اهمیت سطح در دنیای نانو

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مواد مختلف،خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی از خود نشان می دهند.از جمله عواملی که بر خواص مواد تاثیر گذارند،می توان به عدد اتمی(تعداد پروتون ها)،تعداد نوترونها در ایزوتوپهای مختلف یک ماده،آرایش الکترونهای آخرین لایه ی الکترونی اتم اشاره کرد.ساختار مولکولی و شبکه ی بلوری ماده نیز در تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف ماده از جمله رسانایی و ... موثر است. تغییرعوامل و شرایط محیطی هم می توانند تغییراتی در خواص مواد ایجاد کنند. برای مثال شبکه ی بلوری آهن در فشار یک اتمسفر و دماهای بین صفر مطلق تا 912 درجه‏ی سانتی گراد (آهنآلفا یا فریت) ساختار متفاوتی با آهن در گستره‌ی دمایی بین 912 تا 1394 درجه سانتی گراد (آهن گاما یا آستنیت) دارد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقدمه
برای مطالعه‌ی این مقاله هم باید حوصله داشته باشید و هم به کشف اسرار حاکم بر دنیای نانو علاقه‌مند باشید!
تاکنون مطالب بسیاری را در مورد فناوری نانو مطالعه کرده و شنیده‌اید. اگر دقت کنید تمامی این مطالب بیان‌گر کشف و استفاده از خواص جالب و جدید گروهی از مواد است. خواصی که تا چند سال گذشته از وجود آن‌ها بی‌اطلاع بودیم و دستیابی به آنها (به شکلی که امروزه مد نظر ماست) امری محال به نظر می‌رسید. سوالی که پیش می‌آید آن است که چرا تا دیروز به وجود این مواد و این خواص ویژه پی نبرده بودیم و چرا امروزه این مواد با وجود ثابت بودن عدد اتمی (یکسان بودن عنصر) آنها، خواص متفاوتی از خود بروز می‌دهند. در این مجموعه مقالات تلاش می‌کنیم تابا توضیح برخی موارد مهم در تعیین خواص، پاسخی برای این سوالات بیابیم. در این مجموعه مقالات درمی‌یابیم که عوامل متعددی در تعیین خواص مواد نقش دارند و همچنین این عوامل ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند. در این مجموعه با برخی محاسبات بسیار ساده مواجه می‌شویم؛ ممکن است تصور کنید که انجام آنها کسل کننده و حتی بی فایده است، اما با کمی حوصله و انجام این محاسبات ساده، می‌توانید به خوبی تاثیر ابعاد نانو بر ویژگی‌‌های ماده را درک کنید. بنابراین تلاش کنید تا محاسبات را انجام دهید و از این طریق با اصول انجام این محاسبات که در فهم موضوع مورد بحث موثر است، آشنا شوید. همچنین تلاش کنید تا به پرسش‌های مطرح شده، قبل از مطالعه‌ی ادامه‌ی متن، پاسخ دهید. در اولین مقاله از این سری، به بیان برخی عوامل موثر بر خواص مواد می‌پردازیم که از گذشته شناخته شده بودند.
برای شروع بحث، پرسیدن این سوال لازم است:

پرسش1: چه عواملی را می‌شناسید که بر خواص مواد تاثیر می‌گذارند؟

قبل از مطالعه‌ی ادامه‌ی متن، تلاش کنید تا پاسخی برای این پرسش بیابید. مواردی را که به عنوان پاسخ می‌یابید، در کنار یکدیگر یاداشت کرده و نحوه‌ی تعیین خواص یک ماده توسط آنها را پیدا کنید. بسیار خوب است اگر بتوانید ارتباط میان این عوامل را هم بررسی کنید.

یکی از مواد بسیار پرکاربرد و مهم در صنایع پیشرفته (مانند صنایع تولید انرژی هسته ‏ای)، آب سنگین است. برای آشنا شدن با آب سنگین، لازم است دوتریوم را بشناسیم. شما با اتم هیدروژن آشنا هستید. اتم بسیار کوچکی که ابعادی در حدود 1 آنگستروم دارد. این اتم شامل یک پروتون مستقر در هسته، و یک الکترون است. اکنون تصور کنید که یک نوترون نیز در کنار این پروتون در هسته قرار داشته باشد، در این صورت ماده حاصل چه خواهد بود؟
آنگستروم یکی از واحدهای اندازه‌گیری طول است که مقدار آن برابر با 0.1 نانومتر است. از این واحد برای بیان اندازه اتمها و پیوندهای اتمی ‏استفاده می‌شود.
می‌دانید که عدد اتمی یک عنصر، برابر با تعداد پروتو‏نهای آن اتم است. بنابراین عدد اتمی ماده جدیدی که از افزودن یک نوترون به هیدروژن بدست آوردیم، همانند هیدروژن برابر با یک است. اما از آنجایی‌که جرم نوترون تقریبا هم اندازه با پروتون است، عدد جرمی این اتم برابر با دو است. یعنی یک اتم هیدروژن با جرمی تقریبا دو برابر. به این اتم، دوتریوم می‌گوییم و آن را به عنوان یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن می‌شناسیم. در صورتی‏که این اتم با اکسیژن ترکیب شود، آب سنگین به دست می‌آید. بنابراین علاوه بر تعداد پروتون‌ها و عدد اتمی، تعداد نوترون‌های اتم‌ها و عدد جرمی آنها نیز در تعیین خواص آنها شرکت دارند.
ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی هستند که اعداد اتمی (تعداد پروتون) برابر با یکدیگر داشته، اما به دلیل وجود اختلاف در تعداد نوترون‌هایشان، اعداد جرمی (مجموع تعداد نوترون و پروتون) متفاوتی دارند.
علاوه بر این دو مورد، بر اساس مطالبی که در مورد واکنش‌های شیمیایی و یا ساختار اتم‌ها (مدل اتمی) در درس شیمی خوانده‌ایم، می‌دانیم که حالت ترازهای انرژی الکترون‌های اطراف هر اتم و همچنین تعداد الکترون‌‌های لایه‌ی آخر آن نیز در تعیین خواص آن اتم های ماده، تاثیر گذار است. این ویژگی می‌تواند نقشی تعیین کننده در ساز و کار ترکیب شدن آن ماده (خواص شیمیایی) داشته باشد. برای مثال خواص یک یون فلزی با اتم آن فلز متفاوت است.
دو دسته یون وجود دارد. کاتیون‌ها اتم‌هایی هستند که الکترون آنها جدا شده و در نتیجه دارای بار مثبت هستند. آنیون‌ها نیز اتم‌هایی هستند که با گرفتن تعدادی الکترون، دارای بار منفی شده‌اند.
تاکنون با نقش سه عامل عدد اتمی، عدد جرمی و آرایش الکترونی ماده در تعیین خواص ماده آشنا شده‌اید. اما موارد دیگری نیز وجود دارد.



شکل (1)- ساختار بلوری نمک طعام

در این تصویر گلوله‌های بنفش بیانگر اتم‌های سدیم و گلوله‌های سبز بیانگر اتم‌های کلر هستند.
این ساختار در قالب بک شبکه‌ی مکعبی شکل گرفته است.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
همه‌ی ما با ساختار نمک طعام (NaCl) آشنا هستیم (شکل 1) و شکل مکعبی دانه‌های نمک را در کتاب شیمی دیده‌ایم. برخی از ما می‌دانیم که نمی‌توان برای نمک یک مولکول در نظر گرفت. بلکه نمک به شکل یک جامد بلورین است که از قرار گرفتن منظم اتم‌های Na و Cl در کنار یکدیگر به وجود آمده است. به این طرز قرار گرفتن اتم‌های تشکیل دهنده‌ی نمک در کنار یکدیگر، یک شبکه بلوری می‌گوییم. علاوه بر ترکیباتی مثل نمک، عناصر خالص مانند آهن (Fe) نیز می‌توانند در این ساختارهای منظم بلورین قرار بگیرند. آهن یک فلز چند شکلی است. به این معنی که در فشار یک اتمسفر با افزایش دما، شبکه‌ی بلوری آن تغییر می‌کند. آهن در دماهای بین صفر مطلق تا 912 درجه‏ی سانتی گراد (آهنآلفا یا فریت) ساختار متفاوتی با آهن در گستره‌ی دمایی بین 912 تا 1394 درجه سانتی گراد (آهن گاما یا آستنیت) دارد. این تفاوت در شکل 2 نشان داده شده است.




الف



ب

شکل (2)- الف- ساختار بلوری آهن آلفا؛ ب- ساختار بلوری آهن گاما

آهن‌های آلفا و گاما خواص متفاوتی از یکدیگر دارند. بنابراین می‌توان گفت که یکی دیگر از عوامل موثر بر خواص ماده، ساختار بلوری آن است.(برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید مقاله‌های مرتبط را از کنار صفحه بخوانید.)
در این مقاله به بیان مختصر برخی عوامل شناخته شده بر خواص مواد پرداختیم. در مقالات بعدی به توضیح عواملی که با سطح مواد در ارتباط هستند و تاثیر زیادی در پیدایش خواص جدید در دنیای نانو دارند، خواهیم پرداخت. اما پیش از آن در پایان این مقاله دو سوال مطرح می‌کنیم. پاسخ این سوال‌ها به موضوعاتی که با هم بررسی کردیم، مرتبط است و فکر کردن شما به آنها کمک بسیاری به فهم بهتر این مطالب می کند. البته برای یافتن جواب دقیق احتیاج به اندکی مطالعه نیز دارید.

پرسش 2: دو شکل از عنصر کربن که در طبیعت وجود دارد، الماس و گرافیت است. اما همان‌گونه که می‌دانید، برخی خواص این دو ماده با هم تفاوتهای زیادی دارد. به نظر شما دلیل این تفاوتها چیست؟


پرسش 3: آهن خالص تا دمای 770 درجه‏ی سانتی گراد خاصیت آهنربایی دارد. اما در دماهای بالاتر این خاصیت خود را از دست می‌دهد. دمای یاد شده به دمای کوری (Curie) معروف است و به آهن در دماهای بین 770 تا 912 درجه سانتی گراد، آهن بتا نیز می‌گویند. بنابراین علاوه بر ساختار بلوری، شرایط محیطی نیز می‌تواند بر خواص مواد تاثیرگذار باشد. به نظر شما چه عاملی موجب از بین رفتن خاصیت آهنربایی آهن خالص در دماهای بالاتر از دمای کوری می‌شود؟

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
واکنشهای شیمیایی در سطح مواد،جایی که مواد از طریق آن با یکدیگر در تماس اند،به وقوع می پیوندند.در نتیجه هرچه سطح تماس بیشتر باشد، واکنشها آسان تر انجام می گیرند.در این مورد ، هم می توان از طریق افزایش تعداد اتمهای سطحی و هم از راه افزایش نسبت سطح به حجم ، اقدام به تسهیل واکنشهای شیمیایی نمود.بدیهی است با کوچک تر کردن ذرات ماده می توان نسبت سطح به حجم را در آنها افزایش داد و موجب افزایش سهولت واکنش ها شد. سوخت های جامد مانند پودرهای ریز آلومینیو که از آن به عنوان سوخت موشک استفاده می شود، نمونه ای از اثر افزایش نسبت سطح به حجم بر روند و بازده واکنش است. بسیاری از خواص ماده هم با تغییر این ویژگی(نسبت سطح به حجم) تغییر می یابند


 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقدمه

در مقاله‌ی قبلی آموختیم که عوامل مختلفی در تعیین خواص و رفتار مواد نقش دارند. از این عوامل به عدد اتمی، عدد جرمی، آرایش الکترونی، ساختار بلوری و شرایط محیطی اشاره نمودیم. علاوه بر این عوامل، موارد دیگری نیز وجود دارند که به مقدار سطح ماده بستگی زیادی دارند. اکنون به ادامه‌ی این بحث می‌پردازیم.
سطح در فناوری نانو اهمیت بسیار بالایی دارد و همه‌جا از اثر سطح یا نسبت سطح به حجم صحبت می‌شود. در این مقاله، ابتدا در قالب مثال‌هایی اهمیت سطح را بیان می‌کنیم و تا حدودی تاثیر مقدار سطح را بر خواص ماده نشان می‌دهیم.
همان‌طور که می‌دانید، واکنش‌های شیمیایی در محلی اتفاق می‌افتند که ماده با محیط اطراف در تماس است. این محل همان سطح ماده است. واکنش از این منطقه شروع شده و سپس تحت شرایطی به عمق نفوذ می‌کند. برای بررسی بیشتر، اکسید شدن آلومینیوم را در نظر بگیرید. یک قطعه‌ی آلومینیومی سطحی کدر دارد و در صورت سمباده زدن آن، لایه‌های زیرین که بسیار شفاف هستند، پدیدار می‌شوند. این لایه‌های بسیار شفاف، همان آلومینیوم می‌باشند. اما این سطح براق به سرعت به سطحی کدر و مات تبدیل می‌شود. بررسی‌ها نشان داده است که، این لایه‌ی بسیار نازک و کدر، ترکیبی از اکسیژن و آلومینیوم است. آلومینا یا اکسید آلومینیوم (Al2O3) یک ماده‌ی سرامیکی بسیار سخت است که به شکل یک لایه‌ی پیوسته، روی سطح آلومینیوم را می‌پوشاند. این لایه از تماس لایه‌های زیرین (که از آلومینیوم هستند) با هوای اطراف جلوگیری می‌کند. بنابراین، واکنش اکسایش آلومینیوم ادامه پیدا نمی‌کند و بقیه‌ی ماده از اکسید شدن حفظ می‌گردد.

پرسش 4: طبق مطالب بیان شده، با تشکیل لایه‌ی اکسید، بر روی ِ آلومینیوم، این ماده از نظر شیمیایی غیرفعال شده، و واکنش متوقف می‌شود. به نظر شما این پدیده دارای چه مزیت‌ها و مضراتی است؟

اکسید شدن آهن با اکسید شدن آلومینیوم تفاوت دارد. اگر دقت کرده باشید، زنگ آهن، ماده‌ای است قرمز رنگ که به راحتی می‌شکند و می‌ریزد. این ماده به راحتی از روی آهن جدا می‌شود و بنابراین، اکسیژن به قسمت‌های داخلی و به زیر لایه‌ی اکسیدی نفوذ کرده و واکنش اکسایش ادامه میابد. به گونه‌ای که ادامه‌ی روند این واکنش منجر به تخریب کامل قسمتی از قطعه‌ی فولادی شده و در نهایت، موجب انهدام آن می‌شود.
بنابراین، اگر بخواهیم به دنبال ادامه دادن یک واکنش باشیم، باید راهی برای نفوذ به درون آن ماده بیابیم. یک راه، انتقال مواد از درون حجم ماده به سطح آن است. برای این کار (دسترسی به قسمت‌های داخلی حجم ماده) می‌توانیم مسیری را درون ماده تعبیه کنیم. این کار را می‌توان با ایجاد حفراتی که به هم متصل هستند و تا سطح ماده ادامه دارند انجام دهیم (شکل 1). به این مواد که ساختاری اسفنج مانند دارند، مواد متخلخل یافوم می‌گوییم. در طبیعت نیز می‌توان مواد متخلخل را به وفور مشاهده کرد. زئولیت‌ها، موادی از این دسته هستند. از مواد متخلخل مصنوعی نیز می‌توان به فوم‌های فلزی اشاره نمود که امروزه کاربردهای بسیاری در صنایع دارند. از مواد متخلخلدر کاتالیز واکنش‌های شیمیایی، فیلترهای مایعات و فیلترهای هوا استفاده می شود. بنابراین، هرچه اتم‌های بیشتری در سطح باشند، واکنش‌های شیمیایی با سهولت بیشتری رخ می‌دهند. این رویداد برخی موارد مفید، و در برخی موارد مضر است.



شکل 1. طرحی از مواد متخلخل
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
پرسش 5: آیا می‌توانید کاربردهای واکنش‌های شیمیایی مواد را نام ببرید؟ چه مواقعی نیاز داریم تا از واکنش‌های شیمیایی مواد جلوگیری کنیم؟

یک راه دیگر، کوچک‌تر کردن اندازه‌ی مواد واکنش‌دهنده است. برای بیان این موضوع، توضیحات را در قالب یک مثال ادامه می‌دهیم. ممکن است مطالبی را در رابطه با سوخت‌های جامد شنیده باشید. سوخت‌های جامد مانند پودر آلومینیوم در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این کاربردها، استفاده به عنوان سوخت موشک است. همان‌گونه که قبلاً نیز گفته شد، آلومینیوم واکنش‌پذیری بالایی دارد و به سرعت اکسید می‌شود. پودرهای ریز آلومینیوم بر اثر واکنش با اکسیژن، به شدت آتش می‌گیرند و گرمای زیادی آزاد می‌کنند.
سوخت‌های جامد یا Solid Fuel به انواع مواد جامدی گفته می‌شود که به عنوان سوخت استفاده می‌شوند، و در اثر اشتعال، گرما و انرژی آزاد می‌کنند. مانند: زغال چوب و زغال سنگ. یکی از کاربردهای این نوع سوخت، استفاده از آن به عنوان سوخت موشک می‌باشد.

پرسش 6: به نظر شما اندازه‌ی پودرهای آلومینیوم چه تاثیری بر میزان انرژی آزاد شده و در نتیجه بازده سوخت دارد؟

برای پاسخ به این پرسش، شکل 2 را در نظر بگیرید. در این شکل فرض کرده‌ایم که پودر آلومینیوم ، به شکل کره است. در صورتی که این ذره‌ی پودر در معرض اکسیژن قرار بگیرید و واکنش دهد، یک لایه از اکسید آلومینیوم روی آن قرار می‌گیرد. با توجه به آنچه در مورد اکسید آلومینیوم گفته شد، این لایه‌ی تشکیل شده، از ادامه‌ی واکنش اکسایش جلوگیری می‌کند و مقدار زیادی از قسمت‌های داخلی این ذره‌ی پودری، از واکنش در امان می‌ماند. اما در صورتی‌که اندازه‌ی این ذره کمتر باشد، مقدار بسیار کمتری از آن دست نخورده باقی می‌ماند. بنابراین، مقدار بیشتری از سوخت جامد مصرف شده و بازده بیشتر می‌شود.



شکل 2. مقایسه‌ی بین اکسید شدن ذرات آلومینیوم با اندازه‌های مختلف

علاوه بر این مثال، اندازه‌ی ذرات مورد استفاده در صنایع شیمیایی (اندازه‌ی ذرات کاتالیست)، ریخته‌گری (اندازه‌ی افزودنی‌ها به مذاب) و صنایع کامپوزیت (اندازه‌ی ذرات تقویت کننده) از اهمیت بالایی برخوردار است.
به طور خلاصه، برای در دسترس قرار دادن مقدار بیشتری از یک ماده، یا باید آن را به شکل متخلخل داشته باشیم، و یا اندازه‌ی ذرات آن را کوچک‌تر کنیم. در هر دو روی‌کرد، در واقع مقدار بیشتری از ماده روی سطح قرار می‌گیرد، و یا می‌توان گفت که نسبت سطح به حجم افزایش یافته است. اهمیت سطح تنها در واکنش‌های شیمیایی مطرح نیست، بلکه برهم‌کنش‌های فیزیکی و مکانیکی ماده با محیط نیز از طریق سطح انجام می‌گیرد. از این موارد می‌توان به پدیده‌های اصطکاک و انتقال حرارت اشاره نمود. بنابراین، تغییر مقدار سطح ماده می‌تواند بر این پدیده‌هاتاثیر بگذارد.

در پایان این مقاله و برای شروع مقاله‌ی بعدی، چند سوال مهم را مطرح می‌کنیم.

پرسش 7: آیا همیشه با کوچکتر شدن اندازه‌ی ماده، خواص آن تغییر می‌کند؟ این خواص شامل چه مواردی هستند؟

همان‌گونه که می‌دانید، در ابعاد نانو، خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی مواد به شدت تغییر می‌کند. برای مثال، نقطه‌ی ذوب ذرات 50 نانومتری طلا با نقطه‌ی ذوب ذرات 10 نانومتری طلا بسیار متفاوت است. رنگ نانوذرات طلا نیز با یکدیگر متفاوت است. اما اگر شمش‌های بزرگ طلا را به قسمت‌های چند میلی متری تقسیم کنیم، نقطه‌ی ذوب‌شان تغییر نمی‌کند و هم‌چنان به رنگ زرد (طلایی) دیده می‌شوند. چگونه این واقعیت را توجیه می‌کنید؟ آیا ابعاد نانومتر، محدوده‌ی خاصی است که در آن اتفاقات ویژه‌ای می‌افتد؟
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
هرچه اندازه ی ابعاد یک ماده کوچکتر می شود،نسبت سطح به حجم در آن افزایش می یابد و نسبت اتمهای سطحی به کل اتم ها بیشتر می شود.مثلا در خوشه های تک پوسته،نسبت اتمهای سطحی به کل اتمها 92% است در حالیکه این نسبت در خوشه های هفت پوسته کم می شود و به 35% می رسد!از آنجایی که اتمهای سطحی تعیین کننده ی خواص شیمیایی از جمله واکنش پذیری مواد هستند،می توان نتیجه گرفت تاثیراتمهای سطحی در تعیین خواص مواد ، درماده ای با ابعاد کوچکتر نسبت به مواد با ابعاد بزرگتر ، خیلی بیشتر و مشهود تر است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در مقاله‌ی قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتم‌های آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. هم‌چنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر می‌کند. درک این‌که چرا واکنش‌پذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیش‌تر می‌شود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش می‌آید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دست‌خوش تحولات زیادی می‌شود؟ چنانچه ماده‌ای با مقیاس چند ده متری را کوچکتر کرده و به ابعاد میلی‌متری برسانیم، هیچ تغییری در نقطه‌ی ذوب، رنگ و خواص مغناطیسی آن ایجاد نمی‌شود. اما این تغییر در هنگام کوچک‌تر کردن ماده تا ابعاد نانومتری دیده می‌شود.
کلید حل این مساله در این جاست که تعداد اتم‌های سطحی در مواد با مقیاس‌های بزرگ‌تر از نانومتر، بسیار ناچیز است، اما با ورود به دنیای نانومتری، مقدار این اتم‌ها نسبت به کل اتم‌های ماده، بسیار زیاد می‌شود. برای بررسی دقیق‌تر و درک این موضوع، به جدول 1 دقت کنید.



جدول 1. درصد اتم‌های سطحی خوشه‌های اتمی با تعداد پوسته‌های متفاوت


در این جدول، تعداد پوسته‌ها، شکل خوشه، تعداد اتم‌های سطحی، تعداد کل اتم‌ها و درصد اتم‌های سطحی مربوط به هر خوشه آورده شده است. این خوشه‌ها در متراکم‌ترین حالت ممکن در نظر گرفته شده‌اند. مشاهده می‌شود در حالتی که خوشه‌ی اتمی از یک پوسته تشکیل شده باشد، 92% اتم‌های آن در سطح قرار دارند. اگر قطر هر اتم را 5 آنگستروم در نظر بگیریم، قطر این خوشه برابر با nm1.5 می‌باشد. در حالت سه پوسته‌ای، و با قطر خوشه برابر با nm3.5، معادل 63% از اتم‌ها در سطح قرار گرفته‌اند. یعنی با افزایش اندازه‌ی ذرات از nm1.5 بهnm3.5 ، از درصد اتم‌های سطحی به مقدار 29% کاسته شده است. برای مقایسه، این تغییر را در هنگام گذار از حالت پنج پوسته‌ای (قطر خوشه برابر با nm5.5 ) به حالت هفت پوسته‌ای (قطر خوشه برابر با nm7.5 ) در نظر بگیرید. مقدار اتم‌های سطحی با کاهش 10% از مقدار 45% به 35% می‌رسد. بنابراین؛ هرچه اندازه ذرات کوچک‌تر باشد، تاثیر کاهش اندازه ذرات بر مقدار اتم‌های سطحی بیش‌تر می‌شود. با یک محاسبه‌ی ساده متوجه می‌شوید که در موادی با ابعاد میکرومتر و متر، مقدار اتم‌های سطحی نسبت به اتم‌های کل ِ ماده، بسیار ناچیز و تقریبا برابر با صفر است. بنابراین، تاثیر این اتم‌ها بر خواص ماده بسیار ناچیز است. اما در مقیاس‌های نانومتری، درصد این اتم‌ها بسیار زیاد است و می‌توانند نقشی تعیین کننده در خواص مواد داشته باشند. به نظر می‌رسد عاملی که بسیاری از خواص نانومواد را کنترل می‌کند، رفتار اتم‌های سطحی و مقدار آنهاست. در اینجا سوالی را مطرح می‌کنیم و در ادامه، به توضیح آن می‌پردازیم.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
پرسش 8: در مواد بزرگ‌تر از نانومتر، تعداد اتم‌های سطحی ماده ناچیز بوده و نقش آنها در تعیین خواص مواد نادیده گرفته می‌شد. اما با کاهش اندازه‌ی ذرات و افزایش نسبت اتم‌های سطحی، نقش آنها پررنگ‌تر شده و خواص مواد دچار دگرگونی می‌شود. سوالی که پیش می‌آید این است که: اتم‌های سطحی چه ویژگی‌های متفاوتی از اتم‌های درون حجم ماده دارند؟ در حالی‌که از نظر علم شیمی، از جنس همان اتم‌های داخل حجم ماده می‌باشند. آیا محل قرار گرفتن یک اتم در ماده می‌تواند بر خواص و رفتار آن تاثیرگذار باشد؟

همان‌طوری که می‌دانید، در یک ماده‌ی جامد، هر اتم در محل مشخصی نسبت به دیگر مواد قرار گرفته است. در مواد بلوری، با توجه به جنس ماده، فواصل بین اتم‌ها کاملا قابل محاسبه و مشخص هستند. در اطراف هریک از این اتم‌ها، تعداد مشخصی اتم دیگر با فواصل معین قرار گرفته است. این اتم با برخی از اتم‌های اطراف که کمترین فاصله را با آن دارند، در ارتباط مستقیم است. طبق تعریف، تعداد این اتم‌ها را عدد هم‌سایگی، عدد هم‌آرایی یا عدد کوئوردیناسیون می‌گوییم.
عدد کوئوردیناسیون که برای ساختارهای بلوری به کار می‌رود، عبارت است از تعداد اتم‌هایی که نزدیک‌ترین فاصله را با یک اتم دارند. به طور مثال، این عدد برای اتم سدیم در بلور نمک طعام، 6 می‌باشد که نشان می‌دهد هر اتم سدیم، توسط 6 اتم کلر احاطه شده است.
در بلور نمک طعام (شکل 1) عدد هم‌سایگی برای اتم‌های سدیم و کلر برابر با 6 می‌باشد. اما نکته‌ای وجود دارد که باید به آن توجه کرد. یک بلور نمک طعام، اندازه‌ی محدودی دارد. یک وجه این بلور را در نظر بگیرید، به نظر شما تعداد نزدیک‌ترین همسایه‌های اتم های موجود روی این سطح، برابر با 6 است؟
همان‌طور که می‌دانید، این اتم‌ها تنها از یک طرف با دیگر اتم‌های بلور در ارتباط هستند. اگر یک بلور نمک طعام را در حالت کاملا ایده‌آل و کامل (بدون نقص) در نظر بگیریم، نزدیک‌ترین هم‌سایه‌های اتم مستقر بر روی وجه، برابر با 5، برای اتم مستقر بر روی یال، برابر با 4 و برای اتم موجود در رأس این مکعب، برابر با 3 می‌باشد (شکل 1.)



شکل 1. بلور نمک طعام

بنابراین، در مسیر رسیدن به پاسخ پرسش 8، به این نتیجه رسیدیم که عدد هم‌سایگی اتم‌های سطحی ماده با دیگر اتم‌های آن متفاوت است. برای پاسخ دادن به پرسش 8، باید به یک پرسش دیگر نیز پاسخ دهیم:

پرسش 9: آیا عدد هم‌سایگی یک اتم در تعیین خواص آن نقش دارد؟


 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
اهمیت اتم های سطحی در تعییت خواص مختلف ماده از جمله واکنش پذیری خیلی بیشتر از ابعاد بزرگتر ماده است؛ زیرا نسبت سطح به حجم در ابعاد کوچکتر ماده بیشتر است و از طرفی این اتم های سطحی هستند که در خط مقدم برخورد با سایر مواد و واکنشگرها هستند.در برخی مواد مانند فلزات نیز در شرایط خوردگی، اتم های سطحی اکسید شده و لایه ی محافظی برای اتمها ی عمقی تر ایجاد می کنند و مانع واکنش اتمهای حجم می شوند.تاثیر این اتم های سطحی در خواص فیزیکی ماده، نظیر نقطه ی ذوب و ... نیز قابل تامل می باشد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در مقاله قبلی تلاش نمودیم تاپاسخ مناسبی را برای پرسش 9 و به تبع آن برای پرسش 8 بیابیم و نقش اتم‌‏های سطحی رادر رفتار ماده تبیین نماییم. در این راستا به مفهوم عدد همسایگی اشاره نمودیم ودیدیم که عدد همسایگی اتم‌‏های سطحی با اتم‌‏های درون حجم ماده متفاوت است. بنابراین اگر عدد همسایگی بر خواص اتم تاثیرگذار باشد، در مواد نانومتری وخوشه‏‌های اتمی که تعداد بسیار زیادی از اتم‏‌ها بر روی سطح ماده قرار دارند (جدول(1) مقاله‏ اهمیت سطح در دنیای نانو (3)) یا به عبارتی نسبت سطح به حجم بسیار بیشتراز مواد بزرگ‏تر است، این تاثیر باید چشم‏گیرتر باشد.
فعالیت شیمیایی
برای روشن‏‌تر شدن موضوع، مثالی را که در کتاب «نانو از نو» آورده شده است، بیانمی‏‌کنیم. تصور کنید که در زنگ تفریح به همراه دوستان خود در حیاط مدرسه ایستاده‌‏اید. هنگامی‏که زنگ به صدا در می‏‌آید، هر یک از شما تلاش می‏‌کند تا به سمت کلاس برود. در این شرایط آیا رفتار شما با بقیه‏ دوستانتان یکسان است؟ اگر شمادر میان حلقه‏ دوستانتان ایستاده باشید، ابتدا باید صبر کنید تا اطرافیانتان حلقه را ترک کنند و سپس شما بتوانید راهی به بیرون بیابید. بر عکس، دوست شما که در اطراف این جمع ایستاده است، می‌تواند به راحتی و با آزادی عمل بیشتری این حلقه را ترک کند. این رفتاری است که در اتم‏‌های یک ماده‏ جامد نیز دیده می‏‌شود. در واقع،اتم‏‌های سطح ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم‏‌های داخل حجم دارند. همان‏گونه که در مقالات قبلی گفته شد، ارتباط ماده با محیط پیرامونش، از طریق محل تماس ماده با این محیط، یا همان سطح ماده است. بنابراین به راحتی می‌‏توان دریافت که اتم‌‏های سطحی ماده، واکنش‏‌پذیری بیشتری دارند. بنابراین هنگامی‌که اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده تا جایی کوچک شوند که نسبت سطح به حجم افزایش چشمگیری داشته باشد، واکنش‏‌پذیری ماده نیز بسیار افزایش خواهد یافت. اگرچه، در همان اندازه‌های بزرگ نیز با خرد کردن ذرات یک ماده، به وضوح واکنش‌پذیری آن افزایش می‌یابد و برای مشاهده‏ افزایش واکنش‏‌پذیری لزومی ندارد تا حتما به اندازه‏‌های نانومتری برسیم.
البته بایدبین این موضوع و موضوع غیر فعال شدن سطح فلزاتی مانند آلومینیوم بر اثر تشکیل لایه‏اکسیدی، روی سطح آن تمایز قائل شد. زیرا در آن شرایط اتم‏‌های سطحی در قالب یک ترکیب شیمیایی قرار گرفته‏‌اند و ماهیتی جدا از اتم‏‌های خالص درون حجم ماده دارند. در نتیجه واکنش‌‏پذیری بسیار کاهش می‌یابد و حجم ماده از واکنش شیمیایی مصون می‌‏ماند.


پرسش 10: بر اساس آنچه که تاکنون آموخته‌‏ایم، برخی از مواد در هنگام قرارگیری در محیط خورنده مانند آب دریایا محیط‏‌های اسیدی، خود را از خوردگی حفظ می‏‌کنند. به این ترتیب که یک لایه‏اکسیدی روی آنها تشکیل می‏‌شود. این لایه‏ اکسیدی در آلومینیوم، Al2O3، درتیتانیوم، TiO2و در فولاد ضد زنگ، اکسید کروم یا Cr2O3است. این لایه‏ اکسیدی بسیار سخت و دارای چسبندگی زیاد به سطح زیرین و هم‏چنین یکپارچه است، بنابراین جلوی اکسید شدن لایه‌‏های زیرین را می‏‌گیرد. در مهندسی خوردگی و حفاظت از فلزات، به اینرفتار به اصطلاح، غیر فعال (passive)شدن گفته می‏‌شود. به نظر شما، کوچک کردن اندازه‏ ماده به خصوص تا اندازه‏‌های نانومتری، چه تاثیری بر این رفتار دارد؟
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
نقطه‏ ذوب
البته این موضوع تنها محدود به فعالیت شیمیایی ماده نیست، بلکه در شکل دادن ویژگی‌های فیزیکی نیز،اتم‌های سطحی رفتاری متمایز از اتم‌های حجم دارند. تمام اتم‌‏های موجود در ماده درهر دمایی ، مقدار مشخصی از انرژی را به دلیل نوسان‏‌های خود، به خود اختصاص می‏‌دهند. میزان دامنه‏ این نوسان در تمام اتم‌‏های ماده یکسان نیست. بلکه اتم‏‌های سطحی به دلیل آزادی فضایی بیشتری که در اختیار دارند، دامنه‏ نوسان بیشتری نیز دارند. به این ترتیب می‌‏توان رفتار عجیب جامدات در کاهش دمای ذوبشان را توضیح داد. برای اینکه بتوانیم در مورد نقطه‏ ذوب یک ماده‏ جامد صحبت کنیم، بهتر است، ابتدا تعریف یکسانی برای نقطه‏ ذوب ماده داشته باشیم. برای این کار می‌‏توانیم شرط یا معیار ذوب شدن ماده را تعریف کنیم.
دانشمندان و مهندسان به منظور تشخیص رخ دادن برخی پدیده‌‏ها در حین بررسی رفتار مواد، از معیارهایی استفاده می‏‌کنند. معیارهاعبارتند از معادلات ریاضی عموما ساده که تغییرات برخی عوامل موثر بر رفتار ماده رادر نظر می‏‌گیرند. معیارهای ترسکا و فون مایزز در مشخص کردن شرایط تسلیم یک ماده تحت اعمال نیرو و معیار لیندمان برای مشخص کردن تبدیل فازی از جامد به مایع در مواداز این دسته معیارها هستند. این معیارها در شبیه‏‌سازی رفتار مواد بسیار مهم وکاربردی هستند.
بر اساس معیاری که لیندمان درسال 1910 ارائه داد، هنگامی‏‌که میانگین نوسان‏‌های اتمی ماده به مقدار مشخصی (به نسبت فاصله‏ تئوری بین اتم‏‌های ماده در بلور جامد یا همان ثابت شبکه) برسد، ماده را ذوب شده در نظر می‏‌گیریم. به بیان دقیق‏تر، این طور فرض می‏‌شود که با رسیدن مقدار میانگین دامنه‏ ارتعاشات اتمی به ضریب مشخصی از مقدار ثابت شبکه، این ارتعاشات دیگر نمی‌‏توانند بدون آسیب رساندن و تخریب شبکه، افزایش یابند. بنابراین با افزایش میانگین دامنه‏ ارتعاشات به مقادیر بیش‏تر، ماده از قالب شبکه‏ بلوری خارج شده و ذوب می‏‌شود.
با توجه به توضیحات ارائه شده در بالا، اتم‌‏های سطحی، میانگین نوسان‏‌های بالاتری دارند و اگر تعداد اتم‌‏های سطحی زیاد شود، می‌‏توانندبر میانگین دامنه‏ نوسان‌‏های کل اتم‏‌های ماده تاثیر واضحی بگذارند. بنابراین باکوچک شدن ابعاد ماده تا حدی که نسبت تعداد اتم‏‌های سطح به تعداد اتم‏‌های حجم به مقدار چشمگیری برسد، میانگین دامنه‏ نوسان‏های اتمی افزایش قابل ملاحظه‌‏ای خواهدیافت؛ در این شرایط، با افزایش ناپایداری سطحی ماده، دمای ذوب ماده کاهش پیدا خواهدکرد. در واقع شرایط مورد نیاز برای برقراری معیار لیندمان (مقدار مشخصی از میانگین نوسان‏‌های اتمی) در دماهای کمتری تامین خواهد شد. در شکل زیر، روند کاهش نقطه‏ ذوب را بر حسب کاهش اندازه‏ ذرات ماده مشاهده می‏‌کنید.





شکل 1- تغییرات مقدارنقطه ذوب در مقابل کاهش اندازه ذره‏ طلا

در این مقاله مشاهده نمودیم که اتم‌‏های سطحی که توسط تعداد کمتری از اتم‏‌های ماده محصورند، می‌‏توانند بررفتارهای ماده، تاثیرات به سزایی داشته باشند. البته این مباحث را می‏‌توان در قالب نظریه‏‌های دقیق‏تر علمی و با ارائه‏ روابط و تحلیل‏‌های ریاضیاتی و آماری به طور مفصل‏‌تری مورد بررسی قرار داد. اما بیان و توضیح این موارد خارج از هدف نگارش این سری ازمقالات (بیان ساده و مثال‏‌گونه‏ رخدادهای دنیای نانومتری) ‏است.
در مقالات بعدی، با رفتار اتم‏‌های سطحی بیشتر آشنا می‌‏شویم.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
اتم های تشکیل دهنده ی ماده، با قرارگیری در کنار یکدیگر به هم انرژی وارد می کنند و مانع از گسیختگی ماده می شوند. در این بین،اتمهای درون حجم تحت تاثیر انرژی بیشتری نسبت به اتم های سطحی می باشند؛ چرا که اتم های درون حجم، نسبت به اتم های سطحی، تعداد بیشتری اتم در همسایگی خود دارند. به دلیل همین انرژی اتم ها، ایجاد سطحی جدید در ماده،نیازمند صرف انرژی است. این انرژی قابل محاسبه، انرژی سطحی نام دارد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در مقاله‏ قبلی به نقش تعداد همسایه‌های اتمهای سازنده ماده در رفتار آن و به تبع این موضوع، به رفتار خاص اتم‌های سطحی و تفاوت آن با رفتار اتم‌های درون حجم ماده پرداختیم. در این مقاله به موضوع دیگری می‌پردازیم که تبیین آن کمک شایانی به درک رفتار مواد و به ویژه در مقیاس نانومتریخواهد کرد.
اگر به مفهوم انرژی بپردازیم، خواهیم دید که هر اتم به دلیل قرارگرفتن در ساختار بلوری ماده دارای مقداری انرژی است که برای جدا کردن آن از ماده باید این مقدار انرژی را مصرف نمود. اگر اتم موجود روی سطح، در نظمی مانند دیگراتم‌های موجود در حجم ماده قرار بگیرد، آن‏گاه نسبت به دیگر اتم‌ها، مقدار انرژی بیشتری را به خود اختصاص می‌دهد. بنابراین طرز قرارگیری این اتم، نسبت به دیگراتم‌های این شبکه‏ بلوری متفاوت است. برای طی یک روند معقول و برای درک بهتر این مفهوم، بهتر است ابتدا فرض کنیم که اتم‌های سطحی ، در نظمی مانند اتم‌های درون حجم ماده قرار گرفته باشند؛ سپس در مقاله‏ بعدی با استفاده از مفهوم انرژی سطحی، به بررسی تحولات سطح برای رسیدن به حالت متعادل می‌پردازیم.

انرژی سطحی
بر اساس تعریف، انرژی سطحی که آن را با حرف یونانی γ (گاماGamma -) نشان می‌دهیم، برابر است با میزانی از انرژی که برای ایجاد سطح جدیدی به اندازه‏ واحد اندازه‌گیری لازم است. برای مثال، می‌توانیم برش دادن یک مکعب مستطیل و تبدیل آن به دو مکعب مستطیل دیگر را در نظر بگیریم (شکل 1).



شکل 1- برای بریدن یک مکعبمستطیل و تبدیل آن به مکعب‌های کوچک‌تر باید بر پیوندهای بین اتم‌های موجود در دوسمت صفحه‏ برش غلبه نمود. در این فرآیند دو سطح جدید در ماده ایجاد می‌شود که دراین شکل با رنگ تیره مشخص شده‌اند.

با توجه به تعریف ارائه شده، تلاش می‌کنیم تا به مدلی برای توصیف و محاسبه‏ انرژی سطحی دست یابیم. برای اینکار، باید بر تمام پیوندهای موجود در یک سطح غلبه کنیم و آنها را از میان ببریم. پس مقدار این انرژی برابر می‌شود با حاصل‌ضرب تعداد کل پیوندهای موجود روی سطح (Nt) درمقدار انرژی لازم برای غلبه بر هر پیوند (انرژی پیوند یاε).
E=Nt.ε​

تعدادکل پیوندها را می‌توان از حاصل‏ضرب تعداد اتم‌های موجود در سطح مورد نظر(Na) ، درتعداد پیوندهایی که هر اتم بر اثر ایجاد سطح جدید از دست می‌دهد(Nb) ، محاسبه نمود. در این نام‌گذاری، b مخفف broken به معنای «شکسته شده» است و بر شکسته شدن پیوندهابر اثر ایجاد سطح جدید دلالت دارد.
Nt=Na.Nb​

از آنجایی‏که بر اساس تعریف،انرژی سطحی یک ماده، برای واحد سطح ماده تعریف می‌شود، بنابراین باید انرژی محاسبه شده را بر سطح مورد نظر (A) تقسیم نمود. (γ=E/A) اما باید توجه داشت که با برش دادن این قطعه مکعب مستطیلی، دو سطح جدید و هر یک به مساحت A ایجاد می‏شود (شکل 1). بنابراین داریم:
γ=E/2A=Na.Nb.ε/2A​

از طرفی بر اساس تعریف، می‌توان تعداد اتم‌ها بر واحد سطح را برابر با چگالی سطحی اتمی (ρa=Na/A) در نظر گرفت.
γ=Nb.ε.ρa/2​

در این رابطه γ دارای واحد انرژی بر واحد سطح یا ژول برسانتی‌متر مربع (J/cm[SUP]2[/SUP]) است. این رابطه مدلی بسیار ساده شده از انرژی سطحی را ارائهمی‌دهد. در این مدل فرض شده است که فواصل و آرایش اتمی و هم‏چنین مقدار ε در سطح، تفاوتی با حجم ماده ندارد (همان‏طور که در ادامه‏ این مقالات خواهیم دید، این موضوع درست نیست و اتم‌های سطحی حتی می‌توانند آرایش متفاوتی را نسبت به اتم‌های درون حجم ماده به خود بگیرند). بنابراین نمی‌توان این مدل را با اطمینان در تمام موارد به کار برد. اما این مدل می‌تواند درک خوبی از مقدار انرژی سطحی و عوامل موثر بر آن رادر اختیار ما قرار دهد.
برای درک دقیق‌تر این موضوع، مناسب است که انرژی سطحی صفحات مختلف بلوری را محاسبه نماییم تا با پارامترهای این محاسبه و ماهیت دقیق‌ترآنها آشنا شویم. برای این منظور صفحه‏ (100) را در یک شبکه‏ بلوری با ساختار FCC در نظر بگیرید (شکل 2).




شکل 2- صفحه‏ (100) در یکبلور مکعبی FCC، در این تصویر اتم مرکزی این صفحه به شکل توپر و نزدیک‌ترینهمسایگان آن با کشیدن زیرخط نمایش داده شده‌اند.​

همان‏گونه که از قبل می‌دانید، عدد همسایگی هر اتم در ساختار FCC برابر با 12 است. در این تصویر مشاهده می‌شود که اتم مشخص شده در روی صفحه‏ (100)، تنها 8 اتم همسایه را در کنار خود می‌بیند. این اتم‌ها در شکل 2 با زیرخط نمایش داده شده‏اند. بنابراین، این اتم که بر روی سطح واقع شده است، به تعداد 4 همسایه‏ خود را از دست داده است، بنابراین مقدارNb برای آنبرابر با 4 است. این صفحه‏ اتمی در مساحتی معادل با a2(که a همان پارامتر شبکه است) یا همان سطح رنگی شده در شکل 2، دارای یک اتم کامل در وسط و چهار ربع اتم درچهار کنج، و در نتیجه در مجموع دارای دو اتم کامل است. پسρa (چگالی اتمی صفحه‌ای) برای این صفحه‏ اتمی برابر با 2/ 2 aاست. بنابراین خواهیم داشت:

پرسش 11: در محاسبه ‏بالا، مقدار γ را، بر حسب a(پارامتر شبکه) و ε(انرژی پیوند) به دست آوردیم. اکنون برای رسیدن به یک عدد مشخص، چگونه باید این دو پارامتر را به دست آوریم؟

بنابراین در محاسبه‏ مقدارانرژی سطحی، علاوه بر دانستن چگالی اتمی صفحه‌ای، باید بتوانیم تعداد اتم‌های جدا شده از اطراف هر اتم در آن صفحه‏ مورد نظر را بشماریم. از این رو باید در ابتدا عدد همسایگی شبکه‏ مورد بررسی را بدانیم.

پرسش 12: به عنوان تمرین، انرژی سطحی صفحه‏ (0 1 1) را در ساختار بلوری FCC محاسبه نمایید. پارامترشبکه را a و انرژی پیوند را برابر با ε در نظر بگیرید.

پرسش 13: آیا با زیاد شدن مجموع مربع‌های اندیس‌های صفحه‏ بلوری در یک شبکه‏ مکعبی، مقدار انرژی سطحی آندر یک روند خاص تغییر می‌کند؟ اگر پاسخ شما مثبت است، این روند رابیابید.



 
Similar threads

Similar threads

بالا