Διερεύνηση εφαρμογών νανοτεχνολογίας με έμφαση στην επιστήμη του μηχανικού

Abstract

Στην εργασία αυτή γίνεται μια προσπάθεια ανίχνευσης των εφαρμογών της νανοτεχνολογίας με έμφαση στα έργα του Πολιτικού Μηχανικού, εξετάζονται δε οι υπάρχουσες εφαρμογές σε σχέση με τα υλικά που χρησιμοποιεί ο μηχανικός στις κατασκευές και οι επιπτώσεις που θα έχουν αυτά στον σχεδίασμά και την κατασκευή των έργων. Η δομή της εργασίας οργανώνεται σε επτά κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο, ορίζεται η νανοτεχνολογία και μερικά από τα βασικά χαρακτηριστικά της, ερευνάται επίσης η ιστορία, από τα βραβεία του Richard Feynman, μέσω Μηχανών της Δημιουργίας του Eric Drexler στη σύγχρονη έκρηξη της ανάπτυξης των υλικών νανοκλίμακας. Μέχρι σήμερα, η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας έχει επικεντρωθεί στα καινοτόμα υλικά και στις ιδιότητες τους τις οποίες μπορούμε να προβλέψουμε με προσομοίωση σε υπολογιστή και με μοντελοποίηση. Με αυτό το πλαίσιο, θα μπορούσαμε να ερευνάμε καλύτερα τις νανοτεχνολογίες που ήδη υπάρχουν στη φύση, καθώς και τις τρέχουσες εφαρμογές τους. Εξετάζεται επίσης η σημερινή κατάσταση της νανοτεχνολογίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο γνωρίζουμε τους ορισμούς και τις κλίμακες, εξετάζοντας τα βασικά επιστημονικά πεδία και θεωρίες όπως, η κβαντική μηχανική, τα είδη των χημικών δεσμών και η κρυσταλλική δομή των υλικών, που ισχύουν στην νανοτεχνολογία. Στο κεφάλαιο αυτό επίσης ορίζονται τα νανοϋλικά και τα είδη τους, εξετάζοντας τις μεθόδους παραγωγής τους. Η έμφασή δίδεται στην δημιουργία και στην ενοποίηση των διακριτών νανοϋλικών. Μελετάται επίσης η δημιουργία χύδην νανοϋλικών με τις τεχνικές εναπόθεσης και τις διεργασίες με ισχυρή πλαστική παραμόρφωση όπως η γωνιακή μεταποίηση ίσου καναλιού και η στρέψη με υψηλή πίεση. Κατόπιν περιγράφεται η σημασία που έχουν οι κλίμακες του μεγέθους των σωματιδίων στην δόμηση των νανοϋλικών και εξετάζονται οι διάφορες μορφές των νανοσωματιδίων και οι τρόποι δόμησης τους. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ένα από τα υλικά πού έχουν μελετηθεί πιο πολύ και κατέχουν σημαντική θέση σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών. Το κεφάλαιο αυτό τελειώνει με την εξέταση των νανοσωλήνων όπου περιγράφονται οι μονοφλοικοί και οι πολυφλοιικοί, δίνοντας τις σημαντικότερες τους ιδιότητες άλλα και τους μηχανισμούς με τους οποίους εμφανίζουν προβλήματα και τις επιπτώσεις αυτών των προβλημάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται διάφορες τρέχουσες εφαρμογές της νανοτεχνολογίας και εξετάζεται πώς λειτουργούν, γιατί η νανοτεχνολογία είναι ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία τους, και ποια εικόνα προσφέρουν αυτές οι εφαρμογές στο μέλλον της νανο-τεχνολογίας. Τα νανοϋλικά πιέζουν τα όρια της φυσικής, τους νόμους για την επίτευξη καινοτόμων τεχνολογιών, χρησιμοποιώντας νέες μεθόδους για τη κατασκευή των νανο-δομών, όπως η αυτο-συναρμολόγηση. Ερευνώνται οι εφαρμογές των νανοϋλικών αρχίζοντας από τις επιπτώσεις που θα έχουν στις κατασκευές γενικά, και στην συνέχεια εξετάζονται οι επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας στις ιδιότητες του χάλυβα και τα νέα προϊόντα χάλυβα που παράγονται με την χρήση της νανοτεχνολογίας. Το σκυρόδεμα είναι το επόμενο υλικό που εξετάζεται. Μελετάται η επίπτωση της χρήσης νανοϋλικών στην παραγωγή του τσιμέντου και του σκυροδέματος, σε σχέση με την αντιδραστικότητα του τσιμέντου, την αντιμετώπιση των πυριτικών αλκαλικών αντιδράσεων και του διοξειδίου του άνθρακα. Διαπιστώνεται ότι τα νανοϋλικά θα επιφέρουν μεγάλες αλλαγές στις ιδιότητες του σκυροδέματος στο μέλλον και επομένως στις κατασκευές. Κατόπιν βλέπουμε την χρήση νανοϋλικών στη δημιουργία του γυαλιού και τα ωφέλη που προκαλεί στους τομείς της συντήρησης, της προστασίας από την ηλιακή ακτινοβολία κ.λ.π.. Το ξύλο, οι επικαλύψεις και η πυροπροστασία είναι τα θέματα με τα οποία κλείνουμε το κεφάλαιο αυτό εξετάζοντας τις εφαρμογές των νανοϋλικών σε αυτές τις περιπτώσεις. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζουμε τις μεθόδους σχεδιασμού και υπολογισμού στην νανοκλίμακα. Αρχίζοντας από την μέθοδο σχεδιασμού υλικών πολλαπλών διαστάσεων, συνεχίζουμε με την πολλαπλή διακριτή ανάλυση υλικών. Γίνεται μια προσπάθεια για τον υπολογισμό της γενικευμένης πίεσης και των μέτρων παραμόρφωσης στην νανοκλίμακα. Κατόπιν εξετάζονται τα υλικά Ν-διαστάσεων και η πολλαπλή ανάλυση των συστατικών νόμων καθώς και την αλληλεπίδραση μεταξύ των κλιμάκων. Τέλος μελετάται η μοντελοποίηση πολλαπλών κλιμάκων των υλικών με έμφαση στην μοντελοποίηση του χάλυβα. Στο πέμπτο κεφάλαιο, εξετάζουμε μερικές από τις πιο σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις της χρήσης των προϊόντων νανοτεχνολογίας. Στο ίδιο πνεύμα, ερευνώνται οι κανονισμοί και η νομοθεσία σε σχέση με την χρήση των νανοϋλικών προσδιορίζοντας την ανάγκη για διεθνή συνεργασία στον τομέα. Οι κίνδυνοι της νανοτεχνολογίας και οι περιβαλλοντικές πτυχές της είναι κάτι που ερευνάται ιδιαίτερα, με την συζήτηση να επικεντρώνεται στο εάν απαιτούνται αυστηρότεροι νόμοι και κανονισμοί. Στο έκτο κεφάλαιο, διερευνώνται τα οικονομικά μεγέθη της νανοτεχνολογίας και παρουσιάζεται η εμπορευματοποίηση της νανοτεχνολογίας με τις προοπτικές του όγκου της αγοράς και των μετοχών. Μελετάται η κούρσα της δημόσιας και ιδιωτικής χρηματοδότησης της νανοτεχνολογίας. Παρουσιάζεται ή εικόνα της διάθεσης των επιχειρηματικών κεφαλαίων για την έρευνα στην υψηλή τεχνολογία. Γίνεται μια ανάλυση του οικονομικού αντίκτυπου στις θέσεις εργασίας και στις επιχειρήσεις της νανοτεχνολογίας. Παρουσιάζεται η κατάσταση της τεχνολογικής ανάπτυξης της νανοτεχνολογίας σε σχέση με τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας και τις επιστημονικές δημοσιεύσεις και αναφορές για την νανοτεχνολογία. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προοπτικές για το μέλλον της νανοτεχνολογίας και των εφαρμογών της.