نانو در مهندسی ورزش(2)

مروری بر کاربردهای فناوری نانو در مهندسی ورزش

قسمت اول را از اینجا بخوانید.

مقدمه:

افزایش تقاضا در ورزش برای تجهیزات کامل ورزشی، ضرورت سرمایه گذاری در این بخش را در سال های گذشته آشکار ساخته است. در دنیای ورزش رقابتی کوچکترین تغییر در تجهیزات می تواند تغییرات چشم گیری در شکست و پیروزی ها ایجاد نماید. در همین خصوص به علت تأثیرات بسیاری که فناوری نانو در بهبود خواص مواد از خود بروز داده است، بسیاری از سازندگان لوازم ورزشی مطرح جهان برای بهره گیری از فناوری نانو در تولیدات خود، سرمایه گذاری کلانی کرده اند. به طوری که مجموع تولیدات سالانه نانولوله های کربنی، که تنها یکی از نانو مواد مهم با کاربردهای ورزشی بسیار چشم گیر است، طی سال های گذشته بسیار افزایش داشته است. ارزش بازار این مواد در سال 2007 بیش از 100 میلیون دلار بود که انتظار می رود سرعت رشد این بازار همچنان تداوم داشته باشد.

تولید کنندگان قصد دارند ظرفیت واحدهای تولیدی خود را تا سال 2012 به هزاران تن افزایش دهند. این ارقام بیانگر دامنه و فرصت های این بازار است. در حال حاضر کاربردهای ورزشی، 14 درصد مصرف کل نانولوله های کربنی را به خود اختصاص می دهند، که انتظار می رود این رقم افزایش یابد. برای آگاهی از تأثیر فناوری نانو در وسایل ورزشی، تحقیقات بسیاری صورت گرفته است. بر این اساس فناوری نانو، به عنوان یکی از نیازهای امروز جامعه ورزش مطرح می شود از این رو آگاهی از دستاوردهای فناوری نانو در دهه های اخیر برای مهندسان ورزش ضروری است و اهمیت جمع آوری آخرین یافته های پژوهشی و ابتکارات و ابداعات و محصولات در زمینه فناوری نانو در ورزش حرفه ای در جهان بیش از پیش مورد توجه قرار می گیرد.

با توجه به حجم زیاد کاربردهای فناوری نانو در ورزش و به منظور ایجاد انسجام و نظم، این مطالب، در چهار بخش وسایل، پوشش ها، تجهیزات و پزشکی در ورزش ارائه شده است. این تقسیم بندی بر اساس اهمیت موضوع و حجم مطالب هر یک از حیطه ها مشخص شده است. البته می توان تقسیم بندی دیگری را نیز بر اساس ویژگی ساخت آنها ارائه نمود.

قسمت اول را از اینجا بخوانید.

2- پوشش ها

فناوری نانو در عرصه پوشش ورزشکاران رشد خوبی داشته است. این لوازم پوششی برای ورزشکاران بسیار ایده آل است و از آسیب های احتمالی ورزشکاران جلوگیری می کند. این لوازم بسیار سبک و مقاوم هستند. این وسایل شامل موارد ذیل است.

2-1- کفش و کفی ورزشی

آدیداس با تولید کفش با فناوری نانو انقلابی در بازی های المپیک پکن به وجود آورد. لان استار نخستین میخ نامتقارن تولید شده در جهان است که دارای بدنه ای از نانولوله های کربنی تقویت شده است و با ورق منحصر به فرد آدیداس مستحکم شده است. آدیداس از نانولوله های کربنی تقویت شده که قبلا فقط در صنایع  خودرو و هوا فضا مورد استفاده قرار می گرفته، برای طراحی استفاده می کند. صفحات نانو با اینکه نازک تر هستند، قوی تر و یک پارچه اند، که باعث ثبات طول، پیچ خوردگی بهتر، اطمینان، ایمنی و افزایش انعطاف پذیری می شود، همچنین از دست رفتن انرژی را به حداقل می رساند. پیوستگی مکانیکی و شیمیایی، افزایش تمامیت ساختاری و دوام نانولوله کربنی، به آدیداس اجازه  طراحی و ساخت یک قطعه با قابلیت انعطاف بالا را در مقابل 3 قطعه می دهد. وقتی نانولوله های کربنی خم می شوند، حالت ارتجاعی زیادی دارند. نانولوله ها مانند حصیر خم می شوند ولی نمی شکنند و می توانند بدون اینکه آسیب ببینند دوباره به حالت اولیه خود باز می گردند. با کاهش مواد، فاصله ی پا با زمین کاهش می یابد. این روکش جدید اجازه می دهد تا پا به زمین نزدیک تر شود.

پس از مطالعه الگوی حرکتی در آزمایشگاه از طریق دوربین های سرعت بالا و نقشه برداری از نیروی فشار، شرکت آدیداس تلاش خود را برای تولید وسیله ای کاملا جدید که باعث افزایش سرعت در دراز مدت شود، آغاز کرد. تیم پیشرفته مهندسان، طراحان و متخصصان بیومکانیک آدیداس توانستند، نخستین کفی کفش نامتقارن را طراحی کنند. این میخ برای مسابقه طولانی مدت با حداکثر سرعت دویدن، کاربرد بسیار مناسبی دارد. میخ کف کفش های سنتی باعث اتلاف انرژی در ورزشکاران می شود میخ جدید در این کفش اجازه می دهد تا ورزشکاران بدون اتلاف انرژی مسیر مسابقه را طی کنند.

محققان یکی از واحدهای فناوری کشورمان موفق به طراحی و تولید کفی کفش ورزشی با استفاده از فناوری نانو شدند.

کفی تخصصی کفش های ورزشی در رشته های بسکتبال، تنیس و دومیدانی با طراحی منحصر به فرد به کار می رود و در جهت افزایش قابلیت ورزشکاران، کاهش صدمات ورزشی ناشی از ضربات و اصلاح کفش های غیر استاندارد، تولید شده است. کفی طراحی شده متناسب با نوع ورزش، قابلیت جذب ضربه، جلوگیری از لغزش و اصلاح نحوه حرکت را دارد و از آن جا که کفی میانی، اصلی ترین قسمت کفش های ورزشی است، ضربه های وارد شده را گرفته و اتلاف می کند و مانع آسیب های کف و مچ پا می شود.

کفی های ضربه گیر با استفاده از لاستیک ای. پی. دی. ام اصلاح شده با نانوفیلرها بر پایه خاک رس طراحی شده و علاوه بر اتلاف ضربه از طریق طراحی شکل و شبکه فوم ای. پی. دی. ام، پر کن (فیلر) نانو خاک رس، میزان اتلاف ضربه را افزایش و در عین حال طول عمر آنرا را افزوده است. ای. پی. دی. ام دارای خواصی چون مقاومت در برابر آب و ضربه را از خود نشان می دهد. این کفی ها به نحوی طراحی شده که اصطکاک مناسبی با زمین های ورزشی داشته باشد، با استفاده از این کفی ها علاوه بر فراهم کردن امکان فعالیت ورزشی با حداکثر آسایش و حداقل آسیب، امکان انجام دادن حرکت های بهتری را به ورزشکار می دهد و آسیب های ورزشی را به حداقل می رساند. کفی این کفش از سه لایه تشکیل شده است، این سه لایه شامل بخش زیرین که اصطکاک مناسب و مقاومت سایش را فراهم می کند، بخش میانی که نگهدارنده پاشنه و جاذب ضربه است و همچنین بخشی فوقانی که سازگار با پوست است و از جنس ای.پی. دی. ام تقویت شده با نانوفیلر است.

این کفی ها تا 70 درصد ضربات وارده به پا و زانو را کاهش می دهد. برای ایجاد خواص مورد نظر با استفاده از نانو فیلر توانستند توزیع ذرات فوم زا، پایداری حباب های فوم و استحکام فوم کفی کفش را طراحی و در نتیجه دوام آن در برابر ضربه های نوسانی افزایش و تغییر شکل آن در زمان کاربری را کاهش دهند.

2-2- لباس شنا

در این نوآوری، سرعت فرایند خشک شدن به وسیله ی فناوری نانو در پارچه لباس شنا افزایش یافته است. همانند آب که روی پوست طبیعی جاری می شود، قطرات آب روی لباس شنا جاری و لباس به سادگی خشک می شود. با به کارگیری فناوری نانو، این لباس در برابر اشعه ماوراء بنفش بی اثر و پایدار است و برای پوست کاملا بی ضرر و غیر سمی و سازگار با محیط زیست است. در روند تولید، از نوارهای توری نامرئی در اطراف سطح الیاف پارچه استفاده شده است، که هر باند نانوذرات به طور مستقیم به مولکول های پارچه لباس شنا پیوند و به غشاء در سطح نانو مونتاژ شده است، که دافعه ی دائم آب یا آبگریزی سطح را فراهم می کند و بدون تداخل با بافت پارچه تولید می شود. اثر آبگریزی موجب آسان تمیز شدن لباس شنا، تنفس سطح محافظت شده و مقاومت در برابر نفوذ آب در الیاف پارچه، شده است. از جمله ویژگی های این لباس می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- چهار راه تنفس در کشش پارچه

2- خشک شدن سریع

3- سر خوردن راحت قطرات مایعات

4- حفاظت سطحی طولانی و ماندگاری

5- مقاومت در برابر کلر شدید

6- ثبات رنگ در برابر آفتاب، کلر، شن و ماسه

7- مقاومت در برابر آب به وسیله ی اشعه ماوراء بنفش

2-3- پارچه ورزشی ضد بو و ضد میکروب

شرکت نانوهاریزونس تولید افزودنی های جدیدی برای اورتان ونایلون را شروع کرده است. این نانومواد جدید به خط تولید اسمارت سیلور که افزودنی های با خاصیت ضدبو و ضد میکروبی دائمی برای لباس های پلی استر و 100 درصد نخی هستند، اضافه شدند. همچنین این شرکت استانداردهای کارآمدی اسمارت سیلور و برنامه جامع تضمین کیفیت را، اعلام کرده است. گفتنی است نانوهاریزونس تنها تولید کننده افزودنی های ضد میکروبی است که استانداردهایی را برای عملکرد خود و نیز نظارت اجباری بر کیفیت تولید تعریف نموده است. با افزایش قابلیت های اسمارت سیلور در سطح مولکولی، خواص ضدبو و ضدمیکروبی جدیدی به آن داده شده است؛ ضمن آنکه اصلاحات انجام شده در مواد تولیدی اسمارت سیلور؛ دائمی و ایمن هستند و در مقایسه با دیگر فرآورده های تولیدی که برای الیاف، محصولات پوششی و پارچه به کار می روند، به طور استثنایی قیمت کمتری دارند. از الیاف اصلاح شده اسمارت سیلور می توان در تولید کفی کفش، تی شرت، جوراب، دست کش و دیگر محصولات ضد بود ورزشی استفاده نمود.

کار با بسیاری از مواد شیمیایی ضد میکروب به دلیل سمی بودن نیاز به مراقبت های خاصی دارد. لذا نقره که از روزگاران قدیم به عنوان ماده ضدمیکروبی طبیعی، بادوام و ایمن مطرح بوده، می تواند جایگزین ایده آلی برای این منظور باشد. البته همواره استفاده از نقره چالش هایی مانند هزینه، بازده و قابلیت تولید را به همراه داشته است. کاربرد الیاف پوشیده شده با نقره دشوار و دارای هزینه بالاست؛ ضمن آنکه خرده های نقره، موجب کاهش کارآمدی و بروز مشکلات احتمالی مرتبط با فاضلاب می شود. همچنین پودرهای به اصطلاح نانو نقره، به پلیمر یا نخ متصل نمی شوند و موجب ایجاد غباری از نقره در هوا می شنوند. اما اسمارت سیلور با طراحی نانومقیاس، تولید کنندگان را قادر می سازد تا فوراً و بدون صرف هزینه گزاف این افزودنی ها را به محصولات خود اضافه کرده، آنها را دارای خاصیت دائمی ضدبو و ضد میکروب نمایند.

روش به این ترتیب است که ذرات اسمارت سیلور به طور دائمی به مواد میزبان چسبیده و تا زمانی که از محصول مورد نظر استفاده می شود در آن باقی می مانند و کارآیی دارند. یکی از مهم ترین مزایای اسمارت سیلور برای تولید کنندگان لباس و پارچه آن است که هیچ تغییری در کیفیت و رنگ محصولات تولیدی آنها ایجاد نمی کند و اما می توانند کالاهای دلخواه خود را در هر طرح و رنگ و کیفیتی تولید کرده و از خواص دائمی و کارآمد ضد بو نیز بهره مند باشند. هم اکنون اسمارت سیلور به آسانی و با اطمینان در فرآیندهای تولیدی موجود به کار می رود و طراحی بنیادی آن به گونه ای است که دیگر جای نگرانی برای مشکلات احتمالی مرتبط با فاضلاب و یا ایمنی وجود ندارد نانوهاریزونس با فرمول ویژه خود تولید کنندگان را برای رسیدن به سطح دلخواه خود در تولید محصولات ضد بو کمک می کند. طرح اسمارت سیلور 100، کارآیی 100 درصدی ایجاد می کند، همچنین هدف اسمارت سیلور 200، برآوردن تقاضای هایی است که بسیار فراتر از خواص ضد بود است؛ خواصی مانند آستر کفش های دومیدانی بدون نیاز به جوراب کوچک و آسترهایی برای کفش های اسکیت یا چکمه های اسکی .

2-4- شیشه عینک شنا

مایکل رابنر و همکارانش در دانشگاه ام. ای. تی، نوعی پوشش نانوذره ای سیلیکاتی تولید کرده اند که باعث می شود تا قطرات کوچک آب زودتر از آنکه به شکل قطره های بزرگ آب در آمده و باعث شکست نور شود به صورت ورقه های نازک یک سانی پخش شوند.

در این نانو پوشش ذرات شیشه ای بسیار ریز با استفاده از تکنیک لایه به لایه روی سطح قرار گرفته اند. این لایه از نوعی غشای نانویی متخلخل تشکیل شده که خاصیت آب دوستی داشته و قطرات آب را جذب می کند. سطوح پوشیده شده به وسیله ی این پوشش نانویی هرگز شفافیت خود را هنگام جذب بخار از دست نمی دهند.

پوشش تولیدی آنها از ورقه های متناوب پلیمری که پلی امین هیرو کلرید نام دارد و نیز نانو ذرات سیلیکایی ساخته شده است. ابتدا زیر لایه درون  یک محول قرار گرفته که حاوی پلیمری است که خود به خود جذب سطح شده و به طور محکمی می چسبند، سپس آن را با آب شسته و در محلولی که حاوی نانوذرات شیشه است قرار می دهند. این چرخه 10 تا 20 بار انجام می شود تا اینکه پوشش دلخواه به دست آید. در آخر زیر لایه شیشه ای پوشش یافته را برای سوزاندن پلیمر و با دوام ساختن پوشش از 400 تا 500 درجه سانتی گراد به وسیله گداختن نانو ذرات سیلیکات حرارت داده می شود.

ادامه دارد...

برگرفته از ماهنامه فناوری نانو

تنظیم برای تبیان: فاطمه مجدآبادی