up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله نانو مواد PDF
QR code - نانو مواد

نانو مواد

نانو مواد و دسته بندي آن ها

نانوفناوري، توانمندي توليد و ساخت مواد، ابزار و سيستم هاي جديد با در دست گرفتن کنترل در مقياس نانومتري يا همان سطوح اتمي و مولکولي، و استفاده از خواصي است که در اين سطوح ظاهر مي شوند. يک نانومتر برابر با يک ميلياردم متر (۱۰-۹ متر) مي باشد. اين اندازه ۱۸۰۰۰ بار کوچکتر از قطر يک تار موي انسان است. به طور ميانگين ۳ تا ۶ اتم در کنار يکديگر طولي معادل يک نانومتر را مي سازند که اين خود به نوع اتم بستگي دارد. به طور کلي، فناوري نانو، گسترش، توليد و استفاده از ابزار و موادي است که ابعادشان در حدود ۱-۱۰۰ نانومتر مي باشد.
فناوري نانو به سه سطح قابل تقسيم است: مواد، ابزارها و سيستم ها. موادي که در سطح نانو در اين فناوري به کار مي رود، را نانو مواد مي گويند. ماده ي نانو ساختار، به هر ماده اي که حداقل يکي از ابعاد آن در مقياس نانومتري (زير ۱۰۰ نانومتر) باشد اطلاق مي شود
● خواص نانو مواد
با گذر از مقياس ميکرو به نانو، با تغيير بر خي از خواص فيزيکي و شيميايي روبه رو مي شويم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومي.
افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم که به تدريج با کاهش اندازه ي ذره رخ مي دهد، باعث غلبه يافتن رفتار اتم هاي واقع در سطح ذره به رفتار اتم هاي دروني مي شود. اين پديده بر خصوصيات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر مي گذارد. افزايش سطح، واکنش پذيري نانو مواد را به شدت افزايش مي دهد زيرا تعداد مولکولها يا اتمهاي موجود در سطح در مقايسه با تعداد اتمها يا مولکولهاي موجود در توده ي نمونه بسيار زياد است، به گونه اي که اين ذرات به شدت تمايل به آگلومره(agglomeration) يا کلوخه اي شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزي، به محض قرار گيري در هوا، به سرعت اکسيد مي شوند. در بعضي مواقع براي حفظ خواص مطلوب نانومواد، جهت پيشگيري از واکنش بيشتر، يک پايدار کننده را بايستي به آنها اضافه کرد که آنها را قادر مي سازد تا در برابر سايش، فرسودگي و خوردگي مقاوم باشند.
البته اين خاصيت مزايايي هم در بر دارد. مساحت سطحي زياد، عاملي کليدي در کارکرد کاتاليزوها و ساختارهايي همچون الکترودها مي باشد. به عنوان مثال با استفاده از اين خاصيت مي توان کارايي کاتاليزورهاي شيميايي را به نحو مؤثري بهبود بخشيد و يا در توليد نانوکامپوزيت ها با استفاده از اين مواد، پيوندهاي شيميايي مستحکم تري بين ماده زمينه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزايش مي يابد. علاوه بر اين، افزايش سطح ذرات، فشار سطحي را کاهش داده و منجر به تغيير فاصله بين ذرات يا فاصله بين اتم هاي ذرات مي شود. تغيير در فاصله بين اتم هاي ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثير متقابلي در خواص ماده دارد. تغيير در انرژي آزاد سطح، پتانسيل شيميايي را تغيير مي دهد. اين امر در خواص ترموديناميکي ماده (مثل نقطه ذوب) تأثير گذار است.
به محض آنکه ذرات به اندازه کافي کوچک شوند، شروع به رفتار مکانيک کوانتومي مي کنند. خواص نقاط کوانتومي مثالي از اين دست است. نقاط کوانتومي کريستال هايي در اندازه نانو مي باشد که از خود نور ساطع مي کنند. انتشار نور توسط اين نقاط در تشخيص پزشکي کاربرد هاي فراواني دارد. اين نقاط گاهي اتم هاي مصنوعي ناميده مي شوند؛ چون الکترونهاي آزاد آنها مشابه الکترونهاي محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال مي کنند.
علاوه بر اين، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحراني نور، آنها را نامرئي و شفاف مي نمايد. اين خاصيت باعث شده است تا نانو مواد براي مصارفي چون بسته بندي، مواد آرايشي و روکش ها مناسب باشند.
مواد در مقياس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده اي از خود بروز مي دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نيز تغيير خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت تر و سراميک نرم تر مي شود دسته بندي نانو مواد مواد در مقياس نانو به دسته هاي زير قابل تقسيم مي باشد:
۱) نانو خوشه ها
۲) نانو پوشش ها
۳) نانو لايه ها
۴) نانو سيم ها
۵) نانو لوله ها
۶) نانو حفره ها
۷) نانو ذرات نانو خوشه ها:
در اوايل دهه ۸۰ ميلادي، دانشمندان فيزيک کشف کردند که اتم هاي گازي فلزي به شکل حباب هايي پايدار و با تعداد اتم هاي مشخصي، مجتمع مي شوند. در دهه ۹۰، آنها اثر مشابهي را در کار بر روي سطوح مشاهده کرده اند که اتم هاي گازي مي توانند به شکل خوشه هايي با اندازه هاي ويژه روي سطح بچسبند. با توجه به تحقيقات و محاسبات، محققين به اين نتيجه رسيدند که اتم ها، سطح را براي پيدا کردن مکاني که به کمترين مقدار انرژي برسند جست و جو مي کنند. آرايش هاي ۱ تا ۲ نانومتري از اين خوشه ها براي وسايل پيشرفته ي نوري و الکترونيکي مناسب هستند؛ چون الکترون هاي محبوس شده در اين فضاها مجبورند که فوتون هايي با طول موج سفيد ايجاد کنند. اگر خوشه ها، داراي خاصيت مغناطيسي شوند، مي توانند براي وسايل ذخيره اطلاعات که بسيار فشرده هستند و کاتاليست ها براي واکنش هاي شيميايي، استفاده شوند. تصوير شماتيکي از يک نانو خوشه در شکل ۱ مشاهده مي شود.
نانو پوشش ها:
پوشش ها داراي کاربردهاي متنوعي از صنايع اتومبيل گرفته تا صنايع لوزام خانگي هستند. اين پوشش ها سطوحي را که در معرض آسيب هاي محيطي مانند باران، برف، نمک ها، رسوب هاي اسيدي، اشعه ماوراء بنفش، نور آفتاب و رطوبت مي باشند را محافظت مي نمايد. ضمناً پوشش ها قابليت خش برداشتن، تکه تکه شدن و يا آسيب ديدگي در زمان استفاده، ساخت و حمل و نقل را دارند. با يافتن راه هايي مي توان از آسيب ديدن روکش ها جلوگيري کرد. فناوري نانو ايجاد نانو پوشش ها را پيشنهاد مي کند.
نانو پوشش هاي حفاظتي براي افزايش مقاومت در مقابل خوردگي، افزايش سختي سطوح و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي مي باشند. علاوه بر آن، فناوري نانو از خش برداشتن، تکه تکه شدن و خورده شدن روکش ها جلوگيري مي کند. از موارد استفاده نانو پوشش ها مي توان به روکش هاي ضد انعکاس در مصارف خودرو سازي و سازه اي، روکش هاي محافظ ( ضد خش، غير قابل رنگ آميزي، و قابل شستشوي آسان ) و روکش هاي تزئيني اشاره کرد
نانو سيم ها
شايد هنوز ساخت تراشه هاي کامپيوتري که براي ايجاد سرعت محاسباتي بالا به جاي جريان الکتريسيته از نور استفاده مي کنند، تشخيص انواع سرطان و ساير بيماريهاي پيچيده فقط با گرفتن يک قطره خون، بهبود و اصلاح کارت هاي هوشمند و نمايشگرهاي LCD؛ تنها يک رؤيا برايمان باشد و اين مسائل را غير واقعي جلوه دهد اما محققين آينده قادر خواهند بود تمام اين رؤياها را به واقعيت تبديل کنند و دنيايي جديد از ارتباطات و فناوري را بواسطه معجزه نانوسيم ها به ارمغان آورند.
عموماً سيم به ساختاري گفته مي شود که در يک جهت (جهت طولي) گسترش داده شده باشد و در دو جهت ديگر بسيار محدود شده باشد. يک خصوصيت اساسي از اين ساختارها که داراي دو خروجي مي باشند رسانايي الکتريکي مي باشد. با اعمال اختلاف پتانسيل الکتريکي در دو انتهاي اين ساختارها و در امتداد طولي شان انتقال بار الکتريکي اتفاق مي افتد.
ساخت سيمهايي در ابعاد نانومتري، هم از جهت تکنولوژيکي و هم از جهت علمي بسيار مورد علاقه مي باشد، زيرا در ابعاد نانومتري خواص غير معمولي از خود بروز مي دهند. نسبت طول به قطر نانوسيم ها بسيار بالا مي باشد. ( L>D )
مثال هايي از کاربرد نانوسيم ها عبارتند از: وسايل مغناطيسي، سنسورهاي شيميايي و بيولوژيکي، نشانگرهاي بيولوژيکي و اتصالات داخلي در نانوالکترونيک مانند اتصال دو قطعه ابر رساناي آلومينيومي که توسط نانوسيم نقره صورت مي گيرد
نانولايه ها:
در دنياي کنوني تغييرات سطحي به يک فرايند مهم و اساسي تبديل شده است. در اين مورد روش هايي شامل ايجاد لايه هاي نازک يا پوشش ها بر روي سطوح، افزايش کارآيي و محافظت سطوح را به دنبال دارد. رسوب يک لايه نازک (نانولايه) براي پوشش دهي در اکثر صنايع جايگاه مهمي يافته است. نانولايه ها داراي يک ساختار نانو ذره اي مي باشند که اين ساختار يا از توزيع نانوذرات در لايه ايجاد مي شود و يا به وسيله يک فرايند کنترل شده، يک نانو ساختار در حين رسوب ايجاد مي شود. فيلم هاي نانويي لايه نازک، که بر روي سطح يک زير پايه نشانده مي شوند کاربردهاي عمدتاً الکترونيکي دارند. همانند زيرلايه ها، خازن ها، قطعات حافظه، آشکارسازهاي مادون قرمز و راهنماهاي موجي نانولوله هاي کربني؛ خواص و کاربرد آلوتروپ هاي کربن تا سال ۱۹۸۰، سه آلوتروپ کربن(کربن غير بلوري) به نام هاي الماس، گرافيت و کربن بي شکل شناخته شده بودند، اما امروزه مي دانيم که خانواده کاملي از ساير اشکال کربن نيز وجود دارند
● آلوتروپهاي مختلف کربن
اولين آلوتروپ کربن که در سال ۱۹۸۵ کشف شد، باک مينستر فولرن نام داشت که به نام هاي ديگر باکي بال و فولرن نيز نامگذاري شده است. فولرن ها مولکول هاي کروي کربن هستند که به سبب شکل زيبا و خواص شگفت انگيز، توجه بسياري از دانشمندان را به خود معطوف کرده اند.
آلوتروپ بعدي کربن که در سال ۱۹۹۱ کشف شد، نانولوله(Nano Tube) نام دارد که در اين مقاله به آن پرداخته خواهد شد ساختار نانولوله هاي کربني در سال ۱۹۹۱ دانشمندي به نام سوميو ايجيما به طور کاملاً اتفاقي، ساختار ديگري از کربن را کشف و توليد کرد که خواص منحصر به فردي دارد. وي در ابتدا اين ساختار را نوعي فولرن تصور نمود که در يک جهت کشيده شده است. اما بعدها متوجه شد که اين ساختار، خواص متفاوتي از فولرن ها دارد و به همين دليل آن را، نانولوله ي کربني ناميد.
در يک نانولوله ي کربني، اتم هاي کربن در ساختاري استوانه اي آرايش يافته اند. يعني يک لوله ي توخالي که جنس ديواره اش از اتم هاي کربن است. آرايش اتم هاي کربن در ديواره ي اين ساختار استوانه اي، دقيقاً مشابه آرايش کربن در صفحات گرافيت است. در گرافيت، شش ضلعي هاي منظم کربني در کنار يکديگر صفحات گرافيت را مي سازند. اين صفحات کربني بر روي يکديگر انباشته مي شوند و هر لايه از طريق پيوندهاي ضعيف واندوالس به لايه زيرين متصل مي شود.
هنگامي که صفحات گرافيت در هم پيچيده مي شوند، نانولوله هاي کربني را تشکيل مي دهند. در واقع، نانولوله ي کربني، گرافيتي است که به شکل لوله در آمده باشد
● خواص و کاربردهاي نانولوله هاي کربني
▪ به عنوان تقويت کننده در کامپوزيت ها
نانولوله ها يکي از مستحکم ترين مواد به شمار مي روند. اين موضوع، کاربرد نانولوله هاي کربني را به عنوان ماده ي پرکننده در توليد نانوکامپوزيت ها به خوبي روشن مي سازد. کامپوزيت هاي با پايه نانولوله ي کربني داراي نسبت استحکام به وزن بالا هستند و مصارف گسترده اي را در صنعت خواهند داشت. استفاده در نمايشگرهاي تشعشع ميداني يکي از مشکلات دستگاه هاي نشر ميدان امروزي، عدم پايداري ميدان هاي توليدي در بازه هاي زماني طولاني است. اين مشکل را مي توان با استفاده از نانولوله کربني حل نمود. بيش از ۷۰۰ مقاله تحقيقاتي در رابطه با کاربردهاي نشر ميدان نانولوله هاي کربني منتشر شده است. اين آمار بيانگر اهميت موضوع است. براي مثال، مزاياي استفاده از نمايشگرهاي توليد شده با نانولوله ي کربني نسبت به نمايشگرهاي کريستال مايع، سرعت واکنش بالاتر نسبت به محرک هاي الکتريکي، مصرف انرژي کمتر، درخشندگي مناسب تر، ميدان مغناطيسي پايين در هنگام روشن کردن دستگاه و دماي کاري بالاتر است. بر پايه همين مزيت ها، شرکت هايي مانند سامسونگ و NEC نمايشگرهاي رنگي با استفاده از نانولوله کربني را توليد کرده است. تلويزيون هاي ساخته شده با اين تکنولوژي در اوايل سال ۲۰۰۶ روانه بازار شد. استفاده از نانولوله هاي تک ديواره در صنعت الکترونيک نانولوله ها به ميزان قابل توجهي سخت و قوي بوده و هادي جريان الکتريسيته و گرما مي باشند. اين خواص سبب استفاده از اين مواد در صنعت الکترونيک شده است.
نانولوله هاي کربني سيم هاي مولکولي بزرگي هستند که الکترون مي تواند آزادانه در آن حرکت کند و رفتار آنها پيچيده است. در اين راستا رفتار نانولوله هاي چند ديواره بسيار پيچيده تر از تک ديواره است زيرا لايه هاي کناري روي يکديگر تأثير مي گذارند. مدل سازي چنين اثراتي از موضاعات تحقيقاتي در حال حاضر مي باشد. محققان اميدوارند که ابعاد سيم ها يا قطعات را از طريق جايگزيني با نانولوله به حدود نانومتر يا کمتر برسانند. اين قطعات در کنار مدارات الکترونيکي مي توانند خيلي سريع تر و با توان کمتر از مدارات کنوني کار کنند.
لامپ هاي توليد شده با نانولوله هاي کربني هزينه توليد کمتري دارند. به علاوه عمر طولاني تر و ثبات رنگ بيشتر نسبت به لامپ هاي معمولي، از مزاياي ديگر اين لامپ هاست
● ساختار تو خالي نانولوله و کاربرد به عنوان ذخيره کننده و پيل سوختي
نانولوله ها، ساختارهاي کربني توخالي هستند. بنابراين، امکان قرار دادن مواد خارجي در داخل آنها وجود دارد. به طور مثال، با قرار دادن فلزات درون نانولوله ها مي توان خواص الکتريکي اين مواد را بهبود بخشيد. تحقيقات نشان داده است که نانولوله هاي باز، مثل يک ني توخالي عمل مي کنند. اين ني هاي مولکولي مي توانند به وسيله عمل موئينگي و تحت شرايط خاص، برخي عناصر را به درون خود بکشند.
همچنين نانولوله هاي کربني براي ذخيره نمودن سوخت هاي آلکاني و هيدروژن و ايجاد پيل هاي سوختي نيز مورد بررسي قرار گرفته اند. ذخيره ي هيدروژن در داخل نانولوله هاي کربني تک ديواره امکان پذير است. ظرفيت جذب هيدروژن نانولوله هاي تک ديواره ساخته شده حدود ۳ تا ۵ درصد وزني نانولوله هاست. بنابراين در مقايسه با ديگر انواع ذخيره سازهاي هيدروژن نظير سيستم هيدروژن مايع، هيدروژن فشرده، هيدريدهاي فلزي و سوپرکربن اکتيو، سيستم نانولوله اي کربني و خصوصاً نانولوله هاي تک ديواره، بهترين انتخاب براي اهداف مورد نظر بوده و مي تواند به عنوان سيستمي سبک، فشرده، نسبتاً ارزان، ايمن و با قابليت استفاده مجدد در ذخيره سازي هيدروژن مورد استفاده قرار گيرد.
● ساخت نانوماشين ها با استفاده از نانولوله هاي کربني
نانولوله هاي کربني همچين براي استفاده در ساخت نانوماشين ها پيشنهاد شده اند. نانولوله ها به طور مناسبي با ساختارهاي مختلف جانشين شده اند که مي توانند به عنوان محورها در نانو ماشين ها عمل کنند. ممکن است، نانولوله هاي مختلف با همديگر تشکيل چرخدنده دهند تا حرکت چرخشي مختلفي را انتقال دهند. اين امر از طريق ساختن دنده هاي چرخدنده (استخلاف ها) بر روي نانولوله ها مي تواند انجام شود
نانو حفره ها:
مواد با اندازه هاي حفره اي در محدوده نانومتري، کاربردهاي صنعتي جالبي را نشان مي دهند. به علت ويژگي برجسته آنها با توجه به عايق حرارتي بودن، رهايش مواد کنترل شده و کاربردشان، آنها به عنوان پرکننده هايي براي کاتاليزورها در علم شيمي، مورد توجه زيادي مي باشد. يک مثال از مواد نانو متخلخل، آثروسل ها مي باشند که از روش شيميايي سل – ژل توليد مي شوند. اين گروه از مواد، پتانسيل بالايي در کاتاليست ها، عايق هاي حرارتي، مواد الکترودي، فيلترهاي محيطي و غشاها، به عنوان محل هاي رهايش داروي کنترل شده دارا مي باشند
نانو ذرات:
نانوذرات از ده ها يا صدها اتم يا مولکول و با اندازه ها و مورفولوژي هاي مختلف (آمورف، کريستالي، کروي شکل، سوزني شکل و غيره) ساخته شده است. اغلب نانوذرات که به طور تجاري مورد استفاده قرار مي گيرند، به شکل پودر خشک و يا به صورت بخش مايع مي باشند. البته نانوذرات ترکيب شده (آميخته شده) در يک محلول آلي يا آبي که به شکل سوسپانسيون يا خميري شکل است نيز مورد توجه مي باشد. اين ذرات در شکل ها و مورفولوژي هاي گوناگوني يافت مي شوند، ساختارهايي از کروي گرفته تا فلسي، ورقه اي، شاخه اي، لوله اي و ميله اي

امروزه علم پزشکي کمک بسياري به انسان کرده و پزشکان سعي کرده اند براي بيماري ها درماني پيدا کنند. هر روز تعداد بيشتري از بيماري ها قابل درمان مي شوند . ...

اصولاً اتصالات نيم رسانا - فلز جزو لازمه تمامي قطعات الکترونيکي اند. چگونگي و رفتار اتصالات الکتريکي به غلظت سطح نيم رسانا (Si) ، تميزي سطح و واکنش ها ...

نانوتکنولوژي، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيقتر نانوتکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است . در اين نوشتار بعد ...

نمونه برداري خاک: هدف:تجزيه وشناخت خاک و در نتيجه مورد استفاده قرار دادن آن است 1.تقسيم بندي زمين:بر اساس نوع زمين ونوع گياه وشيب يا مسطح بودن 2.نمونه ...

كانابيس (حشيش يا ماري جوانا) از ۵۰۰۰ سال پيش هم براي مقاصد تفريحي و هم براي مقاصد طبي مورد استفاده بود. اين ماده كه منشأ آن را چين يا آشور دانسته اند، ...

نانوحسگر وسيله اي است بسيار ريز که قادر به شناسايي و ارائه پاسخ به محرک هاي فيزيکي در مقياس يک نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهاي متعددي در علوم مختلف ...

● فناوري نانو در بسته بندي موادغذايي درصنايع و شرکت ها: در حال حاضر شرکت هاي زيادي مانند Unilever, keystone,Hershey,food,nestle مشغول کار روي نانو غذا ...

زمان ظهور نانوسراميک ها را مي توان دهه ۹۰ ميلادي دانست. در اين زمان بود که با توجه به خواص بسيار مطلوب پودرهاي نانوسراميکي، توجهاتي به سمت آنها جلب شد ...

دانلود نسخه PDF - نانو مواد