ندا اظهری، مترجم:صنعت خودروسازی از آن دست صنایعی است که حرف و حدیث‌های زیادی پشت سر آن وجود دارد. این صنعت در بسیاری از کشورهای توسعه‌یافته با جدیت بالایی دنبال می‌شود و مهندسان و محققان تلاش می‌کنند با جدیدترین دانش و فناوری‌های روز دنیا، محصولات باکیفیتی را روانه بازار کنند که به‌رغم تامین نیاز مشتری و راضی نگه داشتن او، بتواند از ابعاد مختلف، کاربردی، ایمن و مقرون به صرفه تمام شود. فناوری نانو که به‌عنوان یک فناوری نوین در دنیا شناخته می‌شود، به‌ویژه با توسعه علم در سال‌های اخیر توانسته تا حد زیادی صنعت خودروسازی را متحول کرده و خودروهای تولید‌شده را از نظر قطعات و ابعاد مختلف بهینه کند.
در ساختارهای کوچک‌تر از 100 نانومتر، اثرات کوآنتومی به‌طور قابل‌توجهی ویژگی‌های مواد را تغییر می‌دهد. با کنترل ویژگی اندازه، ترکیبات شیمیایی و ساختارهای اتمی، ایجاد مواد ماکروسکوپی با ویژگی‌ها و عملکردهای منحصربه‌فرد، راه‌حل‌های جدید و سودمندی را در بخش خودرو امکان‌پذیر می‌کند. فناوری نانو یکی از فناوری‌های اصلی و کلیدی برای صنعت خودرو در آینده پیش‌رو محسوب می‌شود تا شرکت‌های خودروسازی به این واسطه بتوانند جنبه رقابتی خود را با سایر شرکت‌ها و کمپانی‌ها حفظ کنند. از موضوعات کلیدی در صنعت خودرو می‌توان به کاهش مصرف سوخت، اثرات زیست‌محیطی، ایمنی خودرو، اطلاعات راننده، راحتی و جایگزینی مواد سمی یا گران‌قیمت اشاره کرد که فناوری نانو و استفاده از نانو مواد در تمام این چالش‌ها می‌تواند راه‌حلی اساسی ارائه دهد. استفاده از نانومواد در حوزه خودروسازی، مزایایی را به همراه دارد که شاید به جرات بتوان گفت هیچ فناوری دیگری نمی‌تواند تا این اندازه در خودروسازی موثر واقع شود. استفاده از فناوری و مواد نانو در این صنعت، علاوه‌بر اینکه وزن خودرو را تا حد زیادی کاهش می‌دهد، به کاهش اصطکاک و انتشار گازهای گلخانه‌ای از موتور خودرو، کاهش مقاومت در برابر سایش و خوردگی، مقاومت در برابر اشعه UV خورشید و تولید حسگرها و مواد الکترونیک پیشرفته‌تر کمک می‌کند.
تولید سالانه 50 میلیون خودروی جدید
به گزارش azonano، سازمان ملل‌متحد در گمانه‌زنی‌هایی که سال 2019 انجام داده بود، اعلام کرد که شمار وسایل نقلیه در دنیا تا سال 2030 دو برابر خواهد به‌طوری‌که از 750 میلیون خودرو در آن سال به حدود یک میلیارد و 500 میلیون خودروی مسافربری و وسیله نقلیه کاربردی تا سال 2030 خواهد رسید. کارشناسان، مهم‌ترین عامل این رشد دو برابری را رشد سریع بازارهای خودروسازی در چین، هند، روسیه، برزیل و آفریقای‌جنوبی اعلام کرده‌اند. هر‌ساله حدود 50 میلیون خودروی جدید در دنیا تولید می‌شود که نشان می‌دهد فناوری نانو و محصولاتی که با کمک آن تولید می‌شوند، فرصتی طلایی برای ورود به صنعت خودروسازی پیدا می‌کنند. درواقع، فناوری نانو ویژگی‌های مواد را تقویت کرده و عملکرد فناوری‌های به‌کار‌رفته در خودرو را بهبود می‌بخشد.
نانومواد چه کمکی به خودروها می‌کنند؟
تایرهای خودرو حاوی موادی چون کربن سیاه و اکسیدهای نانویی (مانند سیلیکا و اکسید آلومینیوم)، فیلرها، نانورس‌ها، نانوالیاف کربنی (CNF)، گرافن و نیز سایر افزودنی‌ها هستند. افزودنی‌های نانویی طول عمر تایرهای خودرو، مقاومت غلتشی، مقاومت در برابر سایش و کشش خیس را تا حد چشمگیری افزایش می‌دهند. افزودن موادی با ساختارهای نانویی، نانوالیاف، نانولوله‌ها، نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها و نانوورقه‌ها به مایعات منجر به تولید نسل جدیدی از نانومایعات با ویژگی‌های منحصربه فرد در مقایسه با مایعات معمولی می‌شود. شماری از نانومواد نظیر اسید بوریک با ساختار نانویی، تنگستن نانوکُره‌ای، نانوذرات مس و گرافن پیشتر نیز در مایعات خودرو به‌کار می‌رفتند. افزودن نانوذرات به روان‌کننده‌های سیال ویژگی‌های مکانیکی آنها را بهبود بخشیده و مزایای اقتصادی مختلفی را برای صنعت خودروسازی به همراه دارد.
همچنین منسوجات نانویی هم راهکارهای نوآورانه و پیشرفته‌ای برای جذب تعریق بوده و علاوه‌بر اینکه دافع آلودگی و کثیفی است، خواص ضدمیکروبی و ضد‌الکتریسیته ساکن و مقاومت در برابر سایش و نیز کاهش سر و صدا ارائه می‌دهد. مبدل‌های کاتالیزوری با جایگزین کردن فلزات سنتی مانند اکسید سریم و پلاتینیوم به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در فرآیند طراحی و تولید خودروها می‌شود. مبدل‌های کاتالیزوری از رودیوم و پالادیوم در ابعاد نانو در سرامیک‌ها استفاده می‌کنند. «اسپین الکترونیک» یکی از مواد نانومغناطیس جدید است که برای متحول کردن سیستم‌های محاسباتی خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسیاری از نانوذرات نظیر سیلیکن، نیمه رساناهای ارگانیک، CNTها و گرافن غالبا به فلزات یا اکسیدها در سطح اتمی تزریق می‌شوند تا جایگزین میکروسیستم فعلی شوند. «اسپین الکترونیک» جنبه‌های مختلف الکترون‌ها و چرخش‌های آنها را تشریح می‌کند که می‌تواند تحت‌تاثیر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی باشد. این مواد در فناوری‌های بازیابی مانند استفاده دوباره از انرژی ترمز استفاده می‌شوند.
موتورهای نانویی خودرو: محققان همیشه به دنبال آن بوده‌اند موتورهای احتراقی داخلی خودرو را از نظر افزایش عملکرد و کاهش اندازه و وزن بهبود بخشند. این دو عنصر در کنار هم می‌تواند عملکرد بالای موتور را دچار مشکل کند اما مهندسی نانویی این امکان را به محققان داده تا از نانومواد به‌طور ایمن در موتور خودروها استفاده کنند. قطعات موتور که محل قرار گرفتن قسمت‌های متحرک اصلی هستند، به‌طور معمول از چدن ساخته شده‌اند. انتخاب چدن به‌عنوان فلزی که در قطعات متحرک موتور به کار می‌رود، به این دلیل است که تنها ماده کاربردی است که می‌تواند دما و فشار بالایی را که در قلب موتور تولید می‌شود، تحمل کند. اما مهندسان به‌زودی دریافتند که گریدهای خاصی از آلومینیوم که حدودا وزنی معادل یک سوم چدن دارند به گزارش geospatialworld، دستکاری ساختار اساسی مواد قطعات موتور خودرو یا معماری سطحی، به طراحان دامنه بسیار وسیع‌تری می‌دهد تا از ویژگی سایش و استحکام بالای مواد در دماهای بالا در فرآیند پژوهش و طراحی استفاده کنند. استفاده از نانومواد همچنین روغن موتور خودرو را نیز ارتقا داده است به‌طوری‌که این نانومواد مقاومت بالایی در برابر محیط موتورهای مدرن دارد. دستکاری‌های نانویی مواد روغن‌هایی تولید کرده که می‌تواند مدت طولانی‌تری به سطوح داخلی متصل شود به این معنا که هنگام روشن شدن موتور، در محل مناسبی قرار دارد به‌طوری‌که از همان ابتدا محافظت می‌کند.
شاسی و بدنه: راندمان سوخت بسته به سخت بنزینی، دیزلی یا برقی، تابعی از وزن آن است و حتی کاهش بسیار جزئی وزن می‌تواند منجر به افزایش قابل توجه مسافت پیموده شده شود. یکی از بهترین راه‌ها برای کاهش وزن خودرو، استفاده از مواد سبک‌وزن برای قطعات ساختاری شاسی و بدنه خودرو است؛ و این قسمتی است که استفاده از نانومواد به‌خوبی می‌تواند به‌رغم کاهش وزن، قطعات را مقاوم‌تر کند. همچنین با نانوفناوری می‌توان پنل‌های پلاستیکی ایجاد که عملکرد خودترمیمی داشته و آسیب‌های احتمالی وارد شده به بدنه را ترمیم کند.
باتری خودرو: از دیگر کاربردهای موفق فناوری نانو می‌توان کمک به تولید باتری‌های خم شونده اشاره کرد. این باتری به‌سادگی با پوشش ورقه‌ای از کاغذ یا پلاستیک به‌همراه جوهری ساخته می‌شود که با CNTها و نانوسیم‌های نقره ترکیب شده است. این باتری قابل انعطاف بوده و به‌سادگی در بسیاری از قسمت‌های کاربردی خودرو قابل استفاده است. نسل بعدی خودروهای برقی به مرور در خیابان‌ها افزایش پیدا می‌کند و مهندسان و محققان به‌دنبال آن هستند که چگونه می‌توانند به‌رغم افزایش عملکرد، طول عمر باتری‌ها را بالا ببرند. این تلاش‌ها منجر به تولید باتری‌های لیتیوم-سیلیکونی شده است که هم عملکرد و هم طول‌عمر آن را افزایش می‌دهد. جدیدترین توسعه باتری‌ها برای خودروهای برقی، شامل استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی است که با جذب و ریزش یون‌های لیتیومی منبسط و منقبض می‌شوند. از دیگر راه‌ها استفاده از نانوساختارهای کوچک با پوسته‌های کربنی است که از هسته‌های سیلیکونی غنی از لیتیوم محافظت می‌کنند. این ترکیب به انتقال کارآمدتر انرژی کمک می‌کند به این معنا که انرژی کمتری به‌عنوان گرما در محیط تلف می‌شود و مقدار بیشتری به سیستم عرضه می‌شود.
سلول‌های سوختی
نانوفناوری همچنین به بهبود سلول‌های سوختی نیز کمک می‌کند که شامل فناوری پاکی است که جایگزین سوخت‌های هیدروکربنی می‌شوند. در این مورد، هیدروژن از کاتالیست عبور می‌کند تا یون‌های هیدروژنی تولید که بار دیگر به اکسیژن متصل شده و منجر به تولید انرژی شود. در این کاتالیست‌ها به‌طور فزاینده‌ای از نانوساختارهای پلاتینی برای به حداکثر رساندن سطح و برداشت بیشترین تعداد یون هیدروژن استفاده شده و در‌نتیجه تولید انرژی را نیز به حداکثر می‌رساند.
رنگ‌ها و پوشش‌ها: لایه‌های نانویی فیلترهای غیرآلی به‌طور گسترده‌ای در سطوح بدنه خودرو برای کمک به حفاظت از آنها در برابر آسیب‌های زیست‌محیطی و خودترمیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ذرات هوشمند نیز می‌توانند به دفع آلودگی‌ها کمک کنند تا در تمیزتر ماندن خودرو نقش داشته باشند. به این طریق می‌توان رنگ خودرو را با اعمال شارژهای الکتریکی خفیف تغییر داد. در قسمت داخلی خودرو هم می‌توان از نانوفناوری استفاده کرد، به‌طوری‌که الیاف نانوفناوری به حفظ ظاهر مرتب و تمیز فضای داخلی خودرو کمک می‌کند و نیز در دفع اثرات باکتریایی و ایجاد فضای داخلی نرم و راحت موثر است. در فضای داخلی خودرو نیز با تغییر نانوذرات مواد می‌توان رنگ قسمت‌های داخلی خودرو را تغییر داد بنابراین کاربران می‌توانند ترکیب رنگ‌های موردنظر خود را انتخاب کرده و به سازندگان سفارش دهند.
خودروهای متصل
به گزارش oponeo، در دوران استفاده از گوشی‌های هوشمند، برقراری ارتباط یکی از ارکان مهم به‌شمار می‌رود که خودروها هم می‌توانند از آن بهره‌مند شوند. بسیاری از خودروهای خودران می‌توانند به جاده متصل شوند. یکپارچگی فناوری نانو مشابه آنچه در گوشی‌های هوشمند مورد استفاده قرار گرفته می‌تواند به برقراری ارتباط بهتر بین خودروها در جاده کمک کند. در‌حالی‌که خودروهای متصل ممکن است کاربرد زیادی برای جابه‌جایی مسافران نداشته باشند، اما خودروهای خودرانی که روزانه برای حمل‌ونقل مسافر در جاده‌ها تردد می‌کنند می‌توانند از یک پایگاه مرکزی کنترل بهره‌مند شوند. در‌حالی‌که این نوع توسعه نگرانی‌های بیشتری را پیرامون امنیت سایبری خودروها ایجاد می‌کند، اما برقراری ارتباط میان خودروهایی که در جاده در‌حال تردد هستند، جذابیت بالایی دارد.
سهم بازار نانومواد در دنیا
به گزارش polarismarketresearch، بازار جهانی نانومواد در سال 2021 به ارزش 7 میلیارد و 780 میلیون دلار رسید و انتظار می‌رود این رقم در سال‌های آینده نزدیک‌به 15 درصد رشد داشته باشد، به‌طوری‌که سهم این بازار تا سال 2031 به مرز 62 میلیارد و 800 میلیون دلار خواهد رسید. عامل کلیدی که میزان رشد این بازار را تحت تاثیر قرار می‌دهد شامل بودجه‌های دولتی و حمایت از نانومواد به‌منظور پشتیبانی از رشد آینده‌نگرانه این بازار، مشارکت‌ها و همکاری‌های استراتژیک هستند. علاوه‌براین پیش‌بینی می‌شود که در سال‌های آینده قیمت نانومواد بازار سال‌های پیش‌رو را افزایش دهد. همچنین کارشناسان نگرانی‌هایی درباره اثرات زیست‌محیطی و مسمومیت‌زایی نانومواد مهندسی‌شده و نیز هزینه‌های پردازش و مقررات سختگیرانه دولتی دارند که ممکن است مانعی بر سر راه صنعت نانومواد در سال‌های آتی باشند. افزایش استفاده از نانومواد و تحقیق و توسعه انجام‌شده برای تولید مواد جدید و بهبودیافته از‌جمله عوامل رشد این صنعت به‌شمار می‌روند. تقاضای جهانی بسته به عواملی چون خواص فیزیکی و شیمیایی قوی نانوذرات، کمک مالی از سوی سازمان‌های دولتی و افزایش کاربرد این مواد در مراقبت‌های بهداشتی و خودرو و... ایجاد می‌شود. حوزه‌های نانوفناوری در‌حال توسعه به‌طور مداوم به رشد بازار جهانی کمک می‌کنند. علاوه‌براین افزایش استفاده از نانوپزشکی در حوزه‌های دارویی و گسترش کاربرد نانومواد در صنعت الکترونیک، گسترش بازار جهانی نانومواد را در سال‌های پیش‌رو به‌دنبال خواهد داشت. علاوه‌براین افزایش دسترسی به روش‌ها و ابزارهای مختلف برای سنتز نانومواد، مانند سنتز کووالانسی و خودسامانی، رشد صنعت را تقویت می‌کند. نسبت بالای سطح به حجم، تخلخل بالا و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی بهبودیافته از‌جمله مزایای دیگر نانومواد به‌شمار می‌رود. نانومواد در صنایع مختلفی چون هوافضا، خودروسازی، پزشکی، انرژی و نیرو، الکترونیک، رنگ و پوشش‌ها و... کاربرد دارند. کشورهای اروپایی نظیر فرانسه، آلمان، انگلیس، ایتالیا، اسپانیا، هلند و اتریش از‌جمله کشورهایی هستند که از نانومواد به‌طور گسترده در صنعت خودروسازی خود استفاده می‌کنند.