جداسازی ایزوتوپ ها و فناوری نانو

[parisa]

همانگونه که میدانیم هیچ ماده ای در طبیعت به طور خالص و صد در صد یافت نمی شود و این موضوع برای هر سه حالت ماده یعنی جامد ، مایع و گاز برقرار است. برای مثال آهن ، مس یا طلا همیشه در سنگهایشان ناخالصی دارند و باید آنها را خالص سازی کرد . در مورد مایعات نیز باید مراحل مختلفی طی شود تا مخلوط های مایع در مایع یا جامد در مایع را جدا سازی کنیم . در مورد گازها نیز جدا سازی لازم است . در جدا سازی مواد باید به خصوصیات آنها مثل جرم ، حجم و خواص شیمیایی آنها توجه کرد . بر حسب هر خاصیتی ، روش ***** کردن مخصوصی استفاده می شود . فرآیندهای جدا سازی به دو صورت هستند: 1. غربال مولکولی ( Molecular sieving ) 2. غربال کوانتومی ( Quantum sieving ) غربال ملکولی : غربال ملکولی فرآیندی است که طی آن به خاطر تفاوت اندازه ( حجم ) و خواص شیمیایی ملکولها ، میتوان آنها را از یکدیگر جدا کرد . برای این کار از موادی استفاده می شود که دارای روزنه های بسیار ریز یا به اصطلاح میکرو روزنه ( Micro porose ) می باشند. از لحاظ کلاسیک نمیتوان با استفاده از غربال های ملکولی ایزوتوپهای یک ملکول را جدا کرد زیرا دارای اندازه و خواص یکسانی هستند . تکنیکهای خاص و پر هزینه ای برای جدا سازی ایزوتوپها وجود دارد: 1. تبادل شیمیایی ( Chemical exchange ) 2. جداسازی نفوذی ( Diffusion separation ) 3. جداسازی بیولوژیکی ( Biological separaton ) 4. جداسازی ایزوتوپی لیزری ( Laser isotope separation ) غربال کوانتومی : پژوهشگران دانشگاه pittsburg راه جدیدی برای جداسازی ایزوتوپهای سنگین و سبک یک عنصر پیشنهاد دادند. شبیه سازی کامپیوتری آنها نشان داد که نانو لوله هايی با قطر کم میتوانند به عنوان غربال کوانتومی برای جدا سازی مخلوط هیدروژن و ایزوتوپهای آن (تریتیوم یا دوتریوم) استفاده شوند . این غربال کوانتومی میتواند برای مخازن خنک کننده سوخت اتمی به کار برود . ایزوتوپ های هیدروژن​
نانولوله های کربنی میتوانند هیدروژن بسیار زیادی را جذب کنند ، تا حدی که میتوان از آنها به عنوان مخزن سوخت هیدروژن استفاده کرد . ساختمان نانوت های کربنی به گونه ایست که هر اتم کربن با سه اتم دیگر پیوند دارد که در این صورت میتواند با یک هیدروژن واکنش دهد. هیدروژن های جذب شده قابلیت تراکم دارند .
همانطور که میدانید ، درابعاد کوچک ،اصل عدم قطعیت هایزنبرگ جلوه گر میشود: X P > h E t > h t مقادیر مجاز زمان ، E مقادیر مجاز انرژی و P محدوده تکانه مجاز ذره است . بر طبق این اصل اگر جسمی در مسافت X محدود شود ، تکانه اش دارای عدم قطعیتی به اندازه حداقل x/h خواهد شد . یعنی تکانه دیگر مقداری معین و معلوم نخواهد بود. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ Heisenberg uncertainly principle طبق مدل اتمی بور، الکترون، به عنوان ذره ای باردار در اطراف هسته در حرکت است. برای تعیین مسیر هر جسم دانستن مکان و سرعت جسم در هر لحظه ضروری است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نشان می دهد که تعیین دقیق مکان و اندازه حرکت جسمی به کوچکی الکترون نا ممکن است. هر چه تلاش کنیم که یکی از این دو کمیت را دقیق تر تعیین کنیم، از دقت کمیت دیگر، نامطمئن تر هستیم. ​ هر قدر که جرم ذره بیشتر باشد ، جنبش آن نیز بیشتر است . پس زمانی که ایزوتوپها در نانولوله محدود می شوند ، به حرکت درمی آیند و چون جرم هیدروژن از ایزوتوپ ها کمتر است ، کمتر تکان می خورد و به راحتی از نانولوله رد می شود ، ولی ایزوتوپهای دیگر به دلیل جرم بیشتر درون نانولوله گیر می کنند و جذب کربنها می شوند. ا ین عمل جدا سازی با نانو لوله هایی با قطر حدود 6 آنگستروم و در دمای 20 کلوین ا نجام می شود و تریتیوم 10000 بار بیشتر از هیدروژن جذب می شود . دانشمندان این جداسازی را در مورد H2 – HD , T2 – H2 , CH4 – CD4 و ایزوتوپ هلیوم انجام دادند که موفقیت آمیز بود . آنها متوجه شدند که با افزایش دما ، قدرت جذب نانولوله ها کاهش می یابد. قبل از به کارگیری نانو تیوبها ، دانشمندان از موادی به نام زئولیت استفاده می کردند. این مواد انواع مختلفی دارند و دارای روزنه های بسیار ریز میباشند ، ولی این روزنه ها یکسان نیستند و بعضی از آنها آنقدر بزرگند که مواد را به خوبی جدا نمی کنند. ولی امروزه علم نانوتکنولوژی به ما کمک می کند که این کار را با صرف هزینه های کمتر به راحتی انجام بدهیم . زئولیت ها Zeolite : زئولیت ها سیلیکاتهای آبدار می باشند، و پیوند آبدار در آنها بسیار سست است، به طوریکه در دمای پایین، آب خود را از دست می دهند. قابلیت تعویض یونی آنها زیاد است. زئولیت ها هم به روش طبیعی و هم به روش مصنوعی تشکیل می گردند. یکی از موارد مصرف زئولیت ها ***** ملکولی می باشد. چنانچه زئولیت ها در دمای 350 تا 400 درجه سانتیگراد برای مدت چند ساعت حرارت داده شوند آب موجود در مجاری و فضای کانال مانند، آزاد و به زئولیت بدون آب تبدیل می‌شود. قطر فضاهای کانال مانند، مشخص و تابع ترکیب شیمیایی زئولیت است. قطر این فضا در زئولیت پتاسیم‌دار 13 آنگستروم، سدیم‌دار 4 آنگستروم و برای کلسیم‌دار 5 آنگستروم است. موادی که ابعاد ملکول آنها کمتر از قطر فضای زئولیت باشد جذب شده و آنهایی که بزرگ‌تر هستند جذب نخواهند شد.