گام به گام با نانوتکنولوژي
آشنايي با نانوذرات
نانوذرات ساختار کريستالي دارند و از در کنار هم قرار گرفتن آنها نانوکريستال ها ساخته مي شوند. هنگامي که از ميکروذرات به سمت نانوذرات مي رويم، تعداد زيادي از خصوصيات فيزيکي آنها تغيير مي کند. دوتا از دلايل چنين تغييراتي، يکي افزايش نسبت سطح به حجم و ديگري اندازه حرکت کننده در درون حوزه هايي است که اثرات کوانتومي در آن حاکم است. در واقع هرچه از مکانيک کلاسيک به سمت مکانيک کوانتومي حرکت مي کنيم، ذرات کوچکتر شده و رفتارهاي کوانتومي بيشتري نشان مي دهند.
در واقع نسبت اتم هاي سطحي دروني افزايش مي يابد و به تدريج خصوصيات اتم هاي سطحي به رفتار اتم هاي دروني غلبه مي کند. اين تغييرات روي خصوصيات منزوي بودن ذرات و اندرکش آنها با ديگر مواد تاثير مي گذارد. افزايش سطح عاملي تعيين و مهم در کارايي کاتليست ها و ساختارهاي همانند الکترودهاست و باعث افزايش کارايي و بهره وري باطري و پيل هاي سوختي است که از اين الکترودها استفاده مي کنند. همچنين افزايش سطح (رويه سطحي) نانوذرات، تاثير زيادي بر روي اندرکنش بين مواد ترکيبي مانند نانو کامپوزيت ها دارد و موجب تغيير در خصوصيات شيميايي، مکانيکي و الکتريکي اين مواد مي گردد. با توجه به اينکه ابعاد نانو ذرات از طول موج نور مرئي بيشتر است، مي توان از آنها در کاربردهاي بسته بندي از نظر زيبايي، فن آرايش و تزئين و روکش هاي رنگ استفاده کرد. با توجه به اثرات کوانتومي يا افزايش اتم هاي سطحي، برخي از خصوصيات نانوذرات ممکن است به راحتي قابل پيش بيني نباشد. براي مثال اخيرا نشان داده شده است که ساختار نانوذرات سيليکون نانوکره هايي با قطر بين 100-40 نانومتر مي باشد که نه تنها از سيليکون سخت تر است، بلکه سختي بين الماس و ياقوت مي باشد.
سال هاي زيادي از استفاده از نانوذرات مي گذرد، اما احتمالا اولين جايي که از نانوذرات استفاده شده است مربوط به ظروف شيشه اي در سلسله هاي باستاني چين باشد. يک جام رومي به نام «جام ليکرگوس*» متعلق به قرن چهارم ميلادي است و در موزه انگلستان نگهداري مي شود و بر روي آن تصويري به صورت برجسته از شاه افسانه اي ليکرگوس نقش بسته است. ساختار جام عمدتاً از دي اکسيد سيلسيم و مقداري اکسيد سديم و کلسيم تشکيل شده است که روکشي از نانوذرات طلا بر روي آن قرار گرفته است. وجود نانوذرات طلا باعث مي شود تا هنگامي که نور از درون جام مي تابد، جام به رنگ سبز و هنگامي که نور از بيرون مي تابد، جام به رنگ قرمز درآيد. البته در آن زمان علت اين اثر شناخته شده نبود. اخيراً انواع بسيار گوناگوني از نانوذرات، از ماده هاي مختلف ساخته شده است که مهم ترين و متداول ترين نوع نانوذرات توليد شده جديد، سراميک ها هستند که از بخش هاي مهم سراميک هاي اکسيد فلزي مي باشند، همانند اکسيدهاي تيتانيوم، آهن، آلومينيوم و...
همان طوري که مي دانيم نانوذرات مي بايست کوچکتر از 100 نانومتر باشند و براي ذراتي در اين ابعاد نيز کاربردهاي نويني يافت شده است. استفاده از نانو ذرات در نانو پودرهاي سراميک فلزي و اکسيد فلزي باعث افزايش سختي آنها نسبت به حالت قلبي در همان اندازه، در تمامي ابعاد ديگر است. کوچک شدن ابعاد ذرات تا اين اندازه باعث تغيير خصوصيات الکترونيکي، فيزيکي، شيميايي، مغناطيسي، اپتيکي و واکنش پذيري اين مواد مي گردد.
براي يک مثال از تغيير خصوصيات الکترونيکي، ممکن است مواد درگذر از ميکروذرات به نانوذرات رسانا شوند و يا مواد رسانا مي توانند رسانندگي خود را از دست بدهند. مثلاً نانوذرات مس در حضور ميدان مغناطيسي خاصيت هدايت خود را از دست مي دهند. از خصوصيات فيزيکي نيز مي توان به دماي ذوب مواد اشاره کرد که با کاهش اندازه ذرات و گذر از حد100 نانومتر با تغيير در دماي ذوب مواجه مي شويم. اين تغييرات دمايي بسته به نوع ماده، گاهي با کوچک شدن اندازه رابطه مستقيم و گاهي رابطه معکوس دارد. براي مثال دماي ذوب نانوذرات طلا با کاهش اندازه آنها کاهش مي يابد. از ديگر خصوصيات فيزيکي رنگ مي باشد که اين خاصيت نيز همانند دماي ذوب دستخوش تغيير مي شود، براي مثال نانوذرات طلا به رنگ قرمز هستند. از خواص ديگري که دچار تغييرات مي شود خواص شيميايي و واکنش پذيري مواد است، براي مثال نانوذرات طلا با کاهش ابعاد، فعاليت کاتاليزوريشان در اکسيداسيون مونواکسيد کربن به شدت افزايش مي يابد. اين در حالي است که در حالت عادي طلا خاصيت کاتاليزوري براي چنين واکنشي ندارد. خصوصيات مغناطيسي نانوذرات کبالت، آهن با کاهش ابعاد به شدت افزايش مي يابد. به طوري که از نانو ذرات آهن براي توليد نانوفرومغناطيس استفاده مي شود. اين مواد، مايع هايي با خاصيت مغناطيسي هستند که کاربردهاي فراواني در الکترونيک دارند، حتي تغيير در خواص اپتيکي نيز در نانو ذرات اتفاق مي افتد، به طوري که بعضي از ميکروذرات پس از نانو
ذره شدن، خواص جذب و بازتاب نورشان به شدت تغيير مي کند. براي نمونه نانو کادميم از خود نور ساطع مي کند و مي توان از آن به عنوان منبع نور استفاده کرد.
کاربردهايي از نانوذرات
يکي از کاربردهاي نانو ذرات در صنعت پزشکي، داروسازي است. ذرات در اندازه هاي نانومتر مي توانند به مواد دارويي در ابعاد نانومتريک متصل شده و به صورت اختصاصي توسط سلول هاي سرطاني جذب شوند. با اين روش، سلول هاي سالم در معرض مواد دارويي قرار نمي گيرند و عوارض جانبي دارو کمتر مي شود. از کاربردهاي ديگر نانوذرات توليد سنگ فرش ها و بتن هاي خودپاک شونده يا سريع پاک شونده است که اين کار را با استفاده از محلولي از نانوذرات نقره، که بر روي سنگ فرش ها کشيده شده و با استفاده از اشعه فوق بنفش (uv) تثبيت مي شود، انجام مي دهند. همچنين شيشه هاي ضدلک و ضد آب نيز که با استفاده از اين پوشش دهي، نيازي به نظافت ندارند، مي توانند از نظر اقتصادي به صرفه باشند و در هزينه هاي نگهداري و نظافت صرفه جويي قابل ملاحظه اي داشته باشند. يکي از موادي که امروزه به وفور در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد، نانو ذرات نقره مي باشند. اين نانوذرات که داراي قابليت از بين بردن ميکروب ها و باکتري ها مي باشند، در پزشکي براي استرليزه کردن وسايل و از بين بردن عفونت هاي بيمارستاني مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين در صنايع کنسروسازي براي جلوگيري از رشد باکتري ها کاربرد دارند. وسعت و دامنه استفاده از اين محصول تا حدي پيش رفته که در ماشين هاي لباسشويي و يخچال هاي برخي از شرکت هاي سازنده لوازم خانگي نيز مورد استفاده قرار گرفته اند.
روش هاي توليد نانو مواد
همانطور که در مقاله قبلي به طور مفصل توضيح داده شده، به طور کلي دو روش براي ساخت مواد نانويي وجود دارد. يکي روش پايين به بالا و ديگري روش بالا به پايين.
در روش ساخت پايين به بالا، از چينش اتم به اتم و مولکول به مولکول از يک ماده کنار هم بطور دلخواه، جهت ايجاد و ساخت مواد جديد نانومتري استفاده مي شود. در اين روش که خود شامل شيوه هاي مختلف توليد است، مواد جديد با چينش اتمي خاص و منحصر به فرد مي توانند ساخته شوند. اما در روش بالا به پايين براي رسيدن به نانو مواد، بايد ذرات و ترکيبات بزرگتر ماده را با استفاده از روش هاي متداول مانند خرد کردن در چند مرحله به مواد در مقياس نانومتري تبديل کنيم. ساخت محصولات با نانوذرات نيز از اين قاعده مستثني نيست.
روش هاي بسيار متنوعي براي توليد نانوذرات وجود دارد. يکي از اين روش ها، توليد نانوذرات با عمل آسياب کردن است. در اين روش مواد را به کمک گوي هاي بسيار سنگين فولادي آسياب مي کنند و اين کار با توجه به نوع ماده و اندازه نانوذرات خواسته شده، در بازه هاي زماني متفاوتي انجام مي شود. طبيعي است که هرچه بخواهيم اندازه نانوذره نهايي کوچکتر باشد، عمل آسياب کردن را در مدت زمان بيشتري ادامه خواهيم داد. آسياب کردن از روش هاي ساخت بالا به پايين مي باشد، چرا که ذرات بزرگتر به ذرات کوچکتر (نانوذرات) تبديل مي شوند. اين روش به دليل هزينه بالا مقرون به صرفه نمي باشد، بنابراين بايد به دنبال روش هايي بود که بتوان با هزينه هاي بسيار کمتر، نانوذراتي با اندازه کوچکتر به دست آورد. يکي از اين روش ها، توليد نانوذرات با روش هاي شيميايي است که هزينه آن به مراتب از روش آسياب کردن کمتر است. روش هاي شيمايي جزء روش پايين به بالا مي باشند، چراکه در فرايند شيميايي از کنار هم قرارگيري اتم ها و مولکول ها، نانوذرات تشکيل مي شوند و با کنترل اين فرايند مي توان به راحتي به نانو ذراتي با اندازه هاي کوچک دست يافت، هرچند تکنيک هاي مختلفي وجود دارد اما مهمترين، به صرفه ترين و معمول ترين تکنيک در روش هاي شيميايي، روش سل- ژل مي باشد که امروزه از اين روش در آزمايشگاه ها براي توليد نانوذرات به مقدار زياد استفاده مي شود. يکي ديگر از روش هاي توليد نانوذرات، استفاده از باکتري هاست. دانشمندان به وجود باکتري هايي پي بردند که مي توانند با شکستن پيوند ميکروذرات، آنها را به نانو ذرات تبديل کنند، شايد اين روش در توليد نانوذرات معمول نباشد اما به طور کلي در نوع خود روش جالبي است.
منبع: نشريه اطلاعات علمي شماره8
آشنايي با نانوذرات
نانوذرات ساختار کريستالي دارند و از در کنار هم قرار گرفتن آنها نانوکريستال ها ساخته مي شوند. هنگامي که از ميکروذرات به سمت نانوذرات مي رويم، تعداد زيادي از خصوصيات فيزيکي آنها تغيير مي کند. دوتا از دلايل چنين تغييراتي، يکي افزايش نسبت سطح به حجم و ديگري اندازه حرکت کننده در درون حوزه هايي است که اثرات کوانتومي در آن حاکم است. در واقع هرچه از مکانيک کلاسيک به سمت مکانيک کوانتومي حرکت مي کنيم، ذرات کوچکتر شده و رفتارهاي کوانتومي بيشتري نشان مي دهند.
در واقع نسبت اتم هاي سطحي دروني افزايش مي يابد و به تدريج خصوصيات اتم هاي سطحي به رفتار اتم هاي دروني غلبه مي کند. اين تغييرات روي خصوصيات منزوي بودن ذرات و اندرکش آنها با ديگر مواد تاثير مي گذارد. افزايش سطح عاملي تعيين و مهم در کارايي کاتليست ها و ساختارهاي همانند الکترودهاست و باعث افزايش کارايي و بهره وري باطري و پيل هاي سوختي است که از اين الکترودها استفاده مي کنند. همچنين افزايش سطح (رويه سطحي) نانوذرات، تاثير زيادي بر روي اندرکنش بين مواد ترکيبي مانند نانو کامپوزيت ها دارد و موجب تغيير در خصوصيات شيميايي، مکانيکي و الکتريکي اين مواد مي گردد. با توجه به اينکه ابعاد نانو ذرات از طول موج نور مرئي بيشتر است، مي توان از آنها در کاربردهاي بسته بندي از نظر زيبايي، فن آرايش و تزئين و روکش هاي رنگ استفاده کرد. با توجه به اثرات کوانتومي يا افزايش اتم هاي سطحي، برخي از خصوصيات نانوذرات ممکن است به راحتي قابل پيش بيني نباشد. براي مثال اخيرا نشان داده شده است که ساختار نانوذرات سيليکون نانوکره هايي با قطر بين 100-40 نانومتر مي باشد که نه تنها از سيليکون سخت تر است، بلکه سختي بين الماس و ياقوت مي باشد.
سال هاي زيادي از استفاده از نانوذرات مي گذرد، اما احتمالا اولين جايي که از نانوذرات استفاده شده است مربوط به ظروف شيشه اي در سلسله هاي باستاني چين باشد. يک جام رومي به نام «جام ليکرگوس*» متعلق به قرن چهارم ميلادي است و در موزه انگلستان نگهداري مي شود و بر روي آن تصويري به صورت برجسته از شاه افسانه اي ليکرگوس نقش بسته است. ساختار جام عمدتاً از دي اکسيد سيلسيم و مقداري اکسيد سديم و کلسيم تشکيل شده است که روکشي از نانوذرات طلا بر روي آن قرار گرفته است. وجود نانوذرات طلا باعث مي شود تا هنگامي که نور از درون جام مي تابد، جام به رنگ سبز و هنگامي که نور از بيرون مي تابد، جام به رنگ قرمز درآيد. البته در آن زمان علت اين اثر شناخته شده نبود. اخيراً انواع بسيار گوناگوني از نانوذرات، از ماده هاي مختلف ساخته شده است که مهم ترين و متداول ترين نوع نانوذرات توليد شده جديد، سراميک ها هستند که از بخش هاي مهم سراميک هاي اکسيد فلزي مي باشند، همانند اکسيدهاي تيتانيوم، آهن، آلومينيوم و...
همان طوري که مي دانيم نانوذرات مي بايست کوچکتر از 100 نانومتر باشند و براي ذراتي در اين ابعاد نيز کاربردهاي نويني يافت شده است. استفاده از نانو ذرات در نانو پودرهاي سراميک فلزي و اکسيد فلزي باعث افزايش سختي آنها نسبت به حالت قلبي در همان اندازه، در تمامي ابعاد ديگر است. کوچک شدن ابعاد ذرات تا اين اندازه باعث تغيير خصوصيات الکترونيکي، فيزيکي، شيميايي، مغناطيسي، اپتيکي و واکنش پذيري اين مواد مي گردد.
براي يک مثال از تغيير خصوصيات الکترونيکي، ممکن است مواد درگذر از ميکروذرات به نانوذرات رسانا شوند و يا مواد رسانا مي توانند رسانندگي خود را از دست بدهند. مثلاً نانوذرات مس در حضور ميدان مغناطيسي خاصيت هدايت خود را از دست مي دهند. از خصوصيات فيزيکي نيز مي توان به دماي ذوب مواد اشاره کرد که با کاهش اندازه ذرات و گذر از حد100 نانومتر با تغيير در دماي ذوب مواجه مي شويم. اين تغييرات دمايي بسته به نوع ماده، گاهي با کوچک شدن اندازه رابطه مستقيم و گاهي رابطه معکوس دارد. براي مثال دماي ذوب نانوذرات طلا با کاهش اندازه آنها کاهش مي يابد. از ديگر خصوصيات فيزيکي رنگ مي باشد که اين خاصيت نيز همانند دماي ذوب دستخوش تغيير مي شود، براي مثال نانوذرات طلا به رنگ قرمز هستند. از خواص ديگري که دچار تغييرات مي شود خواص شيميايي و واکنش پذيري مواد است، براي مثال نانوذرات طلا با کاهش ابعاد، فعاليت کاتاليزوريشان در اکسيداسيون مونواکسيد کربن به شدت افزايش مي يابد. اين در حالي است که در حالت عادي طلا خاصيت کاتاليزوري براي چنين واکنشي ندارد. خصوصيات مغناطيسي نانوذرات کبالت، آهن با کاهش ابعاد به شدت افزايش مي يابد. به طوري که از نانو ذرات آهن براي توليد نانوفرومغناطيس استفاده مي شود. اين مواد، مايع هايي با خاصيت مغناطيسي هستند که کاربردهاي فراواني در الکترونيک دارند، حتي تغيير در خواص اپتيکي نيز در نانو ذرات اتفاق مي افتد، به طوري که بعضي از ميکروذرات پس از نانو
ذره شدن، خواص جذب و بازتاب نورشان به شدت تغيير مي کند. براي نمونه نانو کادميم از خود نور ساطع مي کند و مي توان از آن به عنوان منبع نور استفاده کرد.
کاربردهايي از نانوذرات
يکي از کاربردهاي نانو ذرات در صنعت پزشکي، داروسازي است. ذرات در اندازه هاي نانومتر مي توانند به مواد دارويي در ابعاد نانومتريک متصل شده و به صورت اختصاصي توسط سلول هاي سرطاني جذب شوند. با اين روش، سلول هاي سالم در معرض مواد دارويي قرار نمي گيرند و عوارض جانبي دارو کمتر مي شود. از کاربردهاي ديگر نانوذرات توليد سنگ فرش ها و بتن هاي خودپاک شونده يا سريع پاک شونده است که اين کار را با استفاده از محلولي از نانوذرات نقره، که بر روي سنگ فرش ها کشيده شده و با استفاده از اشعه فوق بنفش (uv) تثبيت مي شود، انجام مي دهند. همچنين شيشه هاي ضدلک و ضد آب نيز که با استفاده از اين پوشش دهي، نيازي به نظافت ندارند، مي توانند از نظر اقتصادي به صرفه باشند و در هزينه هاي نگهداري و نظافت صرفه جويي قابل ملاحظه اي داشته باشند. يکي از موادي که امروزه به وفور در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد، نانو ذرات نقره مي باشند. اين نانوذرات که داراي قابليت از بين بردن ميکروب ها و باکتري ها مي باشند، در پزشکي براي استرليزه کردن وسايل و از بين بردن عفونت هاي بيمارستاني مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين در صنايع کنسروسازي براي جلوگيري از رشد باکتري ها کاربرد دارند. وسعت و دامنه استفاده از اين محصول تا حدي پيش رفته که در ماشين هاي لباسشويي و يخچال هاي برخي از شرکت هاي سازنده لوازم خانگي نيز مورد استفاده قرار گرفته اند.
روش هاي توليد نانو مواد
همانطور که در مقاله قبلي به طور مفصل توضيح داده شده، به طور کلي دو روش براي ساخت مواد نانويي وجود دارد. يکي روش پايين به بالا و ديگري روش بالا به پايين.
در روش ساخت پايين به بالا، از چينش اتم به اتم و مولکول به مولکول از يک ماده کنار هم بطور دلخواه، جهت ايجاد و ساخت مواد جديد نانومتري استفاده مي شود. در اين روش که خود شامل شيوه هاي مختلف توليد است، مواد جديد با چينش اتمي خاص و منحصر به فرد مي توانند ساخته شوند. اما در روش بالا به پايين براي رسيدن به نانو مواد، بايد ذرات و ترکيبات بزرگتر ماده را با استفاده از روش هاي متداول مانند خرد کردن در چند مرحله به مواد در مقياس نانومتري تبديل کنيم. ساخت محصولات با نانوذرات نيز از اين قاعده مستثني نيست.
روش هاي بسيار متنوعي براي توليد نانوذرات وجود دارد. يکي از اين روش ها، توليد نانوذرات با عمل آسياب کردن است. در اين روش مواد را به کمک گوي هاي بسيار سنگين فولادي آسياب مي کنند و اين کار با توجه به نوع ماده و اندازه نانوذرات خواسته شده، در بازه هاي زماني متفاوتي انجام مي شود. طبيعي است که هرچه بخواهيم اندازه نانوذره نهايي کوچکتر باشد، عمل آسياب کردن را در مدت زمان بيشتري ادامه خواهيم داد. آسياب کردن از روش هاي ساخت بالا به پايين مي باشد، چرا که ذرات بزرگتر به ذرات کوچکتر (نانوذرات) تبديل مي شوند. اين روش به دليل هزينه بالا مقرون به صرفه نمي باشد، بنابراين بايد به دنبال روش هايي بود که بتوان با هزينه هاي بسيار کمتر، نانوذراتي با اندازه کوچکتر به دست آورد. يکي از اين روش ها، توليد نانوذرات با روش هاي شيميايي است که هزينه آن به مراتب از روش آسياب کردن کمتر است. روش هاي شيمايي جزء روش پايين به بالا مي باشند، چراکه در فرايند شيميايي از کنار هم قرارگيري اتم ها و مولکول ها، نانوذرات تشکيل مي شوند و با کنترل اين فرايند مي توان به راحتي به نانو ذراتي با اندازه هاي کوچک دست يافت، هرچند تکنيک هاي مختلفي وجود دارد اما مهمترين، به صرفه ترين و معمول ترين تکنيک در روش هاي شيميايي، روش سل- ژل مي باشد که امروزه از اين روش در آزمايشگاه ها براي توليد نانوذرات به مقدار زياد استفاده مي شود. يکي ديگر از روش هاي توليد نانوذرات، استفاده از باکتري هاست. دانشمندان به وجود باکتري هايي پي بردند که مي توانند با شکستن پيوند ميکروذرات، آنها را به نانو ذرات تبديل کنند، شايد اين روش در توليد نانوذرات معمول نباشد اما به طور کلي در نوع خود روش جالبي است.
منبع: نشريه اطلاعات علمي شماره8