ساخت بدنه های سبکتر و همچنین مقاوم تر برای خودرو، ساخت لاستیک‌هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور خودرو با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری‌هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو برای کاهش آلودگی هوا، لایه های بسیار محکم با خاصیت الکتروکرومیک (رنگپذیری الکتریکی) با خود تمیز شوندگی برای استفاده در شیشه ها و آینه های خودرو، ساخت حسگرهای چندمنظوره برای کنترل فرایندهای مختلف در خودرو و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهای تکنولوژی نانو در صنعت خودرو است.
تعریف نانوتکنولوژی یا فناوری نانو:
نانوتکنولوژی توانایی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با کنترل شرایط در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است. از همین تعریف ساده برمی آید که نانوفناوری رشته ای جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشتهها است. نانوفناوری کاربردهایی در حوزه های متفاوت از قبیل غذا، دارو، پزشکی و بیوفناوری تا الکترونیک، رایانه، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی داشته است. هر چند آزمایش‌ها و تحقیقات در زمینه نانوفناوری از ابتدای دهه۸۰ قرن بیستم بهطور جدی پیگیری شد، اما اثرات معجزه آسا و باورنکردنی آن در روند تحقیق و توسعه، باعث شد تا نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب شده و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویت‌های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و‌یکم تلقی کنند.
نانوکامپوزیتها:
مواد کامپوزیتی، موادی مهندسی هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شدهاند، به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس (زمینه) و تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده، آن را در محل خودش نگه میدارد و تقویتکننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می شود. از آنجا که ذرات بسیار ریز (نانوذرات) در نانوکامپوزیتها استحکام و دوام رزین را بالا میبرند، جایگزین موادی مانند میکا و تالک شدهاند. اما علاوه بر ویژگی‌های فیزیکی بهتر، این کامپوزیت‌ها دارای دو برتری دیگر نیز هستند، نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریکس یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم میکنند و بنابراین نانوکامپوزیتها سطح زیباتر و رنگ‌های شفافتری دارند. همچنین نانوکامپوزیتها به‌دلیل کاهش مواد تقویت کننده تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیت‌های رایج سبک تر هستند.
فناوری نانو در صنعت خودرو:
یکی از اثرات مثبت نانوفناوری، افزایش بازده موتورهای درون سوز است. این موتورها حدود ۱۵ درصد از انرژی ذخیره شده در بنزین را به نیروی محرکه تبدیل میکنند. جایگزینی کربن سیاه در تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط‌زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان میآورد. از طرف دیگر، وزن خودروهای امروزی حدود ۱۵۰۰ کیلوگرم است. با استفاده از نانوفناوری پیشبینی میشود که بتوان بازده خودروها را تا ۵ برابر افزایش داد و همچنین وزن وسایل نقلیه را به‌میزان۱۰ برابر کاهش داد. با این تفاصیل پیش بینی می‌گردد که وسایل نقلیه آینده با استفاده از این فناوری تا ۵۰ درصد بهبود راندمان داشته باشند. استفاده گسترده از نانوکامپوزیتها میتواند سالانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفهجویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد. نانوفناوری، کاربردهای بسیاری در صنعت خودرو دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
1) مواد ساختاری و پوشش‌ها:
با توجه به اهمیت نانوکامپوزیتها در صنعت خودرو و اینکه یکی از مصرف کنندگان بزرگ نانوکامپوزیتها، صنعت خودرو و حمل و نقل است، میتوان به موارد ذیل اشاره کرد :
الف) نانوکامپوزیت‌های پلیمری:
نیاز رو به افزایش سوخت در عرصه حمل و نقل، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک‌وزن مانند پلاستیک را که میتواند جایگزین فلز شود، افزایش داده است. نانوکامپوزیتها دسته جدیدی از مواد هستند که شامل پلیمرهای قدیمی‌تقویت شده با ذرات نانومتری هستند. این مواد می‌توانند به وسیله اکسترود یا قالب به شکل دلخواه درآیند و از استحکام و قدرت فلز برخوردار بوده و از آن سبکتر هستند. خاصیت مهمی که برای نانولوله‌های کربنی بیان شده است، رسانایی الکتریکی آنهاست که با توجه به این ویژگی میتوان با کاربرد آنها در بدنه خودرو و دیگر قسمت‌ها، از روش رنگ الکترواستاتیکی برای رنگ آمیزی خودرو استفاده کرد.
ب) نانوکامپوزیت‌های فلزی:
استفاده از نانوبلورهای فلزی به صورت ترکیبات با ساختار حجیم در بدنه خودروها است. مثلا نانوبلورهای فولاد مزایای زیادی در ارتقای درجه استحکام ایجاد میکنند. شرکت تویوتا از این مواد در ساخت خودروهایش استفاده کرده است. نانوبلورهای فولاد نسبت استحکام به وزن را به نحوی قابل ملاحظه بهبود میبخشند. این ویژگی میتواند از انقراض صنعت فولاد و جایگزینی آن توسط کامپوزیت‌های پلیمری، جلوگیری کند. در مجموع، نانوبلورهای فلزی در قسمت‌های مختلف خودرو نظیر موتور باعث استحکام و سختی میشوند. سرامیک‌ها، از لحاظ سختی دارای قابلیت رقابت با اینگونه مواد هستند، اما بسیار شکننده‌اند. نانوبلورهای سرامیکی بسیار بادوام بوده و می‌توانند ترکیباتی را که نیاز به سختی و مقاومت فرسایش بالایی دارند، ارتقا بخشند. افزایش نانوذرات اکسید آلومینیم به آلومینیوم باعث میشود تا مقاومت آن در برابر ساییدگی مانند بهترین یاتاقان‌های فولادی شود.
2) رنگ و پوشش:
استفاده از فناوری نانو در رنگ باعث افزایش کیفیت رنگ و کاهش مصرف آن میشود. رنگ محصولات، عاملی مهم در جلب توجه مشتری است. استفاده از رنگ‌های مقاوم در برابر نور خورشید و ساییدگی و همراه با خاصیت صیقلی بالا در خودرو ضروری است. نانوذرات با اندازه‌های مختلف، نورهایی با فرکانس‌های متفاوت ساطع میکنند. لذا میتوان از آنها برای تولید رنگ‌های گوناگون استفاده کرد. کاربرد جالب توجه در این بخش، استفاده از نانولوله‌های کربنی (فیبریل) در رنگ است. فیبریلها استوانههایی هستند متشکل از ۸ لایه گرافیتی که از فاز بخار به عمل می‌آیند و از نانولوله‌های کربنی ساخته میشوند و خاصیت رسانایی بالایی دارند. فیبریلها از لحاظ شکل ظاهری شبیه به رشته‌های ماکارونی در ابعاد میکروسکوپی هستند. کاربرد فیبریلها در رنگ باعث رسانایی آن میشود و میتوان از آن برای رنگ کردن خودرو به روش قطره‌های باردار شده (رنگ الکترواستاتیک) استفاده کرد. در این روش رنگ و قسمت‌هایی را که قرار است رنگ شوند، باردار میکنند تا جاذبه الکتریکی بین آنها باعث جذب رنگ شود. به این ترتیب کارایی رنگ چه از لحاظ کیفیت و چه از لحاظ کمیت (میزان رنگ مصرفی) ارتقا مییابد. کارایی رنگ الکترواستاتیکی ۴ برابر بیشتر از رنگ به روش اسپری است. در روش الکترواستاتیکی ۸۰ درصد از رنگ روی قسمت مورد نظر مینشیند، این در حالی است که در روش‌های دیگر این مقدار به ۲۰درصد می‌رسد. برای ساخت پنجره‌های خودرو به صورت فتوکرومیک و الکترومیک که تحت تاثیر نور و الکتریسیته تغییر رنگ میدهند، تحقیقاتی صورت گرفته است. با روش‌های مبتنی بر نانوذرات میتوان اینگونه شیشه‌ها را تولید کرد.
3) کاتالیست‌های زیست محیطی:
از زمینه‌های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست‌محیطی به‌منظور تصفیه خروجی اگزوز خودروها و پالایش آب و هواست. در فرانسه ۳۰ میلیون خودروی آلاینده هوا در حال تردد هستند. از آنجا که به‌ازای ۱۰۰ کیلوگرم کاهش وزن، نیم لیتر در مصرف سوخت در هر صد کیلومتر صرفه جویی میشود، استفاده از سیلیسیم به معنی کاهش آلودگی است. کاتالیزورهای رایج که اغلب دارای پایه پلاتین هستند، اگرچه بازده کافی دارند، اما بسیار گران قیمت هستند. به همین جهت، کاتالیزورهای نانوساختاری به عنوان جایگزین ارزان قیمت کاتالیزورهای فوق بسیار قابل توجه قرار گرفته اند. مورد استفاده دیگر کاتالیزورهای زیست محیطی برای مصارف تصفیه آب و هوا و حذف فلز سنگین توسط فتوکاتالیست‌ها است. با استفاده از این کاتالیزورهای نوری، ترکیبات سمی‌مهلک به موادی بی خطر تبدیل میشوند.
4) روکش‌های مقاوم سطح خودرو در برابر خراش:
روش‌های متفاوتی برای بهبود مقاومت در برابر خش پذیری روکش‌های سطح خودرو پیشنهاد شده است که از آن جمله میتوان به استفاده از مواد افزودنی اشاره نمود. در این روش تاثیر نوع و غلظت مواد افزودنی سیلیکونی و اکریلاتی بر روی مقاومت به خش پذیری روکش‌های شفاف خودرو بر پایه اکریلیک ایزوسیانات مورد بررسی قرار گرفته و از آزمونهای خراشنده و سایش برای ارزیابی مقاومت به خش پذیری و خراش و از طیف سنجی مادون قرمز، اندازهگیری خواص کششی، مقاومت به جامی‌شدن و سختی، برای بررسی و ارزیابی نحوه عملکرد مواد افزودنی استفاده شده است. نتایج نشان میدهند که مواد افزودنی سیلیکونی در مقایسه با اکریلاتی تاثیر مثبت تری بر روی مقاومت به خراش و خش پذیری روکش‌های سطح اکریلیک ایزوسیانات دارند و با کاهش قطبیت مواد افزودنی سیلیکونی این تأثیر محسوس تر میشود.
5) اثر نیلوفری و ساخت سطوح خود تمیزشونده:
یکی از شناخته شده ترین مزیت‌های نانوفناوری اثر نیلوفری است که فناوری ساخت سطوح خود تمیزشونده را امکان پذیر میسازد. به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نیلوفر، قطرات آب و گرد و غبار از روی گلبرگ‌ها میلغزند بیآنکه اثری روی آنها بر جای بگذارند. بنابراین اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسیار صاف و صیقلی (در مقیاس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنین آب روی آنها باقی نخواهد ماند. ساختار نانویی این سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسیار ریز آب نیز جلوگیری میکند. رینگ‌های خود تمیزشونده نیز با استفاده از این ویژگی در حال تولید هستند. همچنین پوشش نانویی در حال تولید است که با اضافه کردن آن به سطح شیشه خودرو، فرورفتگی‌های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد میکند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی‌ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاک‌کن‌ها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه میشود.
6) شیشه های نوین با توانایی بازتاب اشعه مادون قرمز:
نمونه دیگری از کاربردهای نانوفناوری در صنعت شیشه خودرو شیشه‌هایی با قابلیت بازتاب اشعه مادون قرمز نور خورشید است. به این ترتیب که لای‌های بسیار نازک بین دو لایه شیشه قرار گرفته‌اند که وظیفه آنها بازتاباندن اشعه مادون قرمز خورشید و در نتیجه جلوگیری از گرم شدن زیاد داخل خودرو است.
۷) مبدل‌های کاتالیستی:
اگر احتراق به طور کامل و ایده‌آل رخ دهد، خروجی‌های حاصل از آن آب، نیتروژن و دی‌اکسیدکربن است و اگر احتراق در شرایط ایده‌آل رخ ندهد، مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته باشد، خروجی‌های حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونواکسیدکربن، گروه گازهای و هیدروکربن‌های نسوخته است. وظیفه مبدل کاتالیستی که در مسیر گازهای خروجی از موتور قرار می‌گیرد، این است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.
یکی از ویژگی‌های نانوذرات استفاده شده در تولید مبدل‌های کاتالیستی عبارت است از افزایش سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزایش تعدادشان به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند. یک دسته از واکنش‌های شیمیایی روی سطح کاتالیست‌ها رخ میدهند و بنابراین سطح تماس بیشتر، کاتالیست فعال‌تری را موجب میشود. از اینرو به‌کارگیری نانوذرات در مبدل‌های کاتالیستی منجر به تولید مبدل‌های موثرتر خواهد شد. نانوفناوری تاثیرات زیادی در بخش‌های مختلف خودرو از جمله رنگ، شیشه، بدنه، لاستیک، پیل سوختی و بسیاری از موارد دیگر خواهد داشت.
