جزوه نانو

بسمه تعالی آشنایی با فناوري نانو سرفصلهاي آموزشی دوره هاي ضمن خدمت دبیران آموزش و پرورش (براي همه گروههاي تحصیلی) تهیه و تدوین : حمیدرضا دستجرد (مدرس فناوري نانو در دانشگاه ، موسسات آموزش عالی و آموزش و پرورش) [email protected] عناوین: تعریف نانو نانو ساختارهاي زیستی در خلقت علت اهمیت مقیاس نانو جدول تنابی براي هر عنصر مزایاي نهفته در ابعاد نانو آشنایی با انواع ساختارهاي نانو و روشهاي ساخت آنها آشنایی با روشهاي مشخصه یابی در نانو تفاوت میکروسکوپهاي نوري و الکترونی کاربردهاي فناوري نانو تحلیلی از کاربردها نانوبیوتکنولوژي محصولات و زمینههاي فعالیت بیونانوتکنولوژي ٢ تعریف نانو: مطالعه اصول بنیادین مولکولها و ساختارهایی با ابعاد بین 1تا 100 نانو متر. و درك مواد و اشیائ بسیار ریز در ابعاد ذکر شده بکارگیري ادوات ساختاري در اندازه نانوو دستکاري اشیاء در سطح اتم و استقرار اتمها در سطح مشخص مقدمه علم نانو و علوم مرتبط با آن چندان جدید نیستند، چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیکهایی در کار خود استفاده میکنند که بیشباهت به تکنیکهاي امروزي نانو نیست . پنجره هاي رنگارنگ کلیساهاي قرون وسطی، شمشیرهاي یافت شده در حفاري هاي سرزمین هاي مسلمانان ، همگی گویاي این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهاي این فناوري در بهینه کردن فرایندها و ساخت اشیاء با کیفیت بهتر ، بهره می برده است ؛ اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوري و نبود امکانات امروزي مانند میکروسکوپ نیروي اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره ، نتوانسته حوزه مشخصی براي این فناوري تعیین کند. تاریخچه اولین بار ریچارد فاینمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازي فرایندي براي دستکاري اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهاي دقیق ، سبب شد تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند. در سال 1974 ، پروفسور نوریو تانیگوشی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوري نانو" را بکار گرفت. او در مقاله اي با نام "مفهوم اساسی فناوري نانو" اشاره می کند که فناوري نانو اساسا مجموعه اي از فرایندهاي تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است. در دهه 1980 ، ایده ي این تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب هاي موتور خلقت) مورد بررسی قرار گرفت. فناوري نانو و نانوعلوم ، در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونل زنی پیمایشی آغاز به کار کرد. این توسعه، سبب کشف فلورین در سال 1986 و نانولوله هاي کربنی طی چند سال بعد شد. تحول دیگر این فناوري مربوط به ساخت نانوبلورهاي نیمه هادي بود که منجر به ٣ افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزي نقاط کوانتوم گردید. میکروسکوپ نیروي اتمی، 5 سال بعد از میکروسکوپ تونل زنی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد. نانو ساختارهاي زیستی در خلقت مولکولهاي پروتئینی حیاتی از نظر ابعاد در محدوده فناوري- نانو قرار می گیرند، اما جایگاه اصلی بررسی آنها در حوزه اي دیگر به نام بیو(زیست) است. چنانچه در ارتباط با حوزه بیو مشاهده می شود، فناوري نانو ممکن است در برخی از زمینه-ها زیر مجموعه اي از حوزه هاي تحقیقاتی دیگر باشد. حوزه فناوري زیستی(بیوتکنولوژي) امروزه به طور موازي با فناوري نانو در حال توسعه است و محققان فناوري نانو و فناوري زیستی با هم در بسیاري از زمینه ها همکاري دارند. فناوري زیستی، فناوري استفاده از علم ژنتیک براي تولید محصولات جدیدي از گیاهان و حیوانات است. کار با ساختارهاي پروتئینی اصلیترین بخش این فناوري است. شکل( 1). تلفیق فناوري بیو و نانو باعث ایجاد حوزه اي به نام نانوبیو-فناوري یا نانوبیوتکنولوژي شده است. نانوبیوفناوري بخشی از فناوري نانو است که به علوم زیستی مرتبط می شود. این ارتباط میتواند به دو صورت باشد: استفاده از مواد نانومتري در ساختار هاي زنده و استفاده از ساختارهاي زنده براي توسعه محصولات فناوري نانو. اصلی ترین بخش هاي مرتبط با نانوبیوفناوري؛ داروسازي، مواد غذایی، محیط زیست، پزشکی، علوم زیستی و اعصاب، ارتباطات و ابزار هستند . زیر میکروسکوپ در دهه 50 میلادي گام بلندي در عرصه تحقیقات زیستی بود و پس از DNA کشف علم ژنتیک توسعه یافت و هم اکنون تحقیقات به این DNA آن با برش و الصاق دلخواه رشته- هاي سمت می رود که با طراحی پروتئین ها به خواص دلخواه دست یابند. در این جهت فناوري نانو به خوبی به کمک فناوري بیو خواهد شتافت . ویژگی بین رشته اي فناوري نانو، درك و توسعه آن را براي محققین دشوار نموده است. فناوري میکرو و نانو در خلقت را نانوبیونیک اطلاق می کنند. بیونیک که به آن بیومتریک یا مهندسی خلاق زیستی هم میگویند کاربرد ساز و کارهاي زیستی موجود در طبیعت در چرخه طراحی و مهندسی و فناوريهاي مدرن است. در حقیقت بیونیک آموختن فنون مهندسی از خلقت است. به این حوزه از دانش، الهام از طبیعت گفته شده است. این علم ساختارهاي طبیعی را به همراه قابلیتهاي ویژه آنها رصد کرده و سعی به استفاده از آن در طراحی هاي مهندسی دارد. تاکنون در حوزه هاي مواد، البسه، را کسانی (Nature) معماري، انرژي، هوافضا و نور و ... از طبیعت استفاده شده است. کلمه طبیعت استفاده می کنند که قائل نیستند، همه موجودات و هستی خالقی مدبر دارند، لذا براي تاکید بر این ۴ موضوع جایز است جاي این کلمه از واژه خلقت استفاده شود .رویکرد الهام از خلقت با سرعت پیش می رود و همچنان ناشناخته هاي بیشتري از ساختمان بدن موجودات وجود دارد که براي مهندسی ساختارهاي مشابه مفید است. بخشی از این تلاش ها براي ساخت تجهیزاتی است که بتوانند انرژي زیادي را تولید و ذخیره کنند. سلول هاي خورشیدي و پیلهاي سوختی و باتري ها فناوري هاي جدیدي هستند که انرژي برق را با ساز و کاري شبیه به بخشی از ساز و کار برگها در فرایند فوتوسنتز، تامین یا ذخیره می کنند. ویژگی خود تمیز شوندگی که از خلقت الهام گرفته شده است، در حقیقت ایجاد سطحی ویژه است که تمایلی به جذب ذرات کثیف ندارد. خصوصیت خود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی به خاطر برجستگی هاي نانومتري روي برآمدگیهاي میکرونی است که خصوصیت آبگریز به آنها میدهد. لباس، بتن و شیشه از این خصوصیت براي دفع آب و روغن استفاده کرده اند. در اینجا آنچه تغییر میکند رفتار قطره آب آلوده با سطح یا کشش سطحی بین این دو است . رنگ بدون رنگدانه، طرحی است که محققان علم مواد در حوزه فوتونیک به دنبال آن هستند. بال پروانه نانوساختاري دارد که منجر به انعکاس طول موج رنگهاي مختلف بین 400 تا 700 نانومتر می گردد. برخی پروانه ها رنگی هستند، حتی اگر در بال آنها هیچ رنگی نباشد). این رنگ به خاطر نانوساختار سطح بالها ایجاد شده است .ابعاد این ساختار در محدوده نور مرئی و نزدیک به ابعاد نانومتري ( 1 تا 100 نانومتر) می باشد، این امر به پراکنش رنگهاي متفاوت منجر می شود. توجه به خلقت نشان می دهد که ساختار پیچیده بدن حیوانات و تنه گیاهان می تواند منشا، خلق محصولاتی گردد که بشر به طور موثر از آنها استفاده کند . در پاي نوعی مارمولک به نام گکو نانوساختارهایی وجود دارد که تعداشان به حدود 500000000 نانوموي منعطف می رسد. آنها باید از نظر تئوري 2 کیلوگرم وزن داشته باشند، این ساختارها در هر پنجه پاي مارمولک، به آن کمک می کنند که روي دیوار راه برود .کاهش اصطکاك و سایش در تماس شن و دندانه هاي نانومتري در فلس هاي ماهی شنزار باعث می شود که بتواند در مدت نیم ثانیه زیر شن پنهان شود.سطوح برآمده آبدوست و برجستگیهاي نانومتري بال سوسک سیاه به عنوان سطوح پست در پوست باعث جمع آوري بهینه رطوبت می شوند . کاهش اغتشاش در کانال هاي میکرومتري پولک کوسه با خطوط پست و بلند نانومتري باعث افزایش سرعت عمل کوسه می شود. لباس هاي شناگران المپیک با الهام از همین شیارهاي نانومتري ساخته شده است. این لباس باعث افزایش کارایی و رکورد شناگران شده است. ساخت چنین لباسی با تلاش ۵ محققین ناسا با الهام از خلقت نشان دهنده شیوه هاي نوینی در نوآوري در تحقیقات دانشمندان نانو است. نانوشیارهاي روي پاي آبدزدك باعث حرکت راحت حشره روي آب می شود. هر ماده خواصی دارد که مورد توجه فناوري است، چینی و ظروف چینی(خانواده سرامیکها)، یکی از این دسته مواد هستند. در حوزه هاي مختلف از ساختمان تا الکترونیک، کاربردهایی وجود دارد که افزایش دما تا 1000 و 1500 درجه سانتیگراد وجود دارد. برخی از کانیهاي سخت زمین این دما را تحمل می کنند، صدف ها در بردارنده چنین موادي هستند. صدفها، چینی هاي طبیعی هستند که دماي شکل گیري آنها 4 درجه سانتیگراد بوده است. ایلهان آکساي دانشمند ترك این موضوع را مورد بررسی دقیق قرار داده است . ساختار ریز آبالون ( نام این صدف)خیلی جالب است. آبالون ها بسیار محکم هستند .استحکام این صدف ها دو برابر پیشرفته ترین سرامیک هاي حال حاضر است. دانشمند امریکایی به نام کالرین تالر این موضوع را بررسی کرده است. با بزرگنمایی 300000 برابر به کمک میکروسکوپ الکترونی پویشی، تصویري از ساختار ریز این صدف به نمایش رسید که نشان می داد ساختار آبالون شبیه یک دیوار آجري است. آجرهایی از کربنات کلسیم که به کمک ملاتی از پروتئین ها در کنار هم هستند. علیرغم ساختار بسیار شکننده کربنات کلسیم صدف بسیار محکم بوده و شکنندگی بسیار کمی دارد. این به خاطر ساختار ورق ورق آن است. اکسیدها طبیعتی سخت دارند. آلیاژهاي آلومینیومی بورون کربید از این الگو استفاده کرده اند. این مواد در یک تانک آمریکایی استفاده شده اند. از نحوه شکستن یک کوزه به عنوان یک ماده از کانیهاي طبیعی فراموش نخواهید کرد که اکثر مواد سرامیکی ساخت بشر بسیار شکننده هستند. اما در زره تانک مواد ترکیبی جدیدي مورد استفاده قرار گرفته است که می توانند این مشکل را رفع کند. مانند آبالون علاوه بر مواد سرامیکی معمول مواد دیگري با پوشش همراه شده که مانع شکستن و خرد شدن ساختمان ماده می شود. ترك برداشتن و شکستن به خاطر آن است که مواد نمی توانند انرژي ناگهانی برخورد را گرفته یا جذب کنند .ساختار نانومتري آبالون قبلاً با تلفیق مواد آهکی و پروتئینها این کار را انجام داده است. با الهام از این خصوصیت صدف دانشمندان با ترکیب الیاف ساخت بشر و پلیمرها مواد کامپوزیت(چند سازه ها) جدیدي ساخته اند. صدف دریایی یک موجود دریایی است. پوسته هاي محکم و رنگین صدف که در درجه حرارتهاي بسیار بالا هیچ آسیبی نمی بیند و یک ساختمان مورد توجه براي محققان بوده است به خاطر آن است که این ساختمان شبیه به دیواري است که آجرهایی از سنگ(مواد معدنی و سرامیکی) و ملاتی از پروتئینها ۶ دارد .فایبرگلاس یا الیاف شیشه از الیاف پر مصرف است که با ترکیب دیگر مواد مورد استفاده قرار می گیرد. ماشینهاي فرمول یک، قایقها، هواپیماها و سفینه ها ساختار مشابهی در خلقت دارند. پوست تمساح از نمونه ساختارهاي محکم و ضخیم خلقت است. این ساختار داراي الیافی است که در بین مواد پروتئینی دیگر قرار گرفته اند . علت اهمیت مقیاس نانو سوالی که براي اکثر ما پیش می آید این است که تغییر اندازه، چگونه در خواص شیمیایی مواد تاثیر می گذارد؟ از جمله تغییرات شیمیایی که بر اثر کوچک شدن ذرات تا اندازه نانومتري به وجود می آید عبارت اند از: -1 تغییر رنگ:حتما بارها خردههاي یک شیشه شکسته شده را دیدهاید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بیرنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند.اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادي وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتري آنها، با رنگ ذرات بزرگترشان متفاوت است . طلا و نقره، شناخته شدهترین نمونههاي این مواد هستند. این پدیده در دنیاي ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است!براي مثال اتم طلا در اندازه 30 تا 500 نانومتر به رنگ آبی، در اندازه 3 تا 30 نانومتر به رنگ قرمز و در اندازه ي کمتر از 1 نانو متر به رنگ زرد است. اما از آن غیرعاديتر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ میدهند! براي مثال : نانو ذرات کروي نقره 40 نانومتري به رنگ آبی پر رنگ،نانو ذرات کروي نقره 80 نانو متري آبی کم رنگ، نانو ذرات کروي نقره 120 نانو متري زرد رنگ،نانو ذرات کروي طلا 50 نانو متري سبز رنگ،نانو ذرات کروي طلا 100 نانو متري نارنجی رنگ و نانو ذرات هرمی شکل طلا 100 نانو متري قرمز رنگ هستند. -2 تغییر شفافیت : شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده ،در عبور دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده میتواند از آن عبور کند یا جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر مادهاي پرتوهاي نور را جذب کند و یا آنها را باز تاب کند نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، میتواند کاربردهاي فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روي و اکسید تیتانیوم نور ماوراي بنفش را کاملا جذب میکنند و نور مرئی را بازتاب میکنند. این مواد ،که به رنگ سفید دیده میشوند، گزینههاي بسیار مناسبی براي ٧ کرمهاي ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاري، رنگ سفیدي را که این کرمها بر روي پوست ایجاد میکنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را میتوان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد. نانوذرات اکسید روي و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماوراي بنفش را کاملا جذب میکنند، برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر، ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به - سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روي و اکسید تیتانیوم، کوچکتر از طول موج نور مرئی ( 400 700 نانومتر) است و از این رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند. -3 تغییر خواص مغناطیسی: کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه برادهها تهنشین شوند، یک آهنربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی میافتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهنربا عکسالعملی نشان میدهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل، جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتري آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود. سیال مغناطیسی (فروفلوید) ،مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شدهاند. این مایع در حضور یک آهنربا (میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوي از خود نشان میدهد؛به نحوي که با حرکت آهنربا در اطراف این مایع میتوان آنرا به شکلهاي سهبعدي زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان میدهد، که ذرات نانومتري آن (تحت نیروهاي بینمولکولی) به یکدیگر نچسبند. -4 تغییر واکنش پذیري: خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمیتوان آنها را اندازهگیري کرد. به این معنا که مقدار یک خاصیت شیمیایی، در طی واکنش و برهمکنش یک ماده با مواد دیگر مشخص میشود. واکنشپذیري یا تمایل یک ماده براي واکنش با سایر مواد، از جمله مهمترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعلهور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیدهایم (شکل 6). همه اینها عناصري هستند که به شدت واکنشپذیرند؛ تا آنجا که نمیتوان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمیافتد و یا پنجرههاي آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده میشوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدي است که بر روي سطح آلومینیوم تشکیل میشود). اما همین مواد در مقیاس نانو، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهند. واکنشپذیري مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیري پیدا میکند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنشپذیري بالایی دارند، بلکه براي افزایش ٨ سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده میشوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش میگیرند و میتوان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنشپذیري مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهاي بسیار قويتري را براي ما فراهم کرده است. تا آنجا که پیشبینی میشود بتوانیم با استفاده از نانوکاتالیزگرها، واکنشهاي بازگشتناپذیر بسیاري را (مانند تشکیل در دما و فشار محیط برگشتپذیر کنیم. (CO و NO گازهاي سمی در خاتمه: آنچه گفته شد تنها مثالهاي محدودي از تغییر ویژگیهاي یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و دهها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر میکنند. گویا دیگر نمیتوانیم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آنرا از روي خواصش شناسایی کنیم. برخی براي حل این مشکل پیشنهاد دادهاند که یک بعد دیگر به جدول تناولی مندلیف اضافه کنیم؛ بدین معنی که براي مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کنیم، لازم است که معلوم کنیم خواص عنصر را در چه ابعادي میخواهیم. ما در دنیاي ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دستهبندي میکنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را براي انجام کارهاي مختلف انتخاب میکنیم. براي ساخت پنجره از شیشه استفاده میکنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور میدهد؛ براي ساخت زیور آلات ماندگار از طلا استفاده میکنیم، زیرا واکنشپذیري پایینی دارد و اکسید نمیشود؛ برق را با رشتههاي مسی انتقال میدهیم، چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد؛ و از آنجا که فولاد یکی از سختترین مواد دنیاي ماست، ابزارهاي بزرگ صنعتیمان را از آن میسازیم. اثر اندازه ذرات بر خواص آنها کند، __________اهمیت دارد. ¬ اش تغییر می ¬ براي هر نوع اندرکنش، دانستن این که چگونه خواص نمونه با اندازه بعلاوه بایستی یادآوري شود که با کاهش اندازه ذرات از وضوح مفهوم فاز کاسته میشود، چون یافتن مرزي میان فازهاي همگن و ناهمگن و حالات آمورف و بلوري مشکل است. امروزه با وجود تمام پیشرفت هاي علم نانو، هنوز پاسخ کلی به این سوال که ارتباط اندازه ذرات مثلاً یک فلز با خواص آن چیست، مقدور نمی باشد. ٩ 1.فعالیت شیمیایی نانوذرات فلزي با اندازه کمتر از 10 نانومتر، سیستمهایی پر انرژي و فعالیت شدید شیمیایی ارائه می کنند. ذرات با اندازه حدود 1 نانومتر تقریباً هیچ نیازي به انرژي فعالسازي براي واردشدن به فرایند تجمع، که منجر به تشکیل نانوذرات فلزي می شود، یا واکنش با ترکیبات شیمیایی دیگر براي تولید موادي با خواص جدید، ندارند. 2.دماي ذوب و استحاله در نانوذرات تعداد قابلتوجهی از اتمها در سطح واقع شدند و نسبت آنها با کاهش اندازه ذره، افزایش مییابد. به همان نسبت سهم اتمهاي سطح در انرژي سیستم افزایش مییابد. این امر پیامدهاي نانوذرات به اندازه، دارد. اندازه، فعالیت ذرات (Tm) ترمودینامیکی معینی همچون وابستگی نقطه ذوب را تعیین میکند، به علاوه آثاري همچون تغییر دماي استحاله پلی مورفی، افزایش حلالیت و جابجایی تعادل شیمیایی را سبب می شود. مطالعات نظري و تجربی روي ترمودینامیک ذرات کوچک تصدیق می کند که اندازه ذره یک متغیر موثر است، که همراه سایر متغیرها، حالت سیستم و فعالیت آن را تعیین میکند. اندازه ذره میتواند به عنوان متناظر دما در نظرگرفته شود. این بدان معنی است که ذرات با اندازه نانو قادرند به واکنشهاي نامعمول براي مواد توده وارد شوند. به علاوه مشخصشده که تغییر اندازه نانوبلورهاي فلزي، گذار فلز- غیرفلز را کنترل میکند. 3.پارامتر شبکه و طول پیوند فعالیت ذرات به فواصل بین اتمی هم بستگی دارد .برآوردهاي نظري در موارد متعدد نشان داد که متوسط فواصل بیناتمی با کاهش اندازه ذره، افزایش یا کاهش مییابد. البته این امر پیچیدگی هاي خاصی دارد. مثلاً مدلهاي زیادي وجود دارند که طبق آنها کاهش طول پیوند امري اجتناب ناپذیر است. در سوي دیگر نیز آزمایشات و مدلهاي متفاوتی وجود دارند که به عکس این روند عقیده دارند. اما آخرین بررسی ها نشان می دهد که اتمهاي درون نانو ذرات تمایل دارند تا فاصله اي بیش از فاصله فاصل تعادلی حالت بالک اختیار کنند اما اتمهاي سطح براي کاهش انرژي خود که از پیوند هاي کم ١٠ _______ناشی می شود، با هم پیوند هاي جدیدي ایجاد می کنند که فاصله آنها را کاهش می دهد. در نتیجه اندر کنش این دو مکانیزم تعیید می کند که اندازه میانگین اتمهاي نانوذره کاهش یا افزایش یافته است. جدول تنابی براي هر عنصر خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات فلزي شکل گرفته از اتمها، بسته به تعداد اتمها در یک ذره، شکل و نوع ساختارشان، به طور تناوبی تغییر میکند. چنانکه با نمونه اي از اتمهاي سدیم نشانداده شده، Na17 ،Na یکظرفیتی هستند، درحالیکه خوشههاي شبه هالوژن 7 ،Na و 19 Na9 ،Na ذرات 3 فعالیت افزوده اي نشان میدهند. پایینترین فعالیت مربوط به ذراتی با پوسته الکترونی اشباع مانند میباشد .براي خوشههاي سدیم شامل چندین هزار اتم هم تغییر تناوبی در Na و 18 Na8 ،Na2 پایداري ذرات نمایان شد. براي ذرات سدیم شامل بیش از 1500 اتم، هندسه پوسته الکترونی متراکم که مشابه گازهاي خنثی است، غالب میباشد. این شباهت که خواص آنها با ساختار الکترونی آنها تعیین می شد، براي خوشه هاي کوچک نشان داده شد، انتظار ظهور پدیده هاي شیمیایی جدید در واکنشهایی با این مواد را ممکن می سازد. شکل 3 - جدول تنابی عنصر سدیم که نانو مهندسی شده است. ١١ مزایاي نهفته در ابعاد نانو با درك ابعاد نانو سوال بعدي این خواهد بود که چه مزایایی در ابعاد نانومتري وجود دارد؟ استفاده از فناوري نانو باعث می شود که مصرف پلاتین به عنوان کاتالیست در پیل سوختی از مقدار 0,3 میلی گرم در متر مربع به 0,007 میلی گرم در متر مربع برسد (یک چهل و سوم) که البته کارایی چندین برابرهم نسبت به روش هاي قبلی و 97 درصد صرفه جویی در میزان مصرف کاتالیزور گران قیمت پلاتین به همراه دارد. این کاهش فقط به خاطر نازك کردن ضخامت لایه پلاتین به چند نانومتر است . کوچک شدن ابعاد، به همان اندازه، می تواند بزرگ شدن و افزایش خواص و قابلیت ها را به همراه داشته باشد. در نظر بگیرید که خاصیت ویژه اي از یک ماده چندین میلیون بار تقویت شود، اگر خاصیت مطلوبی با کوچکتر شدن ابعاد بتواند اینقدر افزون شود، بعید نیست با استفاده از ابعاد کوچک، نیازهاي گسترده اي پاسخ داده شود. با این تفسیر شاید بتوان از کاه، کوه ساخت. اگر 10 میلیون بار ١٢ بزرگ شویم، یک نانومتر معادل یک سانتیمتر میشود و طبیعتاً تحولات زیادي در این گستره پهناور براي اشیاي نانومتري قابل انجام است. اگر به چند نمونه از تغییرات خواص توجه شود، چنین تفاوتی قابل درك است. بر اساس نیروهاي بین مولکولی و بین اتمی ترکیبات متنوعی شکل می گیرند. با تغییر در مقیاس هاي حجیم، خصوصیات بنیادي یک ماده تغییر نخواهد کرد و در مورد برخی از خواص، مقدار کمتر ماده برابر است با خاصیت کمتر آن. براي مثال شیرینی یک حبه قند بیشتر از یک دانه شکر است. در مورد برخی دیگر از خواص مثل میزان حل شدن این مسئله صادق نیست. اگر یک حبه قند و همان مقدار قند به صورت دانه هاي شکر با هم مقایسه شود، دانه هاي شکر خیلی سریع تر در یک لیوان آب حل می شود. این نمودي از سطوح بیشتر دانه هاي شکر است. با ریزتر شدن مواد حجیم سطوح افزایش می یابند و با افزایش خیلی زیاد این سطوح همزمان تغییرات زیادي در خصوصیات ظاهري نمایان می گردد. به طور مثال سیب زمینی خرد شده بسیار بهتر و سریعتر از سیب زمینی درسته سرخ می شود. این دقیقاً به خاطر آن است که سیب زمینی خرد شده سطوح بیرونی بیشتري دارد که می تواند با روغن داغ واکنش دهد. چنین نسبتی براي ذرات نانومتري و ذرات میکرومتري وجود دارد. با اشاره به دو مثال فوق درك تغییرات در ابعاد نانومتري نیز آسان است. اگر ذرات کوچکی در ابعاد نانومتري وجود داشته باشند، به مانند سیب زمینی خرد شده و دانه هاي شکر خصوصیاتشان تغییر می کند. تمام این ذرات از واحدهاي کوچکتري با نام اتم ساخته شده اند. قطر کوچکترین اتم یعنی 0,35 نانومتر است. با این ، هیدروژن، 0,074 نانومتر و قطر بزرگترین اتم یعنی سرب با عدد اتمی 82 ابعاد، تخمین زده می شود که یک ذره 1 نانومتري شامل دهها تا هزاران اتم باشد. چنانچه وضعیت اتمهاي سطح ذره بررسی شود، تغییر در تعداد این اتمها قابل درك است. تعداد اتم هاي سطح در ابعاد کوچک تر بیشتر می شود و این منشاء تغییر بسیاري از خصوصیات ماده در ابعاد نانومتري است. در مقیاس نانو بیشتر اتم ها برروي سطح ماده قرار دارند که شرایط و محدودیت هاي اتمهاي درونی را ندارند. تغییر در تعداد اتمهاي سطحی در ایعاد نانومتري بسیار شدید است. براي مثال، ذره اي که ضخامت 20 نانومتر دارد، 20 درصد از اتمهاي آن روي سطحش قرار دارند، در حالی که در یک ذره 30 نانومتري فقط 5 %اتم هاي آن روي سطح قرار گرفته اند ! در شکل 2، خوشه هاي نانوذرات نقره نشان داده شده است. در این شکل 60 درصد اتم ها در سطح مولکول قرار دارند. با این شرح، عجیب نیست که وقتی هر فلزي را به ابعاد نانومتري برسانیم، خصوصیت ضد باکتري پیدا می کند. ١٣ سطح و اتمهاي سطحی چه اهمیتی دارند؟ نسبت سطح به حجم، عامل مهمی است که میزان فعالیت یک سیستم نانوذرات را تعیین می-کند. در یک نمونه از نانوذرات، هر چه نسبت سطح به حجم بیشتر باشد، میزان فعالیت بیشتر است. این فعالیت ممکن است، فعالیت کاتالیزوري یا فعالیت مربوط به دارورسانی باشد. افزایش فعالیت در مورد نانوذرات طلا، تیتانیم، اکسید روي و پالادیم اثبات شده است . شکل 2- مولکول پلی هدرونی شکل، شامل 201 اتم است که 122 اتم آن در سطح قرار دارد. شکل واقعی این مولکول به صورت خوشه نانوذرات نقره اولین اثر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات بر خواص فیزیکی ذرات است. این ویژگی، واکنشپذیري نانوذرات را به شدت افزایش میدهد به گونهاي که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخهاي شدن(چسبیدن به هم) دارند .به عنوان مثال نانوذرات فلزي، به محض قرارگرفتن در مجاورت هوا، به سرعت اکسید میشوند. البته این افزایش فعالیت سطحی مزایایی هم در بردارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت میتوان کارایی کاتالیزورهاي شیمیایی را به نحو مؤثري بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیتها با استفاده از این ذرات، پیوندهاي شیمیایی مستحکمتري بین ماده زمینه و ذرات برقرار نمود و استحکام کامپوزیت به شدت افزایش مییابد. ١۴ شکل 3- طلا در حالت ماکرو از لحاظ شیمیایی خنثی است، اما نانوذرات طلا به عنوان کاتالیزور فرایندهاي شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتمهاي ذرات میشود. فاصله بین اتمهاي ذرات با کاهش اندازه آنها، کاهش مییابد. البته این امر بیشتر براي نانوذرات فلزي صادق است. در مورد نیمههاديها و اکسیدهاي فلزي مشاهده شده است که با کاهش قطر نانوذرات، فاصله بین اتمهاي آنها افزایش مییابد. اگر اندازه دانه باز هم بیشتر کاهش یابد، تغییرات شدید دیگري نیز رخ میدهد. از جمله این تغییرات آن است که اتمها میتوانند خودشان را در هندسههایی که در جامدات تودهاي غیر ممکن است، آرایش دهند. تغییر فاصله بین اتمهاي ذرات و نسبت سطح به حجم زیاد در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. وقتی ابعاد نانوکریستال کاهش می یابد، انرژي سطح زیاد می شود و این امر در خواص ترمودینامیکی ماده(مثل نقطه ذوب) سه نانومتري در 700 درجه کلوین ذوب می شود، (CdSe) تأثیرگذار است. براي مثال سلنیم کادمیوم در حالی که دماي ذوب آن در حالت توده اي 1678 درجه کلوین است. شکل 4 نشان دهنده نمودار تغییرات نقطه ذوب نانوذرات طلا بر حسب اندازه ذرات آن است. ملاحظه میشود که نقطه ذوب با کاهش اندازه ذرات، کاهش مییابد و نرخ کاهش نقطه ذوب در اندازه ذرات خیلی کوچک، بسیار شدیداست. دماي ذوب طلا در حالت معمولی 1064 درجه سانتیگراد است در حالی که براي نانو ذرات طلا که اندازه آنها به حدود 2 نانومتر رسیده باشد دماي ذوب از 1064 به 500 درجه سانتیگراد تقلیل می یابد. کاهش دردماي ذوب ناشی از افزایش تعداد اتمهاي سطحی است. این اتمها نسبت به اتمهاي مشابه در مواد حجیم کمتر پیوند تشکیل می دهند و این خود باعث تسهیل در ذوب می شود. ١۵ شکل 4- تغییرات دماي ذوب طلا با تغییر شعاع ذره خصوصیات الکتریکی، نوري و مغناطیسی مقیاس نانو، دایره فیزیک جدید را تعریف می کنند. پخش و جذب تابش الکترومغناطیسی، در دایره خواص نوري مقیاس نانو است. پدیده مکانیک کوانتومی تونل زدن، در دایره خواص الکتریکی مقیاس نانو است و سوپرپارامغناطیس شدن و اسپینترونیک در دایره خواص مغناطیسی مقیاس نانو تعریف می شود. تاثیر نور بر نانوذرات بسیار متفاوت با تاثیر نور بر مواد حجیم است، لذا خصوصیات رنگی نیز در ابعاد نانومتري متحول میشوند. از آنجا که چشم انسان تنها قادر به درك طیف مرئی امواج الکترومغناطیسی بین 400 تا 700 نانومتر است و این ابعاد بزرگتر از مقیاسی است که از آن بحث می کنیم. پدیده هاي فیزیکی و الکتریکی جدیدي در فاصله هاي نانومتري امکان پذیر است. در محلول ذرات نانومتري طلا، تفاوت اندك در ابعاد رنگ محلول را تغییر می دهد. ١۶ آشنایی با انواع ساختارهاي نانو و روشهاي ساخت آنها صفر بعدي در منابع مختلف براي ذکر مثال از ساختارهاي صفر بعدي از نانوذرات، کلاسترهاي اتمی و نقاط کوانتمی استفاده می شود اما این موارد چه تفاوتی با هم دارند؟ اصطلاح نانوذره یک واژه عام است و به هر ساختاري که تمامی ابعاد آن کمتر 100 نانومتر باشد اطلاق می شود. در یک نقطه کوانتمی الکترون در سه جهت محدود شده و باید شرط سه بعد کوچکتر از شعاع بور را دارا باشد. اما کلاستر اتمی به نانوذراتی با تعداد کمی اتم گفته می شود که خواص آن شدیداً متاثر از تعداد اتمهاي تشکیل دهنده کلاستر است یعنی با اضافه یا کم شدن یک اتم خواص کلاستر به طور ملموس تغییر می کند. رویکردهاي بالا به پایین و پایین به بالا در تعریف فناوري نانو دستکاري و چینش مواد زیر ابعاد 100 نانومتري مطرح شده است. براي رسیدن به این ابعاد هم اکنون روشهاي ساخت زیادي توسعه داده شده است. در اینجا می خواهیم بدانیم به طور کلی ساخت اجزاي نانومتري و دستکاري اتمها از چه راههایی امکان پذیر است .نخست باید بدانید که دستیابی به ابعاد نانو براي گذشتگان نیز امکان پذیر بوده است .آثاري در موزه هاي معروف دنیا معرفی شده که حاوي نانوذرات و نانولوله هاي کربنی است. شمشیر معروف دمشقی که سازنده آن اسدالله نام داشته در بردارنده نانولوله هاي کربنی است. این نشان می دهد آهنگران ماهر بدون آنکه تغییرات نانومتري را متوجه شوند با استفاده از تجربه بالا، عملیات حرارتی و مکانیکی خاصی(کوبیدن و آب دادن) اعمال کرده اند که در آن کربن داخل فولاد، به شکل نانولوله درآمده است .نحوه ساخت این شمشیرها که نانولوله ها را در بردارند، نگاه ما را به روشهاي ساخت در فناوري نانو به این جنبه از ساخت که لزومی ندارد براي رسیدن به نانوساختارها حتماً مستقیم آنها را لمس کرد متوجه می سازد . نوع دیگر نانومواد، در اثر تحولات حرارتی و زمانی زمین در بستر خاك ایجاد شده اند. نانورس ها، هالوسیت ها و ایموگولایت ها از این دسته به شمار می روند. نانورس ها کانی هایی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در سطوح نانومتري است. این ساختارهاي معدنی بلورهاي نانومتري دوبعدي هستند . ١٧ در اینجا می خواهیم بدانیم براي دسته جدید نانومواد که در سالهاي اخیر توسعه پیدا کرده اند ساخت و دستکاري اتمها از چه راههایی امکان پذیر است . در مورد این دسته از نانوساختارها به طور کلی دو روش جهت ساخت اشکالی با یک، دو یا سه بعد در مقیاس نانو ( 1 تا 100 نانومتر) وجود دارد. روش کاهش ابعاد یک ماده از ابعاد میکرومتري به نانومتري با چیدن و (Bottom-Up) و دیگري افزایش ابعاد از پایین به بالا (Top Down) یا بالا به پایین جابجایی اتمها و مولکولها در کنار هم است . شکل 3- در مقایسه کلی روشهاي بالا به پایین ساده و قدیمی تر از روشهاي پایین به بالا و ادامه روشهاي ساخت میکرومتري اند. روشهاي پایین به بالا از دهه 90 توسعه یافته اند .روش بالا به پایین مستلزم کاهش اندازه به کمترین میزان ممکن تا مقیاس نانومتري است. بریدن، برداشتن، خرد کردن، له کردن، تراشیدن، ذوب کردن و ذره ذره کردن افعالی هستند که رویکرد ذکر شده را بیان می کنند . براي مثال در تولید نانوالیاف با اعمال یک میدان برق بسیار قوي کشش بسیار بالایی اعمال می شود که براي نازك کردن الیاف تا ابعاد نانومتري کافی است. رویکردي که بتواند حداقل یک بعد ماده را به صورتی که بیان شد به ابعاد نانومتري برساند، رویکردي از بالا به پایین است . روشهاي پایین به بالا مستلزم دستکاري اتم ها و مولکولهاي منفرد می باشد و خودسامانی کنترل شده اتم ها و مولکول ها و تبدیل آنها به ماده اي نانومتري است. این رویکرد به فرآیندهاي زیستی و شیمیایی شباهت بسیار نزدیکی دارد .تولید مثل سلول زنده یا ایجاد بلورهاي برف نمونه هایی از فناوري نانو طبیعی می باشد. مثلاً در یکی از فرایندهاي شیمیایی تولید نقاط کوانتومی شرایط و مواد اولیه فراهم می شود و هر چه زمان بیشتر باشد، اندازه ذرات بزرگتر خواهد شد . ١٨ روش هاي سنتز نانوذرات 1.احیاي شیمیایی احیاي شیمیایی گسترده ترین روش مورد استفاده در فاز مایع شامل محیط هاي آبی و غیرآبی است . معمولاً ترکیبات فلزي توسط نمک هاشان ارائه میشوند، همچنین آلومینوهیدرایدها، بوروهیدرایدها، هیپوفسفاتها، فرمالدهید و نمکهاي اکسالیک و تارتاریک اسید همراه با تعداد زیادي عوامل دیگر به عنوان احیاکننده عمل میکنند. کاربرد گسترده این روش از سادگی و در دسترس بودن آن ناشی میشود. در آب، (HAuCl به عنوان مثال، سنتز ذرات طلا مطرح می شود. سه محلول (الف) اسید کلروآوریک ( 4 در دياتیل اتر، تهیه می شود. سپس مخلوط (H2PO (ب) کربنات سدیم در آب و (ج) هیپوفسفیت (- 2 - آنها به مدت یک ساعت تا حدود دماي 70 درجه سانتیگراد گرم میشود. در نتیجه ذرات طلا با قطر 5 2 نانومتر تهیه میشود. نقطه ضعف اصلی این روش تشکیل مقدار زیادي مواد ناخواسته موجود در کلوئید متشکل از نانوذرات طلا است، که میتوان با استفاده از هیدروژن به عنوان احیا کننده آنرا کاهش داد. اخیراً فرایندهایی که در آن احیاکننده به طور همزمان کار تثبیت کننده را انجام می دهد، به طور -S وسیعی مورد استفاده قرار گرفته است. از این قبیل ترکیبات بیشمار مواد فعال سطح حاوي عامل تیول ها ، نمک هاي نتیرات و پلیمرهاي شامل گروه هاي عملگر وجود دارند .واکنشگرهایی که ،N هاي فلزات قلیائی ¬ اغلب اوقات به عنوان احیاکننده یون هاي فلزي استفاده می شوند، تتراهیدروبورات که در محیط آبی اسیدي، خنثی و قلیایی عمل می کنند. تترابورات هاي فلزات (MBH هستند ( 4 قلیایی، می توانند اغلب کاتیون هاي عناصر واسطه و فلزات سنگین را احیا کنند. 2. احیاي فوتو شیمیایی و تابشی -شیمیایی در سنتز نانو ذرات فلزي، سیستم شیمیایی ممکن است بوسیله تابش شدیداً تحریک شود که به تولید احیا کننده هاي بسیار فعال، همانند الکترون ها، رادیکال ها و اجزاي برانگیخته منجر می شود. احیاي فوتو شیمیایی ( نورکافت ) و تابشی- شیمیایی ( پرتوکافت ) به لحاظ انرژي متفاوت هستند. فتوسنتز با انرژي کمتر از حدود 60 الکترون ولت مشخص می شود در حالیکه در پرتوکافت از انرژي 104 الکترون ولت استفاده می شود . - هاي 103 ١٩ روش هاي احیاي فوتو شیمیایی و تابشی- شیمیایی نسبت به روش احیاي شیمیایی مزیت هایی دارند. بدلیل نبود ناخالصی هاي تشکیل شده برخلاف وقتی که احیاکننده هاي شیمیایی استفاده شوند، نانوذرات با خلوص بالا در دماهاي پایین تولید می کنند. احیاي فوتو شیمیایی در محلول اغلب اوقات براي سنتز ذرات فلزي نجیب بکار می رود. اغلب ذرات از محلول هاي نمک هاي متناظر در آب، الکل و حلال هاي آلی بدست آمده اند. در این محیط ها، تحت عمل نور، الکترون آزاد می شود. تعامل الکترون حلال پوشیده، مثلاً با یون نقره، موجب احیا به فلز می شود. در حین احیاي تابشی- شیمیایی، در ابتدا اتم ها و خوشه هاي فلزي کوچک تشکیل می شوند، تعامل مجدد خوشه ها، که سازوکار آن هنوز نامشخص است، نانوذرات فلزي را تولید می کند. تکنیک هاي پرتوکافت پایا و پالسی امکان تشکیل تعداد قابل توجهی از نانوذرات فلزات مختلف را فراهم کرده اند. تاثیر محیط و فاز تولید نانوذرات معمولاً، نانوذرات فلزي به دلیل فعالیت شدیدشان، به صورت ذرات جدا و بدون اندرکنش با محیط تنها در خلاء میتوانند وجود داشته باشند. اما نمونه اي از ذرات نقره در اندازههاي متفاوت نشان داد که خواص نوري، در خلاء و چگالش در محیط آرگون با دماي پایین، یکسان است. بر مبناي این نتایج استنتاج می شود فرایندهاي رسوبگذاري اثري روي شکل و هندسه خوشهها ندارند. براي نانوذرات بهدستآمده در فاز مایع یا بر روي سطح جامد وضعیت متفاوت است. در فاز مایع، شکلگیري یک هسته فلزي از اتمها، همراه با اندرکنش ذرات و محیط است. اندرکنش این دو به عوامل زیادي بستگی دارد که مهمترین آنها دما و نسبت واکنشگر است. اندرکنش اتمها و خوشههاي فلزي با یک سطح جامد نیز یک پدیده پیچیده است. فرایند به خواص سطح (صافی سطح تک بلورهاي و ناهمواري سطح و سطوح مساعد جاذبهاي سطحی مختلف) و انرژي ذراتی که باید رسوب کنند، بستگی دارد 3.سل – ژل یک روش شیمیایی تر براي سنتز انواع نانوساختار ها به ویژه نانوذرات (sol-gel ) فرآیند سل- ژل اکسید فلزي می باشد. که در آن از پیش ماده مولکولی (معمولاً آلکوکسید فلزي) در آب یا آلکل حل شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز/الکلیز (معادلات 1و 2) به ژل تبدیل می شود. ٢٠ شکل 4- واکنش هاي سل- ژل پس از تشکیل ژل نانوذرات اکسیدي در آن به دام افتاده و نمی توانند بیشتر رشد کنند. حال باید ژل را خشک کرد که براي محلول الکلی می تواند با سوختن الکل انجام پذیرد. پس از خشک کردن ژل آنرا پودر می کنند و پودر حاصله را جهت کلسینه شدن در هوا حرارت می دهند. روش سل- ژل روش ارزانی است و به دلیل دماي پایین واکنش می توان کنترل مناسبی بر ترکیب شیمیایی محصولات داشت. سل- ژل می تواند در فرآیند ساخت سرامیک ها به عنوان مواد در قالب استفاده شود یا به عنوان حد واسط فیلم هاي خیلی نازك اکسیدهاي فلزي براي فرآیندهاي مختلف استفاده شود. مواد حاصل از سیستم سل- ژل می تواند در کاربردهاي متفاوت نوري (اپتیک)، دارویی و تکنولوژي جداسازي (مثل کروماتوگرافی)به ،( Bio) الکترونیک، انرژي، سطح، سنسورهاي بیو کار برده شود. 4. چگالش از بخار این شیوه یکی از اولین روش هاي تولید نانوذرات است و هنوز هم براي تولید بعضی نانوذرات فلزات فعال همچون آلومینیم تنها روش به شمار می رود. در این روش ماده مورد نظر به کمک حرارت مستقیم، پالس لیزر و یا بیم الکترون در خلاء تبخیر شده و روي یک دیواره خنک چگالیده می شود و از روي آن جمع آوري می شود. معمولاً به این روش نانوذراتی زیر 10 نانومتر حاصل می شود و از این لحاظ هیچ روشی را نمی توان با چگالش از بخار مقایسه کرد. ٢١ شکل 5- شماي دستگاه چگالش از فاز بخار تولید شده ( 5نانو متر) به روش چگالش از فاز بخار TiO نانوذرات 2 TEM شکل 6-تصویر CVD -5 یکی از فرایندهاي کنترل شده است که توسط تولید کننده هاي ادوات الکترونیک براي CVD فرایند لایه نشانی نیمه هادي ها گسترش یافت. علارغم اینکه نانوفناوري تمایل دارد از روش هاي ارزان قیمت تولید می شوند که مهمترین آنها CVD شیمی تر بهره بگیرد، اما بعضی نانوذرات بصورت صنعتی با الماس است. ٢٢ در 1100 درجه HWCVD شکل 7- نانو و میکرو ذرات الماس تولید شده با همراه با مقدار زیادي CH ترکیب حاوي کربن مثلاً 4 HWCVD بطور نمونه در فرایند تولید الماس با هیدروژن اضافی وارد محفظه واکنش می شود و با قرار گرفتن در مجاورت زیرلایه با دماي 1000 تا 1400 درجه در اثر گرما کافت تولید کربن جامد کریستاله می کنند. شکل 8- فرایند شماتیک تولید نانوذرات الماس ٢٣ تاثیر محیط و فاز تولید نانوذرات معمولاً، نانوذرات فلزي به دلیل فعالیت شدیدشان، به صورت ذرات جدا و بدون اندرکنش با محیط تنها در خلاء میتوانند وجود داشته باشند .اما نمونه اي از ذرات نقره در اندازههاي متفاوت نشان داد که خواص نوري، در خلاء و چگالش در محیط آرگون با دماي پایین، یکسان است. بر مبناي این نتایج استنتاج می شود فرایندهاي رسوبگذاري اثري روي شکل و هندسه خوشهها ندارند. براي نانوذرات بهدستآمده در فاز مایع یا بر روي سطح جامد وضعیت متفاوت است. در فاز مایع، شکلگیري یک هسته فلزي از اتمها، همراه با اندرکنش ذرات و محیط است. اندرکنش این دو به عوامل زیادي بستگی دارد که مهمترین آنها دما و نسبت واکنشگر است. اندرکنش اتمها و خوشههاي فلزي با یک سطح جامد نیز یک پدیده پیچیده است. فرایند به خواص سطح (صافی سطح تک بلورهاي و ناهمواري سطح و سطوح مساعد جاذبهاي سطحی مختلف) و انرژي ذراتی که باید رسوب کنند، بستگی دارد. کاربردهاي نانوذرات 1. حافظه هاي مغناطیسی این قابلیت را دارند که با چیده شدن کنار هم پیکسل Ni و Co ،Fe نانوذرات فلزي به ویژه ترکیبات هاي یک حافظه با چگالی بالا و حجم فیزیکی کم بدست آید. بدلیل کوچک بودن نانوذرات همسانگردي کمتر در آنها رخ می دهد لذا از گم شدن اطلاعات که معمولاٌ در اثر حرارت رخ می دهد در این ادوات خبري نیست و امنیت اطلاعات را به عهده خواهند داشت. (DMS) 2.نیمه هادي هاي نیمه مغناطیسی این نیمه هادي ها علاوه بر کنترل حامل هاي بار (الکترون-حفره) قادرند حالت اسپین کوانتمی را استفاده کنند .در گذشته (RAM کنترل کنند که در اسپینترونیک و بویژه در اسپین ترانزیستور (انواع مانند ) II-VI 0.14 ) انجام می شد اما امروزه نیمه هادي هاي گروه ev مطالعه روي مگنتیت (گاف آلوده شدند، بسیار (Mn و Co ،Fe که با فلزات واسطه (همچون (CdS و CdSe ،ZnSe ،CdTe مورد توجه هستند. امروزه دامنه تحقیقات از این هم فراتر رفته از نانوذرات براي آلایش نیمه هادي بهره می گیرند. ٢۴ 3.تصویر برداري هاي پزشکی با عامل دار کردن سطح نانو ذرات می توان آنها را وادار کرد در بافت خاص مثلاً سرطانی تجمع کنند و این امر اطلاعات مناسبی جهت درمان در اختیار پزشک می گذارد. 4. کاتالیستهاي جدید و بسیار فعال بسیاري از مواد در بصورت نانوذرات خواص کاتالیستی فوق العاده از خود نشان می دهند. مثلاً فلزاتی مثل طلا و پلاتین که جزء فلزات نجیب به شمار می روند و به راحتی در واکنشها شرکت نمی کنند، در ابعاد نانو فعال شده و از مهمترین کاتالیست ها به شمار می روند. سایر کاتالیست ها نیز بصورت نانوذرات خواص بهبود یافته از خود نشان می دهند. علاوه بر بهبود خواص کاتالیستی سطح زیادي که نانوذرات فراهم می کنند بازده فرایندهاي شمیایی را تا چند برابر افزایش می دهد و مواد مورد استفاده جهت کاتالیست را کاهش می دهد. و سایر نانو سیم ها CNT 5.کاتالیست سنتز بدلیل نبود کاتالسیت وجود نداشت. زیرا سطح مقطع این CNT در گذشته امکان تولید نانو سیم و ساختار شدیداً از اندازه کاتالیست آن متاثر است. اما نانو کاتالیست ها سطح مقطع مناسبی براي تولید این نانوساختارها فراهم می کنند. تکنیک هاي مختلفی براي تولید نانو کاتالیست وجود دارد که یک روش آن لایه نشانی نانو ذرات فلزي است. 6.منابع و سنسور هاي نوري نقاط کوانتمی به انرژي کمتري براي تهییج نیاز دارند و اصطلاحاً آستانه تحریک پایین تري از حالت بالک دارند. لذا در منابع نوري بازده بالاتر و در سنسور ها حساسیت بیشتري به دست می دهند. مهمترین خاصیت نقاط کوانتمی این است که می توان طول موج نور خروجی یا نور قابل دریافت را از طریق اندازه نقاط کوانتمی تنظیم کرد. 7.حامل هاي دارویی با اصلاح نانوذرات آنها می توانند بافت آسیب دیده شناسایی و با قرار گرفتن در مجاورت آن دارو را به آن تحویل نمایند. همچنین کنترل مغناطیسی نانوذرات حاوي دارو از بیرون بدن و ایجاد تجمع در محل مورد نظر امکان پذیر است. ٢۵ یک بعدي نانوساختار هاي ت

جزوه نانو

مطالب مشابه :

بررسی و معرفی کتاب های کنکور

روش درس خوندن برا کنکور

کرم خاکی earth worm

تعیین جنسیت فرزند قبل از بارداری

سوالات متداول دانش آموزان از دوران طلائی و پاسخ مشاور

دختر ماه اسفند...

جزوه نانو