود منابع طبیعی انرژی سوخت، بهینه سازی مصرف انرژی بسیار حائز اهمیت است. بر این اساس با مدل سازی قطره سوخت داخل محفظه ی احتراق، انرژی قطره ی سوخت به صورت سه بعدی شبیه سازی شده و معادلات جریان سیال وانتقال حرارت روی آن تحلیل می شود که بر این اساس می توانیم شرایط بهینه برای استفاده از حد اکثر انرژی یک قطره سوخت را شناسایی کنیم.

شهلا برومند

منبع : دانشجویان مهندسی مکانیک