کاربردهای طلا از نانوفناوری تا صنایع هوافضا

طلا شکننده‌ترین عنصر طبیعت به‌شمار می‌رود و همچنین بسیار سست بوده و به‌منظور استحکام بیشتر به‌صورت آلیاژ در می‌آید. این عنصر هدایت‌کننده خوب دما و الکتریسیته است. از این‌رو در صنایع مختلف کاربردهای قابل توجهی دارد.نانوتکنولوژی یکی از شاخه‌های علم است که خاصیت‌های مواد را در مقیاس نانومتر مطالعه کرده و با شناخت و دستکاری ساختار زیست شیمیایی و زیستشناسی مواد، قوانین ساخت مواد جدید را ارائه می‌دهد. ویژگی‌های منحصر به‌فرد طلا سبب گسترش پژوهش‌ها روی نانوذرات طلا در زمینه‌های مختلف پزشکی، محیط زیست، الکترونیک و... شده است. به‌طوری‌که پژوهش‌ها روی نانوذرات طلا برای درمان سرطان سینه و پیشگیری از آن به نتایج رضایت‌بخشی رسیده است.

همچنین استفاده از طلا برای ساخت بیشتر محصولات جدید نانو مثل پلاستیک رسانا، رنگ‌های ویژه، کاتالیست‌های پیشرفته، تصفیه آب و هوا و... بسیار متداول است. ویژگی‌های منحصر به فرد طلا سبب شده که این فلز در کاربردهای مختلف نانوتکنولوژی نسبت به سایر فلزات مثل مس، نقره، آلومینیوم و آهن بیشتر مورد توجه قرار گیرد. در واقع طلا دارای مجموعه ویژگی‌هایی است که در ابعاد نانو به بهترین شکل ممکن قابل کاربرد است. زیرا طلا یکی از چند عنصر فلزی است که زیرفشار اکسیژن محیط قابل تبدیل به فلز پایدار در مقیاس نانو است. سایر فلزات به غیر از پلاتین در صورتی که محافظت نشوند، با اکسیژن ترکیب خواهند شد. اکسیده شدن سطح فلز ممکن است سبب افزایش ضخامت فلز به میزان چند میکرومتر شود که این موضوع شکل یا ویژگی‌های نانوساختار را از بین خواهد برد. البته این ویژگی در مورد برخی از فلزات بسیار مفید است.برای مثال در صورتی که اسفنج فلز مس در مقیاس نانو اکسیده نشود، مشابه یک ماده آتش‌زا عمل خواهد کرد. اگرچه در شرایط جو فلز طلا اکسیده نمی‌شود، ولی نسبت به مولکول‌های آلی حاوی گوگرد واکنش نشان می‌هد. طلا در کاربردهای نانوفناوری به شکل‌های مختلفی ازجمله کلوئید، اختلاط، ترکیب نانوذرات و نانوپودر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در چند سال اخیر استفاده از طلا در نانوفناوری با سرعت بسیار بالا برای ساخت داروها و تجهیزات پزشکی از جمله تزریق بدون سوزن، درمان سرطان و تولید عامل‌های ضدمیکروب مورد توجه بوده است. استفاده از نانوذرات طلا در درمان سرطان به گونه‌ای است که برخلاف داروهای شیمیایی و شیمی درمانی که به سلول‌های سالم هم آسیب وارد می‌کند، فقط سلول‌های سرطانی را از بین می‌برد و به طور تقریبی به سلول‌های سالم صدمه وارد نمی‌کند. در این‌باره یک شرکت داروسازی امریکایی موفق شده است داروهای ضدسرطان را با استفاده از نانوذرات طلا به‌طور مستقیم وارد تومورهای سرطانی کند.در این فرآیند تومورهای سرطانی با قطر حدود ۵ میلیمتر به‌راحتی شناسایی و نابود می‌شوند، در حالی‌که در روش‌های کنونی از جمله سی‌تی اسکن، (ام‌آرآی) و اولتراسونیک تومورهای کوچکتر از ۵ سانتیمتر قابل تشخیص نیستند. در مطالعه دیگری که ازسوی شرکت Nanospectra انجام شده است، ریزذرات سیلیسی به‌وسیله طلا پوشش داده می می‌شود تا در برابر فرکانس‌های ویژه اشعه لیزر گرم شود. با تزریق این ریزذرات به بدن و پایش آنها ازسوی اشعه لیزر می‌توان تومورهای سرطانی را به‌شکل مستقیم و با استفاده از گرما از بین برد. طلای کلوئیدی یا نانوذرات معلق طلا در آب به رنگ قرمز دیده می‌شود. کاهش کلرید طلا ازسوی یون‌های سیترات یا آسکوربات باعث ایجاد ذرات طلا با ابعاد چند ۱۰ نانومتر خواهد شد.یکی از روش‌های متداول برای تشخیص پروتئین‌های آلوده برچسب‌زنی روش طلا است که در آن مولکول‌های پروتئین به سطح نانوذرات طلا می‌چسبند. به این ترتیب از نانوذرات طلا که ازسوی آنتی‌بادی‌های ویژه‌ای پوشش داده شده‌اند، برای شناسایی و تعیین موقعیت آنتی‌ژن سلول‌ها در سطح استفاده می‌شود.

کاربرد طلا در صنایع هوافضا

به‌طور کلی استفاده از طلا در فناوری‌های مدرن از قبیل رادارهای ارتباط از راه دور، رایانه‌های فوق سریع، الکترونیک ماهواره، سیستم‌های دفاعی، موتور جت، فضاپیما و... ناگزیر و حتمی است. با افزایش اهمیت کارآیی تجهیزات و دستگاهها هوافضا و لزوم افزایش قابلیت اطمینان آنها، استفاده از طلا در این صنعت روز به روز در حال افزایش است. به عبارت دیگر با پیشرفت فناوری دستگاه‌های ارتباطی به‌ویژه ماهواره سامانه‌های دفاعی استفاده از طلا اجتناب‌ناپذیر است. طلا به‌دلیل هدایت الکتریکی بالا و مقاومت در برابر اکسیده شدن، اهمیت ویژه‌ای در ساخت تجهیزات الکترونیکی هوافضا دارد. از سوی دیگر، آلیاژهای طلا برای لحیم‌کاری قطعات مربوط به تجهیزات صنعت هوافضا به‌ویژه در مونتاژ بعضی از موتورهای توربینی نظامی و نیز موتورهای فوق سریعراکت، از اهمیت بالایی برخوردار هستند. قابلیت بازتاب نور طلا، آن را به فلزی ایده‌آل در کاربردهای مختلف نظامی تبدیل کرده است.

به منظور افزایش قدرت بازتاب اشعه‌های مخرب در فضا، بدنه شاتل‌های فضایی، فضاپیماها و ماهواره‌ها، با لایه نازکی از طلا پوشش داده میشوند. همچنین به‌منظور جلوگیری از آسیب دیدن چشم فضانوردان در برابر نور مستقیم خورشید شیشه‌های عینک آنها با لایه بسیار نازکی از طلا پوشش داده می‌شود. همچنین در برخی مواقع کلاه فضانوردان با لایه نازکی از طلا پوشانده می‌شود و از این طریق با بازتاب تشعشع‌های شدید خورشید، از چشم و پوست آنها محافظت میشود.طلا یک بازتابکننده دفع موثر برای تشعشع‌های مادون قرمز در ادوات نظامی فضاپیماها است. همچنین از طلا به‌عنوان محافظی برای سامانه خنثی‌کننده فشار آئرودینامیک و نیروی پیش‌ران در مقابل مشکلات ناشی از شکنندگی هیدروژن استفاده می‌شود. از آنجا که هزینه ساخت تجهیزات فضایی از چندین میلیارد دلار هم بیشتر است و از سوی دیگر امکان روغن کاری، تعمیر و نگهداری لوازم آنها وجود ندارد، این تجهیزات به‌شدت به خاصیت‌های فیزیکی و شیمیایی مواد اولیه وابسته هستند. به همین خاطر است که ناسا (اداره کل فضایی و هوانوردی ملی امریکا) سالانه مقدار زیادی طلا (بیش از ۴۰ کیلوگرم) در هر یک از فضاپیماهای خود مصرف می‌کند. اهمیت فلزطلا در صنایع هوافضا به اندازه‌ای است که بدون آن امکان سفر به کره ماه میسر نمیشد. تلسکوپ فضایی جیمز وب که قرار است در سال ۲۰۱۸م به فضا فرستاده شود، دارای ۱۸ آینه ۶ گوشه هستند که همه آنها با استفاده از لایه نازکی از طلا برای انعکاس اشعه مادون قرمز پوشانده شده‌اند. طلا به‌عنوان یک روانساز در بین قطعات مکانیکی فضاپیما به‌کار برده شود؛ زیرا در خارج از جو زمین، روان‌سازهای آلی تبخیر شده و در اثر تشعشع‌های شدید خارج از جو زمین قابلیت خود را از دست می‌دهند. به این ترتیب چون مقاومت برشی طلا بسیار کم است، از لایه‌های طلا به‌عنوان روان‌ساز در بین اجزای متحرک فضاپیما استفاده می‌شود. بنابراین با لغزش مولکول‌های طلا روی همدیگر که ناشی از نیروهای سایشی است، عملکرد روان‌کنندگی بین قطعات مکانیکی فراهم می‌شود.

به طور تقریبی در همه قطعات الکترونیکی فضاپیماها و ماهواره‌ها از طلا استفاده می‌شود، زیرا این فلز از نظر رسانایی و دقت در اتصال جریان‌ها، قابل اعتماد است. علاوه بر این بیشتر قطعات فضاپیما و ماهواره‌ها با لایه نازکی از طلا پوشانده می‌شوند. هدف از این کار انعکاس تشعشع‌های مادن قرمز و حفظ دمای ثابت فضاپیما یا ماهواره است. در صورتی که قطعات فضاپیما یا ماهواره با طلا آبکاری نشوند، گرمای بسیار زیادی ازسوی قطعات تیره رنگ آن جذب خواهد شد و با افزایش دمای داخلی فضاپیما یا ماهواره در عملکرد آنها اختلال ایجاد می‌شوند.

کاربرد طلا در هواپیما و موشک

در ساخت هواپیما و موشک نیز از طلا برای بازتاب اشعه‌های مادون قرمز و فرابنفش استفاده می‌شود. به این ترتیب که پنجره‌های اتاق خلبان با لایه نازکی از طلا پوشانده شده و از این طریق علاوه بر حفظ سلامتی خلبانان، از تمرکز اشعه‌های مخرب جلوگیری می‌شود. در برخی موارد از لایه‌های بسیار نازک طلا در شیشه‌های هواپیما استفاده می‌شود و با عبور جریان الکتریسیته از آنها و تولید گرما از یخ‌زدگی شیشه جلوگیری می‌شود. همچنین این فلز به‌شکل آلیاژ همراه با پالادیم ترموکوپل‌ها، بدنه و دیگر تجهیزات هواپیما کاربرد دارد. به‌طوری‌که در ساخت هر فروند هواپیما بین ۲۵ تا۳۰ کیلوگرم طلا به‌کار می‌رود.

کاربرد طلا در صفحات طلایی شکننده

صفحه گسیختگی یا شکست ساخته‌شده از طلا یک وسیله رهایی فشار است که از یک مخزن یا سیستم در برابر افزایش ناگهانی فشار محافظت میکند. این صفحات به‌طور گسترده در صنعت هوافضا، هوانوردی، صنایع دفاعی، صنایع هستهای و میدان‌های نفتی به‌عنوان ابزار پشتیبان شیرهای اطمینان سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این شکل با افزایش فشار و نداشتن عملکرد به‌موقع شیر اطمینان، صفحه شکست به‌شکل کنترل شده گسیخته خواهد شد. این صفحات به شکل معمول از ورق‌های نازک فلزی تهیه می‌شوند. در این‌باره طلا به‌علت انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی بسیار مورد توجه است. برای مثال در مورد تانکرهای حاوی محلول آمونیاک مایع استفاده از صفحات طلا نسبت به سایر فلزات از انعطاف‌پذیری بهتری برخوردار بوده و با قابلیت اطمینان بیشتری همراه است.

کاربرد طلا در پیل سوختی

استفاده از طلا در ساخت پیل‌های سوختی به منظور افزایش مقاومت در برابر خوردگی و کاهش مقاومت تماسی بین روکش و محیط انتشار درون پیل با عملکرد خوبی روبه‌رو شده است. پیل‌های سوختی مبتنی بر سوخت هیدروژنی به‌عنوان یکی از منابع انرژی پاک، منبع مناسبی برای تامین سوخت اتومبیل‌ها، منازل و وسایل متحرک در آینده خواهد بود. در حال حاضر پلاتین به‌عنوان کاتالیست در این پیل‌های سوختی مورد استفاده قرار میگیرد. به منظور کاهش هزینه‌های ناشی از افزایش قیمت پلاتین، استفاده از نانوذرات متشکل از پلاتین و طلا در مراحل پژوهشی با موفقیت‌های زیادی در ژاپن روبه‌رو بوده است. در این‌باره پژوهش‌ها به‌منظور تولید کاتالیست‌های ویژه با استفاده از نانوذرات طلا برای افزایش بازدهی پیل‌های سوختی ادامه دارد.

کاربرد طلا در صنعت خودروسازی

طلا در بخش‌های مختلف یک خودرو از جمله قطعات الکتریکی، سامانه کنترل سوخت، سامانه ترمز ضدقفل، انژکتور الکترونیکی، حسگرهای کیسه هوا، موتور برخی خودروها، و... مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به اینکه طلا در این صنعت به مقدار بسیار ناچیز و برای برخی قطعات ویژه مورد استفاده قرار می‌گیرد، به برخی از آنها به‌شکل اجمالی اشاره می‌شود. طلا به‌دلیل داشتن قابلیت بالای رسانایی و همچنین هدایت گرمایی بسیار بالا، در ترمز خودرو مورد استفاده قرار میگیرد. در حسگرهای خودرو سیستم ترمز ضدقفل برای افزایش عملکرد ترمز از این فلز استفاده میشود.طلا در صنعت خودروسازی به‌صورت مبدل کاتالیستی که مواد آلوده‌کننده و گازهای مضر را از اگزوز موتور به مواد ایمن تبدیل می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانوذرات آلیاژهای طلا و دیگر فلزات گرانبها در کاهش انتشار مواد مضر اگزوز ماشین‌ها بسیار موثر هستند. در شرایطی که دمای محیط بالا باشد و چند نوع ماده آلوده در آن فضا وجود داشته باشد، تنها فلزات گرانبها عملکرد مطلوبی برای تصفیه محیط خواهند داشت.

مبدل‌های کاتالیستی از مواد نسوز و مقاوم به گرما و با ساختار لانه زنبوری ساخته شده و در درون یک لوله فلزی قرار داده می‌شود. به طور معمول علاوه بر طلا از فلزات دیگر مانند پلاتین، پالادیم و رودیم برای ساخت مبدل‌های کاتالیستی استفاده می‌شود. در سال۱۹۸۰ برای نخستین‌بار از پلاتین و آلیاژ پلادیوم (۶۰درصد طلا و ۴۰درصد پلادیوم) برای ساخت موتور ماشین استفاده شد. تا قبل از این زمان به علت تکرار جرقه در شمع ماشین، الکترود آن دچار خوردگی میشد.استفاده از یک سیم نازک به شکل آلیاژ طلا- پلادیوم با قطر یک میلیمتر عنوان الکترود مرکزی علاوه بر جلوگیری از خوردگی الکترود شمع، مزایای دیگری از قبیل: افزایش عمر الکترود، بهبود قابلیت جرقه زدن، افزایش راندمان فر آیند سوختن و کاهش رسوب به همراه داشته است. امروزه برای ساخت الکترود شمع‌ها طلا از آلیاژهای - طلا پلاتین و – رودیم نیز استفاده می‌شود.