فناوری در مقياس نانو
ما در دنیای نانو، با اتم‌ها و مولکول‌ها که اجزای اصلی تشکیل دهنده مواد هستند، سروکار داریم. اتم‌ها و مولکول‌ها دارای ابعاد نانومتری هستند (مثلاً ده اتم هیدروژن در کنار هم، یک نانومتر را تشکیل می‌دهند). نوع این اجزای سازنده کوچک و نحوه کنار هم قرار گرفتن آنها، خواص مواد مختلف را تعیین می‌کند. به عنوان مثال این که سنگ، سخت و جامد است و آب، روان و مایع به نوع اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل دهنده این مواد و نحوه قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر بستگی دارد. حال اتم کربن را در نظر بگیرید. کربن در طبیعت به صورت گرافیت، دوده و الماس وجود دارد. آیا می‌توانید بگویید چرا گرافیت که در نوک مداد استفاده می‌شود، بسیار نرم و سیاه است در حالیکه الماس بسیار سخت و شفاف؟ در صورتی که هر دو از یک نوع ماده یعنی کربن تشکیل شده‌اند. تفاوت نحوه چیدمان اتم‌های کربن در این دو ماده باعث بوجود آمدن ویژگی‌های متفاوت شده است. خوب است بدانید که کنترل ساختار مواد و چیدمان اجزای سازنده آنها، هدفی بزرگ و مهم است که فناوری نانو آن را دنبال می‌کند. اما آیا تنها چیدمان مولکولی مواد در فناوری نانو حائز اهمیت است و مثلاً تهیه ذرات کوچک نانومتری از مواد با حفظ ساختار مولکولی خودشان در این فناوری جایگاهی ندارد؟ در دنیای بزرگ اطراف ما، مواد بیشتر با خواصشان شناخته می‌شوند مثل رنگ، سختی، نرمی و انعطاف‌پذیری و ... . اما نکته حایز اهمیت این است که همین اجسام، وقتی به مقیاس نانومتری می‌رسند با وجود داشتن ساختار مولکولی یکسان، خواصشان تغییر می‌کند. به عنوان مثال، فلز طلا که زردرنگ است و خاصیت فلزی دارد، در مقیاس نانو رنگ‌های متفاوت پیدا می‌کند و در اندازه‌های کوچک‌تر از 3 نانومتر حتی تبدیل به یک ماده نافلز می‌شود. یعنی با کاهش اندازه و نه تغییر در ماهیت مواد، می‌توانیم شاهد ویژگی‌های جدیدی باشیم! ویژگی‌هایی مثل رنگ، قدرت رسانایی الکتریکی، خاصیت کششی و استحکام متفاوت که همان ماده در مقیاس‌های بزرگ‌تر و حتی در مقیاس میکرو از خود نشان نمی‌دهد. در واقع این موضوع نیز از دیگر مواردی است که دانشمندان را مجذوب دنیای نانومتری و استفاده از فناوری در مقیاس نانو نموده است.
نانوذرات
معمولاً در هر فناوری عنصری وجود دارد که نقش اصلی را در ایجاد و بکارگیری آن فناوری ایفا می‌کند. به عنوان مثال، در فناوری لیزر، پرتوهای لیزر عنصر اصلی در این فناوری هستند. در فناوری نانو نیز مواد نانومقیاسی وجود دارند که خواصشان در حالت نانومتری با خواصشان در مقیاس‌های بزرگ‌تر بسیار تفاوت دارد و به سبب ویژگی‌های ساختاری، دارای کاربردهای فراوانی هستند. گاهی از این مواد با "عناصر پایه" نام برده می‌شود.
اولین و مهم‌ترین "عنصر پایه" در فناوری نانو، نانوذره است. نانوذرات، ذراتی با ابعاد در محدوده‌ی 1 تا 100 نانومتر هستند و به انواع فلزی، سرامیکی، پلیمری و نیمه‌هادی تقسیم می‌شوند. خواص جالب توجه آنها باعث شده کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع شیمیایی، پزشکی، دارویی، الکترونیک و کشاورزی داشته باشند. برای تولید نانوذرات، روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً در سه گروه فرآیندهای حالت بخار، مایع و جامد دسته‌بندی می‌شوند که سه مورد از روش‌های تولید را بررسی می‌کنیم.
- روش چگالش گاز خنثی: این روش از جمله فرآیندهای حالت بخار است که برای ایجاد نانوذرات سرامیکی فلزی و اکسید فلزی استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانید فرآیند چگالش به تشکیل ذرات جامد از فاز بخار گفته می‌شود (مثل عمل تشکيل برفک داخل يخ‌ساز يخچال). در روش چگالش گاز خنثی از تبخیر یک فلز جامد و چگالش سریع آن، خوشه‌های نانومتری شکل گرفته و به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی از یک اتاقک خلا استفاده می‌شود و در آن برای جلوگیری از اکسید شدنِ فلز، از گازهای بی‌اثر (خنثی) -معمولا ً هلیوم- استفاده می‌گردد، این در حالی است که برای تولید نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی اکسیژن هوا مورد استفاده قرار می‌گيرد. در این روش، اندازه ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما، محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود. همچنین تغییر دستگاه تبخیر، بر اندازه‌ی ذرات تاثیر می‌گذارد.
- روش سل ـ ژل: این روش را می‌توان متداول‌ترین روش تولید نانوذرات در فاز مایع دانست. سل، محلول کلوئیدی حاوی ذرات کوچک معلق است. این ذرات، اندازه‌های 1 تا 100 نانومتر دارند که به علت کوچکی، در محلول به حالت معلق باقی می‌مانند. ژل نیز عبارت است از یک شبکه‌ی جامد پلیمری و به هم پیوسته که منافذی با ابعاد کوچک‌تر از میکرومتر دارد. این ماده شکل ظرف را به خود میگیرد و خواص کشسانی دارد. به طور خلاصه، مراحل تولید در این روش به این شرح است: آماده‌سازی محلول همگن، تبدیل محلول همگن به سل، تبدیل سل به ژل و تبدیل ژل به نانوذرات توسط یكی از روش‌های مرسوم. البته روش سل – ژل روش جدیدی نیست. در سال 1800 "ابل من" به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون – که در ظرف رها شده بود – ابتدا پیرولیز و سپس تبدیل به ژل با قابلیت تشکیل ذرات سیلیکونی شد. تولید نانوذرات اکسید غیرآلی چون دی اکسید سیلیس و دی اکسید تیتانیوم با روش سل – ژل یک فرآیند آزمایشگاهی نسبتاً ساده دارد که چنانچه کنترل و دقت لازم در حین شکل‌گیری نانوذرات، بکار گرفته شود، با این روش می‌توان نانوذرات را به میزان قابل توجهی در آزمایشگاه تولید نمود.
- روش آسياب مکانیکی: روش‌های مکانیکی از دسته فرآیندهای تولید در حالت جامد هستند.
در این روش‌ها به کمک انواع مختلفی از آسیاب‌های مکانیکی گلوله‌ای، ذرات با اندازه‌های میکرومتری را به ذرات بسیار ریز نانومتری تبدیل می‌کنند. برای درک این روش، می‌توانید ظرف دربسته‌ای را در نظر بگیرید که داخل آن چند حبه قند به همراه چند گلوله فلزی قرار گرفته و به صورت پیوسته تکان داده می‌شود. همان‌طور که حبه‌های قند با این عمل در ظرف خرد شده و به مرور کوچک و کوچک‌تر می‌گردند، به وسیله‌ی آسیاب‌های مکانیکی گلوله‌ای نیز می‌توان ذرات میکرومتری را به اندازه‌های کوچک‌تر تبدیل نمود. روش‌های مکانیکی، کاربردهای صنعتی بسیاری دارند، اما از آنجا که ذرات نانومتری به سبب داشتن نسبت بالای اتم‌های سطحی به اتم‌های داخلی، بسیار فعال هستند، این روش‌ها مشکل و هزینه‌بر می‌باشند. بنابراین شرایط عمل و سرعت حرکت آسیاب‌ها در این روش‌ها باید به نحوی تعیین شود که مانع از تشکیل پیوند مجدد میان نانوذرات و توده شدن آنها در حین تولید گردد.
نظرات شما عزیزان:
تبادل
لینک هوشمند
آمار
وب سایت:
