درباره نانو ذرات بیشتر بدانیم

نانوذرات رايج‌ترين عناصر در علم و فناوري نانو بوده و خواص جالب‌توجه آنها باعث گرديده است کاربردهاي بسيار متنوعي در صنايع شيميايي، پزشکي و دارويي ، الکترونيک و کشاورزي داشته باشند. با توجه به ترکيب شيميايي، اين ذرات به انواع فلزي، سراميکي، پليمري و نيمه‌هادي تقسيم مي‌شوند.
سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد نظير آسياب كردن و چگالش بخار روش‌هاي معمول براي ساخت نانوذرات هستند. کنترل فرايند توليد براي رسيدن بهنانوذرات با خواص مناسب امري بديهي است، در همين راستا تعيين مشخصات نانوذرات با روش‌هاي آناليز ميکروسکوپي، ساختاري و تعيين اندازه وسطح و... بررسي مي‌شود.

۱. نانو ذرات

تصوير TEM ذرات کبالت (10nm)

تعريف:

يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد. نانوذرات علاوه‌بر نوع فلزي، عايقها و نيمه هادي‌ها، نانوذرات ترکيبي نظير ساختارهاي هسته‌لايه را نيز در بر مي‌گيرند. همچنين نانوكره‌ها، نانوميله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته ميشوند. نانوذرات در اندازه‌هاي پايين نانوخوشه به حساب مي‌آيند. نانوبلور‌ها و نقاط‌كوانتومي نيمه‌هادي نيز زيرمجموعه نانوذرات هستند. چنين نانوذراتي در كاربردهاي بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوير‌برداري استفاده مي‌شوند.
کاربردها:
گوناگوني مواد نانوذره‌اي به اندازه تنوع كاربرد‌هاي آنها است، زمينه‌هايي كه نانوذرات كاربرد دارند، عبارتند از:

مواد كامپوزيت
كامپوزيت‌هاي ساختاري
كاتاليزور
بسته‌بندي
روكش‌ها
افزودني‌هاي سوخت و مواد منفجره
ساينده‌ها

کاربرد نانوذرات در باتري‌ها وپيل‌هاي سوختي
روان‌كننده‌ها
پزشكي و داروسازي
دارو رساني
محافظت‌كننده‌ها
آناليز زيستي و تشخيص پزشكي
لوازم آرايشي

روش‌هاي ساخت:
براي توليد نانوذرات روش‌هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش‌ها اساساً به سه گروه تقسيم مي‌شوند كه در ذيل به شرح هر يك مي پردازيم:

چگالش از يک بخار: روش چگالش از يک بخار شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه‌هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته‌نشين مي‌شوند. مهمترين مزيت اين روش ميزان كم آلودگي است. در نهايت اندازه ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي‌شود. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان (VERL ) و روش سيم انفجاري جزء روش‌هاي چگالش از يک بخار محسوب مي شود.
سنتز شيميايي: استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك محيط مايع حاوي انواع واكنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنين روشي است، در روش‌هاي شيميايي اندازه نهايي ذره را مي‌توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازه مطلوب به دست آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازه ‌خاص كنترل نمود. اين روش‌ها معمولاً‌ كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي‌تواند يك مشكل باشد.
فرآيندهاي حالت جامد: از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي‌توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع ماده آسياب‌كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي‌گيرد. از اين روش مي‌توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي‌شوند

تعيين مشخصات:
تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز و كاربرد آنها ضروري است. خواص اين تركيبات با استفاده از روش‌‌هاي گوناگوني نظير: ميكروسكوپ‌هاي الكتروني، AFM، طيف‌سنجي فوتوالكترون، Xray و FT-IR و همچنين‌ روش‌هاي تعيين اندازه و سطح ويژه ذرات سنجيده مي‌شود.
نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند، معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي و پليمري و نانوذرات نيمه‌رسانا هستند.

۲. متداولترین نانو ذرات

نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي )
- تعريف:
  نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور نيمه‌رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون خوانده مي‌شود) را درسه بعد در برمي‌گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي‌شود. در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم موقعيت‌هاي گسسته‌اي از انرژي را اشغال‌ مي‌كنند. به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي‌شود. در مقايسه با سيم كوانتمي که در دو بعد و لايه‌هاي كوانتومي در يک بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند. همچنين اين ترکيبات به دليل بازده كوانتومي بالا در مصارف اپتيكي كاربرد زيادي دارند.
- کاربردها:
  نقاط كوانتومي نيمه‌هادي با تحريك الكتريكي يا توسط گستره وسيعي از طول موج‌ها در فركانس‌هاي كاملاً مشخصي به فلورسانس مي‌پردازند، ‌به اين شكل كه فركانسي از نور را جذب كرده و در فركانسي مشخص- كه تابع اندازه آنهاست- به نشر نور مي‌پردازند. اين ذرات همچنين مي‌توانند بر حسب ولتاژ اعمال‌شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي كاربردهايي در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي‌دهند) و پيل‌هاي خورشيدي خواهد داشت.
  علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
  كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از:
  - ليزرهاي داراي طول موج‌هاي بسيار دقيق
  - كامپيوترهاي كوانتومي
  - نشانگرهاي زيستي
- روش‌هاي ساخت:
  سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، که يكي از روش‌ها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واکنش است.
  در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيمه‌هادي يا در نزديك آن پديد مي‌آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري که در دو بعد نانو باشد) استفاده مي‌شد، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذکور حكاكي صورت مي‌گيرد.
  در روش سوم، با رسوب‌دهي يك ماده نيمه‌رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيمه‌هادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش ) نقاط «خودآراشده» رشد داده مي‌شوند.
نانوذرات سراميکي
- تعريف: معمول‌ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك‌هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات‌ها يا اكسيد‌هاي سيليكون نيز سراميك هستند)، که عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس، تقسيم مي‌شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد نانوذرات كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازه يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر دارند که به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند. نانوذرات سيليكاتي ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول‌ترين نوع خاك رس که نانوذرات سيليكاتي هستند مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي مي‌باشد
- کاربردها: وقتي اندازه نانوذرات كاهش مي‌يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي قوي‌تر ‌شده و خواص کاتاليستي افزايش مي‌يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان کاتاليزور در زمينه‌هايي نظير باتري‌ها، پيل‌هاي سوختي و انواع فرآيند‌هاي صنعتي قابل استفاده هستند. بيشتر بودن سهم اتم‌ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را تغيير مي‌دهد مثلا سراميك‌هايي كه به طور عادي شكننده‌اند، نرم‌تر مي‌شوند.
  سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر حلاليت را افزايش مي‌دهد، براي مثال قدرت تركيبات ضد باكتري را بهبود مي‌بخشد.
  اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در کارايي و کاربرد آنها دارد. ايجاد خواص آبدوستي وآبگريزي جزء روش‌‌هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي‌شوند. براي نمونه، نانوذرات سيليكاتي براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي‌توان با استفاده از يون‌هاي آمونيوم يا مولكول‌هاي بزرگتري نظير سيلسزكيوكسان‌هاي اليگومريك چند وجهي (POSS )، كه هم براي روكش‌دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد.
  مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي با پليمريزاسيون يا به وسيله آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب‌توجهي را حاصل مي‌آورند.
- روش‌هاي ساخت: نانوذرات سراميکي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست ميآيند.
  - نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي
    
    نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف
    - تعريف: نانوکامپوزيت نانوذره‌اي سراميکي ترکيبي است که در آن نانوذرات سراميکي در داخل يک زمينه پليمري توزيع شدهاند.
    - خواص وکاربردها: استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزيتي مي‌تواند استحكام آنها را افزايش و يا وزن آنها را كاهش دهد، ‌مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را زياد کند، خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بيفزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگر تشعشعات را تغيير دهد. يكي از خواص كامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي سراميکي در صنعت بسته‌بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است. اين خاصيت ناشي از شكل دانه‌اي نانوذرات است كه مولكول‌ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم‌هاي ماده مي‌نمايند. پركننده‌هاي سيليكات دانه‌اي نيز مي‌توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن صرفاً در يك جهت به دو جهت تغيير دهند.
      هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك‌رس) به عنوان پركننده در پلاستيك‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با پراكنده‌سازي تنش‌ها استحكام فوق‌العاده‌اي را به وجود مي‌آورند، ‌آب‌رفتگي، تاب برداشتگي (در كامپوزيت‌هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي‌يابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شيميايي افزايش ‌يافته، بازيافت اين مواد آسانتر مي‌شود. پركننده‌هاي خاك‌رس با مقدار پركننده‌كمتري نسبت به پركننده‌هاي معمولي، استحكام را افزايش مي‌‌دهد. مثلاً با افزايش 5 درصداز پركننده‌هاي نانورُس به كامپوزيت‌ها همان نتيجه‌اي حاصل مي‌شود، كه با افزايش 20 درصد از پركننده‌هايي همچون الياف شيشه‌اي به دست مي‌آيد. همچنين ميزان پركننده را مي‌توان بدون تغيير در خاصيت چكش‌خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با پركننده‌هاي متعارف ممكن نيست.
نانوذرات فلزي :

نانوذرات آهن ساخته شده به روش چگالش گاز
- تعريف: طبق تعريف عمومي نانوذرات فلزي، ذراتي به ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.
- روش ساخت: نانوذرات فلزي با استفاده از روش‌هاي چگالش بخار و سيم انفجاري بدست ميآيند
- خواص و کاربرد: اين نانوذرات مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند ( تحت نام پخت) در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار منجر به سهل‌تر شدن فرآيند توليد روكش‌ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن‌ها مي‌گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده‌اي تبديل مي‌شوند و هزينه ساخت را كاهش مي‌دهند.
  - نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي
  - تعريف:
    نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي (باتوجه به خواصشان) با پليمر بدست مي‌آيند
    
    نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف
    
    خواص و کاربرد:
    اين نانوکامپوزيت‌ها، به دليل ممانعت خوبي که در مقابل تداخل الکترومغناطيسي به وجود مي‌آورند، مي‌توانند در رايانه و تجهيزات الکترونيکي به کار روند.
    نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي قابليت‌هاي ويژه‌اي در هدايت گرمايي والکتريکي دارند که کارايي آن‌ها را افزايش مي‌دهد.

درباره نانو ذرات بیشتر بدانیم

مطالب مشابه :

کاربرد آهن - آهن - تاريخچه آهن

تاریخچه آهن در ایران و جهان

عملیات فسفاته کاری

کاربرد آهنربا

تشریح دیاگرام فازی آهن - کربن

کاربرد روی

درباره نانو ذرات بیشتر بدانیم

اولین همایش تخصصی « کاربرد فیزیک ماده چگالی در صنعت » به صورت منطقه ای در واحد ایذه برگزار شد.

ورق آلیاژی

بررسي کاربرد نانو پودر آهن در تثبيت عناصر سنگين در خاک