کنفرانس دانشجویی

شکل 2- درک افزایش سطح نانوذرات با کوچک شدن به کمک یک سیب زمینی

وقتی که ذره ای بسیار کوچک شود سطح اهمیت بیشتری می یابد. برای مثال اگر مکعبی به اضلاع یک متر را درنظر بگیرید مساحت آن 6 متر مربع و حجمش یک متر مربع است. تصور کنید همین مکعب نصف شود. سطح آن بیشتر شده، در حالی که حجم تغییر نکرده است. می توان این کار را بارها و بارها تکرار کرد و ملاحظه نمود همینطور سطح زیاد می شود و حجم ثابت است. در این سیر خواص وابسته به سطح پررنگ تر می شوند.
بنابراین به طرق مختلف خواص ذراتی مانند نانوذرات از ذرات بزرگتر فرق خواهد کرد. دو خاصیت مهم از نانوذرات که در این مقیاس افزایش می یابد خاصیت کاتالیستی و خاصیت اصطکاکی است. وقتی از جامدی به عنوان کاتالیست استفاده می شود، واکنشها در سطح کاتالیست صورت می گیرد، بنابراین با افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات، آنها می توانند کاتالیستهای موثرتری باشند.
در یک مساحت بالا، خواص سطحی مانند اصطکاک تاثیر بالاتری می گیرند. برخی سطوح صاف به نظر می رسند ولی در مقیاس های اتمی ناهموار هستند. بنابراین وقتی ذرات نانومتری به هم می چسبند، سطوح تماسی و تنش های بین آنها به شدت افزایش پیدا می کند. نمونه ای از این تاثیرهای سطحی را می توان در گکو مشاهده کرد. گکوها پاهایی دارند که در نهایت به آنها اجازه می دهد از دیوار صاف بالا بروند.
 

 شکل 3- گکوهای صخره نورد

مساحت سطحي زياد نانوذرات باعث برهمکنش بالای مواد مخلوط‌شده در نانوكامپوزيت‌ها مي‌شود و خواص ويژه‌اي همچون افزايش استحكام يا افزايش مقاومت حرارتي يا شيميايي را موجب مي‌شود.
دسته بندی های زیادی از نانوذرات وجود دارد، در برخی از این دسته بندی ها نانولوله یا صفحات رس هم جای گرفته اند، اما بهتر آن است که تعریف دقیق تری از نانوذرات داشته باشیم.
در فناوری نانو، ذره به عنوان شی کوچکی معرفی می شود که مانند یک واحد مستقل، خواصی مجزا و متفاوت از ذرات با ابعاد بزرگتر دارد. یکی از تقسیم بندی های صورت گرفته روی ذرات (بر اساس ابعاد) آنها را به ذرات ریز در محدوده 100 تا 2500 نانومتر و ذرات فوق ریز بین 1 تا 100 نانومتر تقسیم می کند. نانوذرات مانند ذرات فوق ریز بین محدوده 1 تا 100 نانومتر قرار دارند. این نانوذرات خواصی وابسته به سطح از خود نشان می دهند که کاملاً متفاوت با خواص سطح ذرات ریز یا حجیم با ابعاد بزرگتر از ابعاد نانومتری است. ابعاد خیلی از مولکولها در محدوده ابعاد نانوذرات (1 تا 100 نانومتر) قرار می گیرد. با این حال هیچگاه به یک مولکول تنها، صرف مولکول بودنش یک نانوذره اطلاق نمی شود.
اصطلاحات دیگری نیز برای نانوذرات استفاده می شود؛ نانوخوشه، نانوپودر، نانوکریستال و... . نانوخوشه ها، خوشه هایی از اتمها در ابعاد نانومتری هستند که حداقل در یک بعد بین 1 تا 10 نانومتر قرار دارند و ذرات مختلف آنها دارای ابعاد نزدیک به هم هستند. نانوپودرها ذرات بسیار ریز نانوذرات یا نانوخوشه های به هم چسبیده هستند. نانوذرات نیمه رسانا در ابعاد 1 تا 20 نانومتر معمولاً نقاط کوانتومی یا نانوکریستال نامیده می شوند. این ذرات ساختارهای کوچکی دارند که مشابه نیمه رساناهای حجیم معمول است اما خواص الکتریکی و نوری بسیار متفاوتی از این مواد حجیم دارند؛ به واسطه این خصوصیات، نانوذرات امکان استفاده در بسیاری از کاربردهای پزشکی و دارویی، نوری و الکترونیکی و شیمیایی و ... را پیدا می کند.

 شکل 4- قطرات آب روي سطح شیشه. اين سطح حاوي تركيب نانوذرات با پليمرهاي آبگريز است.

به محض آن كه ذرات به اندازه كافي كوچك شوند، شروع به بروز دادن رفتار مكانيك كوانتومي مي‌كنند. خواص نقاط كوانتومي مثالي از اين دست است. اين نقاط گاهي اتم‌هاي مصنوعي ناميده مي‌شوند؛ چون الكترون‌هاي آزاد آنها مشابه الكترون‌هاي محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال مي‌كنند.
قاعدتاً به خاطر آنکه نانوذرات از ابعاد طول موج نوری کوچکترند، با ابزارهای نوری دیده نمی شوند. اين خاصيت باعث شده است تا حضور نانوذرات در بسته‌بندي های پلاستیکی، کرم های پوستی و روكش‌ها تغییر ظاهری در محصول اصلی نگذارد.
اگر چه نانوذرات از دستاوردهای علوم نوین به شمار می روند، اما تاریخچه آنها بسیار طولانی است. برخی از آثار قدیمی که در آنها نانوذرات استفاده شده است به قرن چهارم و نهم میلادی برمی گردد. در دوران عباسیان در منطقه بین النهرین مردم عراق ظروف و سفالهای دستی زیبایی می ساخته اند که در آن نانوذره بود. ظروف به جا مانده از قرون وسطی و رنسانس نیز ظاهر درخشنده فلزی از لعاب رنگ شده طلایی یا مسی دارند. محققان دریافته اند که این درخشش ناشی از فیلمهای (لایه های بسیار نازک) فلزی است که در لعاب شفاف ظرف استفاده می شود. اگر این فیلم در برابر تغییرات جوی و سایر آثار محیطی مقاوم باشد این درخشندگی همچنان حفظ خواهد شد. این درخشندگی از خود فیلم که حاوی نانوذرات نقره و مس است، نشات می گیرد. در برخی ظروف، رنگ زرد ناشی از حضور نانوذرات نقره و رنگ قرمز ناشی از حضور نانوذرات طلا تشخیص داده شده است. این نانوذرات به شکل یکنواختی در داخل لعاب شیشه ای پخش شده اند. این فیلمها با افزودن نمکهای مس و نقره و اکسیدها با سرکه و خاک سرخ و رس، توسط کوزه گران ایجاد می شد. شی ساخته شده در داخل کوره قرار می گرفت و در یک محیط کاهش دهنده تا 600 درجه سانتیگراد حرارت می دید. در حرارت لعاب نرم می شد و یونهای نقره و مس را به ناحیه بیرونی لعاب هدایت می کرد. این محیط یون فلزات را کاهش داده (به آنها الکترون می داد) و به حالت فلزی برمی گرداند. وقتی که این نانوذرات در کنار هم قرار می گیرند تاثیر نوری و رنگی مورد نظر را ایجاد می کنند. اطلاع از این فنون نشان می دهد که هنرمندان و آهنگران گذشته اطلاعات بسیار پیشرفته ای در مورد علم مواد داشته اند.
در جامی رومي موسوم به جام ليكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌هاي متفاوتي از جام برحسب نحوة تابش نور (از تو يا بیرون) پديد آيد. با اذعان بر مهارت فوق العاده ای که در ساخت این محصولات وجود داشته باید گفت که علت چنين تاثیراتي برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است، چون امکان ندارد که آنها ابعاد نانومتری و حتی میکرومتری را بدون ابزار ببینند.

شکل 5- جام لیکرگوس 

شکل 6- نانوذرات درون جام لیکرگوس

كربن بلک مشهورترين مثال از يك ماده نانوذره‌اي است كه ده‌ها سال به طور انبوه توليد شده است. حدود 5/1 ميليون تن از اين ماده در هر سال توليد مي‌شود. البته نانوفناوري راهي براي استفادة آگاهانه و آزادانه از طبيعت نانومقياس ماده است و كربن بلك‌هاي مرسوم نمي‌توانند برچسب نانوفناوري را به خود بگيرند. با اين حال قابليت‌هاي توليد و آناليز جديد در نانومقياس و پيشرفت‌هاي ايجادشده در درك نظري رفتار نانومواد مي‌تواند به صنعت كربن بلك كمك نمايد.
نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند؛ معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي مي‌باشد، كه به بخش سراميك‌هاي اكسيد فلزي- نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن- نانوذرات سيليكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقياس خاك رس مي‌باشند، تقسيم مي‌شوند. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد آنها كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازة يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشيد كه چنين ذرات كوچكي در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسيلة نيروهاي الكتروستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند).
نانوذرات سيليكاتي كه در حال حاضر مورد استفاده قرار مي‌گيرند ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پيش از اين توليد مي‌شده‌اند. نانوذرات مي‌توانند با پليمرها تركيب شوند و یک نانوکامپوزیت پلیمری را بسازند.
 

شکل7- نانوذرات سیلیکا

نانوذرات فلزي خالص مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب فلز در حالت حجیم، با یک جامد آميخته شوند.
نانوذرات سراميكي ( یعنی نانوذراتی مانند سیلیکا و آلومینا که عناصر موجود در سنگها و خاک ها را در بر دارند) مانند نانوذرات فلزي ، مي‌توانند در دماهاي كمتر از دماي حالت حجیم(ماکرومتری) خود به شکل جدیدی در آیند.
اگر چه نانوذرات سراميكي اكسيد فلزي، فلزي و سيليكاتي با كاربردهاي كنوني و پيش‌بيني شده بخش اعظم نانوذرات را تشكيل مي‌دهند، اما نانوذرات ديگري نيز وجود دارند. ماده‌اي به نام كيتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهنده‌هاي مو و كرم‌هاي پوست مورد استفاده قرار مي‌گيرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است که فرايند آن در اواخر سال 2001 ثبت شده است. اين نانوذرات جذب را افزايش مي‌دهند.