تكنولوجيا النانوبلاستيك حتى عام 2020
قام معهد راند (RAND) في تقرير له بدراسة اتجاهات التكنولوجيا الحيوية والنانو والمواد والمعلومات حتى عام 2020. في هذا التقرير، تم تحليل الاتجاهات والدوافع والعقبات والآثار الاجتماعية لكل مجموعة من هذه المجموعات الفرعية من هذه التقنيات. في قسم اتجاهات تكنولوجيا النانو، تم تحليل الأقسام الفرعية مثل أجهزة الاستشعار والطاقة والإلكترونيات والنانو الحيوي والتصنيع النانوي.
اليوم، يتيح لنا التقدم العلمي في الفحص المجهري والمجالات ذات الصلة مراقبة المواد ومعالجتها على المستوى الذري أو الجزيئي. وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أنها كان لها تأثير عميق على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء. وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أن لها تأثيراً عميقاً على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء. وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أن لها تأثيراً عميقاً على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء.
وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أن لها تأثيراً عميقاً على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء.
وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أن لها تأثيراً عميقاً على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء. وإذا نظرنا إلى تكنولوجيا النانو بشكل واسع نجد أن لها تأثيراً عميقاً على كافة المجالات العلمية في الفيزياء والكيمياء والأحياء. سوف يستغرق الأمر سنوات حتى يتم إدخال العديد من هذه التطورات العلمية في المنتجات الاستهلاكية والعامة؛ على سبيل المثال، نشر عدد ديسمبر 1989 من مجلة Science مقالًا يصف تصميم واختبار الصمام الثنائي النفقي النانوي. وسوف يستغرق الأمر سنوات عديدة حتى يتم إدخال العديد من هذه التطورات العلمية في المنتجات الاستهلاكية والعامة؛ على سبيل المثال، في عدد ديسمبر 1989 من مجلة Science، هناك مقال يصف تصميم واختبار الصمام الثنائي للنفق النانوي.
يعتمد نقل التقنيات النانوية الناشئة والجديدة من المختبرات إلى المنتجات التجارية على عوامل كثيرة؛ بعض هذه العوامل هي:
– دمج هذه التقنيات مع المنتجات التي لها ميزات قابلة للتحديد والتكرار؛
– الجمع بين هذه التقنيات والمنتجات التي لها ميزات محددة وقابلة للتكرار؛
– زيادة حجم الإنتاج للمنتجات التجارية.
– تطوير التقنيات ذات الصلة؛
– ضغط السوق؛
– قبول المنتجات التي تدعم تقنية النانو من قبل العملاء؛
– قبول المنتجات التي تدعم تقنية النانو أمام العملاء؛
– قبول المنتجات التي تدعم تكنولوجيا النانو أمام العملاء.
في العقود القليلة الماضية، لم يكن التقدم في أداء البطارية مصحوبًا بتقدم سريع في الإلكترونيات أو التقنيات الرقمية (مثل طاقة المعالجة وقدرة تخزين البيانات). ومع ذلك، فإن التطورات الحديثة في تكنولوجيا النانو لديها القدرة على تحسين ليس فقط أداء البطارية، ولكن مجموعة واسعة من المواد التي يمكن أن تكون مفيدة للبطاريات والخلايا الشمسية.
ومع ذلك، فإن التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانو لديها القدرة على تحسين ليس فقط أداء البطارية، ولكن مجموعة واسعة من المواد التي يمكن أن تكون مفيدة للبطاريات والخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانو لديها القدرة على تحسين ليس فقط أداء البطارية، ولكن مجموعة واسعة من المواد التي يمكن أن تكون مفيدة للبطاريات والخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانو لديها القدرة على تحسين ليس فقط أداء البطارية، ولكن مجموعة واسعة من المواد التي يمكن أن تكون مفيدة للبطاريات والخلايا الشمسية.
بالإضافة إلى ذلك، في العقد الماضي، تم تطوير العديد من الأجهزة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وتم تسويق العديد من تطبيقاتها تجاريًا (مثل أنظمة نشر الوسائد الهوائية، وأجهزة استشعار الحركة المفاجئة للأجهزة الإلكترونية المتساقطة، ومطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة). يتم إنتاج الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة عمومًا باستخدام طرق تصنيع أشباه الموصلات (مثل الطباعة الحجرية والحفر)؛ الأدوات التي تنتجها هذه الأساليب لها هياكل ومكونات فردية على مقياس ميكرومتر. في الآونة الأخيرة، تم تصميم وتطوير عدد كبير من الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS) بهدف مزيد من التصغير. NEMS عبارة عن أجهزة كهروميكانيكية لها هياكل ومكونات فردية على نطاق نانومتر.
NEMS عبارة عن أجهزة كهروميكانيكية ذات هياكل ومكونات فردية على مقياس النانومتر. في معظم الحالات، تطغى مصادر الطاقة المستخدمة لتشغيل هذه الأجهزة على وظائف الأجهزة نفسها، لذلك يبحث الباحثون بنشاط عن طرق لإنشاء بطاريات ذات بنية نانوية يمكن استخدامها على الأجهزة نفسها، ونتيجة لذلك توسع نطاق تطبيقات هذه الأدوات؛ على سبيل المثال، يبحث الباحثون الأكاديميون عن طرق لإدخال بنى نانوية في البطاريات، حتى يتمكنوا من صنع عوامل شكل أصغر أو ثلاثية الأبعاد. تؤدي العديد من هذه التقنيات التي تدعم النانو إلى تصميمات لم تكن ممكنة باستخدام تصميمات أو عمليات بطاريات الأغشية الرقيقة التقليدية ثنائية الأبعاد.
وقد بدأ التقدم في تكنولوجيا النانو يكون له تأثير مهم على تكنولوجيا الخلايا الشمسية أيضا. بدأت شركات مثل Konarka Technologies Inc. في استخدام جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية المطلية بجزيئات ملونة لإنشاء خلايا شمسية أكثر مرونة وقدرة على التكيف. شركات مثل Konarka Technologies Inc. في توظيف جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية المغلفة بجزيئات ملونة لإنشاء خلايا شمسية أكثر مرونة وقدرة على التكيف. تتيح هذه الإمكانية دمج الخلايا الشمسية في مجموعة واسعة من المواد (مثل الألياف ومواد البناء).
وقد استخدم باحثون آخرون الجسيمات النانوية في إنتاج الخلايا الشمسية بهدف زيادة كفاءة التحويل لهذه الخلايا؛ على سبيل المثال، استخدم الباحثون في جامعة تورنتو في كندا جسيمات النقطة الكمومية لتحقيق كفاءة تحويل إجمالية أعلى؛ تعمل هذه البطارية في نطاق الأشعة تحت الحمراء. دخلت كوناركا مؤخرًا في مشروع مشترك مع شركة Evident Technologies لاستخدام النقاط الكمومية بدلاً من جزيئات الصبغة العضوية في خلاياها الشمسية. والغرض من استخدام النقاط الكمومية هو توسيع نطاق حساسية الخلايا الشمسية من الطيف المرئي للضوء إلى أجزاء أخرى، ونتيجة لذلك، يمكنها امتصاص المزيد من الضوء وزيادة كفاءة التحويل الإجمالية.
الوضع الحالي لاستخدام تكنولوجيا النانو في الطاقة:
وحتى الآن، يستفيد عدد قليل نسبيًا من البطاريات التجارية أو الخلايا الشمسية من التقدم في تكنولوجيا النانو. تم تنفيذ العديد من الأعمال التي تم إجراؤها في مجال الأقطاب الكهربائية النانوية والبطاريات ذات البنية النانوية والمواد النانوية المستخدمة في الخلايا الشمسية في المختبر. ومع ذلك، فإن عددًا متزايدًا من الشركات يقبل التقدم في مجال تكنولوجيا النانو ويستخدمه لإنتاج المنتجات؛ على سبيل المثال، حصلت شركة كوناركا على عدة منح من الجيش الأمريكي لإنتاج خلايا شمسية مرنة تعتمد على تقنية النانو، بحيث تتمكن من خلال إنتاج هذه الخلايا من تقليل وزن المعدات الضرورية التي يجب أن يحملها الجندي معه (في لإنتاج الطاقة للمعدات العسكرية)، بالإضافة إلى أن العديد من الشركات بما في ذلك mPhase Technologies وAltair Nanotechnologies وToshiba تعمل على تطوير أقطاب كهربائية ذات بنية نانوية لإطالة العمر الافتراضي للبطاريات وتحسين سرعات الشحن والتفريغ. شركات أخرى من الصناديق الفيدرالية؛ مثل منحة الابتكار للأعمال الصغيرة، يتم استخدام الأبحاث للعمل على الأقطاب الكهربائية التي تدعم تقنية النانو والمجالات ذات الصلة.
هناك حاجة إلى الكثير من الأبحاث لتوصيل الطاقة المطلوبة لأجهزة NEMS/MEMS قبل أن يتم استخدام هذه التكنولوجيا في المنتجات التجارية.
تكنولوجيا النانو حتى عام 2020 (التكنولوجيا المحتملة):
بحلول عام 2020، من المحتمل أن يتم استخدام العديد من التطورات الناتجة في تصميم الأقطاب الكهربائية وهندسة البطاريات في البطاريات التجارية. سيكون لتقنيات مثل الأقطاب الكهربائية الجديدة التي تستخدم المركبات النانوية تأثير كبير على السوق لأن هذه التقنية متوافقة مع تصميم البطاريات التقليدية، ومن المحتمل أيضًا أن يتم تضمين التصميمات ثلاثية الأبعاد للبطاريات – التي تستخدم الهياكل النانوية – إلى حد كبير في المنتجات التجارية. إن احتمالية أن تحل بنيات البطاريات ثلاثية الأبعاد محل بطاريات الهاتف الخلوي أو الكمبيوتر منخفضة في هذا الإطار الزمني، إلا أن جذب السوق لتقنية MEMS/NEMS – التي تستخدم تقنيات النانو الناشئة – مرتفع جدًا. وأخيرًا، من المرجح أن يؤدي التقدم في استخدام المواد النانوية والبنى النانوية في الخلايا الشمسية إلى خلايا أكثر مرونة. يشير العمل الأخير على النقاط الكمومية وغيرها من الخلايا الشمسية المدعومة بالتكنولوجيا إلى أن التقدم في تكنولوجيا النانو يمكن أن يؤدي إلى خلايا ذات كفاءة تحويل تساوي أو ربما أكبر من تلك الموجودة في الخلايا الشمسية التجارية اليوم. وبالنظر إلى التقدم المحرز في مجال معالجة الخلايا الشمسية، هناك احتمال أن تدخل الخلايا الشمسية في المنتجات الاستهلاكية؛ كمواد البناء (مواد التسقيف)، يتم دمج الأجهزة الإلكترونية (الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر) وربما حتى المنسوجات (الخيام أو الملابس الخارجية).
وبالنظر إلى التقدم المحرز في مجال معالجة الخلايا الشمسية، هناك احتمال أن تتدخل الخلايا الشمسية في المنتجات الاستهلاكية؛ كمواد بناء (مواد التسقيف)، ودمج الأجهزة الإلكترونية (الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر) وربما حتى المنسوجات (الخيام أو الملابس الخارجية).
بسبب التحديات والمشاكل في مجال تقنيات البطاريات وإمدادات الكهرباء، كانت تطبيقات العديد من التقنيات الجديدة محدودة. إن التقدم في مجال الكهرباء المدعم بتقنية النانو لديه القدرة على أن يكون فعالاً في العديد من الجوانب المتعلقة بكيفية تأثير التكنولوجيا على المجتمع. أحد محركات التقدم في مجال البطاريات هو إمكانية إنشاء وتحسين السيارات الكهربائية والهجينة (البنزين والكهرباء).
هناك تأثير مجتمعي محتمل آخر يتعلق باستخدام البطاريات ذات البنية النانوية في أجهزة MEMS/NEMS. الجزء الأكبر من العديد من هذه الأجهزة هو مصدر الطاقة، خاصة إذا كان مصدر الطاقة موجودًا على الشريحة نفسها. في السنوات الـ 15 المقبلة، من المرجح أن تؤدي التطورات الكبيرة في البطاريات ثلاثية الأبعاد إلى إنتاج أجهزة استشعار وأجهزة اتصالات أصغر حجمًا ومستقلة ومستقلة، ونتيجة لذلك، تشمل التأثيرات الاجتماعية لهذا المجال مراقبة مستمرة وأفضل وإدارة استخدام هذه المجسات، والمسائل المتعلقة بخصوصية الأشخاص.
في السنوات الـ 15 المقبلة، من المحتمل أن تؤدي التطورات الرئيسية في البطاريات ثلاثية الأبعاد إلى إنتاج أجهزة استشعار وأجهزة أصغر حجمًا ومستقلة ومتصلة، ونتيجة لذلك، ستشمل الآثار الاجتماعية لذلك مراقبة وإدارة مستمرة وأفضل للبطاريات ثلاثية الأبعاد. توظيف هذه الأشياء، والقضايا المتعلقة بالخصوصية الشخصية. إن الخلايا الشمسية الأرخص والأقوى والأكثر مرونة – والتي يمكن دمجها في الألياف أو مواد البناء – ستؤثر بشكل كبير على البنية التحتية لتوزيع الطاقة الكهربائية. ويمكن للبلدان النامية التي لا تملك القدرة الكافية على توزيع الكهرباء أن تستفيد بشكل كبير من هذه التكنولوجيا. يمكن أن تساعد هذه البطاريات أيضًا في تطوير الأجهزة المستقلة وذاتية القيادة، مما يؤدي إلى الشعور بالانتشار، والذي سيؤدي بدوره إلى مشكلات تتعلق بالخصوصية.
تكنولوجيا النانو في أجهزة الاستشعار:
إحدى المجالات التي ستخلق فيها تكنولوجيا النانو قدرات جديدة بشكل حصري هي تكنولوجيا الاستشعار. وبالنظر إلى أننا نستطيع الآن بناء أدوات على نطاق جزيء واحد، فمن الممكن زيادة الحساسية (على الأقل في نطاق الكشف) والانتقائية (القدرة على اكتشاف مواد كيميائية أو عمليات معينة) لطرق الاستشعار الجديدة والقدرة على اكتشافها. يتم توفير الكشف عن العمليات والأحداث التي لم يكن من الممكن التعرف عليها سابقًا.
الوضع الحالي لأجهزة الاستشعار:
الوضع الحالي لأجهزة الاستشعار: أحد هذه التقنيات هو نظام الاستشعار المحمول الخاص بشركة Smith Detection (المعروفة سابقًا باسم Cyrano Sciences Inc.)؛ يستخدم هذا النظام مجموعة من المواد ذات البنية النانوية في مصفوفة ألياف البوليمر لتحديد العوامل الكيميائية المختلفة. ومع ذلك، فإن عددًا متزايدًا من المختبرات حول العالم يستخدم التقدم في تكنولوجيا النانو لتطوير التقنيات الكيميائية والاستشعار الحيوي.
وقد أدى هذا النمو إلى ظهور مجموعة جديدة من المنتجات الناشئة المعتمدة على تكنولوجيا النانو والتي، على الرغم من أنها لا تزال في مراحل تجريبية وتحقيقية مختلفة، إلا أنها تتمتع بالقدرة على تقليل حجم الأداة، وكمية العينة المطلوبة، والوقت اللازم للتحليل الحيوي. حد. تعتمد أدوات الاستشعار هذه على العديد من التقنيات الجديدة والناشئة التي تدعم تقنية النانو؛ مثل الجسيمات النانوية المعدنية الوظيفية، والأسلاك النانوية والأنابيب النانوية الوظيفية، هي مواد مجهرية ذات أشكال نانوية أو تغيرات سطحية وأنظمة ميكانيكية ذات بنية نانوية. تعتمد كل هذه التقنيات على تغييرات قابلة للقياس في الخصائص الأساسية للمادة أو أنظمة المادة، وهذه التغييرات هي نتيجة للتفاعلات التي يمكن اكتشافها بسبب الخصائص النانوية لهذه المواد.
أجهزة الاستشعار بحلول عام 2020 (التكنولوجيا المحتملة):
بحلول عام 2020، من المرجح أن تدخل العديد من تقنيات النانو – التي ظهرت في أوائل القرن الحادي والعشرين – في المنتجات والتطبيقات التجارية. وحتى ذلك الحين، ستصبح مجموعات جديدة من أجهزة الاستشعار ذات التكلفة المنخفضة والتي يمكن استخدامها بسهولة في المباني ومرافق البنية التحتية عملية. وفي ذلك الوقت، سيتم استخدام أجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية إلى جانب تقنيات المراقبة والاتصالات الأخرى للكشف عن التهديدات المحتملة. وفي بعض الحالات، قد يتم دمج أجهزة الاستشعار الجديدة هذه مع هياكل الرعاية والاتصالات القائمة (مثل كاميرات الفيديو، وأجهزة استشعار الحركة، والهواتف)؛ على سبيل المثال، يمكن أن تحتوي المباني والهياكل المستقبلية المهددة بشكل خاص على أنظمة مراقبة متقدمة تدمج التصوير مع أنظمة التشخيص الكيميائية والبيولوجية؛ بينما يحتاجون إلى القليل من التدخل البشري. تم تصميم العديد من هذه الأنظمة لمراقبة مجموعة من العوامل المرغوبة ويمكنها الإبلاغ عن النتائج في غضون دقائق. وتشمل التطبيقات المحتملة الأخرى لأجهزة الاستشعار التي تدعم تكنولوجيا النانو أنظمة واجهة المبنى، وأنظمة التحكم في المركبات، ومعدات السلامة المنزلية مثل أول أكسيد الكربون وكاشفات الدخان.
سوف يتطلب التقدم المستقبلي في أجهزة الاستشعار طويلة العمر والتي لا تحتاج إلى صيانة تطويرًا كبيرًا في سعة البطارية وإدارة الطاقة وفحص السوائل لأنظمة الاستشعار الدقيقة. بالنسبة لبعض الوظائف عالية المخاطر أو المتعلقة بالأمن القومي (مثل التطبيقات العسكرية أو الاستجابة لحالات الطوارئ)، ستكون أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء متاحة على نطاق واسع؛ ترتبط هذه المستشعرات بشبكة الاتصالات المنتشرة وستكون قادرة على الإبلاغ بسرعة عن اتصال كل شخص بالعوامل المطلوبة (الكيميائية أو البيولوجية) وموقع ومستوى الاتصال. وأيضًا، في السنوات الخمس عشرة القادمة، سيتم إدخال المزيد والمزيد من التحسينات في الانتقائية والحساسية الكيميائية والبيولوجية لجميع أجهزة الاستشعار سوف تحدث.
وبالنظر إلى التقدم المحرز في مجال معالجة الخلايا الشمسية، هناك احتمال أن تتدخل الخلايا الشمسية في المنتجات الاستهلاكية؛ كمواد بناء (مواد التسقيف)، ودمج الأجهزة الإلكترونية (الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر) وربما حتى المنسوجات (الخيام أو الملابس الخارجية).
في العديد من الحالات، سيتم دمج إمكانية استخدام أجهزة الاستشعار التي تتيحها تكنولوجيا النانو مع أنظمة المراقبة والرعاية الحالية أو بناءً عليها؛ ولذلك فإن المستشعرات المدعمة بتقنية النانو لن يكون لها أي تأثير على هدف العين؛ بل إنها ستعمل على تحسين جودة (أو عمق) الملاحة والرعاية. من المرجح أن تجد أجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية الشخصية المتصلة بالشبكة استخدامًا واسع النطاق فقط في تطبيقات الأمن الداخلي والتطبيقات العسكرية (خاصة من قبل قوات الاستجابة السريعة)، ومن غير المرجح أن يكون لدى عامة الناس دافع كافٍ لاستخدام مثل هذه أجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية الشخصية. ما لم تحدث كارثة كيميائية أو بيولوجية كبرى. ومع ذلك، تشير الأدلة إلى أن أجهزة الاتصال (مثل الهواتف المحمولة) سوف تحتوي على المزيد من أجهزة الاستشعار في المستقبل.