تبیان، دستیار زندگی

 مضررات فناوری نانو

هر 6 حالت ماده

All 6 states of material

جامد    Solid

ماده ی متراکمی که سخت ترین حالت هر ماده رو می سازد . اتم های نزدیک به هم ، الگوهای منظمی به اسم شبکه به وجود می آورند ؛ که توسط یک  نیروی قوی در کنار هم تقریبا ثابت می شوند . و فقط اجازه دارند تا در جای خودشون به آرومی ارتعاش داشته باشند . البته سختی یک جسم به شیوه ی آرایش و نحوه ی حرکت اتم های آن هم بستگی دارد. مثلC  همون کربن سیاهه که گاهی به شکل گرافیته و گاهی به هم درخشندگی الماس .

مایع   Fluid    

توی مایع دیگه اون اجباری که مولکول های اتم برای موندن در جاشون توی جامد دارند ، وجود ندارد و مولکول ها می توانند در بین همدیگر بغلتند واسه همین هم همیشه از شکل ظرفشون الگو برداری می کنند .

گاز   Gas          

 همون مایع را در نظر بگیرید اگر به مولکول ها و اتم هاش البته بسته به نوع اونها مقداری انرژی بدهیم حرکت غلطیدن و جابجایی اون مولکول ها دیگه کاملاً مستقل می شه  و تقریباً بدون هیچ وابستگی به دیگر مولکول ها به هر سمتی حرکت می کنند ، و گاهی به صورت تصادفی باهم برخود دارند .

پلاسما  Plasma 

البته با اینکه این از اول حالت هایی که خیلی ها نمی دونند  ولی باز تاحدودی شناخته شده تره .

به طور خیلی خلاصه می شه گفت پلاسما همون گاز یونیزه شده است . یعنی الکترون مولکول های گاز ، با گرفتن انرژی مولکول ها رو ترک کردند .

خیلی از چیز های آشنا هم از پلاسما ساخته شده اند  مثل همین خورشید خانم . حتی گاز درون مهتابی خونتون هم وقتی روشن می شه ، پلاسما می شه .

در لحظات اولیه ی پس از بیگ بانگ big bong))هم به علت وجود حرارت زیاد گاز ها یونیزه شده بودند و جهان از پلاسما پر شده یا بهتر بگم ساخته شده بود . قرآن هم بهترین مثال رو برای اون زده ، درسوره ی فصلت آیه ی 10 ، که در هنگام آفرینش از دخان ، به معنی دود استفاده شده ، که ذرات دوده درآن معلق هستند مثل الکترون ها ( این هم خدا شناسی به روش علمی !)

واما دو حالت دیگر که عمراً خیلی ازشما ها حتی اسم شون رو هم شنیده باشید . که البته وارد کوانتوم هم می شیم :

خب قبل از ادامه بحث باید کمیتی رو به نام اسپین به شما معرفی کنم .

 یک مربع را در نظر بگیرید ، اگر 90  درجه یا 4/1 دور ، اون رو بچرخونیم ، دوباره شبیه حالت اولش می شه ، پس اسپین اون رو 4 معرفی می کنیم . یا مثلا  یک مثلث متساوی الاضلاع که با چرخیدن 3/1 دور، دوباره شبیه حالت اولش می شه، پس اسپین اون هم3 است.

خوب، در طبیعت هم ذرات بنیادی همین خواص را دارند  و بعضی از اون ها با چرخیدن کسری از دایره، به شکل اولشون باز می گردند. پس اسپین اون ها عدد کاملیه.

اما چیز های جالب تر دیگه هم وجود دارند که با یک دور چرخیدن هم، به حالت اولشون باز نمی گردند؛ و باید بیشتر از1دور، یعنی 2و3و... دور بزنند تا به حالت اولشون برگردند ، پس اسپین های 2/1و3/1و... رو تشکیل می دهند .

حالت پنجم

چگال بوز-اینیشتین Bose-Einstein condensate      

Discoverd in 1995

خب بعد از تعریف بالا ، ذرات بنیادی که دارای اسپین کامل مثل2و3و... هستند رو بوزن می نامند. که به اسم ساتیندرا بوز هندی نام گذاری شده اند .  از این بوزون ها می شه از مزون و بچه معروفشون، فوتون یاد کرد . حتی هسته ی اتم های با جرم اتمی زوج، مثل هیدروژون البته هسته اش .  قضییه اسپین و آمار به ما می گه که، در یک تابع موجی، با عوض کردن جای دو بوزون همسان، تابع تغییر نمی کند و تغییر علامت نمی ده. واسه همین هم به علت تغییر نکردن تابع موج، تعداد مختلفی از بوزون های همسان، این توانایی را دارند ، تا یک حالت کوانتومی رو در یک زمان، در فضای هیلبرت اشغال کنند. علاوه بر اون در دما های پایین تر اگر توسط مقدار خیلی زیاد از بوزون ها یک حالت کوانتومی اشغال بشه حالت پنجم ماده به وجود میآد که به اون چگالش بز-اینیشتن می گویند . مثل ابر میعان در هلیم و یا حتی لیزر خودمون توسط همون فوتون ها که نوعی بوزون هستند . این چگال بز-اینیشتن شکننده است و سرعت نور در اون باتوجه به بقیه ی حالت ها نسبتاً پاینه .

حالت ششم

چگال فرمیونی           Fermionic Condensate

Discoverd in 2003

اما اون ذرات بنیادی که اسپیشون کسری بود، به فرمیون که هم نام فیزیکدان ایتالیایی، انریکو فرمیون نامیده شده است معروفند. کوارک ها که ذرات سازنده ی پروتون ها و نوترون ها هستند هم فرمیونند . حتی خود پروتون و یا نوترون که هر کدام هم از کوراک (فرمیون ) با رنگ های مختلفی ساخته شدند هم نوعی فرمیون هستند .

همون طور که گفتم با قضیه ی اسپین و آمار می شه نشون داد که با عوض کردن جای دو فرمیون همسان تابع موج  منفی می شه،البته بر عکس بوزون ها. به همین علت هم فرمیون ها با توجه به قاعده ی پائولی، در نظریه ی میدان کوانتومی رفتار می کنند؛ که   طبق اون هم، بر خلاف بوزون ها ، دو فرمیون همسان، نمی توانند یک حالت کوانتومی مشترک رو در فضای هیلبرت اشغال کنند .

حال با سرد کردن فرمیون ها در دمای خیلی خیلی کم ، این شکل ماده به وجود می آید. البته حالت ششم و پنجم در ساخته شدن ، خیلی شبیه هم هستند ولی :

تفاوت حالت پنجم و ششم

به طور خیلی ساده و خلاصه اینه که ، اگه یادتون باشه هر دو شون از سرد کردن چیز هایی به نام بوزون ها و فرمیون ها ایجاد می شدند ؛ علاوه بر اون فرق این دو ذره در اسپینشون بود .

اوربیتال ها و اسپین الکترون ها رو به یاد بیارید ، توی یک اوربیتال دو الکترون با اسپین متفاوت(که اسپین هر کدوم 2/1بود.) می تونستند قرار بگیرند ولی وقتی چند اوربیتال ، هرکدوم توسط یک الکترون پر می شدند ، اسپین اون الکترون ها یکسان بود .

موشك كروز otomat   توسط  كشورهای ایتالیا و فرانسه طراحی و ساخته شد.طراحی این موشك در سال 1969 شروع شدكار طراحی این موشك توسط دو شركت ایتالیایی Otobreda(now MBDA Missile Systems)  و شركت فرانسوی Matra(now MBDA Missile Systems) انجام شد.

اولین نمونه از این موشك در سال 1972 ساخته و با نام تیسیو در نیروی دریایی ایتالیا بكار گرفته شد.

اوتومات 1 در سال 1976 وارد سرویس شد.اتومات 1 از  بدنه ای استوانه ای شكل و چهار بال مثلثی شكل بر روی ان و چهار باله كوچك در پشت بهره میبرد.این موشك طولی برابر 4.46 متر و قطری 0.46 متری را دارست و وزن پرتاب این موشك 770 كیلوگرم استموتور توربو جت این موشك از سوخت جامد استفاده میكند  كه توانایی حمل كلاهكی ضد زره به وزن 210 كیلوگرم را درمسیر 60 كیلومتری به ان میبخشد.

طراحی نسخه بهبود یافته به نام اوتومات 2  كه بردی برابر با 180 كیلومتر داشت در سال 1980 شروع شد.تمامی وسایل از قیبل  سیستم الكترونیكی ,سیستم اقدام متقابل,سوخت, سیستم جی پی اس,پردازش گر پرتاب از ساحل و سیستم های كنترل دیجیتالی تمام تعویض و به روز گشت.

طراحی اتومات 3 در سال 1994 اغاز گشت و شامل بهبودی سیستم های جستجوگر اینفرارد و سیستم پرواز خودكار بود.نسخه ایتالیایی  با نام تیسیو 3 بردی برابر با 300 كیلومتر را دارست و در مرحله پایانی به سرعتی برابر با 0.96 ماخ دست پیدا میكند.بعد از موشك تیسیو 3 وزارت دفاع ایتالیا  درسال 2001  طراحی موشك NGASM را شروع كرد.

موشك NGASM  طولی برابر 5.6 متر  و قطری برابر 0.46 و وزن پرتابی برابر 800 كیلومتر داراست.

سیستم هدایت خودكار پرواز و سیستم ناوبری همگی به روز شدند و  رادار این موشك در فاز نهایی از جستجوگر اینفرارد سود میبرد كه توانایی هدایت دقیق را به این موشك میبخشد.نیروی محرك این موشك توسط یك موتور توربو جت تامین میشود كه به این موشك توانایی حمل 160 كیلوگرم كلاهك ضدزره را به فاصله 200 تا 250 كیلومتر میدهد.این موشك در سال 2014 وارد سرویس میشود.

موشك های سری اتومات  به كشورهای بنگلادش,مصر,عراق,كنیا,لیبی,مالزیا,مراكش,نیجریه,پرو,عربستان سعودی و ونزویلا صادر شده است و این موشك شالوده اصلی كشورهای ایتالیا و فرانسه را تشكیل میدهد.

-------------------------------------------------------------------------------------------------

یخچال نفتی بر خلاف یخچال برقی و کولر های گازی که بر اساس فرئون فشرده و کمپرسور کار می کنند دارا ی هیچ قسمت متحرکی نیست و نیروی محرکه خود را مستقیما از شعله آتش نفت می گیرد اساس کار یخچال نفتی بر پایه جذب و دفع آمونیاک در آب می باشد. سازوکار یخچال نفتی به صورت مرحله به مرحله به این شکل می باشد. 
1- در دمای معمولی آمونیاک در آب حل می شود ولی اگر به مخلوط آمونیاک و آب گرما بدهیم چون آمونیاک بسیار جوشنده تر از آب می باشد آمونیاک آغاز به جوشیدن نموده و از مخلوط آب و آمونیاک به صورت گاز بخار آمونیاک گرم متصاعد شده و مقداری بخار اب نیز با خود همراه کرده تبخیر می کند.

 2-در سر راه این بخار گرم یک جدا کننده قرار دارد که قطره های آب را از بخار آمونیاک جدا کرده و درون مخزن مخلوط آب و آمونیاک بر می گرداند.( این قسمت را داشته باشید تا بعد زیرا در راه بازگشت این آب جدا شده به مخزن یک اتفاق دیگر هم می افتد.

3- سپس بخار آمونیاک درون یک سری لوله های پره دار به نام چگالنده شده و گرمای خود را از دست می دهد و به صورت آمونیاک مایع در می آید.( توجه این قسمت همانند یخچال های برقی در پشت یخچال قرار دارد)

4-سپس این آمونیاک مایع سرد تر شده ( دارای دمایی بالاتر از دمای محیط) وارد محفظه و لوله های پره دار دیگری می شود که درون یخچال جای دارد و در معرض گاز هیدروژنی که درون این محفظه قرار دارد واقع می شود و به سرعت بخار شده و جهت تبخیر گرمای محیط درون یخچال را جذب می کند.( در نتیجه درون یخچال سرد می شود.
5-سپس مخلوط آمونیاک و هیدروژنی که به صورت مخلوط گازی سردی است وارد جذب کننده می گردد درون جذب کننده مخلوط آمونیاک و هیدروژن با آبی که در مرحله دوم از گاز داغ آمونیاک جدا شده بود تماس داده می شوند.در این جا آمونیاک که درون آب بسیار حل شونده تر از هیدروژن است درون اب حل می شود و هیدروژن جدا شده دوباره به درون محفظه بخارنده ( اواپراتور - که همان محفظه درون یخچال باشد ) باز می گردد.
6- مخلوط آب و آمونیاک دوباره به درون مخزن مخلوط آب و آمونیاک بازگشته و توسط گرمای شعله نفت دوباره بخار شده و مراحل 1 تا 6 به صورت چرخه دوباره تکرار می شود. 
دلیل تبخیر آمونیاک در هیدروژن چیست؟ 
برای پاسخ به این پرسش باید به ترمودینامیک محلول ها نگاهی بیندازیم. می کوشم با یک مثال ساده پاسخ پرسشتان را بدهم.ببینید . آب خالص در 100 درجه می جوشد و در صفر درجه یخ می زند ولی اگر به آب مقداری نمک بیفزاییم دیگر در 100 درجه نمی جوشد بلکه در دمایی بالاتر از 100 درجه می جوشد.اگر به آب مایعی مانند الکل بیفزاییم در صفر درجه یخ نمی زند بلکه در دمایی پایینتر یخ می زند و در دمایی پایین تر از 100 درجه نیز تبخیر می شود . همین جریان در باره آمونیاک و گاز هیدروژن اتفاق می افتد. 
آمونیاک خالص در دما و فشار اتاق به صورت گاز است ولی آمونیاکی که از کندانسور بیرون می آید دارای دمای بالاتر از اتاق و فشاری به مراتب بیشتر از اتاق می باشد.( این فشار از طریق بخارهای متصاعد شده از روی چراغ نفتی تامین می شود) پس دقیقا در درلحظه پیش از واردشدن امونیاک به اواپراتور آمونیاک خالص به صورت مایع می باشد.این آمونیاک وقتی درون اواپراتور با هیدروژن در هم حل بشوند نقطه جوش محلول آمونیاک هیدروژن بسیار بسیار پایین تر از نقطه جوش آمونیک خالص می باشد بنابراین آمونیاک با هر دمایی هم که وارد اواپراتور شده باشد محلول آمونیاک و هیدروژن فورا تبخیر می شو د حتی اگر دمای اواپراتور –دمای درون یخچال -خیلی پایین تر از صفر درجه باشد. 
روشن است این محلول برای تبخیر شدن دمای محیط اطرافش را جذب می کند. 
آیا می دانستید چرخه یخچال نفتی را چه کسی اختراع کرده است؟. 
" آلبرت انشتین " به همرا یک دانشمند دیگر بنام Leo Szilard

تصویر این دو دانشمند در بالا دیده می شود.

یخچالهای نفتی
یخچالهای نفتی یکی از جالبترین سیستمهای تبرید هستند که در دوران قدیم مورد استفاده قرار میگرفتند. برخلاف تصور عامه مردم، نفت هیچ نقش مستقیمی در سیکل تبرید ایفا نمیکرد بلکه تنها برای تولید حرارت درژنراتور استفاده می شد. 

به طور کلی یخچال نفتی یک سیکل تبرید جذبی آب-آمونیاک است که در آن آمونیاک نقش مبرد و آب نقش جاذب را بازی می کنند. در ادامه به طور مختصر مراحل مختلف سیکل را بررسی می کنیم.

قسمتهای اصلی سیستم:

1- ژنراتور (Generator)

2- پمپ حباب (Bubble Pump)

3- کندانسور (Condenser)

4- اواپراتور (Evaporator)

5- ابزربر (Absorber)


در شکل زیر میتوانید روند انجام سیکل تبرید را به صورت انیمیشن مشاهده کنید :

یخچال نفتی بر خلاف یخچال برقی و کولر های گازی که بر اساس فرئون فشرده و کمپرسور کار می کنند دارا ی هیچ قسمت متحرکی نیست و نیروی محرکه خود را مستقیما از شعله آتش نفت می گیرد اساس کار یخچال نفتی بر پایه جذب و دفع آمونیاک در آب می باشد. سازوکار یخچال نفتی به صورت مرحله به مرحله به این شکل می باشد. 
1- در دمای معمولی آمونیاک در آب حل می شود ولی اگر به مخلوط آمونیاک و آب گرما بدهیم چون آمونیاک بسیار جوشنده تر از آب می باشد آمونیاک آغاز به جوشیدن نموده و از مخلوط آب و آمونیاک به صورت گاز بخار آمونیاک گرم متصاعد شده و مقداری بخار آب نیز با خود همراه کرده تبخیر می کند.

یخچال نفتی بر خلاف یخچال برقی و کولر های گازی که بر اساس فرئون فشرده و کمپرسور کار می کنند دارا ی هیچ قسمت متحرکی نیست و نیروی محرکه خود را مستقیما از شعله آتش نفت می گیرد اساس کار یخچال نفتی بر پایه جذب و دفع آمونیاک در آب می باشد. سازوکار یخچال نفتی به صورت مرحله به مرحله به این شکل می باشد. 
1- در دمای معمولی آمونیاک در آب حل می شود ولی اگر به مخلوط آمونیاک و آب گرما بدهیم چون آمونیاک بسیار جوشنده تر از آب می باشد آمونیاک آغاز به جوشیدن نموده و از مخلوط آب و آمونیاک به صورت گاز بخار آمونیاک گرم متصاعد شده و مقداری بخار اب نیز با خود همراه کرده تبخیر می کند.

 2-در سر راه این بخار گرم یک جدا کننده قرار دارد که قطره های آب را از بخار آمونیاک جدا کرده و درون مخزن مخلوط آب و آمونیاک بر می گرداند.( این قسمت را داشته باشید تا بعد زیرا در راه بازگشت این آب جدا شده به مخزن یک اتفاق دیگر هم می افتد.

3- سپس بخار آمونیاک درون یک سری لوله های پره دار به نام چگالنده شده و گرمای خود را از دست می دهد و به صورت آمونیاک مایع در می آید.( توجه این قسمت همانند یخچال های برقی در پشت یخچال قرار دارد)

4-سپس این آمونیاک مایع سرد تر شده ( دارای دمایی بالاتر از دمای محیط) وارد محفظه و لوله های پره دار دیگری می شود که درون یخچال جای دارد و در معرض گاز هیدروژنی که درون این محفظه قرار دارد واقع می شود و به سرعت بخار شده و جهت تبخیر گرمای محیط درون یخچال را جذب می کند.( در نتیجه درون یخچال سرد می شود.
5-سپس مخلوط آمونیاک و هیدروژنی که به صورت مخلوط گازی سردی است وارد جذب کننده می گردد درون جذب کننده مخلوط آمونیاک و هیدروژن با آبی که در مرحله دوم از گاز داغ آمونیاک جدا شده بود تماس داده می شوند.در این جا آمونیاک که درون آب بسیار حل شونده تر از هیدروژن است درون اب حل می شود و هیدروژن جدا شده دوباره به درون محفظه بخارنده ( اواپراتور - که همان محفظه درون یخچال باشد ) باز می گردد.
6- مخلوط آب و آمونیاک دوباره به درون مخزن مخلوط آب و آمونیاک بازگشته و توسط گرمای شعله نفت دوباره بخار شده و مراحل 1 تا 6 به صورت چرخه دوباره تکرار می شود. 
دلیل تبخیر آمونیاک در هیدروژن چیست؟ 
برای پاسخ به این پرسش باید به ترمودینامیک محلول ها نگاهی بیندازیم. می کوشم با یک مثال ساده پاسخ پرسشتان را بدهم.ببینید . آب خالص در 100 درجه می جوشد و در صفر درجه یخ می زند ولی اگر به آب مقداری نمک بیفزاییم دیگر در 100 درجه نمی جوشد بلکه در دمایی بالاتر از 100 درجه می جوشد.اگر به آب مایعی مانند الکل بیفزاییم در صفر درجه یخ نمی زند بلکه در دمایی پایینتر یخ می زند و در دمایی پایین تر از 100 درجه نیز تبخیر می شود . همین جریان در باره آمونیاک و گاز هیدروژن اتفاق می افتد. 
آمونیاک خالص در دما و فشار اتاق به صورت گاز است ولی آمونیاکی که از کندانسور بیرون می آید دارای دمای بالاتر از اتاق و فشاری به مراتب بیشتر از اتاق می باشد.( این فشار از طریق بخارهای متصاعد شده از روی چراغ نفتی تامین می شود) پس دقیقا در درلحظه پیش از واردشدن امونیاک به اواپراتور آمونیاک خالص به صورت مایع می باشد.این آمونیاک وقتی درون اواپراتور با هیدروژن در هم حل بشوند نقطه جوش محلول آمونیاک هیدروژن بسیار بسیار پایین تر از نقطه جوش آمونیک خالص می باشد بنابراین آمونیاک با هر دمایی هم که وارد اواپراتور شده باشد محلول آمونیاک و هیدروژن فورا تبخیر می شو د حتی اگر دمای اواپراتور –دمای درون یخچال -خیلی پایین تر از صفر درجه باشد. 
روشن است این محلول برای تبخیر شدن دمای محیط اطرافش را جذب می کند. 
آیا می دانستید چرخه یخچال نفتی را چه کسی اختراع کرده است؟. 
" آلبرت انشتین " به همرا یک دانشمند دیگر بنام Leo Szilard

تصویر این دو دانشمند در بالا دیده می شود.

یخچالهای نفتی
یخچالهای نفتی یکی از جالبترین سیستمهای تبرید هستند که در دوران قدیم مورد استفاده قرار میگرفتند. برخلاف تصور عامه مردم، نفت هیچ نقش مستقیمی در سیکل تبرید ایفا نمیکرد بلکه تنها برای تولید حرارت درژنراتور استفاده می شد. 

به طور کلی یخچال نفتی یک سیکل تبرید جذبی آب-آمونیاک است که در آن آمونیاک نقش مبرد و آب نقش جاذب را بازی می کنند. در ادامه به طور مختصر مراحل مختلف سیکل را بررسی می کنیم.

قسمتهای اصلی سیستم:

1- ژنراتور (Generator)

2- پمپ حباب (Bubble Pump)

3- کندانسور (Condenser)

4- اواپراتور (Evaporator)

5- ابزربر (Absorber)


در شکل زیر میتوانید روند انجام سیکل تبرید را به صورت انیمیشن مشاهده کنید :

یخچال نفتی بر خلاف یخچال برقی و کولر های گازی که بر اساس فرئون فشرده و کمپرسور کار می کنند دارا ی هیچ قسمت متحرکی نیست و نیروی محرکه خود را مستقیما از شعله آتش نفت می گیرد اساس کار یخچال نفتی بر پایه جذب و دفع آمونیاک در آب می باشد. سازوکار یخچال نفتی به صورت مرحله به مرحله به این شکل می باشد. 
1- در دمای معمولی آمونیاک در آب حل می شود ولی اگر به مخلوط آمونیاک و آب گرما بدهیم چون آمونیاک بسیار جوشنده تر از آب می باشد آمونیاک آغاز به جوشیدن نموده و از مخلوط آب و آمونیاک به صورت گاز بخار آمونیاک گرم متصاعد شده و مقداری بخار آب نیز با خود همراه کرده تبخیر می کند.