نانوحفره‌ها؛ معرفی و کاربرد

1.مقدمه

نانوحفره‌ها یا مواد نانومتخلخل؛ درارای حفراتی کوچک‌تر از 100 نانومتر می‌باشند و کاربرد ویژه‌ای در فیلتراسیون در سطح اتمی و مولکولی دارند. این مواد منافذی تو در تو دارند و منافذشان یک الگوی تکرار انتقالی در فضای سه بعدی دارد و نیاز به هیچ نظم و قاعده‌ی خاصی در آرایش منافذ نیست تا ماده‌ای را نانوحفره بنامیم.

جامدات نانومتخلخل می‌توانند ترکیبات گوناگونی نظیر کربن، سیلیکون، سیلیکات‌ها، پلیمرها، سرامیک‌ها، فلزات و ترکیبات آلی-‌ فلزی داشته باشند. بسیاری از مواد متخلخل از نظر ترمودینامیکی پایدار نیستند و به محض این‌که بر انرژی جنبشی مرزها غلبه شود، از بین می‌روند. به عنوان مثال، سیلیکات متخلخل، ماده‌ای نیمه‌پایدار است که با افزایش دما و رسیدن به نقطه‌ی ذوب، ذرات اولیه آن در شبکه ذوب می‌شوند. در این مرحله، جدایش فلزات اتفاق می‌افتد و یک فاز سیلیکاتی نانومتخلخل ایجاد می‌شود. کنترل انرژی فصل مشترک و وضعیت نیمه‌پایدار حفرات نانومقیاس در هنگام ایجاد مواد نانومتخلخل از اهمیت خاصی برخوردار است.

2. طبقه‌بندی نانوحفره‌ها

مواد نانوحفره‌ای را می‌توان بر اساس دو معیار اصلی دسته‌بندی کرد:

الف) طبقه‌بندی به وسیله اندازه منافذ:

1. موادی با حفره‌های ریز ، با اندازه حفره‌های 0-2 نانومتر

2. موادی با حفره‌های متوسط ، با اندازه حفره‌های 2-40 نانومتر

3. موادی با حفره‌های درشت ، با اندازه حفره‌های بزرگ‌تر از 50 نانومتر

ب) طبقه‌بندی بر اساس شبکه مواد: یکی از مهم‌ترین اهداف در زمینه نانوحفره‌ها؛ دست یافتن به ترکیبی شیمیایی با یک دسته منافذ در ساختار می‌باشد و این امر موجب می‌شود که مواد به دو دسته‌ی معدنی و آلی (مانند پلیمرها) تقسیم شوند.

3. خواص و کاربردها

 اصلی‌ترین کاربرد نانوحفره‌ها، سبک‌سازی مواد معدنی است به گونه‌ای که پایداری این ترکیبات شیمیایی را حفظ کرده و افزایش نیز دهد. به عنوان مثال، آئروژل‌ها نانوحفره‌هایی فوق‌العاده سبک هستند و می‌توانند تا 100 برابر وزن خودشان را به راحتی تحمل کنند.

مساحت سطحی یک جامد، پس از نانومتخلخل شدن افزایش می‌یابد و این امر سبب بهبود خواص کاتالیروزی، جذبی و حذب سطحی آن می‌گردد. مساحت سطحی جامدات نانومتخلخل اغلب در حد چند صد مترمربع بر گرم می‌باشد. یک نمونه از این مواد زئولیت‌ها می‌باشند. زئولیت‌ها مواد معدنی با حفراتی در مقیاس نانو می‌باشند و ده‌ها سال به عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار می‌گرفته‌اند. خواص جذبی و جذب سطحی این مواد معرف قابلیت آن‌ها در رفع مشکلات زیست‌محیطی است (مانند حذف فلزات سنگین نظیر جیوه و آرسنیک).

با توجه به جذب سطحی بالای این مواد، می‌توان از آن‌ها به عنوان سرندهای مولکولی نیز استفاده کرد. در این صورت این مواد با واکنش‌های سطحی، برخی از مولکول‌ها را جدا می‌کنند. این مواد به دلیل سطح آزاد بالایی که دارند می‌توانند در واکنش‌های کاتالیستی نیز نقش مهمی را داشته باشند.

4. روش های تولید

بهترین روش تولید تمام انواع نانوحفره‌ها، قالب‌بندی است. به این ترتیب که یک ترکیب آلی (و گاهی اوقات معدنی) به عنوان نگهدارنده عمل می‌کند که در مراحل بعدی به صورت یک حفره در مواد نانومتخلخل درمی‌آید. قالب‌بندی، امکان کنترل توزیع اندازه و گاهی شکل منافذ را ممکن می‌سازد.

از روش سل-ژل نیز می‌توان در ساخت مواد مبتنی بر ژل سود جست، مانند آئروژل‌ها. آئروژل‌ها از انتشار یک گاز در یک ژل، به جامدی بسیار سبک (گاهی فقط چهار برابر سنگین‌تر از هوا) تبدیل می‌شود. روش‌های مروسم لیتوگرافی و تلفیق لیتوگرافی نرم با حکاکی نیز، می‌تواند نانوحفره ایجاد نماید. به عنوان مثال، روش پرتو یونی به خوبی حفره‌های بزرگ و کوچک تولید می‌کند.

روش دیگر، کنترل اندازه حفره‌ها در غشاها می‌باشد که در اواخر سال 2000 پدید آمد. در این روش، پرتو ماوراء بنفش مولکول‌ها را در لایه نازکی از سیلیکات خودآرا شده با ساختار متناوب، در هم می‌شکند. با قرار گرفتن محصول حاصل در معرض نور، جامد شدن سیلیکا مطابق الگوی متناوب رخ می‌دهد. تغییر تابش نور به نجو بسیار منطقی اندازه حفره‌ها را تغییر می‌دهد.