درآمدی بر نانوذرات

مقدمه

نانوذرات از ده ها یا صدها اتم یا مولکول و با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف (آمورف، کریستالی، کروی شکل، سوزنی شکل و ...) ساخته شده است. اغلب نانوذرات که به طور تجاری مورد استفاده قرار می گیرند، به شکل پودر خشک و یا به صورت بخش مایع می باشند. البته نانوذرات ترکیب شده (آمیخته شده) در یک محلول آلی یا آبی که به شکل سوسپانسیون یا خمیری شکل است نیز مورد توجه می باشد. این ذرات در شکل ها و مورفولوژی های گوناگونی یافت می شوند، ساختارهایی از کروی گرفته تا فلسی، ورقه ای، شاخه ای، لوله ای و میله ای.

تاریخچه نانوذرات

نانوذرات از زمانهای بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است. شاید اولین استفاده آنها در لعاب های چینی و سرامیک های تزئینی سلسله های ابتدایی چین بوده است(قرن 4 و 5). در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگهای متفاوتی از جام بر حسب نحوهء تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.

کربن سیاه یا کربن بلک مشهورترین مثال از نانوذراتی است که ده ها سال به طور انبوه تولید شده است و در تایرهای اتومبیل به منظور افزایش طول عمر آنها به کار رفته است و علت رنگ سیاه تایر هم، وجود این افزودنی سیاه رنگ است.

گذشته از آن در دهه 1930 برای اولین بار روشهای فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفته شد. در سال های اخیر پیشرفت های بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه، ترکیب و یکنواختی آنها صورت گرفته است.

خواص نانوذرات

با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرار گیری در هوا، به سرعت اکسید می شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانوذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آنها اضافه کرد که آنها را قادر می سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند.

البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است.

به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط این نقاط در تشخیص پزشکی کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.

علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند.

مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می شود. بر خی از ویژگیهای نانوذرات در جدول 1 به طور خلاصه آمده است:

جدول1. بیان برخی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی نانوذارت

طیف وسیع کاربردها

انواع متعددی از مواد که در حال حاضر می توان به شکل ذرات یا بلورهایی در مقیاس نانو ساخت، فقط شامل مثال های آشنایی چون باکی بال ها، نانولوله های کربنی، سلنید کادمیم(CdSe) و نقاط کوانتومی نیست؛ بلکه شامل طیف وسیعی از فلزات و اکسیدهای فلزی، سولفیدها، فلوئوریدها، کربنات ها، سیلیکات ها و چندین دسته مواد دیگر نیز می شود. توسعه در زمینه شیمی نانوذرات و اصول ریخت شناسی و سطح وسیع کاربردهای آن به تدریج آشکار می شود. بعضی از این موارد، به وضوح در مطبوعات علمی به چشم می آیند. استفاده از نانولوله های کربنی در بافت ها، و نانوذرات روی یا اکسید تیتانیم در صفحات خورشیدی، فقط قسمتی از این کاربردهای فراوان است.

از اولین باری که نسل بشر مواد مصنوعی را ساخت، اضافه کردن مواد ریز به مواد زمینه یکی از روش های مرسوم برای تغییر خواص مواد بوده است. به هر حال ذرات افزودنی که اولین بار استفاده شدند بزرگ تر از ابعاد نانو بودند. پس اولین کاربردی که برای نانوذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت هاست. با استفاده از نانوذرات در نانوکامپوزیت ها، بسیاری از خواص نوری، الکترونیکی، مغناطیسی، شیمیایی و حرارتی آن تغییر خواهد نمود.

قدرت یک آهنربا یا مغناطیس با افزایش سطح مقطع در واحد حجم، افزایش می یابد. نشان داده شده است که مغناطیس های ساخته شده بر پایهء نانوذرات نانوبلوری ایتریم – ساماریم – کبالت، به واسطه ی سطح مقطع فوق العاده بالای آن ها، خواص مغناطیسی بسیار غیر عادی دارند. کاربردهای نوعی برای این آهنرباهای پر قدرت ساخته شده از خاک های نادر عبارتند از : زیر دریایی های آرام تر، آلترناتورهای اتومبیل (مبدل های خودرو)، موتورهای کشتی، دستگاه های تجزیه ای فوق العاده حساس، دستگاه های عکسبرداری تشدید مغناطیس (MRI)  در تشخیص های پزشکی.

اخیراً در ساخت شیشه های ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها، عمر آن ها را نیز چندین برابر می کند. از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگ ها، کاتالیزوها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها، و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و در و پنجره استفاده می شود. پوشش های ضد نوشته برای دیوارها، و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.

اولین تولید صنعتی نانو ذرات در قرن بیستم با تولید دوده و پس از آن در 1940 با تولید سیلیس فومی رخ داد. این مواد امروزه نیز تولید و در مقادیر وسیع استفاده می شوند و بعضی شرکت های شناخته شده مثل دگوسا  و کبوت  دارایی شان را مرهون این مواد می دانند. با اینکه به دست آوردن اطلاعات جامع مشکل است؛ اما می توان گفت احتمالاً بیش از 340 شرکت وجود دارند که نانو مواد را به شکل های مختلف در جهان تولید می کنند و حدود 200 شرکت، سازنده نانوذرات هستند.

استفاده از نانوذرات روندی صعودی داشته و بازار آن دارای پتانسیلی است که همگام با افزایش استفاده از نانومواد و پیشرفت تجاری سازی آنها، به طور شگفت آوری در ده سال آینده افزایش خواهد داشت.

نویسنده:مریم ملک دار

منابع:

1. P. A. Montano, G. K. Shenoy, E. E. Alp, W. Schulze, J. Urban, Phys. Rev. Lett. 56, 1986, Page 2076.

2. C. B. Wang, D. L. Wang, W. X. Chen, Y. Y. Wang, Wear 253, 2003, Page 563.

3. فتح الله کریم زاده، احسان قاسمعلی، سامان سالمی زاده، "نانومواد؛ خواص، تولید و کاربرد"، جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان، 1384.