***دنیای نانو ؛ آشنایی با مفاهیم***

[masoud*65]

با سلام خدمت تمامی دوستان

به نظرم رسید ، دوستانی که تمایل به آشنایی با نانو و پیشرفت های اون دارند ، بیش از هر مقاله و مطلبی در زمینه تحقیقات نانو، نیاز به آشنایی با مفاهیم ابتدائی و پایه ای نانو دارند ، به همین دلیل بر این شدم با اجازه و همراهی دوستان در این تاپیک به این موضوع بپردازیم از دوستان هم دعوت می کنم اطلاعاتی را که در این مورد دارند برای استفاده بقیه دوستان قرار دهند.

 

[masoud*65]

جام لیکورگوس

جام لیکورگوس

تاریخچه نانو تکنولوژِی :

استفاده از نانو تکنولوژی برخلاف تصور عمومی دارای سابقه تاریخی طولانی است.تفهيم اينكه نانوتكنولوژي چگونه اولين اثرات خود را بر زندگي بشريت گذاشت و اينكه از آن زمان تاكنون چگونه موجب زندگي بهتر و گشودن درهايي براي اكتشافات بيشتر بوده است کار چندان آسانی نیست.

کشفیات باستان شناسان روشنگر استفاده از نانو تکنولوژی حتی در دوران قبل از میلاد مسیح است. يك محصول معروف که از آن دوره به جا مانده و در کاوش های اخیر به دست آمده ، جام لیکورگوس است که در موزه بریتانیا نگه داری می شود. ماده اصلي اين جام از شيشه است و مربوط به قرن چهارم قبل از میلاد است.

این جام داراي بدنه برنزي با لبه هاي برجسته است و آن چيزي كه اين جام را بي همتا مي سازد اين است كه در برابر نورهای با رنگ های مختلف ، رنگ های مختلف را از خود نشان می دهد.

مطالعات ميكروسكوپي روشن نموده كه شيشه اين جام داراي ذرات نانو از جنس طلا و نقره است اين ذرات خواصي را بروز مي دهند كه از ذرات درشت موجود در آن متفاوت است.بعد ها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیسا ها استفاده شد.

همچنین شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی بکاربرده شده توسط قوم مایا موجود است.

 

[masoud*65]

تاریخچه نانو ( ادامه)

تاریخچه نانو ( ادامه)

شيشه هاي رنگي (400-1500) :
علي رغم نا آگاهي از دليل آن ، در ساخت شيشه هاي رنگي در زمان هاي بسيار دور ازذرات نانو استفاده مي شده است. رنگ سرخ ياقوتي بعضي از شيشه هاي رنگي به دليل نانو ذرات طلا بدام انداخته شده در ماده زمينه آن مي باشد . به همان ترتيب رنگ زرد پررنگ بدليل نانو ذرات نقره است . اندازه متفاوت نانوذرات ،دليل رنگ هاي الوان و متنوع بوده است . اين مثال از تعويض خواص ظاهر شده در مواد ( در مورد رنگ ها ) در ذرات نانو كلياتي از خواص اين ذرات است

دروتا ( ظروف سفالین) (1450- 1600 ) :
دروتا و اُمبريا ظروف سفالين با رنگ آميزي هنرمندانه در قرون 15 و 16 با بكار گيري اشكال ابتدايي از نانو تكنولوژي هستند . سراميك دروتا با رنگين كمان هاي شورانگيز يا لعاب هاي متاليك كه در قرون 15 و 16 در سراسر اروپا متقاضيان فراوان داشت . براي دستيابي به رنگهاي طلايي و قرمزاز نانو ذراتي از فلز مس و نقره به اندازه پنج ميليونيوم متر استفاده مي شد كه در عوض پخش كردن نور از سطح اجسام موجب مي گشت تا نور هايي با طول موج هاي متفاوت ساتع گردد كه موجب بوجود آمدن حالت رنگين كمان يا متاليك مي گشت.

كشف كلوئيد هاي طلا 1857
گرچه كلمه "نانو" در آن زمان استفاده نمي شد اما ميشل فارادي اولين كلوئيد هاي فلزي را در1856 كشف كرد .
كلوئيد ها ذراتي هستند كه در يك محلول معلق اند ( مابين ذرات حل شونده و آنهايي كه در حلال رسوب مي كنند).
كلوئيد هاي طلايي فارادي خواص الكترونيكي و شيميايي مخصوصي داشتند و الآن بعنوان يكي از بهترين نانو ذرات فلزي شناخته می شوند. بنا به تشخيص بسياري ، يكي از بهترين آزمايشگرها و شيميست ها و فيزيسين هايي كه تابحال بدنيا آمده دانشمند انگليسي فارادي بوده كه داراي تحصيلات ابتدايي بود و در 14 سالگي شاگرد يك صحاف كتاب بوده . در آنجا اوبه كارهاي شيمي و فيزيك علاقه مند بود و بعد از شنيدن سخنراني شيميست معروف هامفري ديوي يادداشتهايي از سخنراني ديوي را برايش ارسال مي كند و به اين ترتيب معاون ديوي در آزمايشگاه رويال در انسيتو لندن مي شود . در سن 21سالگي بيش از 600 آزمايش توسط او انجام مي گيرد .

1908 تئوري مـاي (Mie):
فيزيكدان آلماني گوستاو ماي نقش مؤثري در نانو تكنولوژي با طرح تئوري پراكندگي نور توسط ذرات داشت . او نشان داد كه امواج كوتاه در پراكندگي نور مؤثر تر از امواج با طول موج بلند است . ما آسمان را آبي مي بينيم چرا كه مولكولهاي هوا ( كه بسيار ريز هستند) در فاصله كوتاه نور را بيشتر در طول موج آبي مي شكنند تا زرد يا قرمز چرا كه نور آبي امواج كوتاه تري دارد . وقتي خورشيد غروب مي كند نسبت به وسط روز فاصله بيشتري از ما مي گيرد ،در اين مورد پراكندگي بيشتر توسط ذرات گرد و غبار صورت مي گيرد . اين ذرات هنوز اثر بيشتري بر امواج آبي دارد تا زرد و قرمز ، بنابراين نوري كه هنوز شكسته نشده به ما مي رسد كه مخلوطي از رنگهاي زرد و قرمز است . پس رنگ آسمان در هنگام غروب قرمز و زرد به نظر مي رسد.
تئوري ماي به دانشمندان كمك كرد تا به اين نتيجه برسند كه اندازه ذرات مشخص كننده رنگي است كه ما مي بينيم . ماي اندازه تعداد زيادي از ذرات را بوسيله تشخيص نورهايي كه آنها را مي شكند بدست آورد . براي اندازه گيري نانو ذرات و ذرات بزرگتر اين تئوري مستلزم محاسبات هنگفتي است بنابر اين تا حدود 20 سال پيش - كه سوپر كامپيوتر ها توانمند شدند - بندرت بكار برده مي شد . هم اكنون تئوري ماي (بخوبي پيشرفت هاي اخير ديگر ) به پژوهشگران كمك مي كند تا اندازه نانو ذرات را محاسبه كنند.

ريچارد فيمن 1959
شاید بتوان بزرگترین تحول در تاریخ نانوتکنولوژی را در سخنرانی فیزیکدانی به نام ریچارد فیمن (استاد فيزيك انستيتو كالتك ) در کنفرانس انجمن فیزیک آمریکا در سال 1959 دانست.در این کنفرانس ایشان با ارائه مقاله ای با عنوان (( فضای کافی در پایین وجود دارد))، در باره دستکاری مواد در ابعاد اتمی صحبت نمود.این مقاله امروزه به عنوان بخشی از آیین نامه انجمن های نانو تکنولوژی در آمده است.
او سال 2000 را سال ورود به دنياي ريز ناميد .اوبا انجام محاسباتی نشان داد که می توان با استفاده از پرتوی الکترونی کل اطلاعات نسخه 25000 صفحه ای دایره المعارف بریتانیکا را بروی یک سر سوزن جای داد و به حاضرين در جلسه قول داد به اولين كسي این کار را انجام دهد، يك هزار دلار جايزه خواهد داد ( اين جايزه را تام نیومن در سال 1985 دريافت كرد).

بخشی از سخنرانی فیمن در آن جلسه به این شرح است:
من ضد جاذبه اختراع نمی کنم ، چیزی که ممکن است روزی اتفاق بیفتد تنها اگر قوانین ، قوانینی نباشد که ما فکر می کنیم . من در باره آن چیزی صحبت می کنم که می تواند رخ دهد، اگر قوانین آن چیزی باشند که ما فکر می کنیم ؛ و این به سادگی امکان پذیر است زیرا ما هنوز به آن وارد نشده ایم.

فيمن بعدها در سال 1965جايزه نوبل را در رشته فيزيك دريافت كرد.

اولين استفاده از كلمه نانوتكنولوژي 1974
كلمه نانو تكنولوژي اولين بار توسط نوريو تانيگوچي (Norio Taniguchi ) از دانشگاه علوم توكيو بكار برده شد . او اين كلمه را در ارتباط با " تكنوژي محصولات براي دستيابي به دقت بالا و بهترين اندازه ها بعنوان مثال دقيق ترين و عالي ترين در حد يك نانو متر " بكار برد .

نانولوله هاي كربني 1991
سوميو ليجيما (Somio Ligima ) از NEC در ژاپن شكل جديدي از كربن با نام لوله هاي نانو را كشف كرد كه شامل تعدادزيادي لوله است كه در كنار يكديگر لانه گزيده اند .دوسال بعد از ليجيمتا ،دونالد بتون (Donald Bethune ) و ديگران در IBM آمريكا نانوتيوبهاي تك ديواره با ضخامت 1-2 نانومتر را كشف كردند . نانو تيوب ها رفتاري شبيه فلزات يا نيمه رسانا داشتند اما مي توانستند الكترونها را بهتر از مس و گرما را بهتر از الماس عبور دهند و جزو مواد مستحكم شناخته شدند .نانو تيوبها خواهند توانست نقش محوري در فعاليت هاي كاربردي داشته باشند و در نانو تكنولوژي باتوجه به ويژگي الكتريكي قابل ملاحظه و خواص مكانيكي آنها قابل بهره برداري گردند .


میکروسکوپ ها:
در این بین ساخت و اختراع میکروسکوپ های مختلف (اولين ميكروسكوپ الكتروني 1931 ، ميكروسكوپ الكتروني با زمينه يوني اروين مولر 1951، ميكروسكوپ اسكنينگ تونلينگ 1981 ،ميكروسكوپ نيروي اتمي 1986) نقش عمده ای در شناخت و پیشرفت نانوتکنولوژیِ ایفا کردند.

مطالب فوق با اندکی تغییراتی از اینجا برداشت شده است.​

 

[masoud*65]

هدف در نانو تکنولوژِِی

هدف در نانو تکنولوژِِی

هدف در نانو تکنولوژِی:

هدف اصلی در نانو تکنولوژی ، ساخت و تولید موادی با خصوصیاتی است که ما می خواهیم و نه آنچه طبیعت به ما تحمیل می کند.

 

[m4material]

اوه ...اوه...چه خاکی گرفته اینجا!!!!
اینجوری نمیشه ، باید یه دستی بکشم اینجا!!!
دیدم خیلی طالب نانو داریم، تصمیم گرفتم اول از همه یه کلاس درس بذارم اینجا!
خب میخواهیم از این به بعد تقریبا هر روز یا دو رزو یه بار مطالب نانو رو از ابتدا بذاریم تا همه بتونند استفاده کنند!
خب ببینم دیگه چند نفر استقبال میکنند؟
اگر مطلبی دارید ، حتما بذارید، ولی حالا اگه قبلش یه هماهنگی کوچیکم کنید بد نیست تا بی نظمی ایجاد نشه!
منتظر حظور گرمتون هستم!
موفق باشید

 

[m4material]

فناوري نانو چيست؟
1385-11-06

فرض کنيد که يک جعبه از آجرک‌هاي ساختمان سازي در اختيار داريد، مثل اين:

و مي خواهيد با آن يک ديوار به ارتفاع 10 سانتي متر بسازيد. براي ساختن ديوار چند راه مختلف داريد:
راه اول: مي توانيد آجرک‌ها را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته ده سانتي متري درست شود. دراين حالت ديوار شما کاملا بي نظم و غير يکنواخت است. مثلا ضخامت ديوار در قسمتهاي پاييني خيلي بيشتر از قسمتهاي بالايي است.(تصوير شماره يک):

تصوير شماره 1​

راه دوم: ممکن است کمي حوصله به خرج دهيد و آجرک‌ها را چندتا چندتا به هم وصل کنيد. مثلا قطعاتي به اندازه جعبه کبريت بسازيد و بعد اين قطعات را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته 10 سانتي متري درست بشود، اين بار هم ديوار شما بي نظم و غير يکنواخت خواهد بود؛ اما به طور قطع از ديوار قبلي منظم تر و قدري هم خوش قيافه‌تر است.(تصوير شماره 2)

تصوير شماره 2​

راه سوم:اگر خيلي آدم صبور و باحوصله اي باشيد، آجرک‌ها را دانه به دانه به هم متصل تا يک مستطيل به ارتفاع ده سانتي متر بسازيد. اين ديوار کاملا يکدست و منظم خواهد بود. به عنوان مثال اگر از وسط آن را بشکنيد، هرکدام از نصفه ديوارها نظم اوليه خود را حفظ خواهد کرد.(تصوير شماره 3)

تصوير شماره 3​

حالا به تصوير شماره 4 نگاه کنيد، به نظر شما اين تصوير شبيه کداميک از ديوارها است؟
فکر مي‌کنم در اين مورد شما هم با من موافقيد، بله! تصوير شماره 4 بيش از همه به ديوار دوم شبيه است. حتما مي پرسيد که تصوير شماره 4 چه چيزي را نشان مي‌دهد؟ بايد بگويم که اين تصوير، عکس واقعي سطح يک ميله مسي کاملا صيقل داده شده در زير ميکروسکوپ است! اگر سطح يک فلز را خوب صيقل دهيم، بعد آن را به خوبي بشوييم، و سپس زير ميکروسکوپ بگذاريم چنين ساختاري را مشاهده خواهيم کرد. (البته نه به اين وضوح!) به هرکدام از چندضلعي‌هاي تصوير، يک «دانه» مي گوييم. هر دانه در واقع مجموعه اي از هزاران اتم فلز است که به طور منظمي کنار هم قرار گرفته اند. هرکدام از اين اتمها قطري در حدود «يک نانومتر» يعني يک ميليارديم متر دارند.

تصوير شماره 4​

خوب، حال بگذاريد که تشابه بين ديوارهاي شما و سطح فلز را بررسي کنيم:
آجرهاي ساختمان سازي مانند اتم ها هستند و قطعات به اندازه جعبه کبريت در ديوار دوم هم مانند دانه ها. در واقع اتمهاي درون يک دانه مانند آجرک‌هاي يک قطعه به هم متصل شده اند. اما ديوار سوم شبيه چيست؟
از يک نظر مي توان گفت که ديوار سوم شبيه يک تصوير بزرگ از درون يکي از دانه ها است. اما آيا در عمل مي توانيم فلزي داشته باشيم که همه اتمهاي آن مانند ديوار سوم به شکل منظم به هم متصل شده باشند؟ يعني همه سطح فلز يکدست باشد نه اينقدر تکه تکه ونامنظم؟
بايد دانست که تا چند سال پيش نه تنها هيچ فلزي، بلکه هيچ ماده مصنوعي هم وجود نداشت که در ابعاد بزرگ، حتي مثلا در ابعاد چند ميلي متر در چند ميلي متر، يکدست و منظم باشد. فکر مي کنيد چرا؟
دليلش اين است که ما انسانها در بيشتر مواقع، وقتي مي خواهيم يک جسم جديد بسازيم، آن را از روش ساختن ديوار اول درست مي کنيم! شايد روش ساختن يک قطعه فلزي را در تلويزيون ديده و يا در کتابي خوانده باشيد: "ابتدا فلز را ذوب مي کنيم و بعد به وسيله ظرفهاي مخصوصي فلزمذاب را درقالب قطعه مورد نظر مي ريزيم." اين کار دقيقا مانند ساختن ديوار به روش اول است؛ کاملا کيلويي!!!
حتي همان دانه هايي هم که در تصوير 4 ديديد، به طورطبيعي و بدون دخالت انسان ايجاد مي شوند و ما در اکثر روشهاي معمولِ ساختنِ چيزها، توانايي نظم دادن و يا شکل دادن به اتمها در ابعاد کوچک را نداريم. البته بايد به اين نکته هم اشاره کرد که در بسياري از کاربردها، به موادي شبيه به ديوار اول يا دوم نياز داريم. براي مثال فلزات که ساختاري شبيه به ديوار دوم دارند (مثل مسي که عکسش را ديديد)، قابليت چکش خواري و شکل پذيري بيشتري از خود نشان مي دهند.
اما در چند سال اخير روشهايي ابداع شده اند که به ما اجازه مي دهند که اتم ها و مولکول ها (آجرک ها) را به طور منظم وبه دلخواه خودمان به هم متصل کنيم. دانشمندان اين روشهاي جديد را «فناوري نانو» ناميده اند. به تصوير شماره 5 توجه کنيد.

تصوير شماره 5​

شايد در ابتدا، شکل 5، تصوير يک ميله توپر به نظر برسد، اما اين ميله که قطر آن درحدود 0.3 ميلي متر است، از هزاران رشته ايستاده کربن تشکيل شده است که قطر هرکدام در حدود چند نانومتراست. اين دسته رشته هاي منظم و يکسان براي اولين باردر حدود 10 سال پيش ساخته شدند و خواص و قابليت هاي حيرت آور و متعددي دارند.
شايد بپرسيد كه چرا اين روشهاي جديد را "فناوري نانو" ناميده اند؟ جواب اين است که در شيوه هاي فوق با ساختارهايي سروکار داريم که از تعداد کمي اتم و مولکول ساخته شده اند و اتمها و مولکولها هم ابعادي در حدود نانومتر دارند.
همانطور که مي دانيد خواص مواد به نوع اتمهاي تشکيل دهنده آنها و نوع اتصال اين اتمها به يکديگر بستگي دارد. بنابراين اگر بتوانيم اين اتم ها را به شکل مورد نظر خودمان به هم متصل کنيم، مواد جديدي با خواص و توانايي هاي مورد نظرمان، به دست آوريم؛ اين کار، مهمترين هدف در نانوفناوري است. مثلا مي توانيم ماده اي بسازيم که هم خيلي محکم باشد و هم خيلي سبک و يا ماده اي که در ابعاد بزرگ هم يکدست و منظم باشد.
در اين سايت مطالب مختلفي درباره فناوري نانو و کاربردهاي آن خواهيد يافت. سرگرمي ها و فعاليت هاي مختلفي هم خواهيد ديد که مي توانيد با انجام آن ها فناوري نانو را بهتر بشناسيد.



منابع و توضیحات:
- اين مقاله با قدري تفاوت در مجله "کاوش، شماره دوم، آبان 1382" منتشر شده. انتشار مجدد آن با اجازه مجله کاوش انجام گرفته است.

 

[m4material]

شيمی مولکولی​

آيا تا به حال هوا را داخل سرنگي محبوس کرده‌ايد تا آن را تحت فشار قرار دهيد؟
چه اتفاقي مي‌افتد وقتي پيستون سرنگ را فشار مي‌دهيد؟
هوا چگونه متراکم مي‌شود؟ چگونه در يک فضاي کوچکتر جا مي‌گيرد؟
يک تکه اسفنج را مي‌توان در فضاي کوچکتري متراکم کرد. علت تراکم اسفنج اين است که در آن سوراخهاي ريزي وجود دارد، وقتي اسفنج را فشار مي‌دهيم هواي داخل اين سوراخها خارج مي‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزديکتر مي‌گردد. درست مثل زماني که يک تکه اسفنج خيس را فشار مي‌دهيد؛ آب از سوراخهاي اسفنج خارج و اسفنج متراکم مي‌شود. "بويل"، دانشمند انگليسي در سال 1662 ميلادي مقداري جيوه – که فلزي مايع است- را در يک لوله شيشه‌اي پنچ متري ريخت. اين لوله خميده به شکل حرف انگليسي U و يک سمت آن مسدود بود. بويل مشاده کرد که با افزودن جيوه هواي به دام افتاده در سمتي که بسته است، متراکم مي‌شود و فضاي کمتري اشغال مي‌کند. بويل نتيجه گرفت که هوا بايد از ذرات بسيار کوچک، يعني اتمهاي ريز، تشکيل شده باشد. ميان اتم‌ها فضايي است که در آن هيچ چيز نيست. وقتي هوا متراکم مي‌شود، اتم‌ها به هم نزديکتر مي‌شوند. بويل همان سال‌ها در کتابي نوشت: "عنصرها را بايد با آزمايش کشف کرد. شيميدانها بايد بکوشند تا هر چيزي را به مواد ساده‌تر تجزيه کنند، آن ماده يک عنصر است."
دانشمندان بر مبناي اين توصيه بويل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زيادي را که از اين عناصر ساخته شده بود را بررسي کردند. بسياري از مواد مرکب بررسي شده تا آن زمان از مولکول‌هاي ساده ساخته شده بودند و هر کدام بيش از چند اتم نداشتند. کافي بود فهرستي از انواع گوناگون اتمها تهيه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 ميلادي (1203 شمسي) "يوستون ليبينگ" و "فردريخ وهلر"، شيميدان آلماني درباره دوماده مرکب متفاوت تحقيق مي‌کردند. هريک از آنها براي ماده مرکب خود فرمولي بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصري و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتي آنها نتايج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده داراي فرمول يکساني هستند. با اينکه اين دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگوني داشتند، مولکولهاي آنها از عناصر يکسان تشکيل شده و حتي عده اتمهاي هر عنصر در هر دو ماده يکسان بود. به اين ترتيب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهاي موجود در يک مولکول کافي نيست. و اين اتمها بايد آرايش ويژه‌‌‌اي داشته باشند. بنابراين، آرايش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها مي‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اينکه هم مولکولها و هم اتمها به قدري کوچک هستند که ديده نمي‌شوند، شيميدانان چگونه مي توانند نوع آرايش اتم‌ها را در مولکولها بيابند؟
نخستين گام را در اين راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگليسي برداشت. او مولکول‌هاي آلي را با برخي از فلزات ترکيب کرد و دريافت که اتمِ يک نوع فلزِ، هميشه با تعداد مشخصي از مولکول‌هاي آلي ترکيب مي‌شود. او نتيجه گرفت که هر اتم توانايي و ظرفيت خاصي براي ترکيب با عناصر ديگر دارد. او اسم اين خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌اي لاتين به معناي "ظرفيت" يا "توانايي" است. براي مثال وقتي مي‌گوييم:"ظرفيت هيدروژن «يک» است"، يعني اتم هيدروژن تنها با يک اتم ديگر مي‌تواند ترکيب شود. ظرفيت اکسيژن «دو»، نيتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندي، نيز در 1858 ميلادي نظريه "پيوندهاي شيميايي" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" يا "پيوند" به يکديگر متصل مي‌شوند و مولکولهاي مختلف را تشکيل مي‌دهند. طبق نظريه او، هر اتم به اندازه "ظرفيت" يا "والانس" خود مي‌تواند با اتمهاي ديگر پيوند بدهد. کوپر همچنين پيشنهاد کرد که اتم‌ها را با توجه به ظرفيتشان و تعداد پيوندهايي که مي‌توانند با ساير اتمها داشته باشند، به صورت ذيل نمايش دهند:

به اين ترتيب مي‌توانيم مولکول‌ها را با رسم پيوندهاي ميان اتم‌ها، به شکل زير نشان بدهيم:

استفاده از روش فوق براي نشان دادن ساختمان مولکول‌هاي کوچک و غير آلي، به راحتي مقدور بود، اما در مورد مولکول‌هاي بزرگتر و مواد مرکب آلي، مشکلاتي وجود داشت که گاه باعث گمراهي مي‌شد. از اينرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفيت را در موردِ مواد مرکب آلي برطرف کند. "فردريش آگوست ککوله" با توجه به اين مسأله که هر اتم کربن ظرفيت اتصال به چهار اتم ديگر را دارد، توانست مسايل مربوط به تعداد زيادي از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر مي‌رسيد- را حل کند.
امروزه نيز از همين مدل براي نشان دادن مولکولها و همچنين توضيح خواص آنها استفاده مي‌شود.

اما شيمي‌دانان ها چگونه مي‌توانند بين ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اين‌که از چه عناصر تشکيل شده‌اند و داراي چه آرايشي هستند، خواص مختلفي دارند. براي مثال موادي که خاصيت اسيدي از خود نشان مي‌دهند در ساختار مولکولي خود اتم هيدروژني دارند که به اکسيژن متصل است و آن اتم اکسيژن هم با يک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پيوند دارد. حال اگر به جاي اتم نافلز، يک اتم فلز مانند سديم، کلسيم يا ... قرار گيرد، ترکيب به جاي "خصلت اسيدي"، "خاصيت قليايي" خواهد داشت.
در داروها و مولکول‌هاي بزرگ، خواص ترکيب به عوامل متعددي بستگي دارد. در نانو فناوري که هدف ساختن مولکولي جديد با رفتاري خواص است، يک دانشمند شيمي مولکولي با استفاده از تخصص خود، آرايشي از اتم‌ها را پيشنهاد مي‌کند که خواصيت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوي ديگر بايد بدانيم مولکولها صرفاً آنچه ما روي کاغذ رسم مي‌کنيم نيستند. مولکول‌ها داراي بعد هستند و فضا اشغال مي‌کنند.
يک مولکول در فضا آرايشهاي مختلفي را مي‌تواند اختيار کند. درحال حاضر با استفاده از يک سري فنون خاص و به کمک کامپيوتر مي‌توان آرايش‌هاي مختلف را پيش‌بيني کرده و چگونگي قرار گرفتن اتمها را در کنار يکديگر را بررسي کرد. همچنين مي توان حدس زد که هر آرايش مولکولي چه خواصي را موجب مي‌شود. اين کار نيز به واسطه اطلاعاتي که يک دانشمند شيمي مولکولي از مطالعه ساختارهاي مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذير مي‌باشد.
شاخه‌اي از نانوفناوري که با بهره‌گيري از شيمي مولکولي و روشهاي محاسباتي فيزيکي و مکانيک کوانتومي، آرايشهاي متنوع مولکولها را بررسي مي‌کند را نانوفناوري محاسباتي مي‌نامند.

 

[m4material]

اینم جالبه، البته فکر نکنید با خودم گفتم خیلی سطحتون پایینه ها، فقط محض تفریح گذاشتم،

قصه حسن کچل و اتمهای کربن

منابع و توضیحات:
- گرافیست: مهدی دهقانی

 

[m4material]

ميكروسكوپ نيروي اتمي​

• تاريخچه
نانومتر واحد بسيار بسيار کوچکي براي اندازه‌گيري طول است كه در ابعاد اتمي و مولكولي كاربرد دارد. 1 نانومتر فاصلة بسيار كوچكي است و به عنوان مثال مولكول آب با آن سنجيده مي‌شود. براي درك ميزان كوچكي اين واحد طول خوب است بدانيم كه تار موي انسان حدوداً 80 هزار نانومتر قطر دارد، بنابراين براي مشاهده پديده‌ها و درك اثراتي كه در اين اندازه بسيار كوچك وجود دارد نه‌تنها به چشم غيرمسلح نمي‌توان تكيه كرد بلكه حتي از ميكروسكوپ‌هاي معمولي كه در آزمايشگاه‌ها وجود دارند نيز، نمي‌توانند استفاده کنند چراکه با اين ميکروسکوپ‌ها فقط تا ابعاد "ميکرومتر" را می‌توان دید.
به همين دليل دانشمندان با پيشرفت علم و فنون به فكر ساختن وسايلي افتادند كه بتوانند ابعاد اتمي را هم اندازه‌گيري كنند.
وسايل زيادي با روش‌هاي مختلف براي اين منظور ساخته شده است كه خيلي از آنها كامل شده نمونه‌هاي قبلي است. اما ميكروسكوپ نيروي اتمي جزو جديدترين دستاوردهاي دانشمندان در زمينه اندازه‌گيري در ابعاد و مقياس نانو است كه در پاييز سال هزار و سيصد و شصت و سه يعني حدود بيست سال پيش توسط جرد بينينگ، كريستوف جربر و كوايت ساخته شد.
دستگاهي كه بينينگ و همكارانش ساخته بودند از نظر عملكرد كاملاً مشابه ميكروسكوپ‌هاي نيروي اتمي امروزي بود و در طي اين بيست سال تنها دقت و روش فهم نهايي اندازه‌ها پيشرفت كرده است. با اين دستگاه مي‌شد طولهايي تا حدود "سيصد آنگستروم" يا "سي نانومتر" را اندازه گرفت. با گذشت زمان اين دستگاه کاملتر شد و امروزه مي‌توان با دقتي بيش از پانصد برابر دقت ميكروسكوپ بينينگ سطوح مواد را مشاهده نمود.
• روش كار
مي‌دانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلندي‌ها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.
مي دانيم که نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي توان محل اتمها روي آن را مشخص کرد.

ميكروسكوپ نيروي اتمي از اجزاء و قطعات مختلفي تشكيل شده است كه مهم‌ترين بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" مي‌باشد و در واقع قسمت اصلي براي شناخت سطوح به شمار مي‌آيد. جنس انبرك معمولاً از سيليسيم و نوك از يک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکيل شده است. براي اينکه ميکروسکوپ نيروي اتمي بتواند برجستگي ها و فرورفتگي ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تيز انبرک ظرافت اتمي داشته باشد. همان طور که ما با دستکش کار نمي توانيم زبري يا نرمي يک سطح را حس کنيم. ازآنجا كه تصاوير مربوط به اندازه‌هاي اتمي روي يك سطح با چشم غيرمسلح يا حتي مسلح به قوي‌ترين عدسي‌ها قابل مشاهده نيست، به کمک ابزارهاي پيشرفته، حرکات عرضي لمس شده توسط انبرک و نوک ويژه ميکروسکوپ را به تصاوير ويدئويي تبديل مي‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرايش اتم‌هاي سطح، در صفحة رايانه امکانپذير باشد.
درواقع كل فرآيند "جاروكردن سطح" به وسيله همان انبرك نوك‌دار صورت مي‌گيرد. انبرك به راحتي در پستي و بلندي‌‌‌‌ها بالا و پايين مي‌رود و انتهاي آن هم به قسمتي متصل است كه به جابجايي عرض انبرك بسيار حساس است و اين تغيير فاصله‌ها را ثبت كرده و به علائمي تبديل مي‌كند که براي رايانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سيگنال" نام دارد توسط رايانه پردازش مي‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گيري اتم‌ها در کنارهم، بر روي صفحه نمايشگر، نشان داده ‌شود.

دو روش كلي براي جاروكردن سطح وجود دارد كه عبارتند از روش تماسي و روش غيرتماسي.
در روش تماسي كه براي بيشتر سطوح كارايي دارد، نوك انبرك در فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا بلندي به دليل جابجايي كه در انبرك ايجاد مي‌شود، امکان نمايش توپوگرافي براي رايانه فراهم مي‌گردد. درواقع نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزديك‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، كم مي‌شود، اين مسئاله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتم‌ها مي‌گردد.
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح كثيف و آلوده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرك را با نوساني دقيق به تحرك درمي‌آوريم و آن را روي سطح هدايت مي‌كنيم. انبرك خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي در عرض بالا و پايين مي‌شود. در اين حالت نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح مشخص مي‌شود.
البته اندازه‌گيري ساختارهاي بسيار ريز که موجب جابجايي بسيار کوچکي در انبرك مي‌‌‌‌شود، روي مي‌دهد خود بحث مفصلي است كه اين كار امروزه به وسيلة تغيير جهت انعكاس نوري كه از يك منبع بالاي انبرك روي آن مي‌تابانند، مشاهده مي‌شود(شکل 3).

شکل 3​

به اين معني كه سطح انبرك به گونه‌اي صيقل داده مي‌شود كه توانايي بازتابش نور را به خوبي داشته باشد. منبع نوري اشعة مرئي را به قسمت صيقل‌داده شده مي‌تاباند و گيرنده آن را دريافت مي‌كند. به محض جابجايي عرضي انبرك، اشعه كمي منحرف مي‌شود كه باتوجه به ميزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستي و بلندي(توپوگرافي) را دقيقتر ترسيم مي‌‌‌‌کنند(شکل 4).

شکل 4​

نكتة ديگري كه در مورد كاركرد ميكروسكوپ نيروي اتمي بايد بدانيم آن است كه پستي‌ها و بلندي‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط اين دستگاه گزارش مي‌شود. در نمونه‌هاي ابتدايي چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين كار با رنگ‌ها انجام مي‌شد. به اين صورت كه رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي كم و رنگ‌هاي روشن براي عمق‌هاي زياد به كار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان داد.
• نتيجه
پس از معرفي ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش كار آن، خوب است بدانيم كه بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت سطوح پيدا كرده است كه در بسياري از صنايع از جمله الكترونيك، ارتباطات، خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و كاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.

نمونه هايي از انبرک و نوک ميکروسکوپ نيروي اتمي:

برای آشنايی بيشتر با چگونگی عملکرد این نوع ميکروسکوپها میتوانيد فايل ويدئويی ذيل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نماييد:

فيلم شبيه سازی میکروسکوپ نيروی اتمی
شبيه سازيهاي زير اطلاعات جالبي درباره ميکروسکوپ نيروي اتمي و نحوه کارکردن آن در اختيار مي گذارد. براي استفاده فايلهاي زير را داونلود (Download) کنيد و آن را روي رايانه خود نصب نماييد:

شبيه ساز انبرک ميکروسکوپ اتمي

مدل سازي کار ميکروسکوپ اتمي



منابع و توضیحات:
- شبيه سازي هاي بالا از سايت www.nanoscience.com انتخاب شده است.
- How AFM works from "The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications ", Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology, Copyright © 1993 by David Baselt
- انجمن علمي دانشجويي نانوتکنولوژي دانشکده فني دانشگاه تهران، "نانوتکنولوژي آيينه تکنولوژي آفرينش"، تهران 1380
- introduction to AFM method and apparatus, online available at: www.chembio.uoguelph.ca
- Alexander, S., Hellemans, L., Marti, O., Schneir, J., Elings, V., Hansma, P.K., Longmiro, M., and Gurley, J. (1989) An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever. J. Appl. Phys. 65(1), 164-167

 

[m4material]

شاخه هاي فناوری نانو​

هنگامي که درباره نانوفناوري شروع به جستجو و مطالعه کنيد، به موضوعات و مواد مختلفي بر مي خوريد مانند:"نانولوله ها، شبيه سازي مولکولي، نانوداروها، سلول هاي سوختي، کاتاليزورها، نانوذرات و..." بنابراين ممکن است نانوفناوري رشته اي کاملا گسترده به نظر آيد که موضوعات آن ربط چنداني به هم ندارند.
به طور کلي مطالعات نانوفناوري را مي توان به سه دسته تقسيم کرد. اگرچه روشهاي تحقيقاتي در آن ها بايکديگر متفاوت است، اما اين سه شاخه کاملا به يکديگر مرتبط هستند و پيشرفت در يکي از شاخه ها مي تواند در شاخه هاي ديگر نيز کاملا موثر باشد.
اين سه شاخه عبارتند از:

پروتئين ها و رشته هاي DNA از موضوعات اصلي تحقيقات در نانوفناوري مرطوب هستند.​

1- نانوتکنولوژي مرطوب: اين شاخه به مطالعه سيستم هاي زنده اي مي پردازد که اساسا در محيطهاي آبي وجود دارند. در اين شاخه ساختمان مواد ژنتيکي، غشاءها و ساير ترکيبات سلولي در مقياس نانومتر مورد مطالعه قرار مي گيرد. پژوهشگران موفق شده اند ساختارهاي زيستي فراواني توليد کنند که نحوه عملکرد آنها در مقياس نانويي کنترل مي شود. اين شاخه دربرگيرنده علوم پزشکي،دارويي و به طور کلي علوم و روشهاي مرتبط با زيست فناوري است.

​

2- نانوتکنولوژي خشک: اين شاخه از علوم پايه شيمي و فيزيک مشتق مي شود و به مطالعه تشکيل ساختارهاي کربني، سيليکون و مواد غير آلي و فلزي مي پردازد. نکته قابل توجه اينست که الکترونهاي آزاد که در فناوري مرطوب موجب انتقال مواد و انجام واکنشها مي گردند، در فناوري خشک خصوصيات فيزيکي ماده را پديد مي آورند. در نانوتکنولوژي خشک کاربرد مواد نانويي در الکترونيک، مغناطيس و ابزارهاي نوري مورد مطالعه قرار مي گيرد. براي مثال طراحي و ساختن ميکروسکوپ هايي که بتوان با استفاده از آنها مواد را در ابعاد نانومتر ديد.

نانو لوله هاي کربني (راست) و نانوترانزيستورها (چپ)، دو نمونه از تحقيقات در نانوفناوري خشک​

3- نانوتکنولوژي محاسبه اي: در بسياري از مواقع ابزار آزمايشگاهي موجود براي انجام برخي از آزمايشها در مقياس نانومتر مناسب نيستند و يا آنکه انجام اين آزمايشها بسيار گران تمام مي شود. در اين حالت از رايانه ها براي شبيه سازي فرآيندها و واکنش هاي اتم ها و مولکول ها استفاده مي شود. شناختي که به وسيله محاسبه به دست مي آيد، باعث مي شود که زمان لازم براي پيشرفت نانوتکنولوژي خشك بطور محسوسي کاهش يابد و البته تأثير مهمي در نانوتکنولوژي مرطوب نيز خواهد داشت.

نانو چرخ دنده ها (راست) و نانوموتورها (چپ) از نانو ساختارهايي هستند که با استفاده از شبيه سازي رايانه اي اطلاعات زيادي درباره آنها داريم. اما اين وسايل هنوز در عمل مورد استفاده قرار نگرفته اند.



منابع و توضیحات:
- http://cnst.rice.edu/cnst.cfm?doc_id=1209 (ترجمه آزاد)

 

[m4material]

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌‌کند؟
قسمت اول​

مقدمه
شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آن‌ها محکم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور مي‌تواند از بعضي از مواد عبور ‌کند و از بعضي ديگر نه؟
سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌هاي مواد از نظر خواص مي‌‌کند و ما را در رابطه با علت اين تفاوت‌‌ها، به تفکر بيشتر وادار مي‌‌کند. با اطلاعاتي که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌هاي موجود در عناصر داريم شايد گمان کنيم که تفاوت‌‌‌‌هاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌هاي عناصر تشکيل دهنده آنها است. با اين تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگي‌‌هاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشکيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشکيل دهنده يعني تعيين ترکيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشکار مي‌‌کند. براستي با دانستن ترکيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با کمي دقت و توجه به ترکيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مي‌‌يابيم که بسياري از آنها با وجود اين که در رفتار و خواص با يکديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي يکسان مي‌باشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي متفاوت با يکديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز ترکيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد مي‌‌شود؟
براي جواب اين سئوال لازم است که بيشتر با ساختار و ويژگي‌هاي مواد آشنا شويم.
ساختار مواد چيست؟
ساختار مواد ارتباط بين اتم‌‌ها، يون‌‌ها و مولکول‌‌هاي تشکيل دهنده آن مواد را مشخص مي‌‌کند. براي شناخت ساختار مواد ابتدا بايد به نوع اتصالات بين اتم‌‌ها و يون‌‌ها پي برد. به طور حتم با پيوندهاي شيميايي آشنايي داريد. پيوندهاي شيميايي نحوه اتصال ميان اتم‌‌ها و يون‌‌ها را مشخص مي‌‌کنند. بنابراين تفاوت پيوندهاي شيميايي مختلف را در ويژگي‌هاي اين پيوندها مي‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دليل وجود پيوند يوني که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها مي‌‌شود، خاصيت "رسانايي" مشاهده نمي‌شود زيرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ي بار الکتريکي هستند، به دليل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چيزي براي انتقال بار الکتريکي در ميان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دليل وجود پيوند فلزي که موجب آزادي الکترون‌‌ها مي‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم مي‌‌نمايد، مي‌‌توانيم خاصيت رسانايي را انتظار داشته باشيم. زيرا الکترون‌‌هاي آزاد، امکان انتقال بار الکتريکي را در طول ماده فراهم مي‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پيوندهاي اتمي مي‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آيا تنها با دانستن نوع پيوندها تمامي خواص و رفتار يک ماده را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد؟
براي روشن شدن مطلب مثال معروفي را ارائه مي‌‌کنيم. همانطور که مي‌‌دانيد گرافيت و الماس هر دو از اتم‌‌هاي کربن تشکيل شده‌‌اند و هر دو "ريخت‌‌هاي" مختلفي از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافيت و الماس تا اين حد با يکديگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترين ماده طبيعي معرفي مي‌‌گردد و گرافيت به دليل نرمي بسيار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته مي‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافيت و الماس را به نوع اتصال و پيوند شيميايي اتم‌‌هاي کربن نمي‌‌توان نسبت داد زيرا در هر دو شکل اين ماده - که تنها داراي اتم‌‌هاي کربن است - يک نوع پيوند شيميايي وجود دارد. بلکه علت در "چگونگي اتصالات و پيوندهاي شيميايي" اين دو شکل کربن است. در گرافيت اتم‌‌هاي کربن شش ضلعي‌‌هاي پيوسته‌‌اي شبيه به يک لانه زنبور تشکيل مي‌‌دهند که در يک سطح گسترده شده است. لايه‌‌هاي شش ضلعي ساخته شده با قرار گرفتن روي هم، حجمي را تشکيل مي‌‌دهند که به آن گرافيت مي‌‌گوييم. واضح است که در ساختار گرافيت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: يک نوع اتصال، اتصالي است که بين اتم‌‌هاي کربن هر لايه لانه زنبوري وجود دارد و جنس آن از نوع پيوند کوالانسي است. نوع دوم اتصالي است که لايه‌‌هاي لانه زنبوري را به يکديگر وصل مي‌کند. بديهي است که اين نوع از جنس اتصالات اوليه يعني پيوندهاي اتمي نيست. بنابراين پيوند به هم پيوستگي دوم - که قدرت به هم پيوستگي لايه‌‌ها را مشخص مي‌‌کند - ضعيف‌‌تر از اتصال اوليه که يک پيوند کوالانسي است، خواهد بود. پس مي‌توان انتظار داشت که گرافيت، در جهت صفهات لانه‌زنبوري به دليل داشتن پيوند قوي کووالانسي استحکام بالايي داشته باشد؛ بالعکس، اين ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوري به علت وجود پيوند ضعيف ثانويه بين لايه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، داراي مقاومت است. از طرفي به دليل پيوندهاي ضعيف بين لايه‌‌اي انتظار مي‌‌رود که با اعمال نيرويي بيشتر، لايه‌‌هاي لانه زنبوري بتوانند بر روي يکديگر بلغزند.

شکل 1- ساختار گرافيت​

<در مقابل ساختار لايه‌اي گرافيت، الماس داراي يک ساختار شبکه‌اي است. در گرافيت پيوندهاي اوليه يعني پيوندهاي اتمي تنها در يک سطح (در يک وجه) برقرار مي‌‌شود در حالي که در ساختار الماس اين پيوندها به صورت شبکه‌‌اي سه بعدي فضا را پر مي‌‌کنند. در ساختار گرافيت هر اتم کربن با سه اتم کربن ديگر اتصال اتمي از جنس کوالانسي ايجاد مي‌‌کند، در حالي که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن ديگر پيوند اتمي و از جنس کوالانسي برقرار مي‌نمايد.

شکل 2- ساختار الماس​

با توضيحاتي که راجع به تفاوت‌‌هاي ساختاري گرافيت و الماس داده شد مشخص مي‌‌گردد که دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور که ديديد ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشکيل دهنده مواد، تاثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد. همچنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود.

 

[*vernal*]

ممنون

 

[m4material]

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌کند؟ قسمت دوم
​

ريز ساختار چيست؟


ريزساختار چيست؟
با شناختي که نسبت به ساختار مواد پيدا کرده‌ايد، ممکن است گمان کنيد موادي که ما به صورت توده‌اي در اطراف خود مي‌بينيم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاري اوليه به وجود آمده‌اند. به عبارت ديگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌اي، شکل گسترش يافته ساختار اوليه است و بنابراين تمامي خواص و رفتار ساختار اوليه را دارا خواهد بود. اين تصور با مشاهدات رفتاري مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافيت ما انتظار داريم که استحکام در راستاهاي مختلف متفاوت باشد زيرا ساختار اوليه در جهت صفحات لانه زنبوري داراي استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات داراي استحکام کمي است. بنابراين گرافيت فقط در برخي جهات خاص مي‌بايست "قابليت حرکت لايه‌ها بر روي يکديگر" را داشته باشد. مي‌دانيم که از گرافيت به عنوان ماده اصلي مغز مداد استفاده مي‌شود و اثري که از مداد بر روي کاغذ باقي مي‌ماند در حقيقت لايه‌‌هاي نازک گرافيت است که با مالش نوک مداد بر روي کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روي کاغذ مي‌چسبد و همانطور که پيش‌تر اشاره شد لايه‌هاي گرافيت به دليل پيوند ضعيف ثانويه امکان لغزش و حتي جدا شدن از يکديگر را دارند. حالا سئوال اينجاست که اگر توده گرافيت گسترش همان ساختار اوليه گرافيت باشد، بايد مداد تنها در يک جهت خاص قابليت نوشتن داشته باشد زيرا ساختار گرافيت تنها لغزيدن لايه‌ها بر روي هم و کنده شدن آنها از توده و چسبيدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصي ميسر مي‌سازد و در غير از آن جهات خاص به دليل وجود پيوندهاي قوي درون لايه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. اين تعبير به آن معناست که مداد تنها در برخي جهات خاص مي‌نويسد و در ديگر جهات مداد نخواهد نوشت و اين تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگيري مداد متفاوت و متناقض است زيرا به تجربه دريافته‌ايم که مداد در تمامي جهات مي‌نويسد. ما مداد را در هر زاويه و هر جهتي نسبت به کاغذ حرکت دهيم مداد خواهد نوشت. پس دليل اين تناقض چيست؟ آيا ساختار گرافيت آنگونه که گمان مي‌کنيم نيست؟ و يا اينکه توده گرافيت چيزي غير از گسترش يکنواخت و هماهنگ ساختار گرافيت است؟

شکل 1- طرحي ساده از ريزساختار ايده‌آل گرافيت​

براي درک درست از رفتار توده‌اي مواد لازم است که با ريزساختار آنها آشنا بشويم. با بررسي ميکروسکوپي گرافيت درمي‌يابيم‌ که توده گرافيت يکپارچه نيست بلکه اين توده متشکل از دانه‌هاي بسياري است که هر يک به صورت مستقل و جدا از يکديگر در درون خود داراي ساختار گرافيت هستند. به عبارت ديگر توده گرافيت را مي‌توان اجتماع بي‌نظمي از بخش‌هايي که هر يک داراي ساختار گرافيت هستند، دانست.

شکل 2- طرحي ساده از ريزساختار واقعي گرافيت​

تفاوت اين نوع ريزساختار از نوعي که پيش‌تر تصور مي‌کرديم، يعني يک توده گسترده از ساختار گرافيت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافيت را يک ساختار يکپارچه و منظم از ساختار گرافيت که در تمام توده گسترش يافته مي‌دانستيم در اين حالت نظم حاکم بر ساختار، يک نظم با دامنه بلند که تمام توده را مي‌پوشاند در نظر گرفته مي‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافيت به صورت محلي و با دامنه‌هاي کوتاه مشاهده مي‌شود. اين بي‌نظمي در قرار گرفتن توده‌هاي داراي ساختار گرافيت باعث مي‌شود. تنوع و گوناگوني فراواني در بخش‌هاي گرافيت که هر يک زاويه و جهت خاصي دارند، وجود داشته باشد. بنابراين هميشه بخش‌هايي که زاويه و جهت مناسب براي حرکت و کنده شدن لايه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگراني از جهت و زاويه قرار گرفتن مداد مي‌توانيم از نوشتن آن مطمئن شويم.
نتيجه‌گيري
عوامل تاثيرگذار در خواص توده‌اي مواد را به صورت اجمالي و ساده شناختيم. اين عوامل عبارت بودند از عناصر تشکيل دهنده مواد، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به صورتي ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يک شهر بدانيم. عناصر تشکيل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد که چگونگي قرارگرفتن عناصر در کنار يکديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌کند به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار که چگونگي کنار هم قرار گرفتن ساختار ميکروسکوپي را معين مي‌کند، به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته مي‌شود. با اين تشبيه خصوصيات يک شهر نه تنها به مصالح(ترکيب شيميايي بکار رفته در آن) بلکه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازي(ريزساختار) نيز بشدت وابسته خواهد بود.

 

[m4material]

روكش كردن آنزيم‌ها​

يكي از دغدغه‌هاي شركت‌هاي صنايع غذايي جهان، بهبود كيفيت، نگهداري و بسته‌بندي "مواد غذايي" براي دور تگه داشتن آن‌ها از آسيب باكتري‌ها و آنزيم‌هاي تخميركننده است. مثلا اين‌که چگونه مي‌توان طول عمر و ماندگاري شير را افزايش داد؟ (البته شير خوراکي نه شير جنگل) يا اين‌كه چگونه مي‌توان از آلوده‌شدن محيط زيست توسط مواد زائد يا پساب‌هاي كارخانه‌هاي صنايع غذايي جلوگيري كرد؟ زيرا در آنها آنزيم‌ها و پروتئين‌هاي فراواني وجود دارد كه با ايجاد محيط مناسب براي رشد باكتري‌ها و انگل‌ها، محيط زيست را آلوده مي‌سازند.
فساد مواد غذايي، اغلب به دو روش صورت مي‌گيرد: 1- توسط يك عامل ميكروبي خارجي. 2- توسط آنزيم‌هايي كه واكنش‌هاي تخميري را سرعت مي‌بخشند.
آنزيم‌ها، پروتئين‌هايي هستند که سرعت واكنش‌هاي شيميايي را بالا مي‌برند، مثلا مي‌توانند زمان فاسد‌شدن ميوه‌ها را از چند ماه به چند روز كاهش دهند. البته بايد به اين نكته توجه داشت كه مي‌توان از آنزيم‌ها براي توليد مواد با ارزش غذايي سود جست ودر فرآيندهاي مفيدي مانند "تخمير نان" و "تخمير شير در توليد پنير" از آن‌ها استفاده کرد. همچنين آنزيم‌هايي به نام "پكتيناز" در صنايع توليد آب‌ميوه براي شفاف كردن آن به كار مي‌روند.
اگر بتوان به روشي آنزيم‌ها يا باكتري‌ها را از محيط عمل دور كرد، فرآيند فساد مواد غذايي به تأخير مي‌افتد. با تكامل نانوفناوري و شناخت محققين از ذرات ريز و بنيادي مواد و دست بردن در ساختار مواد از طريق ريزترين ذرات آن‌ها، توانايي‌هاي جديدي در صنايع مختلف -از جمله صنايع غذايي- به وجود آمده‌است، به عنوان مثال مي‌توان به "روكش‌كردن آنزيم‌ها و پروتئين‌ها" اشاره كرد.
با روكش‌كردن آنزيم‌ها، آن ها را از محيط فعاليت دور کرده و مانع از فعاليت آن‌ها مي‌شوند. به اين ترتيب، فساد مواد غذايي به تأخير مي‌افتد و طول عمر آن ها افزايش مي‌يابد.
آنزيم‌ها تنها در محيط هاي زنده رشد و فعاليت مي‌كنند و در خارج اين محيط‌ها به سرعت تخريب مي‌شوند. يكي از پروژه‌هاي مهم كه در مراجع علمي مورد توجه قرار گرفته است، روكش‌كردن آنزيم "توسط يك ساختار پليمري" (1) مي‌باشد. با اين روش آنزيم‌ ها تا 5 ماه فعال مي مانند. به گفته‌ محققين تبديل آنزيم‌هاي آزاد به اين نانوذراتِ حاوي آنزيم، باعث ثبات خاصيت كاتاليزوري (2) آن‌ها مي‌شود. در اين روش يك شبكه كامپوزيتي (3) را با فرآيند پليمريزاسيون در اطراف هر مولكول آنزيم ايجاد مي‌کنند تا از تخريب آن جلوگيري شود. اين نانوذراتِ حاوي آنزيم قطري حدود 8 نانومتر دارند و در دماي 4 درجه‌ سانتيگراد تا 5 ماه عمر مي‌كنند.
"روكش‌كردن آنزيم‌ها"، يكي از فرآيندهاي مهم در صنايع غذايي براي حفظ، افزايش كيفيت و بهبود بسته‌بندي مواد غذايي است، كه با پيدايش فناوري نانو، اجراي آن‌ها آسان‌تر شده‌است.

آنزيم ها در ساختار پليمري لانه زنبوري محبوس شده اند.

روکش دهي رشته DNA به وسيله روکشي از جنس پروتئين​

(1) پليمرها عموما موادي با ساختار كربني هستند كه از به‌ هم پيوستن واحدهاي يكسان که "مونومر" ناميده مي شوند، به دست مي‌آيند.
(2) كاتاليزورها موادي هستند كه سرعت واكنش‌هاي شيميايي را افزايش مي‌دهند ولي خود در واكنش شركت نمي‌كنند. آنزيم ها هم نوعي کاتاليزور مي‌باشند که در فرآيندهاي غذايي شرکت مي کنند.
(3) مواد كامپوزيتي از دو يا چند ماده متفاوت، كه هر كدام خاصيت منحصر به فردي دارند، تشكيل شده‌اند. با تركيب‌كردن اين مواد، به ترکيبي دست مي‌يابيم كه مجموعه خواص‌ مواد تشكيل دهنده را همزمان دارد. براي مثال بتن آرمه هم از خاصيت سختي بتن بهره‌مند است و هم از خاصيت انعطاف پذيري آهن و بنابراين در برابر زلزله مقاوم است.

 

[m4material]

زنگ تفريح

زنگ تفريح

قصه نخودي و شبيه‌سازي اتمهای کربن​

 

[m4material]

ميكروسكوپ نيروي اتمي

AFM
​

• تاريخچه
نانومتر واحد بسيار بسيار کوچکي براي اندازه‌گيري طول است كه در ابعاد اتمي و مولكولي كاربرد دارد. 1 نانومتر فاصلة بسيار كوچكي است و به عنوان مثال مولكول آب با آن سنجيده مي‌شود. براي درك ميزان كوچكي اين واحد طول خوب است بدانيم كه تار موي انسان حدوداً 80 هزار نانومتر قطر دارد، بنابراين براي مشاهده پديده‌ها و درك اثراتي كه در اين اندازه بسيار كوچك وجود دارد نه‌تنها به چشم غيرمسلح نمي‌توان تكيه كرد بلكه حتي از ميكروسكوپ‌هاي معمولي كه در آزمايشگاه‌ها وجود دارند نيز، نمي‌توانند استفاده کنند چراکه با اين ميکروسکوپ‌ها فقط تا ابعاد "ميکرومتر" را می‌توان دید.
به همين دليل دانشمندان با پيشرفت علم و فنون به فكر ساختن وسايلي افتادند كه بتوانند ابعاد اتمي را هم اندازه‌گيري كنند.
وسايل زيادي با روش‌هاي مختلف براي اين منظور ساخته شده است كه خيلي از آنها كامل شده نمونه‌هاي قبلي است. اما ميكروسكوپ نيروي اتمي جزو جديدترين دستاوردهاي دانشمندان در زمينه اندازه‌گيري در ابعاد و مقياس نانو است كه در پاييز سال هزار و سيصد و شصت و سه يعني حدود بيست سال پيش توسط جرد بينينگ، كريستوف جربر و كوايت ساخته شد.
دستگاهي كه بينينگ و همكارانش ساخته بودند از نظر عملكرد كاملاً مشابه ميكروسكوپ‌هاي نيروي اتمي امروزي بود و در طي اين بيست سال تنها دقت و روش فهم نهايي اندازه‌ها پيشرفت كرده است. با اين دستگاه مي‌شد طولهايي تا حدود "سيصد آنگستروم" يا "سي نانومتر" را اندازه گرفت. با گذشت زمان اين دستگاه کاملتر شد و امروزه مي‌توان با دقتي بيش از پانصد برابر دقت ميكروسكوپ بينينگ سطوح مواد را مشاهده نمود.
• روش كار
مي‌دانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلندي‌ها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.
مي دانيم که نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي توان محل اتمها روي آن را مشخص کرد.

ميكروسكوپ نيروي اتمي از اجزاء و قطعات مختلفي تشكيل شده است كه مهم‌ترين بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" مي‌باشد و در واقع قسمت اصلي براي شناخت سطوح به شمار مي‌آيد. جنس انبرك معمولاً از سيليسيم و نوك از يک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکيل شده است. براي اينکه ميکروسکوپ نيروي اتمي بتواند برجستگي ها و فرورفتگي ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تيز انبرک ظرافت اتمي داشته باشد. همان طور که ما با دستکش کار نمي توانيم زبري يا نرمي يک سطح را حس کنيم. ازآنجا كه تصاوير مربوط به اندازه‌هاي اتمي روي يك سطح با چشم غيرمسلح يا حتي مسلح به قوي‌ترين عدسي‌ها قابل مشاهده نيست، به کمک ابزارهاي پيشرفته، حرکات عرضي لمس شده توسط انبرک و نوک ويژه ميکروسکوپ را به تصاوير ويدئويي تبديل مي‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرايش اتم‌هاي سطح، در صفحة رايانه امکانپذير باشد.
درواقع كل فرآيند "جاروكردن سطح" به وسيله همان انبرك نوك‌دار صورت مي‌گيرد. انبرك به راحتي در پستي و بلندي‌‌‌‌ها بالا و پايين مي‌رود و انتهاي آن هم به قسمتي متصل است كه به جابجايي عرض انبرك بسيار حساس است و اين تغيير فاصله‌ها را ثبت كرده و به علائمي تبديل مي‌كند که براي رايانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سيگنال" نام دارد توسط رايانه پردازش مي‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گيري اتم‌ها در کنارهم، بر روي صفحه نمايشگر، نشان داده ‌شود.

دو روش كلي براي جاروكردن سطح وجود دارد كه عبارتند از روش تماسي و روش غيرتماسي.
در روش تماسي كه براي بيشتر سطوح كارايي دارد، نوك انبرك در فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا بلندي به دليل جابجايي كه در انبرك ايجاد مي‌شود، امکان نمايش توپوگرافي براي رايانه فراهم مي‌گردد. درواقع نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزديك‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، كم مي‌شود، اين مسئاله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتم‌ها مي‌گردد.
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح كثيف و آلوده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرك را با نوساني دقيق به تحرك درمي‌آوريم و آن را روي سطح هدايت مي‌كنيم. انبرك خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي در عرض بالا و پايين مي‌شود. در اين حالت نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح مشخص مي‌شود.
البته اندازه‌گيري ساختارهاي بسيار ريز که موجب جابجايي بسيار کوچکي در انبرك مي‌‌‌‌شود، روي مي‌دهد خود بحث مفصلي است كه اين كار امروزه به وسيلة تغيير جهت انعكاس نوري كه از يك منبع بالاي انبرك روي آن مي‌تابانند، مشاهده مي‌شود(شکل 3).

شکل 3​

به اين معني كه سطح انبرك به گونه‌اي صيقل داده مي‌شود كه توانايي بازتابش نور را به خوبي داشته باشد. منبع نوري اشعة مرئي را به قسمت صيقل‌داده شده مي‌تاباند و گيرنده آن را دريافت مي‌كند. به محض جابجايي عرضي انبرك، اشعه كمي منحرف مي‌شود كه باتوجه به ميزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستي و بلندي(توپوگرافي) را دقيقتر ترسيم مي‌‌‌‌کنند(شکل 4).

شکل 4​

نكتة ديگري كه در مورد كاركرد ميكروسكوپ نيروي اتمي بايد بدانيم آن است كه پستي‌ها و بلندي‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط اين دستگاه گزارش مي‌شود. در نمونه‌هاي ابتدايي چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين كار با رنگ‌ها انجام مي‌شد. به اين صورت كه رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي كم و رنگ‌هاي روشن براي عمق‌هاي زياد به كار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان داد.
• نتيجه
پس از معرفي ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش كار آن، خوب است بدانيم كه بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت سطوح پيدا كرده است كه در بسياري از صنايع از جمله الكترونيك، ارتباطات، خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و كاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.

نمونه هايي از انبرک و نوک ميکروسکوپ نيروي اتمي:

برای آشنايی بيشتر با چگونگی عملکرد این نوع ميکروسکوپها میتوانيد فايل ويدئويی ذيل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نماييد:

فيلم شبيه سازی میکروسکوپ نيروی اتمی
شبيه سازيهاي زير اطلاعات جالبي درباره ميکروسکوپ نيروي اتمي و نحوه کارکردن آن در اختيار مي گذارد. براي استفاده فايلهاي زير را داونلود (Download) کنيد و آن را روي رايانه خود نصب نماييد:

شبيه ساز انبرک ميکروسکوپ اتمي

مدل سازي کار ميکروسکوپ اتمي


منابع و توضیحات:
- introduction to AFM method and apparatus, online available at: www.chembio.uoguelph.ca
- Alexander, S., Hellemans, L., Marti, O., Schneir, J., Elings, V., Hansma, P.K., Longmiro, M., and Gurley, J. (1989) An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever. J. Appl. Phys. 65(1), 164-167
- شبيه سازي هاي بالا از سايت www.nanoscience.com انتخاب شده است.
- How AFM works from "The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications ", Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology, Copyright © 1993 by David Baselt
- انجمن علمي دانشجويي نانوتکنولوژي دانشکده فني دانشگاه تهران، "نانوتکنولوژي آيينه تکنولوژي آفرينش"، تهران 1380

 

[m4material]

ساختن از بالا به پايين و از پايين به بالا​

از اهداف مهم فناوري نانو ــ و شايد مهم‌ترين آنها ــ به وجود آوردن ساختارهايي از مواد است که در آنها آرايش مولکول‌ها از پيش طراحي شده باشد. روش‌هاي مرسوم توليد، مثل روش ذوب فلزات و سرد کردن آنها در قالب، چنين امکاني را فراهم نمي‌کنند. پس چگونه مي‌توان چنين ساختارهايي را به وجود آورد؟ اين مقاله مي‌خواهد به همين سؤال پاسخ بگويد.
فرض کنيد تعدادي آجر خانه‌سازي داريد و مي‌خواهيد با آن چيزي ــ بهتر است بگوييم «ساختاري» ــ مانند شکل 1 بسازيد.

شکل 1​

چگونه اين کار را انجام مي‌دهيد؟ احتمالاً روش شما هم با ما يکي است: چهار آجر دو در دو را کنار هم مي‌گذاريد و بعد چهار آجر دو در دوي ديگر را به صورت عمودي به آنها متصل مي‌کنيدتا ساختار مورد نظر شکل بگيرد.
بسيار خوب، حالا فرض کنيد که وقتي آجرهاي خانه‌سازي را از فروشگاه مي‌خريد، آنها به شکل يک مکعب بزرگِ پيش‌ساخته مثل شکل دو باشند.

شکل 2​

حالا اگر بخواهيم به شکل يک برسيم چه کنيم؟ اجازه دهيد جواب را ما به روش خودمان بدهيم: آجرهاي اضافيِ مکعب بزرگ را حذف کنيد تا شکل يک کم‌کم خودش را نشان بدهد. (مثل شکل 3)

شکل 3​

در روش اول با استفاده از قطعات کوچک يک قطعة بزرگتر ساختيم. به اين روش، «ساختن از پايين به بالا» مي‌گوييم. در روش دوم قطعات زائدِ يک قطعة بزرگ را حذف کرديم تا به ساختار مورد نظر برسيم. به اين روش، «ساختن از بالا به پايين» مي‌گوييم.
حالا فرض کنيد يک ساختار جديد براي ساختن پيشنهاد شود، مثل شکل 4.

شکل 4​

سؤال: از کدام روش براي ساختن اين ساختار استفاده کنيم؟ نظر شما چيست؟
اوضاع کمي پيچيده شد، اما غم به خود راه ندهيد! اين مقاله براي ساده کردن همين پيچدگي نوشته شده است. يکي از عوامل تعيين‌کنندة جواب، اين است که ماده‌ي اوليه‌ي ما به چه شکل است؟ اگر مادة دمِ دست ما تعدادي قطعه‌ي کوچک و ريز باشد، از روش پايين به بالا استفاده مي‌کنيم؛ اگر مادة اوليه يک قطعه‌ي بزرگ باشد، از روش بالا به پايين استفاده مي‌کنيم. در عين حال، ممکن است هر دو روش هم به کار رود. مثلاً اگر ماده‌ي اوليه براي ساختن شکل پنج به صورت مکعب بزرگي با آجرهاي دو در چهار، يعني همان شکل دو باشد، نمي‌توان با حذف بعضي آجرها مستقيماً به ساختار نهايي رسيد. در اين حالت، مي‌توانيم آجرهاي بالا و پايين ساختار شکل چهار را برداريم (ساختن از بالا به پايين) و بعد دو آجر دودردوي مورد نياز را به جاي آنها متصل کنيم. ( ساختن از پايين به بالا)

شکل 5​

در صنعت هم از هر دو روش با هم استفاده مي‌شود. به مثال‌هاي زير توجه کنيد:
• يک نجار مي‌خواهد مجسمه‌اي چوبي بسازد. او يک قطعه‌ي بزرگ چوب را برمي‌دارد و با رنده و سوهان آن را مي‌تراشد و پرداخت مي‌کند تا مجسمه ساخته شود. اين کدام روش است؟
• نجار مي‌خواهد يک صندلي بسازد. او پايه‌هاي ميز و قطعات مربوط به تکيه‌گاه صندلي را جداگانه مي‌سازد و بعد آنها را به هم متصل مي‌کند. اين کدام روش است؟

حالا به نانوفناوري فکر کنيد: به نظر شما کدام روش ساختن در نانوفناوري کاربرد دارد؟
تا چند سال پيش، راه دست‌کاري و جابه‌جا کردن تک‌مولکول‌ها و ساختارهاي نانويي يک‌طرفه بود. يعني براي ساختن چيزها در مقياس کوچک، مي‌بايست يک قطعه‌ي بزرگ‌تر را با تراشيدن و خرد کردن يا حل کردن بخش‌هاي اضافي با اسيد و... آن‌قدر کوچک مي‌کرديم تا به قطعه‌ي نهايي برسيم. به عيارت ديگر، روش‌ توليد ساختارهاي کوچک، از نوع بالا به پايين بود.
در چند سال اخير فنوني ابداع شده‌اند که اجازه مي‌دهند مولکول‌ها يا ذرات نانويي را جابه‌جا و آنها را به هم متصل کنيم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانويي با ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يا فنون ساختن نانولوله‌هاي کربني. اين فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پايين به بالا هستند.
فنون گفته‌شده در بالا، براي ساختن محصولاتي که بسيار کوچک‌اند مناسب به نظر مي‌رسند، اما اگر بخواهيم يک ديوار چندسانتي‌متريِ يکدست را به اين روش بسازيم، چند ده سال طول مي‌کشد تا مولکول‌ها را تک‌تک کنار هم بچينيم و ديوار مورد نظر را بسازيم. در عين حال، اگر بخواهيم ديوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگ‌هاي ساختماني، بسازييم، ديوار يکدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ي نانوفناوري چيست؟، ساختار مواد و عيوب کريستالي را ببينيد.) پس چه کار کنيم؟
پيدا کردن فنون توليد مناسب در نانوفناوري موضوعي است که در چند سال اخير به‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوري هم از روش‌ ساختن از بالا به پايين استفاده مي‌شود (به کمک فنوني مانند ليتوگرافي و آسياب کردن ذرات) و هم از روش ساختن از پايين به بالا (به کمک فنوني مانند خودآرايي يا رسوب‌دهي بخار). منتظر مقاله‌هاي بعدي باشگاه نانو در اين موضوع باشيد .

 

[m4material]

نانو پودرها​

نانوپودر چيست؟
پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را می‌توان مجموعه‌ي از ذرات دانست که اندازه‌ي آنها کمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يک نانومتر می‌رسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است که اندازه‌ي آن کمتر از 100 نانومتر باشد.) چه پودري را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آيند:
حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.
يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يک پودر را به صورت يکي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره کمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد. به عبارت حسابی‌تر، ميانگين اضلاع مکعب بايد در اين رابطه صدق کند: 1 nm<

<100 nm. براي مثال، بلورهاي نمك طعام ساختاري مكعب‌شکل دارند. (شکل شماره‌ي 1)
يادآوري: اگر بيشترِ ذرات تشکيل‌دهندة پودر، ابعادي ميان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

شکل 1: ساختار بلور نمک طعام، مکعبي است.​

حالت دوم: دانه‌هاي تشکيل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتري داشته باشند.
در حالتي که اندازه‌ي ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر از صد نانومتر بيشتر باشد، کافي است دانه‌هاي آن ابعاد نانومتري داشته باشند تا نانوپودر به شمار آيند. يک مثال براي فهم اين موضوع، اتم‌هايي هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هايي که آنها را "دانه" می‌ناميم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوري جامد نيز از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌اند كه به آنها دانه مي‌گويند. درون هر دانه، اتم‌ها در يك جهت خاص و رديف‌هاي موازي چيده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاورِ هم، تفاوت در همين جهت‌گيري اتم‌هاست.

شكل 2: اين ذره، حاوي سه دانه است.​

شکل 3: اتم‌ها با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.​

شکل 4: اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.​

شکل 5: اتم‌ها با زاويه ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.​

در دانه‌ي 1 (شکل 3)، اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. در دانه‌ي 2 (شکل 4) اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه و در دانه‌ي 3 (شکل 5) اتم‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگيرند، يك ذره تشكيل مي‌شود. (شکل 6) به فضاي خالي بين دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند. مرز دانه محلي است كه جهت چيده شدن اتم‌ها عوض مي‌شود.
همچنين دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد. در اين صورت، مرز بين دانه‌ها ملات بين آجرهاست. اگر قطر اين دانه‌ها بين 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكيل نانوپودر مي‌دهند.
هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار 1 متر در 1 متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود، مانند گره‌هاي يک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود.

شکل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يک ذره را تشکيل دهند.​

يادآوري: اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات، نانومتري باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي ترکيب شوند.
در اين حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزيتي» می‌نامند. کامپوزيت که از کلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني ترکيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده‌اند (شکل 7).

شکل 7: ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراکنده شده‌اند.​

علت ترکيب شدن آنها اختلاف خواص اين دو ماده است. در کامپوزيت معمولاً زمينه از يک ماده‌ي نرم و افزودني از ماده‌ي سخت انتخاب مي‌شود. در اين صورت، هنگامي‌ که به ماده نيرو وارد مي‌شود، زمينه نيرو را به رشته يا پودر اضافه‌شده منتقل مي‌كند تا بتواند در برابر نيروي واردشده‌ مقاومت بيشتري داشته باشد. (شکل شماره‌ي 8)

شكل 8 : در يک نانوکامپوزيت، ذرات نانويي در زمينه‌اي غيرنانويي پراكنده شده‌اند .​

 

[m4material]

چرا نانو پودرها​

در تعريف نانوپودرها ذكر شد که مهمترين ويژگي آنها، ريزي ذرات تشكيل‌دهنده است. وقتي ما يك قطعه را چند قسمت مي‌كنيم، حجم كل ثابت مي‌ماند، يعني حجم قطعه‌ي اوليه دقيقاً برابر است با جمع حجم تكه‌هاي تقسيم‌شده. اما در طيّ اين فرآيند، مجموع سطح بيرونيِ تكه‌ها چندبرابرِ سطح بيروني قطعه‌ي اوليه خواهد شد.

محدوديت نانوپودرها
محدويت نانوپودرها نيز از زياد بودن سطح آزاد آنها ناشي مي‌شود. در واقع، ذرات مثل براده‌هاي آهنربا تمايل دارند به همديگر بچسبند تا دوباره شكل اوليه‌ي خود را به دست آورند. وقتي ما اندازه‌ي ذرات پودر را به نانومتر مي رسانيم، اين تمايل به‌شدت زياد مي‌شود، تا جايي كه ممكن است به صورت ناگهاني به هم بچسبند. براي رفع اين مشكل بايد ذرات پودر را از همديگر جدا نگاه داشت تا به هم نچسبند. اين كار از طريق محلول‌سازي پودرها، مانند حلّ نمك و آهن يا اضافه كردن موادي كه سبب ايجاد بارهاي همنام روي سطح پودرها و ايجاد نيروي دافعه مي‌شوند، صورت مي‌گيرد.
براي درك بهتر موضوع، مسئله‌اي را طرح مي‌کنيم:
فرض كنيد يك قطعه به شكل مكعب با طول ضلع 3 سانتيمتر داريم. در صورتي كه اين مكعب را به 27 مكعب تقسيم كنيم، سطح آزاد چند برابر مي‌شود؟
جواب:

V1=a13=(3cm)3=27cm3 (حجم مكعب بزرگتر)​

براي اينكه مكعب را به 9 مكعب كوچكتر تقسيم كنيم، بايد هريك از اضلاع را به 3 قسمت تقسيم كنيم. در اين حالت:

V2=a32=(1cm)3=1cm3 (حجم هر مكعب)​

اگر جمع حجم اين 9 مكعب را در نظر بگيريم:

يعني برابراست با حجم مکعب بزرگ. ولي سطح آزاد مكعب بزرگ برابر است با:

در حالي که مجموع سطح آزاد مكعب‌هاي كوچك برابر است با:

يعني سطح آزاد در اثر خُرد كردن مكعب بزرگ به 27 مکعب کوچک، 3 برابر شده است.

​

کيفيت پايين​

کيفيت بالا
اهميت سطح آزاد مواد:
اهميت سطح آزاد در اين است كه سطح آزاد مواد است که محل انجام واكنش هاي آن ها است. براي مثال ، حتماً ديده ايد كه در زمستان، روي يخ جاده ها نمك طعام مي پاشند تا يخ زودتر ذوب شود، واكنش بين نمك و يخ در سطح ذرات نمك انجام مي شود ، براي درك بهتر فرض كنيد سنگ نمك طعام را روي يخ بيندازند، بهتر يخ را ذوب مي كند يا اينكه اين سنگ را پودر كرده و پودر نمك را روي يخ بپاشيم. مثالي ديگر از اين مطلب ، تفاوت حل كردن شكر و قند در چاي است. در فيلم زير بخوبي ديده مي شود که شكر به دليل سطح آزاد زياد آن ، به مراتب سريعتر از يك حبه قند با حجم يکسان، در آب داغ حل مي شود.

​

کيفيت پايين​

کيفيت بالا

 

[m4material]

نانولوله‌هاي كربني​

مقدمه:
كربن يكي از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهم‌ترين آلياژهاي مهندسي است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل مي شود؛ با تغيير درصد كربن (به‌ميزان تنها چندصدم درصد) مي توان انواع فولاد را به دست آورد. «شيمي آلي» نيز علمي است که به بررسي ترکيبات حاوي «كربن» و «هيدروژن» مي پردازد و مهندسي پليمر هم تنها براساس عنصر كربن پايه‌گذاري شده است.
كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت يافت مي‌شود که همه اين چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌هاي كربن به صورت كاملاً منظم در كنار يکديگر قرار گرفته‌اند. اين ساختارها عبارتند از:
1- گرافيت
2- الماس
3- نانولوله‌ها
4- باكي‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زير )

گرافيت:
گرافيت يكي از مهم‌ترين ساختارهاي كربن در طبيعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار يکديگر به وجود آمده است. اين اتم هاي كربن به گونه اي با يکديگر ترکيب شده اند كه يك‌ شش ‌ضلعي منتظم را پديد مي آورند و از مجموع آنها، صفحه اي به دست مي آيدكه به عنوان يک « لاية گرافيت» در نظر گرفته مي‌شود.

اتم‌هاي كربن با پيوندهاي كووالانسي ـ كه پيوندي قوي و محکم است ـ به يکديگر متصل شده‌اند. لازم به ذكر است كه اتم هاي كربن به کار رفته در يک لاية گرافيت نمي‌توانند با كربني خارج از اين لايه پيوند كووالانسي بدهند. بنابراين يک لاية گرافيت از طريق پيوندهاي واندروالس ـ كه پيوندهايي ضعيف هستندـ به لاية‌ زيرين متصل مي شود. اين مساله باعث مي‌شود كه صفحه‌هاي گرافيت به‌راحتي روي يکديگر بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب در «روغن‌كاري» و «روان‌كاري» استفاده مي‌شود. علت نرمي سطوحي که با مداد روي آنها نوشته شده است نيز همين نکته مي باشد.

نانولوله‌ها
يك لايه گرافيت را در نظر بگيريد. اتم‌هايي را كه در يك رديف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ كه نشان‌دهندة مختصات يك نقطه در صفحه است ـ مكان‌يابي مي‌كنيم. به طوري كه مختصات n، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به رديف اتم‌ها باشد.
همان‌طور كه مي‌دانيم براي تهيه يک لوله از يک صفحه، کافي است يك نقطه از صفحه را روي نقطه ي ديگر قرار دهيم. يك نانولوله مانند صفحة گرافيتي است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اينکه چگونه دو سر صفحه گرافيتي به يکديگر متصل شده باشند، انواع مختلفي از نانولوله ها را خواهيم داشت.

​

​

1. نوع زيگزاگ
براي ساختن نوع زيگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستاي افقي (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهايي(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روي اتم ابتدايي (0و0) انطباق مي دهيم. براي اطمينان از درستي روش ساخت بايد دقت کنيم که در آخر کار، در راستاي افقي يک خط شکسته زيگزاگ به دور نانولوله ببينيم.

2. نوع صندلي
در صورتي كه اتم ابتدايي و اتمي که در وضعيت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روي هم قرار بگيرند، نانولوله نوع صندلي به دست مي آيد. در اين حالت مي‌توانيم بين اين دو اتم يك خط مستقيم رسم كنيم كه معادلة آن «m=n» است. يعني شمارة ستون و رديف هر يک از آنها با يکديگر برابر است. در اين حالت با يک بار گردش به دور نانولوله تعدادي صندلي پشت سر هم خواهيم ديد.

3. نوع نامتقارن
در اين حالت نيز مشابه روش صندلي عمل مي‌کنيم، با اين تفاوت که در مختصات اتم انتهايي، m≠n خواهد بود. اگر يک بار افقي به دور نانولوله بچرخيم مجموعه‌اي از صندلي‌ها را مي‌بينيم که نسبت به افق، به صورت مايل قرار گرفته‌اند.
براي ساختن مدلي از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافي است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ي انتهايي را بر نقطه ي ابتدايي منطبق نماييد.

اين لوله هاا به علت آنکه داراي قطر چند نانومتري مي باشند «نانولوله» نام گرفته اند. يعني ما با اتصال دونقطه ي يك صفحة گرافيتي به هم، لوله‌اي را به دست آورده‌ايم كه قطر فضاي خالي داخلي آن چند ميلياردم يك متر است. (اگر طول يك متر را به يك ميليارد قسمت تقسيم كنيم، ضخامتي معادل يك نانومتر به دست مي‌آيد)
خواص نانولوله‌ها
هريك از سه نوع نانولوله، به خاطر آرايش اتمي خاصي خود،‌ داراي خواصي مي‌باشند كه در اينجا به چند ويژگي مشترك بين آنها اشاره مي‌كنيم:
1. خواص مكانيكي
نانولوله‌ها داراي پيوندهاي محكمي در بين اتم‌هايشان مي باشند وبه همين علت در برابر نيروهاي کششي مقاومت واستحکام زيادي از خود نشان مي دهند. به عنوان مثال نيروي لازم براي شکستن يک نانولوله ي کربني چند برابر نيرويي است که براي شکستن يک قطعه فولاد ـ با ضخامتي معادل يک نانو لوله ـ احتياج داريم.
اما جالب است که بدانيم پيوندهاي بين اتمي در نانولوله‌ها علاوه بر ايجاداستحكام بالا، شكل‌پذيري آسان و حتي پيچش را درآنها ميسر مي سازد! در حالي که فولاد تنها دربرابر نيروهاي كششي داراي مقاومت است و براي پيچش انعطاف پذيري لازم را ندارد.
در بررسي كاربرد نانولوله‌ها و به کار گيري خواص آنها ، مي توانيم به استفاده از اين ترکيبات به عنوان «رشته» در مواد مركب،اشاره كنيم؛ به چنين موادي «كامپوزيت» مي‌گويند. ملموس‌ترين مثال كامپوزيت «کاه‌گِل» است. كاه‌گِل مخلوطي از «کاه» و «گِل» است که در آن، كاه به عنوان رشته‌هايي كه استحكام و انعطاف‌پذيري بهتري نسبت به گل دارد، پراكنده شده است تا مانع از ترك‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمينه» مي ناميم. نانولوله ها نيز چون استحكام و شكل‌پذيري خوبي دارند، ‌در مواد مركب با زمينه‌هاي فلزي، پليمري و سراميكي استفاده مي‌شوند. اما مهم‌ترين فاكتوري که كه باعث برگزيدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزيت) شده است، وزن كم آن است ، در حالي که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترين موارد استفادة چنين مواد مركبي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
بدنة هواپيما و هليكوپتر، زه راكت‌هاي تنيس و ...
2. خواص فيزيكي
مهم‌ترين خاصيت فيزيكي نانولوله‌ها،«هدايت الكتريكي» آنهاست. هدايت الكتريكي نانولوله‌ها بسته به زاويه و نوع پيوندها، از دسته‌اي به دستة ديگر كاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جايگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتي كه يك الكترون (يا بار الكتريكي) وارد مجموعه اي از اتم ها مي‌شود، ارتعاش اتم‌ها بيشتر شده و در اثر برخورد با يکديگر بار الكتريكي وارد شده را انتقال مي‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بيشتر باشد، هدايت الكتريكي آن دسته از نانولوله‌ها بيشتر خواهد بود. تقسيم بندي ابتداي متن بر اساس نظم اتمهاي کربن در نانولوله و در نتيجه رسانايي آنها‌ انجام شده است؛ براي مثال نانولوله نوع صندلي 1000 بار از مس رساناتر است، در حالي که نوع زيگزاگ و نوع نامتقارن نيمه رسانا هستند. خاصيت نيمه رسانايي نانولوله ها بسته به نوع آنها تغيير مي کند.
* خواص فوق‌العادة نانولوله‌ها و روشهاي پيچيده توليد آنها باعث شده است که قيمت هرگرم از اين ماده حدود چندصد دلار باشد.

 

[m4material]

نانولوله کاغذي بسازيم​

در مقاله «نانولوله هاي کربني» خوانديد که ساختار نانولوله هاي کربني مانند يک صفحه گرافيت است که دو سر آن به هم متصل شده و يک استوانه ساخته اند. همانطور که ديديد، دو سر صفحه گرافيت را به سه شکل مختلف مي توان به هم متصل نمود، بنابراين سه نوع نانولوله خواهيم داشت:
1- نوع زيگزاگ
اتمهاي متصل به هم در اين نوع شکل زيگزاگ را پديد مي آورند:

2- نوع صندلي
در اين نوع، اتم ها طوري به يکديگر اتصال يافته اند که فرم صندلي را براي ما تداعي مي کنند:

3- نوع نامتقارن
رديف هاي اتمي در اين نوع نانولوله به صورت اريب قرار مي گيرند، بنابراين اگر اين نانولوله را مقابل آينه قرار دهيد، تصويري متفاوت از اصل را خواهيد ديد و به همين علت هم ، نامتقارن نام گرفته است:

براي انجام بازي «تقارن آينه اي» به آدرس زير سري بزنيد:

http://nobelprize.org/chemistry/educational/chiral/​

و براي اين که عکس هاي واقعي از نانولوله هاي کربني را ببينيد به نشاني زير مراجعه کنيد:

http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html​

براي ساختن نانولوله هاي گفته شده در بالا با کاغذ، صفحات زير را داونلود کنيد. اين صفحات ساختار شش ضلعي هاي منتظم اتمهاي کربن را نشان مي دهد. براي ساختن نانولوله ها، صفحات را طوري به يکديگر بچسبانيد که کلمات «زيگزاگ»، «صندلي» و «نامتقارن» کامل شوند.
• نوع صندلي
• نوع نامتقارن
• نوع زيگزاگ

 

[m4material]

گرافن پایه ساختارهای مهم کربنی

ساختار نانولوله‏های کربنی (1)​

مقدمه
همانطور که می‏دانید، اتم‏های کربن در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارند و پایه و اساس فناوری‏های مختلفی هستند. این اتم‏ها علاوه بر ترکیب شدن با عناصر دیگر، می‏توانند با اتم‏های کربن نیز پیوند دهند. اتم‏های کربن از نظر ترتيب پر شدن اوربیتالها، دارای ساختار الکترونی 1s22s22p2 هستند. بنابراین چهار الکترون آزاد دارند که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم‏ها مهیا می‏سازد. پیوندهایی که این اتم‏ها تشکیل می‏دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده می‏شود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد می‏کند. این اتم‏ها در ساختار الماس چهار پیوند یگانه‏ی کوالانس ایجاد می‏کنند. یعنی هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند می‏دهد. بنابراین از تمام 4 ظرفیت خود برای تشکیل پیوند استفاده کرده است. در ساختار گرافیت، نانولوله و فولرن نیز پیوندهای یگانه‏ای بین اتم‏های کربن وجود دارد. با این تفاوت که هر اتم تنها با 3 اتم دیگر پیوند می‏دهد و در نتیجه سه پیوند یگانه کوالانسی دارد. در این ساختارها اتم کربن یکی از ظرفیت‏های خود را مصرف نمی‌کند. اين ظرفيت خالی که در واقع يک الکترون اضافی است، به شکل یک پیوند آزاد در خارج از صفحه‏ای که دیگر اتم‏ها در آن قرار دارند، قرار می‏گیرد. این پیوند آزاد یا معلق می‏تواند در شرایطی با گروه‏های عاملی یا دیگر اتم‏های رادیکالی موجود در محیط پیوند دهد.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تاثير بسياری بر خواص مواد می‌گذارد. اندازه و شکل فیزیکی نانومواد و چگونگی پیوندهای بین اتمی آنها از قبیل این پارامترها هستند. در مورد نانولوله‏های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه‏ی چینش اتم‏ها در ساختار نانولوله، تعداد دیواره‏ها، نقص‏های ساختاری و گروه‏های عاملی موجود بر روی نانولوله‏ از جمله خواص فيزيکی و شيميايي هستند که در تعیین خواص‏ نقش دارند. در این مقاله و مقاله‏ی بعدی به نحوه‏ی چینش اتم‏ها در نانولوله‏های کربنی می‏پردازیم. برای این منظور نانولوله‏های کربنی را بر اساس ظاهر فیزیکی دسته‏بندی می‏کنیم. این قبیل دسته‏بندی‏ها، موجب سهولت بررسی این مواد می‏گردد.
یک نانولوله، همانطور که از نامش برمی‏آید، یک استوانه‏ی تو خالی با قطری در حد نانومتر است.‏ طول هر نانولوله می‏تواند از چند نانومتر تا چند میکرومتر باشد. اگر یک نانولوله‏ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره‏ی آن در راستای طول نانولوله، یک صفحه از اتم‏های کربن به نام گرافن به دست می‏آید. در این مقاله برای بررسی شکل ظاهری نانولوله‏ها، بحث را روی صفحات گرافن متمرکز می‏کنیم.
گرافن
صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در يک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با 120° است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند (شکل 1). البته این ایده‏آل‏ترین حالت یک صفحه‏ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ها و هفت‌ضلعی‏هایی نيز ایجاد می‏شود.

شکل 1- ساختار اتمی صفحه گرافن: در این شکل اتم‏های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده‏اند.​

در يک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه‏های عاملی و هم چنین اتم‏های هیدروژن است. پیوند بین اتم‏های کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می‏رود که نانولوله‏های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک ماده‏ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه‏های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل می‏شود. اما همانطور که می‏دانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
*
*
*
*
آنچه لایه‏های گرافن را روی یکدیگر نگه می‏دارد، پیوندهای واندروالس بین آن‏هاست. این پیوند بسیار ضعیف است‏. بنابراین لایه‏های گرافن به راحتی می‏توانند روی هم بلغزند و به همين دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان يک لایه‏ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله‏های کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله‏های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آن‏ها بستگی دارد که در آينده به آن اشاره خواهيم كرد.
صفحه‏ی مختصات گرافنی:
صفحه‏ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می‏شناسید. این صفحه، شبکه‏ای است که از مربع‏هایی با طول و عرض واحد تشکیل شده ‏است. در این صفحه دو بردار یکه‏ی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن‏ها می‏توان از نقطه‏ی مبدا به هر نقطه‏ی دیگری مثل (nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان پذیر می‏گردد.

شکل 2- صفحه‏ی مختصات دکارتی؛ بردارهای یکه‏ی i و j هم اندازه و بر یکدیگر عمود هستند.​

دستگاه مختصات کارتزین، يك دستگاه دو بعدي است كه در آن دو بردار یکه‏ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه‏های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می‏توان دستگاه هایی را تعریف کرد که در آن اندازه‏ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه‏ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه‏ی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولوله‏های کربنی ما به يك صفحه‏ي دو بعدي متشکل از شش‌ضلعی‏های منتظم احتياج داريم (صفحه‏ی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم‏های کربن (به ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
در این صفحه‏یِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکه‏ی هم اندازه‏ی i و j را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، تعریف می‏کنیم. زاویه‏ی بین این دو بردار برابر با 60° است. برای حرکت روی این صفحه می‏توانیم بردار C=mi+nj را تعریف نماییم. این بردار را بردار کایرال می‏نامیم (بعدها می‌گوييم که چگونه می‏توانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده‌ايم.

شکل 3- بردارهای یکه‏ی i و j در صفحه‏ی مختصات گرافنی​

شکل 4- بردارهاي كايرال c=4i+2j و c=i+3j در صفحه‏ي مختصات گرافني​

همچنين مي‏توانيم زاويه‏ي بين بردار كايرال و محور متناظر با بردار يكه‏ي i را به عنوان زاويه كايرال كه مشخصه‏ي راستاي بردار كايرال است‏ در نظر بگيريم. اين زاويه در شكل 5 نشان داده شده است. همانطور كه در آينده خواهيم ديد، اين زاويه يكي از مشخصه‏هاي نانولوله‏هاي كربني مي‏باشد.

شکل 5- زاويه‏ي كايرال بين بردار c=4i+3j و محور مربوط به بردار يكه‏ي i‏​

 

[m4material]

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها​

نانوپودر توليد کنيم
به طور كلي نانوپودرها را نيز مانند ديگر موادّ نانومتري مي‌توان به دو روش پايين به بالا يا بالا به پايين توليد كرد. در روش بالا به پايين قطعه را از اندازه‌هاي بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد مي‌كنيم تا به اندازه‌هاي نانومتري برسد. در روش پايين به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم مي‌چينيم تا يك ساختار نانومتري به وجود آيد. در زير، دو روش فوق توضيح داده مي‌شوند.

1. خُرد كردن قطعات بزرگ
يك استوانه‌ي توخالي را فرض كنيد كه گوي هاي فلزي يک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. يك قطعه‌ي بزرگ نيز يک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتيجه، يک‌سومِ حجم داخل استوانه خالي خواهد بود. اگر اين استوانه را بچرخانيم، گوي هاي فلزي به قطعه برخورد و آن را خُرد مي‌كنند.
در صورتي كه اندازه‌ي اضلاع قطعه‌ي اوليه 1 ميكرومتر باشد (اگر يك ميلي‌متر را هزار قسمت كنيم، طولي معادل يك ميكرومتر به وجود مي‌آيد)، با اولين برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ي اضلاع آن nm500 مي‌شود. در مرحله‌ي دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن 250 نانومتر مي‌شود و در مرحله‌ي سوم nm 125. تا اينكه در مرحله‌ي چهارم، ذره‌اي نانومتري به اندازه‌ي nm 5/62 به‌دست مي‌آيد.

در روش بالا به پايين، مهم اين است كه جسمِ خُردشونده بايد مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذيرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا اين‌حد نمي‌توان خُرد كرد. به طور كلي در اين روشِ توليد، بايد انرژي بسيار زيادي را صرف كرد تا ذرات محكم به يك ماده‌ي تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
چطور يک آسياب مکانيکي بسازيم؟

کيفيت پايين کيفيت بالا

2. رسوب‌دهي از محلول‌ها
در اين روش ابتدا بايد محلول مورد نظر را ساخت. اين محلول مي‌تواند به دو حالت باشد:
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مايع؛
ب ـ ذرات گازي.

الف ـ ذرات جامدِ معلق در مايع
در صورتي كه محلول ما مايع باشد، مي‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادي خاص براي ته‌نشين كردن، يا با افزايش غلظت جامد و سير شدن محلول در آن، رسوب داد. حين رسوب كردن، اتم‌ها دانه‌به‌دانه كنار هم جمع مي‌شوند تا يك پودر نانومتري را توليد كنند.

ب ـ ذرات گازي
روش ديگر اين است كه ما به قدري سريع محلول‌هاي گازي را سرد كنيم تا گاز مستقيماً تبديل به جامد شود (به اين فرايند «چگالش» مي گوييم). در اين حالت نيز اتم‌ها در كنار هم جمع مي‌شوند تا ذراتِ يك پودر نانومتري را توليد كنند.

نانوپودرها به چه کار مي‌آيند؟
1. پوشش‌دهي
يكي از مهمترين كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهي» است. وقتي مقداري پودر روي يك سطح ريخته مي‌شود، مي‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمين پودر گچ بپاشيم، تمام سطح پوشيده مي‌شود و يک سطح يکدست سفيد به وجود مي‌آيد. اما در اين حالت هنوز فضاهاي خيلي ريزي بين پودرها وجود دارد، يعني پوشش يكپارچه نيست. اکنون مقداري آب به گچ اضافه مي‌كنيم و صبر مي‌كنيم تا آب توسط حرارت خشك شود. مي‌بينيم كه ذرات پودر به هم چسبيده‌اند و يك پوشش يكدست بر روي سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهي توسط نانوپودرها نيز دقيقاً همين است، يعني پودرها را ــ عمدتاً باشدت ــ به سطح مي‌پاشند و بعد توسط يك عامل اضافه‌شونده ــ عمدتاً گازهاي اكسيژن يا آرگون كه همان نقش آب را در مثال گچ بازي مي‌كنند ــ و حرارت، اين ذرات را به هم مي‌چسبانند تا يك پوشش يكپارچه بر روي سطح ايجاد شود. پوشش روي داشبورد ماشين دقيقاً به اين روش توليد مي‌شود.

2. ساخت قطعات
همان‌طور كه ديديم، ذراتِ پودر ميل زيادي دارند که مانند بُراده‌هاي آهنربا به هم بچسبند. از طرفي اين ميل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ي حرارت به‌شدت افزايش مي‌يابد، و بنابراين، با اِعمال فشار و افزايش درجه‌ي حرارت مي‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و يك قطعه را توليد كنند. اين روش عمدتاً براي توليد قطعات با شكل‌هاي پيچيده به كار مي‌رود. (اين پديده به طور طبيعي در نمك طعام اتفاق مي‌افتد. اگر مقداري نمك طعام در داخل يك نمكدان باقي بماند، بعد از مدتي ذرات نمك به هم مي‌چسبند و نمكدان ديگر نمك نمي‌پاشد. بنابراين، بايد به نمكدان چند ضربه وارد كنيم تا ذرات از همديگر جدا شوند.)

3. استفاده در كِرِم‌ها
همان‌طور كه مي‌دانيم، نانوپودرها ذراتي با قطر يك تا 100 نانومتر هستند. وقتي از اين ذرات در ساخت كِرِم استفاده مي‌شود، چون قطر آنها كوچك است، اشعه‌هاي مُضرّ نور خورشيد را كه طول موج‌هاي بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمي‌دهند. اين در حالي است كه اشعه‌هاي نور مرئي را كه موجب ديده شدن قطعات‌اند از خود عبور مي‌دهند. بنابراين، به صورت شفاف ديده مي‌شوند. در اين حالت ما كِرِمي داريم كه شفاف است و اشعه‌هاي مُضرّ را از خود عبور نمي‌دهد.

4. شناسايي آلودگي ها
ذراتي كه نانوپودرها را تشکيل مي‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحي خود، وقتي به يك محلول حاوي آلودگي (مثل باكتري، سلول سرطان زا و...) اضافه مي‌شوند، روي آلودگي‌ها مي‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغيير رنگ مي‌دهند و باعث شناسايي آنها مي‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغيير رنگِ حاصل از آن ديده شود، اما تغيير رنگِ مجموعه‌ي اين ذرات، آلودگي‌ها را قابل تشخيص و شناسايي مي‌كند.
در فيلم زير كه به عنوان مثالي از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سيليكون در محلول، قطرات روغن را شناسايي مي‌كنند و با نفوذ مقداري از مايع به داخل حفره‌هاي آنها، تغيير رنگ مي‌دهند و هدف را قابل تشخيص مي‌نمايند.

کيفيت پايين کيفيت بالا

 

[m4material]

پوشش دهي چيست؟

نانوپوشش ها، بخش اول​

1. پوشش چيست؟
مقدمه
بشر همواره بلندپرواز بوده است. هميشه رؤياهاي بزرگي در سرها بوده‌اند که بايد بيرون مي‌آمدند و عينيت مي‌يافتند. اما طي اين مسير ــ يعني بيرون کشيدن رؤياهاي دور و دراز از ذهن‌ها ــ با دشواري‌هاي بسيار همراه است. گرچه بسياري از اين رؤياهاي پيشينيان در زمان‌هاي بعد و به‌ويژه زمان ما به حقيقت پيوستند، اما بسياري از صاحبان آرزو بسيار بسيار پيش از اين چشم از جهان فرو بستند. براي تحقق اين آرزوها بايد مسيري بلند در زمان به‌تدريج پيموده مي‌شد. کشف آتش، کشف مواد مقاوم مثل آهن (که اول‌بار از شهاب‌سنگ‌هايي که از فضا به زمين برخورد کرده بودند استخراج شد)، کشف چرخ، برق، موتور بخار و... بايد روي مي‌داد تا مثلاً اختراع اتومبيل و هواپيما واقعيت ‌يابد.
يکي از مهمترين عوامل محدودکنندة انسان در تمام قرون براي رسيدن به آرزوهايش، پيدا نکردن مواد مناسبي بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. مثلاً بشر پس از ساخت آسانسور و استفاده از آن در ساختمان‌هاي مرتفع، به اين فکر مي‌کرد که چگونه آسانسوري بسازد که با آن به فضا برود! اما يکي از مشکلات ــ به‌جز توليد طنابي به اين درازي و موتوري پرقدرت براي کشيدن محفظة آسانسور بين دو سياره ــ اين بود که تمام مواد مکشوفه تا آن زمان، قدرت تحمل وزن خود را در فاصلة بين دو سياره نداشتند. اما امروزه با استفاده از فناوري‌هاي پيشرفته مواد جديدي توليد يا مواد موجود تقويت شده‌اند که مي‌توانند وزن خود را در فاصلة بين دو سياره تحمل کنند!
خوب، اينکه در بالا گفتيم يعني چه؟ بشر براي ساخت آسانسورهاي فضايي به‌تازگي نانولوله‌هاي کربني‌اي را ساخته است که مقاومت زيادي در برابر کشيده شدن و پاره شدن دارند (حدود 7 برابر فولاد) و اين در حالي است که بسيار سبکتر از مواد محکم فعلي هستند.
براي درک مفهوم دوم (بهبود يا تقويت خواص مواد موجود) به مثال زير توجه کنيد:
تصور کنيد يک روز صبح که از خواب بيدار مي‌شويد يک نفر پوست صورتتان را کنده باشد! براي اطمينان، احتمالاً تشريف مي‌بريد جلو آينه، و... آن صحنة دلخراش را به چشم خود مي‌بينيد! فکر نمي‌کنم ديگر ادامة زندگي با آن وضع برايتان ممکن باشد. شما به يک لولوي تمام‌عيار تبديل شده‌ايد که علاوه بر بچه‌هاي کوچک، خودتان هم از وحشت جيغ مي‌کشيد. براي رفع مشکل چه مي‌کنيد؟ خوب، اولين کار اين است که فرياد بکشيد و با يک وسيله مثل باند تمام بدنتان را بپوشانيد. اين‌طوري لااقل ميکروب‌ها و عوامل عفونت‌زا کمتر به بدنتان نفود مي‌کنند. چون پوست به عنوان پوششي براي بافت‌هاي داخلي بدن در مقابل محيط بيرون عمل مي‌کند (شکل 1). اما اين کافي نيست. شما نمي‌توانيد به خوبيِ گذشته از عهدة کارهاي روزمره‌تان برآييد. چون باند پوشش مناسبي براي صورت شما نيست و تنها مي‌تواند به عنوان يک پوشش موقت به کار رود تا اينکه سراغ يک جراح پلاستيک ماهر برويد و يک فکر اساسي بکنيد. (البته ديگر کار از کار گذشته!)

شکل 1 ـ تصويري از يک پوشش چندلاية باند زخم که جايگزين پوست بدن شده است.​

تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نياز به پوشش دارند، چون نبايد در طي مراحل توليد، بستهبندي، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ويژگي‌هاي خود را از دست بدهند. البته گاهي هم براي بهبود خواص فيزيکي، شيميايي و مکانيکي از فناوري پوشش‌دهي استفاده مي‌کنيم.

پوشش چيست؟
به طور کلي «پوشش» لايه‌اي است با ضخامت کمتر از مادة پايه، که پوشش روي آن نشانده مي‌شود. با تغيير اين ضخامت و نحوة نشاندن پوشش روي مادة پايه، انواع پوشش‌هاي مورد نياز براي کاربردهاي خاص را به وجود مي‌آوريم.

2. چگونه يک لايه پوشش روي يک سطح نشانده مي‌شود؟
روش اول:
مي‌خواهيم سطح ماده‌اي را با يک ماده با خواص بهتر بپوشانيم. مهمترين عامل براي چسبيدن يک لايه پوشش به مادة پايه سطح تماس بين اين دو است. بايد سطح تماس بين اين دو را بيشتر کنيم تا پوشش‌دهي بهتر انجام شود. اما چگونه؟ براي اين کار از ذره‌هاي تشکيل‌دهندة آن ماده استفاده مي‌کنيم. همان‌طور که در مقالة نانوپودرها خوانديد، وقتي ما جسمي را خرد مي‌کنيم، ذره‌هاي تشکيل‌دهندة آن با جمع شدن در کنار هم، همان جسم اوليه را تشکيل مي‌دهند، با اين تفاوت که سطح تماس بيروني مجموع ذرات در مقايسه با قطعة اوليه افزايش پيدا کرده است. با توجه به اين خاصيت، محيطي را فراهم مي‌کنيم که سطح بيروني ذرات را به همديگر و به مادة پايه بچسباند.
اين يک روش توليد پوشش بود .

روش دوم:
يک راه ديگر براي براي پوشش‌دهي اين است که به جاي ذره‌ذره کردن پوشش، آن را اتم‌به‌اتم درست کنيم. براي اين کار کافي است که اتم‌هاي مادة اول را بکَنيم و به اتم‌هاي مادة دوم بچسبانيم. مي‌دانيد که هر اتم از يک هسته (پروتون + نوترون) با بار مثبت تشکيل شده است که الکترون‌ها با بار منفي به دور آن مي‌چرخند. هميشه تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابرند. در نتيجه بار کل اتم خنثي است. حالا اگر اتمي الکترون از دست بدهد به يون مثبت و اگر الکترون بگيرد به يون منفي تبديل مي‌شود. الکترون‌ها در ترازهايي به صورت يک ابر الکتروني‌ به دور هسته مي‌چرخند. (شکل 2)

شکل2- شماتيکي از ساختار يک اتم​

ولي چگونه يک اتم مي‌تواند الکترون بگيرد يا از دست بدهد؟
بين ذرات همنام و غيرهمنامي که در ساختار اتم وجود دارند، نيروهاي دافعه و جاذبه‌اي هستند که نيروي برآيند حاصل از آنها الکترون را در فاصله‌اي معين از پروتون نگه مي‌دارد. با اعمال نيروي معادل آن مي‌توان الکترون را از پروتون جدا کرد. با اين کار ذره بار مثبت مي‌گيرد، چون يک الکترون از دست داده است. با اعمال يک ولتاژ قوي اين نيرو تأمين مي‌شود. به اين ترتيب، شرايطي فراهم مي‌شود که اتم‌هاي ماده‌اي که مي‌خواهند پوشش داده شوند الکترون از دست بدهند و اتم‌هاي مادة پايه الکترون بگيرند. در نتيجه يون‌ها مانند دو قطب مثبت و منفي آهنربا همديگر را جذب مي کنند.

و اما روش سوم :
به ياد داريد که در دورة راهنمايي با خواص محلول‌ها آشنا شديم. يکي از اين محلول‌ها، «محلول فراسيرشده» بود. براي حل کردن يک حل‌شونده در حلال حدّ معيني وجود دارد. اگر از آن حد بگذرد، محلول فراسيرشده به وجود مي‌آيد. حال اگر يک محلول فراسيرشده داشته باشيم و آرام‌آرام آن را سرد کنيم، با يک ضربه ذرات اضافي رسوب مي‌کنند. لابد مي‌پرسيد اين کارها چه ربطي به پوشش دارد؟ اگر کاري کنيم که اين ذارت روي سطح رسوب کنند و بعد از رسوب دادن اين ذرات بتوانيم آنها را به سطح بچسبانبم، در حقيقت با استفاده از محلول، سطح مورد نظر را پوشش داده‌ايم.

چرا بايد ماده‌اي را با مادة ديگر بپوشانيم؟
انسان به مرور زمان ياد گرفته است که از خواص مواد براي برطرف کردن نيازهاي خود استفاده کند. با استفاده از خواص مواد مختلف، مي‌توان قابليت‌هاي جديدي به محصول افزود و از آن به‌خوبي استفاده کرد. در صنعت پوشش‌دهي، توجه به خواص از اهميت زيادي برخوردار است. همه با آلومينيوم آشناييم. آلومينيوم فلزي است سبک و نرم. به خاطر همين سبکي در صنعت کاربردهاي زيادي دارد (مثلاً در هواپيماسازي)، ولي حتي با ناخن هم مي‌توان روي آن خط ايجاد کرد؛ آلومينيوم سختيِ کمي دارد.

مادة سخت و سختي ماده:
به ماده‌اي که در برابر يک شيء نوک تيزِ فروروندة خارجي مقاومت کند، مادة سخت مي‌گويند و به مقاومت در برابر عامل فروروندة خارجي سختي.​

با پوشش مناسبي که سختي لازم را داشته باشد، مي‌توان سختي را زياد کرد و در عين حال بر وزن آن نيفزود. با استفاده از خواص مکانيکي مي‌توان کاربردهاي جديدي براي مواد کشف کرد. خواص فيزيکي و شيميايي، مانند چگالي، مقاومت الکتريکي و... هم در اين طبقه‌بندي قرار مي‌گيرند.

3. چرا مواد را مي‌پوشانيم؟
همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد، براي بهبود خواص و حفظ ويژگي‌ها و خواص ماده.
اگر مواد خورنده مثل اسيدها به مادة پايه نفوذ کنند، با مادة پايه واکنش مي‌دهند و در خواص آن تغيير به وجود مي‌آورند. اين فرآيند در صنعت بسيار خطرناک است. بدنة کشتي‌اي که از آهن باشد، در اثر خوردگي با گذشت زمان با چه فاجعه‌اي در دل يا قعر دريا مواجه خواهد شد! حدستان درست است: آهن زنگ مي‌زند (خورده مي‌شود)، بدنه ترک برمي‌دارد و در نهايت کشتي غرق مي‌شود و مسافران بيچاره مي‌ميرند. به همين سادگي!
ولي اگر از يک پوشش ضد زنگ استفاده کنيم، هم امنيت جاني مسافران را تأمين کرده‌ايم و هم ــ اين هم مهمتر است ــ بر عمر کشتي افزوده‌ايم. به علاوه، افزايش هزينة انجام اين کار خيلي کمتر از هزينه‌اي است که در اثر آسيب ديدن بدنة کشتي ممکن است به وجود بيايد. (شکل 3)

شکل 3 ـ شمايي از يک کشتي در حال غرق شدن​

منابع و توضیحات:
- استاد راهنما: مهدی حبیب نژاد

 

[m4material]

نانوپوشش‌ چيست؟

نانوپوشش ها، بخش دوم​

4. نانوپوشش‌ها
در تعريف پوشش‌ها گفتيم که آنها لايه‌هايي هستند با ضخامت کمتر از ماده‌اي که روي آن مي‌نشينند. فکر مي‌کنيد وقتي پيشوند «نانو» را به «پوشش» اضافه کنيم چه تغييري در تعريف آن ايجاد مي‌شود؟
در نگاه اول ممکن است با قرار دادن «نانو» در کنار «پوشش» به اين نتيجه برسيد که اين لايه ضخامتي در حد چند نانو خواهد داشت ــ که البته درست است ــ ولي هميشه اين‌گونه نيست. وضعيتي را در نظر بگيريد که در آن براي توليد پوشش، از مواد نانومتري و نانوذرات استفاده شود. در اين صورت، اجزاء تشکيل‌دهندة اين پوشش‌ها نانومتري هستند، ولي خود پوششِ ضخامتي بيش از 100 نانو ضخامت خواهد داشت. (شکل 4)

شکل 4 ـ نمونه‌هايي از نانومواد (نانوکريستال‌ها)​

5. انواع نانوپوشش‌ها
با توجه به تعريف بالا، مي‌توان نانوپوشش‌ها را به صورت زيرتقسيم‌بندي کرد:
1. يکي از مشکلات خوردن پفک، چسبيدن ذرات پفک به دست است که باعث مي‌شود انگشتاني نارنجي داشته باشيم. (اما البته به سختي‌اش مي‌ارزد!) چگونگي چسبيدن ذرات پفک مثل توليد پوشش با استفاده از ذرات ريز است. ذرات پفک به خاطر رطوبت به دست مي‌چسبند (عامل چسباننده) و پوششي از ذرات پفک را ايجاد مي‌کنند.
همان‌طور که مي‌دانيد نانولوله‌ها، نانوپودرها، نانوسيم‌ها و... موادي نانومتري هستند. هر کدام از اين مواد خصوصيات فوق‌العاده اي دارند. مثلاً نانولوله‌ها از خواص الکتريکي، استحکام مکانيکي و چند خاصيت ويژة ديگر برخوردارند. اگر ما با استفاده از عوامل چسباننده، نانوذرات را کنار هم روي سطح بچسبانيم، پوششي ايجاد خواهد شد که خواص آن مشابه خواص نانوذرات خواهد بود. البته مهمترين عامل در اين حالت، سطح آزاد (سطح بيروني ماده که در تماس با محيط است) بالاي اين نانوذرات است که باعث مي‌شود به نحو بسيار مناسبي به همديگر بچسبند.
براي درک اين موضوع تصور کنيد که چگونه ذرات نمک درون يک نمکدان به علت رطوبت موجود در هوا به همديگر مي چسبند و کلوخه اي مي شوند. رطوبت عاملي است که سطح بيروني ذرات ريز نمک را خيس مي کند و باعث مي شود سطح بيروني دو ذره به همديگر بچسبند. حتماً با مطالعة مقالة چرا نانو پودرها به اين موضوع واقف شده‌ايد که يک کلوخه وقتي خرد مي‌شود، سطح آزاد آن به چند برابر مي‌رسد. از طرف ديگر، اين سطح آزاد مکاني خواهد بود که در آن ذرات به سطح زيرين مي چسبند.

2. چيدمان اتم‌هاي مواد درون سلول‌هايي به نام دانه در مواد بلوري (که اتم‌هايشان به صورت منظم کنار هم چيده شده اند)، راه ديگري براي توليد نانوپوشش‌هاست. مواد بلوري موادي هستند که اتم‌هاي تشکيل‌دهندة آنها به صورت منظم در جهت هايي خاص درون حوزه هايي مثل سلول هاي روي پوست دست قرار گرفته اند. براي توليد نانوپوشش با اين خصوصيت، بايد اندازة دانه هاي اين پوشش‌ها را به حد 1 تا 100 نانومتر درآورد، يعني بايد دانه‌ها را ــ که داخل هر کدام از آنها اتم‌ها در جهت خاصي چيده شده‌اند) ريز کرد. استفاده از دانه‌هايي با اندازة 1 تا 100 نانومتر، پوشش توليدي را به عنوان پوشش نانوساختار مطرح مي کند. (شکل 5)

شکل 5 ـ شمايي از يک پوشش نانوساختار​

3. اصطلاح «لاية نازک» يا «فيلم نازک» را شايد شنيده باشيد، ولي آيا مي‌دانيد منظور از لاية نازک چيست؟ چرا مي‌گوييم نازک؟ و نازکي اين لايه‌ها در چه حدي است؟ (شکل 6)

شکل6: تصويري از يک لايه نازک اکسيد آلومينيوم که روي يک زمينه سيليکوني نشانده شده است.​

همان‌طور که حدس زده‌ايد، لاية نازک، ضخامت خيلي کمي دارد، اما لايه‌هاي نازکي نانوپوشش به شمار مي‌روند که ضخامت آنها در محدودة 1 تا 100 نانومتر باشد. چنين لايه‌هايي کاربردهاي فراواني دارند. مثلاً مي‌خواهيم آينه‌اي داشته باشيم که فقط طول موج 620 نانومتر يعني قرمز را منعکس کند و بقية امواج را از خود عبور دهد. (شکل 7)

شکل7 ـ تصويري از آينه اي که با لاية نازک پوشش دهي شده است.​

چنين کاري با نشاندن يک لاية نازک مناسب که داراي اين خاصيت باشد امکان‌پذير است. در اين فرآيند معمولاً از دو ماده استفاده مي‌کنيم: اولي زيرلايه و دومي پوشش است که با روش‌هايي مثل تبخير و رسوب‌دهي «لايه‌نشاني» مي شوند. تعداد لايه‌هاي نشانده‌شده بستگي دارد به اينکه بخواهيم آينه چه ضريبي از موج را منعکس کند. هر چه تعداد لايه‌ها بيشتر باشد، امواج بيشتري منعکس مي‌شوند، ولي اگر اين تعداد از مقدار معيني بيشتر شود، لايه‌ها ديگر به هم نمي‌چسبند.
ما در طبيعت هم مثال‌هايي از لاية نازک داريم. اگر گفتيد کجا؟ با کمي فکر کردن حتماً متوجه خواهيد شد. (راهنمايي: يادي از نفتکش‌ها کنيد!) وقتي نفت در دريا نشت مي‌کند سريع‌ترين کاري که بايد انجام شود، پاک‌سازي درياست. ولي از کجا متوجه مي‌شوند که نفت در کدام قسمت سطح دريا پراکنده شده است؟ رنگ آن قسمت از دريا تغيير مي‌کند. در حقيقت، به رنگ سبز درمي‌آيد. يک لايه از نفت روي سطح دريا مثل يک لاية نازک عمل مي‌کند. اين لاية نازک فقط طول موج 530 نانومتر (سبز) را باز مي‌تاباند. مثال ديگر حباب صابون است. حباب صابون لايه‌اي نازک از آب و مواد شوينده است که داخل آن را هوا پر کرده است. (سخن يک آدم بزرگ: انسان هيچ‌وقت چيزي را از خودش ابداع نمي‌کند، بلکه هميشه از طبيعت الهام مي‌گيرد.)

پس ديديم كه نانوپوشش‌ها به سه دستة اصلي تقسيم مي‌شوند:

• نانوذرات چسبانده‌شده روي يك زمينه
• روکش‌هاي بلوري با ساختار نانومتري
• لايه‌هاي نازك
​

گفتيم براي توليد پوشش‌هاي نانوساختار بايد بلورها يا دانه‌ها را روي سطح قرار دهيم، ولي نگفتيم چگونه. «جوانه‌زني» عملي است که توضيح آن در زير مي‌آيد.
​

جوانه‌زني
جوانه‌زني ــ همان‌گونه که از نام آن پيداست ــ به معني جوانه زدن بلورهاي پوشش است که به آن رشد بلوري نيز مي‌گويند. ما به شکل‌هاي مختلف مي‌توانيم بلورها را شکل دهيم: مربعي، هرمي، ستوني، دايره‌اي و... که هر کدام از اين اشکال به شکل بلور وابسته‌اند (شکل 8). بلورهاي رشد‌داده‌شده بايد اندازه‌اي بين 1 تا 100 نانومتر داشته باشند و براي کنترل رشد و اندازة دانة اين پوشش‌ها از موادي به ‌نام کنترل‌کننده هاي رشد استفاده مي شود. اين مواد رسوبات ريزي هستند که با قفل کردن مرزهاي يک دانه، مانع از حرکت و در نتيجه رشد آن مي‌شوند.

شکل 8- نمونه‌اي از بلورهاي ستوني​

 

[m4material]

خواص فيزيکی و شيميايی نانوپوشش‌ها​

نانوپوشش ها، بخش سوم​

گفتيم که يکي از مهمترين عواملي که باعث شد بشر اقدام به پوشش برخي از مواد به وسيلة مواد ديگر کند، نياز به بهبود خواص مهندسي اين مواد بود. در اين قسمت، ابتدا خواص مهندسي مواد را در سه دستة خواص شيميايي، خواص مکانيکي و خواص فيزيکي توضيح مي‌دهيم و سپس خواص مهندسي پوشش‌هاي معمولي و نانوپوشش‌ها را مقايسه مي‌کنيم.
اختلاف نانوپوشش‌ها با پوشش‌هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش‌ها مي‌توان متوجه اين اختلاف‌ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل‌دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش‌ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة ‌دانة پوشش‌ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي‌کند. يکي از تفاوت‌هاي عمده ميان نانوپوشش‌ها و پوشش‌هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش‌ها نسبت به خوردگي است.
خواص خوردگی
اتم‌ها در حوزه‌هايي به صورت منظم چيده شده‌اند. به اين حوزه‌هاي منظم «دانه» مي‌گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه‌گانه» مي‌گويند. اين به آن مي‌ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي‌اي در محل اتصال ايجاد مي‌شود که به آن «مرز دانه» مي‌گويند. شكل زير را بينيد. (شکل 9)

اتم‌هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌اي نيستند. در نتيجه با اتم‌هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي‌کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي‌کند، با اتم‌هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي‌دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي‌کند، زنگ آهن درست مي‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود.
با اين حساب، نانوپوشش‌ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش‌ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي‌شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي‌افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت‌تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي‌کند در کار نخواهد بود.
خواص مکانيکی
پوشش‌دهي و نانوپوشش‌ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي‌شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به ‌وجود مي‌آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي‌افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي‌نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي‌شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف‌پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش‌دهي مي‌توان بهبود بخشيد.
حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد:

1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده‌اند. مثلاً نيروي بين اتم‌هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم‌هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم‌هاي گاز هليم‌اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي‌شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم‌هاي گاز به‌راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي‌شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم‌هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد.
2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري‌ نانو مي‌توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک‌هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن‌قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي‌کند، عملاً به مرزهاي اين دانه‌ها برخورد ‌کند و چون مرزها محل بي‌نظمي اتم‌ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي‌دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه‌هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي‌دهد.
البته چنين پوشش‌هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي‌بخشند، که به‌اختصار به آنها مي‌پردازيم.
​

خستگی
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي‌کنيد؟ آيا آن را مي‌کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي‌شوند، در واقع مواد را خسته مي‌کنند. يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي‌کند، ويژگي‌هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي‌توان اين خواص را بهبود بخشيد.
خواص فيزيکی
يکي از مهمترين مزيت‌هاي پوشش‌دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان‌طور که مي‌دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم‌ها و برخورد آنها با هم انجام مي‌شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.)
وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه‌اي از اتم‌ها مي‌شود، اتم‌ها سر جاي خود مي‌لرزند و ارتعاش مي‌کنند. اين ارتعاش باعث مي‌شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به‌خوبي انجام نمي‌شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم‌تر باشد اين هدايت راحت‌تر انجام مي‌شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي‌شود، احتمال اينکه اتم‌ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي‌يابد و در واقع تعداد نقص‌هاي نقطه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص‌هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص‌هاي صفحه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي‌شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي‌کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي‌شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه‌هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي‌يابند.

 

[m4material]

خاصيت مغناطيسی چيست و چرا بوجود می آيد؟​

نانو پودرهای مغناطیسی - بخش اول​

ميدان مغناطيسي :ميدان مغناطيسي‌ يك ميدان نيروست، مثل ميدان جاذبة زمين. درست همان‌طور كه يك جسم در محدودة ميدان جاذبة زمين، جذب زمين مي‌شود، يك قطعة مغناطيسي نيز در ميدان مغناطيسيِ يك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا مي‌شود.
اين خاصيت مغناطيسي در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبي‌هاي مغناطيسي است (يعني يك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهاي ريز است). علت به وجود آمدن دوقطبي‌هاي مغناطيسي، حركت الكترون‌هاست. براي درك بهتر انواع حركت‌هاي الكترون، بهتر است قدري راجع به ساختمان اتم صحبت كنيم.
ساختمان اتم
همان‌طور كه مي‌دانيم، اتم شامل مجموعه‌اي از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌اي از ذرات باردار منفي (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ايجاد خاصيت مغناطيسي تأثيري ندارد). الكترون‌ها در مدارهايي حلقوي به نام اُربيتال دور هسته مي‌چرخند. با نگاه به نمودار زير (كه براي Fe26 رسم شده است) قطعاً اين مجموعه را به خاطر خواهيد آورد:

fe26:1s2,2s2,2P6,3s3,3P6,3d4,4s2​

اُربيتال‌ها به ترتيب با نام‌هاي K و L وM وN و... شناخته مي‌شوند و در هر اُربيتال اتم‌ها در لايه‌هاي s و p و d و f به دور هسته مي‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپين» مي‌گوييم. در تمام اين مقاله،‌ مي‌خواهيم اين موضوع را تفهيم کنيم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداري به نام «گشتاور» ايجاد مي‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر مي‌آوريد: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نيرويي را نشان مي‌دهد که در اثر تغيير بردار حرکت الکترون توليد مي‌شود. مجموعة خطوط اين بردارهاي گشتاور، يك ميدان مغناطيسي را به وجود مي‌آورد. يعني وقتي يك جسم در فاصله‌اي نزديك چنين قطعه‌اي قرار بگيرد، اين مجموعه از نيروها بر آن وارد مي‌شوند و به اصطلاح آن را يا به طرف خود جسم مي‌كشند (جاذبه) و يا هُل مي‌دهند (دافعه).

قانون دست راست​

امّا حتماً توجه داريد که دو نيرو در يك راستا، ولي در خلاف جهت هم، همديگر را خنثي مي‌كنند. بنابراين،‌ اگر در يك لايه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته مي‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نيرو در خلاف جهت توليد مي‌شوند كه همديگر را خنثي مي‌كنند. از اين رو، اگر جسمي در نزديكي آنها قرار بگيرد، يك نيرو آن را مي‌كشد و يك نيرو آن را هُل مي‌دهد و در کل هيچ نيرويي بر آن وارد نمي‌شود. پس مادة مورد نظر ما، با يك اربيتال پُر (داراي تعداد الكترون‌هاي زوج در لاية آخر كه براي Fe26،‌ اربيتال d لاية آخر است) داراي خاصيت مغناطيسي نخواهد بود.
اما يك راه ديگر هم براي ايجاد خاصيت مغناطيسي در ماده وجود دارد. در اين روش، خاصيت مغناطيسي ناشي از نوع ديگري از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربيتالي (چرخش به دور هسته كه در بالا توضيح داده شد) مي‌توانند مثل كرة زمين به دور خود نيز بچرخند. در اين حالت نيز همان بردار گشتاور ايجاد مي‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لاية آخر زوج باشد دوباره نيروهاي به‌وجودآمده همديگر را خنثي مي‌كنند.
جامداتي كه در آنها لاية d در حال پر شدن است، داراي خاصيت مغناطيسي خواهند بود، اما اين خاصيت مغناطيسي فقط ناشي از چرخش الكترون‌هاي لاية آخر (

: Fe26) است. زيرا لاية d به هسته نزديك است و جاذبة هسته به الكترون‌هاي اين لايه اجازه نمي‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتي كه لاية f در حال پُر شدن است، چون فاصلة لايه از هسته زياد است، الكترون‌ها هم مي‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نيرو ناشي از دو نوع حركت به وجود مي‌آيد و واضح است كه خاصيت مغناطيسي بسيار بيشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به اين موضوع هم بايد توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربيتالي) و چرخش به دور خود (حركت وضعي)‌ براي يك الكترون در خلاف هم هستند.
حوزه‌هاي مغناطيسي
يك مادة مغناطيسي مجموعه‌اي از حوزه‌هاي مغناطيسي است. حوزة مغناطيسي،‌ ناحيه‌اي است كه درون آن همة الكترون‌هاي لايه‌هاي منفرد در يك جهت به دور هسته و به دور خود مي‌چرخند. يعني يك مادة چندحوزه‌اي مجموعه‌اي از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتي خاص به دور هسته مي‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نيرو در راستاي خاص خود را به وجود مي‌آورد و مجموعة بردارهاي نيروي توليدشده، در جهات مختلف، به نوعي همديگر را خنثي مي‌كنند. يعني ميدان نيروي ما، مجموعه‌اي از نيروهاي پراكنده است. پس قدرت آن ضعيف‌تر خواهد شد.

حوزه‌هاي مغناطيسي​

براي درك اين موضوع به مثال زير توجه كنيد.
دو اتاق كنار هم را در نظر بگيريد. در اتاق اول 10 نفر وجود دارند. از اين 10 نفر، 1 نفر از جنوب به شمال،‌ 2 نفر از غرب به شرق، 1 نفر از شرق به غرب و 4 نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (اين اتاق دقيقاً همان مادة چندحوزه‌اي است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند.)
در اتاق دوم 4 نفر وجود دارند كه همگي از شمال اتاق

به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد مي‌كنند. بنابراين، برآيند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خيلي كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتي حركت مي‌كنند و هيچ برخوردي بين آنها وجود ندارد. بنابراين، برآيند حركتيِ آنها معادل حركت 4 نفر است.
القاي مغناطيسي
القاي مغناطيسي يعني اينكه بخواهيم ماده‌اي را كه براي مغناطيسي شدن مناسب است، مغناطيس كنيم. واضح است كه براي اين كار بايد حوزه‌هاي مغناطيسي غير هم‌جهت را هم‌جهت كنيم تا نيروهاي حاصل همديگر را خنثي نكنند. براي اين كار بايد قطعه را با يك آهن‌ربا مالش دهيم، يا آن را در جهت ميدان مغناطيسيِ زمين گداخته كنيم يا در اين جهت چكش‌كاري كنيم. اين كارها باعث چرخيدن فلش‌ها در هر حوزه ‌مي‌شوند تا در نهايت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، يعني جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با اين كار مرز بين حوزه‌ها حركت مي‌كند و حوزه‌هاي كوچك‌تر در حوزه‌هاي بزرگ ادغام (هضم) مي‌شوند.

تأثير ميدان بر حوزه‌هاي مغناطيسي​

 

[m4material]

نانوپوشش ها به چه کار می آيند؟

نانوپوشش ها، بخش پنجم
​

اين‌همه تلاش براي چيست؟ استفاده از فناوري هاي نوين براي دستيابي به محصولات بهتر و کارايي بالاتر، مهمترين و تنها عامل اختراعات و اکتشافات است. نانوپوشش‌ها هم ويژگي‌هاي محصولات را از جنبه‌هاي مختلف افزايش داده‌اند. در فعاليت‌هاي صنعتي مي‌توان به پوشش‌دهي نانومتريِ ضد سايش، ضد خش و مقاوم در برابر خوردگي اشاره کرد. پوشش‌هاي اپتيکي هم به‌سرعت در حال پيشرفت هستند. کاربردهاي پزشکي و بهداشتي هم بيشترين تأثير را روي سلامتي و زندگي ما دارند. براي مثال پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي در صنايع بسته‌بندي سبب نازکتر شدن بسته‌بندي و سبکي و طولاني‌تر شدن عمر مواد غذايي مي‌شوند. (شکل 13)

شکل 13 ـ بسته‌بندي مواد غذايي با پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي​

دستة ديگر، کاربردهاي الکتريکي و الکترونيکي‌اند که موجب کوچکتر شدن قطعات الکترونيکي، افزايش ذخيره‌سازي اطلاعات، ساخت پوشش‌ها با رسانايي بالا و... مي‌شوند. در ادامه، برخي از مهمترين محصولات و کاربردهاي حاصل از پوشش‌دهي نانومتري را توضيح مي‌دهيم.
نانو*****ها
ما از ***** چه انتظاري داريم؟ *****هاي معمولي چه ميزان از نياز ما را برطرف مي‌کنند؟ براي افزايش دقت چه تدبيري بايد انديشيد؟
وقتي سرما مي‌خوريد يا در معرض هواي آلوده هستيد، براي جلوگيري از ورود ميکروب، ويروس يا مواد سمي مثل سرب، چه کاري انجام مي‌دهيد؟ اکثراً از يک ماسک سفيد استفاده مي‌کنند. (البته بعضي‌ها حاضرند سرب بخورند، ولي از اين ماسک‌ها استفاده نکنند!)
ماسک‌هاي متداول مي‌توانند جلو ورود باکتري‌ها را بگيرند، ولي باکتري‌ها را از بين نمي‌برند. به اين صورت که آنها را روي خود جذب مي‌کنند. بعد از مدتي باکتري‌ها و ذرات، روي پوشش جمع مي‌شوند و لايه‌اي از مواد مضر را تشکيل مي‌دهند و چون ماسک با سيستم تنفسي در ارتباط است، استفاده از آن خطرناک است و در نتيجه نياز به تعويض دارد. اين مشکل را پوشش‌هاي نانوذرات نقره حل کرده‌اند. ويژگي اين پوشش از بين بردن ميکروب‌هاست. در نتيجه اين ماسک‌ها طول عمر بيشتر و کيفيت بهتري نسبت به ماسک‌هاي معمولي دارند. (شکل 14)

شکل 14ـ ماسک ساخته‌شده با کمک نانوذرات نقره​

شرکت Argonide Nanomaterials سازندة نانوذرات و محصولات نانو*****اسيون است. اين *****ها از الياف نانومتري آلومينا ساخته شده‌اند. اين الياف ذرات نانومتري را به خود جذب مي‌کند و نگاه مي‌دارد. از اين ***** مي‌توان براي تصفية آب استفاده کرد، چون 9/99 درصد ويروس‌ها را در جريان آب با سرعتي بيشتر از نمونه‌هاي فعلي حذف مي‌کند. در بيشتر نواحي جهان، به‌خصوص جهان سوم، مردم دسترسي کمي به آب آشاميدني دارند و استفاده از اين محصول براي اين گروه از انسان‌ها بسيار مفيد خواهد بود.
پوشش‌هاي ضدّ سايش
خيلي از ابزار مثل ابزارآلات برش، متّه و... به علت کاربردشان بيشتر در معرض اصطکاک قرار مي‌گيرند و زودتر ساييده مي‌شوند. شرکتNanodyne اين مشکل را با ساخت پوششي کامپوزيتي حل کرده است. اين پودر کامپوزيتي ترکيبي از کاربيد تنگستن و کُبالت است که اندازة دانه‌هاي آن از 15 نانومتر بيشتر نمي‌شود و بر اثر پخت به ماده‌اي سخت‌تر از الماس تبديل مي‌گردد و پوشش بسيار مناسبي براي ابزار آلات توليد مي‌کند. (شکل 15)

شکل15ـ ابزارآلات پوشش‌داده‌شده با مواد سخت و مقاوم در برابر سايش​

OLED
يکي از محصولات مهم فناوري ‌نانو، ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين است که به OLED مشهورند. به طور خلاصه، فولرين‌ها به خاطر خواص نوراني‌شان مي‌توانند وضوح بيشتري به مانيتور بدهند. بنابراين OLED ها نسبت به LCD ها قابليت تفکيک و وضوح بالاتري دارند. (شکل 16)

شکل 16ـ نمونه‌اي از ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين OLED​

پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي با خاصيت خودپاک‌کنندگي
اين کاربرد نانوپوشش‌ها بيشتر مورد علاقة دانش‌آموزاني است که وقتي از مدرسه به خانه باز مي‌گردند بايد جواب مادرشان را بدهند که چرا لباس‌هايشان خاکي و گچي است! در چنين شرايطي لباس‌هايمان را مي‌شوييم، ولي در مقياس‌هاي بزرگ مثل ديوار، کف اتاق، قطعات و... تميز کردن، هم پرهزينه است و هم وقت‌گير. (شکل 17)

شکل 17ـ تميز کردن سطوح، وقت‌گير و هزينه‌بر است.​

بنابراين بهترين راه حل اين است که اصلا کثيف نشوند که بخواهيم تميزشان کنيم . ( قابل توجه افراد تنبل ! )
امروزه قطعاتي طراحي شده‌اند که هيچ‌گاه کثيف نمي شوند و علاوه بر اين، قابليت تميزکنندگي و تصفيه را نيز دارند. پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي جزو اين گروه هستند. اين پوشش‌ها از بلورهايي تشکيل شده‌اند که در مقابل نور خاصيت خود‌پاک‌کنندگي پيدا مي‌کنند. اين پوشش مي‌تواند با اسپري کردن روي انواع سطوح قرار بگيرد و با تجزية مواد آلوده‌کنندة هوا آن را هم تصفيه کند. لباس‌هاي ضدّ لک هم خاصيت خودتميزشوندگی دارند، ولي سازوكارشان با پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي متفاوت است. خبرنامة شمارة دو را بينيد.
اگر برگ نيلوفر آبي را تا حالا ديده باشيد (اگر تا حالا دقت نکرده‌ايد، به عکس نگاه کنيد)، هميشه قطره‌هاي آب روي آن و در مرکز برگ جمع مي‌شوند، ولي هيچ‌گاه برگ خيس نمي‌شود. (شکل 18)

شکل18ـ برگ نيلوفر آبي هيچ‌گاه خيس نمي‌شود.​

دستتان را با کرِم چرب کنيد و بعد آن را توي آب فرو ببريد. اين تجربه‌اي است که احتمالاً پيش از اين داشته‌ايد. در اين حالت آب قطره قطره روي دستتان قرار مي‌گيرد و به سمت پايين سرازير مي‌شود.
‌شيشه‌هاي ضد بخار هم با همين روش عمل مي‌کنند. در اين حالت لايه‌‌اي را روي سطح شيشه مي‌نشانند که با آب خيس نمي‌شود (مثل بال‌هاي اردک در آب در شکل 19).

شکل 19ـ پرهاي مرغابي چرب‌اند و براي همين خيس نمي‌شوند.​

يعني وقتي بخار روي سطح شيشه مي‌نشيند، نمي‌تواند مثل يک لاية نازک روي آن جا خوش کند، بلکه به صورت قطره قطره در‌مي‌آيد و از روي آن سُر مي‌خورد.
استفاده از لايه‌هاي ضد نورUV
يکي از نعمت‌هاي خوب خدا که به آن كم توجه مي‌كنيم، لاية اُزُن است. اين لايه مقدار زيادي از پرتو UV (Ultra Violet: ماوراي بنفش) را جذب مي‌کند. با وجود اين، مقداري از آن نيز به سطح زمين مي‌رسد كه گرچه اندك است، اما با سوراخ شدن لاية اُزُن (نمونه‌اي از شاهکارهاي بشر!) مقدار آن بيشتر شده و خطر خراب شدن لايه‌هاي پوست افزايش زيادي پيدا كرده است. محققان با دو روش از اين تخريب جلوگيري مي‌کنند. روش اول كه در ادامه توضيح داده مي‌شود، با استقبال خوب صنايع آرايشي مواجه شده است. اين صنايع در کرم‌هاي ضد آفتاب از روش اول استفاده کرده‌اند و چون ما آدم‌ها به زيبايي و سلامت خود اهميت زيادي مي‌دهيم، از اين راه پول خوبي به جيب زده‌اند.
حالت اول اين است که اجازة نفوذUV را به سطح مورد نظر نمي‌دهند. فکر مي‌کنيد براي اين کار، با توجه به توضيحاتي که قبلاً داده‌ايم، بهترين نوع پوشش چيست؟ درست است، لاية نازک بسيار مناسب است. ولي به جز آن از نانوذارات هم مي‌توان استفاده کرد. (شکل 20)

شکل 20 ـ لاية نشانده‌شده بر روي اين عينک آفتابي نور فرابنفش را منعکس مي‌کند.​

در حالت دوم UV جذب مي‌شود. براي اين كار از نانوذرات اکسيد روي استفاده مي‌کنند. يکي از علل مرغوبيت کرم‌هاي آفتاب ساخته‌شده با نانوذرات اکسيد روي، شفافيت اين نانوذرات است. در گذشته هم موادي را به کرم‌هاي آفتاب اضافه مي‌کردند، ولي اين مواد موجب کدر شدن کرم مي‌شد. ولي نانوذرات به علت ريز بودن تغييري در رنگ کرم ايجاد نمي‌کنند.
پوشش‌هاي هوشمند
هنوز تحقيقات در اين زمينه ادامه دارد، ولي اثرات آن به اين‌گونه خواهد بود:
روزي را تصور کنيد که براي عوض کردن رنگ ناخن‌هايتان به ناخنتان دستور شفاهي بدهيد! شما از مايعي شفاف استفاده خواهيد کرد که با تغيير جاي اتم‌هايش دستور شما را عملي مي‌کند. اين مواد هوشمند از روش شکست نور استفاده خواهند کرد، درست مثل بال پروانه. ولي خدا آن روز را نياورد! همين‌طوري هم مدل ناخن‌ها عجيب و غريب است، چه رسد به اينکه دست‌هاي هر کس مثل يك جعبه مدادرنگي بشود! (شکل 21)

شکل21: دستي با ناخن‌هاي رنگارنگ با استفاده از پوشش‌هاي هوشمند​

نتيجه‌گيري و مرور کلي
در اين گزارش با تعاريف پوشش، روش‌هاي توليد، خواص و کاربردهاي آنها آشنا شديم و هر يک از مباحث فوق را در مورد نانوپوشش‌ها بررسي کرديم. درک مفهوم نانوپوشش‌ها مستلزم بيان پيش‌زمينه‌اي دربارة پوشش‌هاست. به طور کلي نانوپوشش‌ دربرگيرندة مفهوم لايه‌هاي نانومتري و روکش‌هاي نانوساختار است. در کل، نانوپوشش‌ها داراي خواص بهتري نسبت به پوشش‌هاي معمولي هستند و از نظر کاربردي مي‌توان آنها را در مصارف حساس به ‌کار برد. اگر‌چه به طور كلي روش‌هاي توليد اين نوع از پوشش‌ها با روش‌هاي توليد پوشش‌هاي متداول تفاوت چنداني ندارد، اما مي‌توان با دقت در پارامترها و شرايط توليد، چنين پوشش‌هايي را هم توليد نمود. کاربردهاي نانوپوشش‌ها با توجه به ساختار ويژة آنها و خواص ناشي از اين ساختار تعيين مي‌شود.

 

[m4material]

از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم
​

مقدمه
ساده‌ترين مواد مغناطيسي که مي‌شناسيم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعيين‌كننده‌اي در زندگي بشر دارند. در اين فصل نشان مي‌دهيم كه براي استفاده از برخي خواص مغناطيس، از جمله در كارت‌هاي اعتباري، بايد از پودرهاي مغناطيسي استفاده كرد. همچنين نشان مي‌دهيم كه اندازة پودرها تأثير زيادي در خاصيت مغناطيسي آنها دارد. سرگذشت آهنربا
بزرگترين مادة مغناطيسيِ زمين، خودِ زمين است. زمين آهنربايي دوقطبي است كه ميدان مغناطيسي آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. يعني اگر آهنربايي را در فضا معلق نگاه داريم، در اين جهت قرار مي‌گيرد.
اولين مادة مغناطيسي كه بشر شناخت، اكسيدآهن بود. اين ماده داراي خاصيت آهنربايي غيردائمي است. يعني خاصيت مغناطيسي آن از بين مي‌رود. مواد مغناطيسي در سه دستة فلزات، سراميک‌ها، و پليمرها مي‌گنجند. عمدة مواد مغناطيسي جزء دستة سراميك‌ها هستند. سراميك‌ها از طريق پيوند يونيِ يك فلز يا غيرفلز با كوچك‌ترين اتم‌هاي طبيعت، يعني اكسيژن،‌ نيتروژن، بور و كربن به وجود مي‌آيند. (البته هيدروژن كه كوچك‌تر از همه است در اين بين نيست.)
خواص مغناطيسي اكسيد آهن توسط «تالس» شناخته شد.

تالس​

در قرن هفتم ميلادي از اين ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چين به اروپا رسيد. در اروپا‌ دانشمندي فرانسوي به نام گيلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين كتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا كردن يك قطعة مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند:

گيلبرت​

1. مالش دادن يك قطعة آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يك آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛
2. گداخته كردن يك قطعة آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛
3. چكش‌كاري يا كشش يك قطعة آهني در جهت ميدان مغناطيسي زمين.
نانوپودرهاي مغناطيسي
مي‌دانيم که اندازة مواد و پديده‌ها در مغناطيس در مقياس بسيار ريز قرار دارد. از سوي ديگر، مي‌دانيم كه يك ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي كمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يك حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت كردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌كه قطر اين حوزه‌ها در محدودة يک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط داراي يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوپودر به شمار رود. به اين ترتيب، ذرات نانوپودر داراي تعداد حوزه‌هاي كمي هستند و مغناطيس كردن آنها كار ساده‌اي است. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک، مي‌دانيم که موادي که از حالت طبيعي خارج شده‌اند، تمايل دارند که به حال طبيعي خود بازگردند و مغناطيس كردن يك ماده، ماده را از حالت طبيعي خود خارج مي‌کند. اما چون نانوپوردها احتياج به نيروي زيادي براي مغناطيس شدن ندارند و از حالت طبيعي خود خيلي فاصله نمي‌گيرند، پس از مغناطيس شدن، تمايل زيادي براي از دست دادن اين خاصيت و بازگشت به حالت طبيعي ندارند.

قانون دوم ترموديناميک: بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرايند خودبه‌خودي، افزايش مي‌يابد.​

اما به طور كلي با گرم كردن يك مادة مغناطيس‌شده تا دماي كوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند.

دماي کوري دمايي است که در آن ماده کاملاً خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد.​

كاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي
1. ساخت آهنربا
براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضيح داده شده است عمل كرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يك قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد 70 آهنرباي دائمي دارند. حركت موتورهاي DC، حركت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل مي‌شوند.
قطارهايي هم كه روي هوا حركت مي‌كنند، بر مبناي نيروي دافعة بين آهنرباها در ريل و كف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يكسو و غيرهمسو كردن جريان الكتريكي اين آهنرباها را به وجود مي‌آورد و موجب حرکت يا ترمز قطار مي‌شود.

2. قطعات آهنرباييِ کامپوزيت‌شده با پليمرها
به جاي روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند، مي‌توان از پليمرها كه در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده كرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد كنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده كم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي كه آهنربا بايد تحت ضربه كار كند، مثل درِ يخچال، استفاده كرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را كم مي‌كند.)
3. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات
يکي از مهمترين كاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيرة اطلاعات در كارت‌هاي اعتباري است. در اين محيط‌ها، پودر مغناطيسي به صورت ذرات ريزي که به‌سختي آهنربا مي‌شوند و به‌سختي هم خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حفظ و ماندگاري اطلاعات در چنين محيط‌هايي بسيار مهم است و پايداري خاصيت مغناطيسي در پودرها باعث مي‌شود اطلاعات حکاکي‌شده‌اي که در قالب حوزه‌هاي مغناطيسي ثبت شده‌اند از بين نروند.

 

[m4material]

چگونه يک آهنربا بسازيم؟

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش سوم
​

مي‌خواهيم چه کار کنيم؟
مي‌خواهيم با موادّ مختلف چند نوع آهنربا بسازيم و خواصّ مغناطيسيِ آنها را با هم مقايسه کنيم. براي اين کار، آنها را گرم مي‌کنيم تا ببينيم چقدر خاصيت مغناطيسيِ آنها در برابر حرارت پايدار است (زيرا حرارت خاصيت مغناطيسي را از بين مي‌برد).
چه چيزهايي لازم داريم؟

1. يك آهنرباي بزرگ و قوي
2. چهار نوع مادة آهنيِ مناسب براي درست کردنِ آهنربا (به شرحي که خواهد آمد)
3. يك چراغ حرارتي.
​

چهار نوع قطعة آهنيِ مناسب کدام‌اند؟
اندازه قطعات مغناطيسي، نشان‌دهنده تعداد حوزه‌هاي مغناطيسيِ آنهاست. بنابراين، چهار نوع قطعة آهني را که شکلِ پراکندگي بُردارهاي مغناطيسي در آنها با هم فرق دارد، به اين شرح انتخاب مي‌کنيم:
1. يك تكه آهن.‌ تكة آهن، يک قطعة سه‌بُعدي است، يعني در هر سه بُعد از فضا حوزه‌هاي مغناطيسي دارد.

شكل 1: تصوری از یک تکه‌آهن که ماده‌ای است سه‌بُعدي​

2. يك ورق آهني.‌ اين لايه را مي‌شود يک مادة دوبُعدي در نظر گرفت. حوزه‌هاي مغناطيسي در سطح صفحه وجود دارند. در واقع، طول و عرض اين صفحه در مقايسه با ضخامت آن بسيار زيادند و بنابراين از ضخامت، در مقايسه با طول و عرض، صرف نظر مي‌شود و در عمل مي‌توان آن را يك مادة دوبُعدي يا صفحه در نظر گرفت.

شكل 2: تصوری از یک ورق آهن که در عمل ماده‌ای است دوبُعدي​

3. يك تکه سيم از جنس آهن. اين سيم مثل يك خط است و چون طول و عرضِ سطح مقطع آن در مقايسه با ارتفاع آن بسيار ناچيز است، مي‌توان آن را ماده‌اي يك‌بُعدي به شمار آورد. در چنين ماده‌اي حوزه‌هاي مغناطيسي تنها در يك بُعد كه همان ارتفاع است وجود دارند.

شكل 3: تصوری از یک تکه سیم که می‌شود آن را ماده‌ای يك‌بُعدي به شمار آورد​

4. يك مُشت پودر آهن. در پودر آهن، هر سه بُعدِ طول و عرض و ضخامت بسيار کم‌اند. بنابراين، مي‌توان ذراتِ آن را يك نقطه به شمار آورد که ماده‌اي است صفربُعدي. در واقع، حوزه‌هاي مغناطيسي در چنين ماده‌اي در هيچ‌يک از ابعاد توزيع نشده‌اند.

شكل 4: تصوری از یک ذره پودر آهن که ماده‌ای صفربُعدی تصور می‌شود​

آزمايش را چگونه انجام دهيم؟
چهار نوع قطعه آهني را با يكي از سه روشِ پيشنهاديِ گيلبرت آهنربا مي‌كنيم. اين سه روش از اين قرارند:

1. مالش دادن قطعه با آهنربا؛
2. گداختن و قرار دادن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين؛
3. چكش‌كاري يا كشيدن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين.
​

قطعاتِ آهنربا را در فاصله‌اي مشخص از يک مشت بُراده آهن قرار مي‌دهيم تا ببينيم کدام‌يک براده بيشتري جذب مي‌کنند.
در مورد پودرها، ابتدا از آنها يک قطعه آهنربا درست مي‌کنيم. يعني آنها را به هم مي‌فشاريم و دما را بالا مي‌بريم. افزايش دما از خاصيت مغناطيسي مي‌کاهد و حتي افزايش بيش از حدّ دما، خاصيتِ مغناطيسي را کاملاً از بين مي‌برد، اما چون مقداري از بردارهاي نيرو در آن باقي مي‌مانند، اگر قطعة ساخته‌شده را دوباره در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، خاصيت آهنربايي بسيار بيشتر از قبل خواهد شد. از آنجا که سطحِ قطعات ساخته‌شده از پودر زبر هستند، مي‌توان به‌راحتي آنها را با چشم تشخيص داد.
فيلمي را که از پايينِ اين متن مي‌توانيد برداريد و ببينيد، نشان مي‌دهد که چگونه با حرارت دادن پودر تحت فشار مي‌توان يک آهنرباي قوي درست کرد. در اينجا مقداري پودر آهن را در يک قوطي کبريت (به عنوان قالب) ريخته و در دماي بالا حرارت داده‌ايم تا يک قطعه متشکل از پودرِ آهن توليد شود.
سطح تماس قطعات هم در ميزان برادة جذب‌شده ‌تأثير دارند و بنابراين، بايد ميزان براده جذب‌شده را نسبت به سطح قطعه در نظر بگيريم. همان‌طور که در فيلم مي‌بينيد، آهنرباهايي که بُعدِ کمتري دارند، براده‌ بيشتري نسبت به سطحشان جذب مي‌کنند.

کیفیت پایین کیفیت بالا براي مقايسة ماندگاريِ خاصيت آهنربايي، قطعات آهنربا را به درجات مختلف حرارت مي‌دهيم و سپس آزمايش‌هاي گفته‌شده را تكرار مي‌كنيم. پيش‌بينيِ ما اين است که پودرها زودتر مغناطيس مي‌شوند و خاصيت آهنربايي بيشتري پيدا مي‌كنند و از آن طرف، ديرتر خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند. آزمايش‌ها را انجام دهيد تا ببينيد چقدر پيش‌بينيِ ما درست از آب درمي‌آيد!

کیفیت پایین کیفیت بالا