مقدمه
بارها این جمله را شنیده یا خوانده‌ایم که «وقتی ما راجع به ابعاد نانو صحبت می‌کنیم، در واقع؛ از تعداد انگشت‌شماری از اتم‌ها یا مولکول‌ها سخن میگوییم.» همین دسترسی به تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها است که موجب بهبود خواص مواد و یا شکل‌گیری خواص جدید در مواد می‌شود. یک پرسش اساسی در این باره این است که: آیا در واقعیت دسترسی به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها امکان‌پذیر است؟ آیا برای این منظور ما حتماً به وسایل و ابزار خاصی نیاز داریم؟ و آیا می‌توان با انجام آزمایش‌های ساده هم، به چنین مقیاسی دست یافت؟
ما در این مقاله به دنبال آن هستیم تا با انجام دو آزمایش ساده، پوششی به ضخامت چند نانومتر از روغن، ابتدا بر روی یک سطح مایع و سپس بر روی یک سطح جامد تولید کنیم. 2- آزمایش اول: نانوپوشش بر روی سطح مایع
مواد و وسایل مورد نیاز
1. یک عدد سینی فلزی ترجیحاً بزرگ
(هر چه بزرگ‌تر باشد، آزمایش بهتر انجام می‌شود)
2. مقداری آب
3. مقدار کمی روغن مایع
4. مقدار کمی زردچوبه
5. یک قاشق غذاخوری
6. قطره‌چکان
7. خط‌کش
8. ماشین‌حساب
9. ترازوی آشپزخانه شرح آزمایش
سینی را بر روی یک سطح صاف قرار دهید و مقداری آب، تقریباً به عمق 2 سانتی‌متر، درون آن بریزید. اندکی صبر کنید تا سطح آب کاملاً ساکن شود. با استفاده از قطره‌چکان یک قطره روغن مایع را از ارتفاع نزدیک به سطح آب، بر روی سطح آب بچکانید. برای آن که قطره روغن بتواند تا حداکثر جای ممکن بر روی سطح آب پخش شود، بهتر است آن را در نقطه‌ای در وسط سطح آب رها کنید. قطره‌ی روغن به سرعت بر روی آب پخش می‌شود، اما چون رنگ آن تمایز چندانی با آب ندارد، مرز لایه‌ی روغن روی سطح آب مشخص نیست. برای آن که ببینیم روغن تا چه اندازه‌ای روی سطح آب گسترده شده است، از زردچوبه استفاده می‌کنیم. مقدار کمی زردچوبه را به آرامی و با استفاده از یک قاشق غذاخوری در محلی که قطره‌ی روغن را رها کرده‌اید، بریزید. با گسترش این کار به اطراف، مرز لایه‌ی روغن بر روی سطح آب کاملاً مشخص خواهد شد.
اکنون برای آن که ضخامت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید، ابتدا باید مساحت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید. برای این کار میتوانید از خط‌کش و روابط محاسبه‌ی مساحت در ریاضی استفاده کنید. سپس با دانستن چگالی روغن و جرم قطره‌ی روغن، حجم آن را نیز تعیین کنید. از حاصل تقسیم حجم روغن بر مساحت لایه‌ی روغن، ضخامت قطره‌ی روغن محاسبه می‌شود.
برای محاسبه‌ی جرم قطره‌ی روغن میتوانید جرم تعداد مشخصی قطره‌ی روغن را با استفاده از ترازوی آشپزخانه اندازه‌گیری کنید و سپس با تقسیم کل جرم بر تعداد قطره‌ها، جرم تقریبی یک قطره را برآورد کنید. جرم یک قطره روغن را بر چگالی روغن تقسیم کنید تا حجم آن به دست آید. چگالی روغن مایع را تقریبا 0/9 گرم بر سانتی‌مترمکعب در نظر بگیرید. پرسش‌های آزمایش
1. ضخامت لایه‌ی روغن بر روی سطح آب تقریباً چند نانومتر است؟
2. اگر سطح سینی بسیار بزرگ باشد و روغن بدون هیچ محدودیتی بتواند روی سطح آب گسترش یابد، ضخامت لایه‌ی روغن تقریباً به اندازه‌ی قطر یک مولکول روغن می‌شود. قطر مولکول روغن را چند نانومتر برآورد می‌کنید؟
3. چند مایع دیگر نام ببرید که بتوان قطر مولکول آن‌ها را به این روش محاسبه کرد؟
3- آزمایش دوم: نانوپوشش بر روی سطح جامد
با توجه به این آزمایش ملاحظه کردیم که با انجام آزمایش‌های ساده هم می‌توان به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها دسترسی پیدا کرد. ما در این آزمایش با انجام چند کار ساده توانستیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را بر روی سطح آب تشکیل دهیم.
اکنون می‌خواهیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را روی یک سطح جامد مثلاً یک فلز تشکیل دهیم. چه روشی پیشنهاد می‌کنید؟ ابتدا اندکی فکر کنید و سپس آزمایش زیر را انجام دهید. مواد و وسایل مورد نیاز
مواد و وسایل آزمایش قبلی به علاوه‌ی یک هیتر (گرم‌کن الکتریکی) شرح آزمایش
سینی آزمایش قبلی را که حاوی یک لایه‌ی روغن بر روی سطح آب است به آرامی بر روی یک گرم‌کن الکتریکی قرار دهید. صبر کنید تا آب درون سینی کاملاً تبخیر شود. (هر چه آب درون سینی کم‌تر باشد، آب سریع‌تر تبخیر می‌شود.) پس از تبخیر آب، یک لایه‌ی چند نانومتری روغن بر روی سطح سینی تشکیل می‌شود.
پوشش دادن یک سطح توسط ماده‌ی دیگر، از کارهایی است که در فناوری نانو بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار موجب تغییر بعضی خواص سطوح می‌شود. به عنوان مثال، در صنعت نساجی پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات نقره (nanosilver) موجب می‌شود تا پارچه‌ها و لباس‌ها خواص ضد عفونی کننده (آنتی باکتریال) پیدا کنند. و یا پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2)که موجب می‌شود پارچه‌ها و لباس‌ها خواص آب‌گریزی پیدا کنند و آب و بسیاری مایعات دیگر موجب تر شدن و بنابراین، لک شدن آن‌ها نشوند. یا مثلاً در صنعت خودروسازی، پوشش دادن بدنه‌ی خودروها با برخی نانوذرات موجب افزایش سختی آن‌ها می‌شود. بنابراین، بدنه‌ی این خودروها در برابر خَش و خوردگی مقاوم می‌شوند. و یا در صنعت لوازم بهداشتی، پوشش دادن سرامیک‌ها و رنگ‌های بیمارستانی با استفاده از نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضدعفونی‌کننده (آنتی‌باکتریال) در دیوارها و کف بیمارستان‌ها و آزمایش‌گاه‌ها می‌شود و هم‌چنین بسیاری موارد دیگر.
پوشش دادن سطح یک ماده توسط ماده‌ی دیگر را اصطلاحا پوشش دادن یا کُت کردن (coat) میگوییم. پرسش‌های آزمایش
1. علاوه بر آن چه بیان شد، چند مثال واقعی دیگر از کاربرد پوشش دادن سطح توسط یک ماده‌ی دیگر بیان کنید. در هر مورد بگویید که این کار چه خواص جدیدی را برای آن سطح ایجاد می‌کند.
2. یک آزمایش ساده طراحی کنید که بتوان سطح یک فلز را با یک لایه‌ی چند نانومتری از نمک طعام پوشش دهیم. سعی کنید این آزمایش را انجام دهید. با کليک کردن روی تصوير زير میتوانید فيلم کوتاهی را از غلتیدن قطرات آب بر روی يک نانوپوشش واقعی (ساخت شرکت زایویر) ببینید.
بارها این جمله را شنیده یا خوانده‌ایم که «وقتی ما راجع به ابعاد نانو صحبت می‌کنیم، در واقع؛ از تعداد انگشت‌شماری از اتم‌ها یا مولکول‌ها سخن میگوییم.» همین دسترسی به تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها است که موجب بهبود خواص مواد و یا شکل‌گیری خواص جدید در مواد می‌شود. یک پرسش اساسی در این باره این است که: آیا در واقعیت دسترسی به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها امکان‌پذیر است؟ آیا برای این منظور ما حتماً به وسایل و ابزار خاصی نیاز داریم؟ و آیا می‌توان با انجام آزمایش‌های ساده هم، به چنین مقیاسی دست یافت؟
ما در این مقاله به دنبال آن هستیم تا با انجام دو آزمایش ساده، پوششی به ضخامت چند نانومتر از روغن، ابتدا بر روی یک سطح مایع و سپس بر روی یک سطح جامد تولید کنیم. 2- آزمایش اول: نانوپوشش بر روی سطح مایع
مواد و وسایل مورد نیاز
1. یک عدد سینی فلزی ترجیحاً بزرگ
(هر چه بزرگ‌تر باشد، آزمایش بهتر انجام می‌شود)
2. مقداری آب
3. مقدار کمی روغن مایع
4. مقدار کمی زردچوبه
5. یک قاشق غذاخوری
6. قطره‌چکان
7. خط‌کش
8. ماشین‌حساب
9. ترازوی آشپزخانه شرح آزمایش
سینی را بر روی یک سطح صاف قرار دهید و مقداری آب، تقریباً به عمق 2 سانتی‌متر، درون آن بریزید. اندکی صبر کنید تا سطح آب کاملاً ساکن شود. با استفاده از قطره‌چکان یک قطره روغن مایع را از ارتفاع نزدیک به سطح آب، بر روی سطح آب بچکانید. برای آن که قطره روغن بتواند تا حداکثر جای ممکن بر روی سطح آب پخش شود، بهتر است آن را در نقطه‌ای در وسط سطح آب رها کنید. قطره‌ی روغن به سرعت بر روی آب پخش می‌شود، اما چون رنگ آن تمایز چندانی با آب ندارد، مرز لایه‌ی روغن روی سطح آب مشخص نیست. برای آن که ببینیم روغن تا چه اندازه‌ای روی سطح آب گسترده شده است، از زردچوبه استفاده می‌کنیم. مقدار کمی زردچوبه را به آرامی و با استفاده از یک قاشق غذاخوری در محلی که قطره‌ی روغن را رها کرده‌اید، بریزید. با گسترش این کار به اطراف، مرز لایه‌ی روغن بر روی سطح آب کاملاً مشخص خواهد شد.
اکنون برای آن که ضخامت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید، ابتدا باید مساحت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید. برای این کار میتوانید از خط‌کش و روابط محاسبه‌ی مساحت در ریاضی استفاده کنید. سپس با دانستن چگالی روغن و جرم قطره‌ی روغن، حجم آن را نیز تعیین کنید. از حاصل تقسیم حجم روغن بر مساحت لایه‌ی روغن، ضخامت قطره‌ی روغن محاسبه می‌شود.
برای محاسبه‌ی جرم قطره‌ی روغن میتوانید جرم تعداد مشخصی قطره‌ی روغن را با استفاده از ترازوی آشپزخانه اندازه‌گیری کنید و سپس با تقسیم کل جرم بر تعداد قطره‌ها، جرم تقریبی یک قطره را برآورد کنید. جرم یک قطره روغن را بر چگالی روغن تقسیم کنید تا حجم آن به دست آید. چگالی روغن مایع را تقریبا 0/9 گرم بر سانتی‌مترمکعب در نظر بگیرید. پرسش‌های آزمایش
1. ضخامت لایه‌ی روغن بر روی سطح آب تقریباً چند نانومتر است؟
2. اگر سطح سینی بسیار بزرگ باشد و روغن بدون هیچ محدودیتی بتواند روی سطح آب گسترش یابد، ضخامت لایه‌ی روغن تقریباً به اندازه‌ی قطر یک مولکول روغن می‌شود. قطر مولکول روغن را چند نانومتر برآورد می‌کنید؟
3. چند مایع دیگر نام ببرید که بتوان قطر مولکول آن‌ها را به این روش محاسبه کرد؟
3- آزمایش دوم: نانوپوشش بر روی سطح جامد
با توجه به این آزمایش ملاحظه کردیم که با انجام آزمایش‌های ساده هم می‌توان به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها دسترسی پیدا کرد. ما در این آزمایش با انجام چند کار ساده توانستیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را بر روی سطح آب تشکیل دهیم.
اکنون می‌خواهیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را روی یک سطح جامد مثلاً یک فلز تشکیل دهیم. چه روشی پیشنهاد می‌کنید؟ ابتدا اندکی فکر کنید و سپس آزمایش زیر را انجام دهید. مواد و وسایل مورد نیاز
مواد و وسایل آزمایش قبلی به علاوه‌ی یک هیتر (گرم‌کن الکتریکی) شرح آزمایش
سینی آزمایش قبلی را که حاوی یک لایه‌ی روغن بر روی سطح آب است به آرامی بر روی یک گرم‌کن الکتریکی قرار دهید. صبر کنید تا آب درون سینی کاملاً تبخیر شود. (هر چه آب درون سینی کم‌تر باشد، آب سریع‌تر تبخیر می‌شود.) پس از تبخیر آب، یک لایه‌ی چند نانومتری روغن بر روی سطح سینی تشکیل می‌شود.
پوشش دادن یک سطح توسط ماده‌ی دیگر، از کارهایی است که در فناوری نانو بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار موجب تغییر بعضی خواص سطوح می‌شود. به عنوان مثال، در صنعت نساجی پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات نقره (nanosilver) موجب می‌شود تا پارچه‌ها و لباس‌ها خواص ضد عفونی کننده (آنتی باکتریال) پیدا کنند. و یا پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2)که موجب می‌شود پارچه‌ها و لباس‌ها خواص آب‌گریزی پیدا کنند و آب و بسیاری مایعات دیگر موجب تر شدن و بنابراین، لک شدن آن‌ها نشوند. یا مثلاً در صنعت خودروسازی، پوشش دادن بدنه‌ی خودروها با برخی نانوذرات موجب افزایش سختی آن‌ها می‌شود. بنابراین، بدنه‌ی این خودروها در برابر خَش و خوردگی مقاوم می‌شوند. و یا در صنعت لوازم بهداشتی، پوشش دادن سرامیک‌ها و رنگ‌های بیمارستانی با استفاده از نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضدعفونی‌کننده (آنتی‌باکتریال) در دیوارها و کف بیمارستان‌ها و آزمایش‌گاه‌ها می‌شود و هم‌چنین بسیاری موارد دیگر.
پوشش دادن سطح یک ماده توسط ماده‌ی دیگر را اصطلاحا پوشش دادن یا کُت کردن (coat) میگوییم. پرسش‌های آزمایش
1. علاوه بر آن چه بیان شد، چند مثال واقعی دیگر از کاربرد پوشش دادن سطح توسط یک ماده‌ی دیگر بیان کنید. در هر مورد بگویید که این کار چه خواص جدیدی را برای آن سطح ایجاد می‌کند.
2. یک آزمایش ساده طراحی کنید که بتوان سطح یک فلز را با یک لایه‌ی چند نانومتری از نمک طعام پوشش دهیم. سعی کنید این آزمایش را انجام دهید. با کليک کردن روی تصوير زير میتوانید فيلم کوتاهی را از غلتیدن قطرات آب بر روی يک نانوپوشش واقعی (ساخت شرکت زایویر) ببینید.