-
کاربر سایت
نانوذرات
با گذر از میكروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیكی روبرو میشویم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم كه بهتدریج با كاهش اندازه ذره رخ میدهد، باعث غلبهیافتن رفتار اتمهای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی میشود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی كلیدی در كاركرد كاتالیزورها و ساختارهایی همچون الكترودها- یا افزایش كارآیی فناوریهایی همچون پیل سوختی و باتریها- میباشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط شده در نانوكامپوزیتها میشود و خواص ویژهای همچون افزایش استحكام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب میشود.
از مكانیك كلاسیك به مكانیك كوانتومی به صورتی ناگهانیتر رخ میدهد. به محض آن كه ذرات به اندازه كافی كوچك شوند، شروع به رفتار مكانیك كوانتومی میكنند. خواص نقاط كوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتمهای مصنوعی نامیده میشوند؛ چون الكترونهای آزاد آنها مشابه الكترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال میكنند.
علاوه بر این، كوچكتربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف مینماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بستهبندی، مواد آرایشی و روكشها مناسب باشند.
برخی از خواص نانوذرات با درك افزایش اثر اتمهای سطحی یا اثرات كوانتومی بهراحتی قابل پیشبینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است كه «نانوكرههای» بهخوبی شكلیافتة سیلیكون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نهتنها سختتر از سیلیكون میباشند بلكه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار میگیرند.
نانوذرات از زمانهای بسیار دور مورد استفاده قرار میگرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعابهای چینی سلسلههای ابتدایی چین بوده است. در یك جام رومی موسوم به جام لیكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگهای متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.
كربن بلك مشهورترین مثال از یك ماده نانوذرهای است كه دهها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید میشود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و كربن بلكهای مرسوم نمیتوانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیتهای تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفتهای ایجادشده در درك نظری رفتار نانومواد- كه قطعاً به معنای نانوفناوری است- میتواند به صنعت كربن بلك كمك نماید.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته میشوند؛ معمولترین آنها نانوذرات سرامیكی میباشد، كه به بخش سرامیكهای اكسید فلزی- نظیر اكسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقیاسی خاك رس میباشند، تقسیم میشوند. طبق تعریف حداقل باید یكی از ابعاد آنها كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیكی فلزی یا اكسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یكسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشید كه چنین ذرات كوچكی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الكتروستاتیك به یكدیگر چسبیده و به شكل پودر بسیار ریزی رسوب میكنند).
نانوذرات سیلیكاتی كه در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سالها پیش از این تولید میشدهاند، معمولترین نوع خاك رس كه مورد استفاده قرار میگیرد مونتموریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیكات لایهای میباشد. نانوذرات میتوانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یك پلاستیك مذاب) با پلیمرها تركیب شوند. برای پلاستیكهای ترموست این یك فرآیند یك طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محكم و سفت میشوند و نمیتوانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیكها میتوانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.
نانوذرات فلزی خالص میتوانند بدون اینكه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائینتر از دمای ذوب ذرات بزرگتر، وادار به آمیخته شدن با یك جامد شوند؛ این كار منجر به سهلتر شدن فرآیند تولید روكشها و بهبود كیفیت آنها، خصوصاً در كاربردهای الكترونیكی نظیر خازنها، میگردد. نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی نیز میتوانند در ایجاد لایههای نازك- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.
نانوذرات سرامیكی نیز میتوانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای كمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد تودهای تبدیل شوند و هزینة ساخت را كاهش دهند. سیمهای ابررسانا از نانوذرات سرامیكی ساخته میشوند؛ چون در حالی كه مواد سرامیكی متعارف بسیار شكننده هستند، مواد سرامیكی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطافپذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکشهای نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیکهای نانوبلورین استفاده می کند.
اگر چه نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی، فلزی و سیلیكاتی با كاربردهای كنونی و پیشبینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشكیل میدهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. مادهای به نام كیتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهندههای مو و كرمهای پوست مورد استفاده قرار میگیرد، از نانوذرات ساخته شده است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش میدهند.
روشهای تولید
برای تولید نانوذرات روشهای بسیار متنوعی وجود دارد. این روشها اساساً به سه گروه تقسیم میشوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب كردن. پس از تولید میتوان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.
چگالش بخار
از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیكی فلزی و اكسید فلزی استفاده میشود. این روش شامل تبخیر یك فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشكیل خوشههای نانومتری است كه به صورت پودر تهنشین میشوند. از روشهای مختلفی میتوان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی كه امكان تبخیر را به وجود میآورد، طبیعت و اندازة ذرات را تحت تأثیر قرار میدهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اكسیداسیون از گازهای بیاثر استفاده میشود، حال آنكه برای تولید نانوذرات سرامیكی اكسیدفلزی از اكسیژن هوا استفاده میشود. مهمترین مزیت این روش میزان كمی آلودگی است. در نهایت اندازة ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر كنترل میشود.
یك روش كه شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است كه از آن توسطArgonide استفاده میكند. به خاطر اینكه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشههای فلزی تبدیل شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال میشود (مشابه دمیدن با یك مفتول به درون حباب شیشهای مذاب). این كار در یك گاز بیاثر انجام میشود كه سریعاً ذرات را فرو مینشاند.
نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلأ بر روی مایعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در این روش از فیلم نازكی از مواد نسبتاً ویسكوز- یك روغن یا پلیمر- در یک استوانة دوار استفاده میشود. در این دستگاه، خلأ ایجاد میشود و فلز مورد نظر در خلأ تبخیر یا پراكنده میشود؛ ذرات معلقی كه در مایع تشكیل میشوند، میتوانند به اشكال مختلفی رشد یابند.
توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) كه عموماً برای تولید فیلمهای نازك در صنعت مدارات مجتمع به كار میرود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شكل مایع و گاز در یك رآكتور قرار داده میشود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوة افزایش گاز و مایع، دما و زمان حرارتدهی) اشكال مختلفی از ذرات را میتوان تولید كرد. همسانبودن نانوذرات در برخی از كاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسكهای ذخیره داده لازم است همه آنها هماندازه باشند. این شركت فرآیند خود را با اكسید تیتانیوم آزمایش كرده و نانوكرههایی با ابعاد nm100-1 پدید آورده است. همچنین با پوششدادن یكی از آنها با چندین ذره، خوشهای از ذرات را ساخته است.
سنتز شیمیایی
عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یك واسطة مایع، حاوی انواع واكنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط كوانتومی نیز استفاده میشود. به طور كلی برای كنترل شكل نهایی ذرات، روشهای شیمیایی بهتر از روشهای چگالش بخار هستند. در روشهای شیمیایی، اندازة نهایی ذره را میتوان یا با توقف فرآیند در هنگامی كه اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشكیلدهندة ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یك اندازة خاص، كنترل نمود. این روشها معمولاً كم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی میتواند یك مشكل باشد و میتواند یكی از استفادههای رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روكشهای سطحی، را دچار مشكل نماید.
فرآیندهای حالت جامد
از روش آسیاب یا پودر كردن میتوان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع مادة آسیابكننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار میگیرد. از این روش میتوان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود كه در دو روش قبلی به آسانی تولید نمیشوند. آلودگی حاصل از مواد آسیابكننده خود میتواند یك مسئله باشد.
پیشرفتهای روشهای تولید
هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوریهای پیشرفته- همچون صنعت كامپیوتر و داروسازی- توسعه مییابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شكل تعریفشده در مقیاس انبوه و قیمت اندك افزایش مییابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوریهای تولیدی موجود و پیشرفت روشهای تولیدی نوین میگردد.
در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی كردهاند. فرآیندهای تهنشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریك میگردد. گازها در بالای فشار بحرانی (Pc) و دمای بحرانی (Tc) به سیالات فوق بحرانی تبدیل میشوند. SCFها واجد خواصی مابین گاز و مایع میباشند. عموماً به دلیل شرایط نسبتاً ملایم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده میشود. ضمن آنكه مشكلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یك راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوطنمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یك نمك فلزی در CO2 فوق بحرانی است. این فرآیند به تولید میكروامولسیونها منجر میشود كه در زمرة نانورآكتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به شمار میروند.
روشهای تولید نوین دیگری نیز گزارش شدهاند، كه بر استفاده از امواج مایكرویو، مافوق صوت، و تقلید از طبیعت استوارند.
به دلیل قابلیت سیستمهای طبیعی در خلق نانوساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایسته امعان نظرند. برخی از باكتریها میتوانند نانوذرات مغناطیسی یا نقرهای را بسازند. از پروتئینهای باكتریایی برای رشد مگنتیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلولهای مخمر میتوانند نانوذرات سولفید كادمیوم را ایجاد كنند. بهتازگی محققان هندی قارچی را یافتهاند كه میتواند نانوذرات طلا را خلق كند. عدهای در آمریكا از پروتئینهای ویروسی برای خلق نانوذرات نقرة دارای شكلهای جذاب استفاده كردهاند. پیوستگی بین راهكارهای تقلیدگرایانه از طبیعت و سنتز شیمیایی با حلقة میانی ماكرومولكولهایی همچون درختسانها تكمیل میشود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف كربنات كلسیم- یك ماده كلیدی در سیستمهای زیستی- استفاده شده است.
Sumitomo Electric اخیراً یك فرآیند رسوبدهی الكتریكیای را توسعه داده است كه طی آن یونهای فلزی در یك حلال آبی حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزی احیا میشوند. این شركت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهكارهای رسوبدهی شیمیایی بخار بسیار اقتصادی و بهصرفه است. روكش دهی و اصلاح شیمیایی
روكشدهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانوذرات شیوهای رایج و زمینهای است كه نوآوریهای جدید و ارزشمندی را ارائه میدهد.
نانوذرات سیلیكات(سیلیكاتها یا اكسیدهای سیلیكون نیز سرامیك هستند) برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند؛ مثلاً با یونهای آمونیوم یا مولكولهای بزرگتر نظیر سیلسزكیوكسانهای الیگومریك چندوجهی (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، كه هم برای روكشدهی نانوذرات سیلیكات و هم به عنوان پركنندة روی خودشان مناسب هستند. POSS حاوی یك هستة معدنی (سیلیكون- اكسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، كه این گروهها نوعاً دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و میتوانند به آسانترشدن پیوند پلیمرها به یكدیگر كمك كنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیستمواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقهبندی میشوند.
فروسیالات، كه در اوایل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به كوچكی 10 نانومتر استفاده میكنند كه با یك مادة پایداركننده همانند گرافیت پوشانده میشوند و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق میشوند. هر ذره، آهنربای كوچكی است كه یك میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد میكند و اجازة كنترل فشار، ویسكوزیته، هدایت الكتریكی، هدایت گرمایی و ضریب انتقال نور را در سیال میدهد. جذب انرژی از محیط به صورت حرارت میباشد و لذا این سیالات را میتوان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.
-
کلمات کلیدی این موضوع
مجوز های ارسال و ویرایش
- شما نمیتوانید موضوع جدیدی ارسال کنید
- شما امکان ارسال پاسخ را ندارید
- شما نمیتوانید فایل پیوست کنید.
- شما نمیتوانید پست های خود را ویرایش کنید
-
مشاهده قوانین
انجمن