***دنیای نانو ؛ آشنایی با مفاهیم***

[m4material]

نانوذراتِ سيليس​

مقدمه:
نانوذرات به علت کاربردهاي متعدد در صنايع مختلفي مانند صنايع آرايشي ـ بهداشتي، صنايع اُپتيکي و الکترونيکي، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته‌اند.
دانشمندان در دههﻫﺎي گذشته نيز با فناوري توليد نانوذرات آشنا بودند، اما از آنجا که ابزارهاي آزمايشگاهي لازم هنوز اختراع نشده بود، نمي‌توانستند به اقدامات عملي در اين زمينه دست بزنند. در دهة 1990، محققاني که ذرات ميکرومتري را تهيه ﻣﻲکردند، در گزارش توزيع اندازة ذرات آزمايش‌شده، به وجود ذرات نانومتري نيز اشاره نموده‌اند.
سؤال جالب اين است که دانشمندانِ يادشده، در چه شرايطي و با چه ابزاري ذرات نانومتري را سنتز کرده‌اند. شما در کتابﻫﺎي شيمي خود با مفاهيم «هيدروليز» (هيدروليز واکنشي است که در محيط آبي منجر به يونيزاسيون ماده ﻣﻲشود) و «پليمراسيون» آشنا شده‌ايد. اين دو فرآيند وقتي با هم صورت مي‌گيرند، فرآيند ترکيبي جديدي را ايجاد مي‌کنند که «روش سُل ـ ‌ژِل» ناميده مي‌شود. اين روش مدتﻫﺎي طولاني براي توليد سراميکﻫﺎي غيرآلي و شيشه‌اي مورد استفاده قرار ﻣﻲگرفت و تا اواسط دهة 90 همچنان روشي مقرون به صرفه به نظر ﻣﻲرسيد. از آن به بعد دانشمندان مختلف توانستند اين نانوذرات را از روشﻫﺎي گوناگون تهيه کنند. بنابراين، ديگر اين روش اقتصادي به نظر ﻧﻤﻲرسيد. از آنجا که بسياري از دانشمندان توانستند نانوذرات سيليس را از منابع طبيعي تهيه کنند، از آن پس ديگر نيازي به استفاده از اين روش با موادّ اولية گران‌قيمت نبود.
کاربرد نانوذرات سيليس
سيليس در ايران به‌وفور يافت مي‌شود. اين ماده از دو عنصر سيليسيوم و اکسيژن تشکيل شده و از لحاظ ساختاري شبيه ساختار مولکول آب است.
ذرات سيليس در صنايعي چون الکترونيک، کاتاليزورها، پوششﻫﺎ و رنگدانهﻫﺎ کاربرد وسيعي دارند. اما استفادة بسيار از اين ماده خطرناک است و براي کساني که در معرض آن قرار مي‌گيرند مشکلات تنفسي به وجود مي‌آورد.

ذرات سيليس​

روشﻫﺎي شيميايي سنتزِ نانوذراتِ سيليس پرهزينه‌اند، زيرا مواد مورد نياز در اين روش‌ها گران‌قيمت‌اند. بنابراين، دانشمندان تلاش مي‌کنند تا روش‌ها و منابع مقرون به‌صرفه بيابند.
در سال 2004 زونگ هرنگ ليو (Tzong Horng Liou)، پژوهشگر تايواني، براي اولين‌بار اين ذرات را از شلتوک برنج سنتز کرد که از روش‌هاي بسيار ارزان‌قيمت به شمار مي‌رود.
همان‌طور که گفته شد، در ايران معادن متعددي وجود دارند که کلوخهﻫﺎي سيليس را مي‌توان از آنها استخراج کرد. براي تبديل اين کلوخه‌ها به ذرات ريز چه مي‌توان کرد؟ شايد تصور کنيد که با آسيابﻫﺎي پرقدرت مي‌شود اين کلوخهﻫﺎ را آن‌قدر ريز کرد تا به اندازة نانومتري برسند. گرچه اين روش به نظر معقول و مقبول مي‌آيد، ولي تا به حال آسيابي ساخته نشده است که بتواند پيوندهاي کووالانسي بسيار قوي سيليس را بشکند. بنابراين، براي ريز کردن کلوخة سيليس بايد چارة ديگري کرد. اعضاي گروه شيمي دانشگاه تربيت مدرس موفق شده‌اند با استفاده از پراکندهﻫﺎي شيميايي به ذرات نانومتري سيليس دست يابند. پراکندهﻫﺎ موادي هستند که مانندِ پلي ميان اتمﻫﺎ و مولکولﻫﺎ قرار ﻣﻲگيرند و از ايجاد پيوندهاي قوي بين آنها جلوگيري ﻣﻲکنند.
کاربردهاي نانوذرات سيليس
اکنون سراغ کاربردهاي نانوذرات سيليس ﻣﻲرويم. سيستم کلوئيدي پراکنده‌ها، يعني محلول حاوي ذرات پراکندة سيليس، در صنايع مختلف از جمله در رنگدانهﻫﺎ و کاتاليزورها کاربرد دارد. همچنين از نانوذرات سيليس مي‌توان براي سختي و استحکام پوششﻫﺎي صنعتي استفاده کرد.
يک شرکت ژاپني با استفاده از اين نانوذرات در محصولات مرطوب‌کنندة خود، مشاهده کرد که کرمﻫﺎي جديد خشکي پوستِ مشتريان را درمان مي‌کند. بنابراين، يکي ديگر از زمينه‌هاي کاربرد اين نانوذرات ﻣﻲتواند داروها و لوازم آرايشي و بهداشتي باشد.
کاربرد ديگر نانوذرات، در عايقﻫﺎي حرارتي و عايقﻫﺎي الکتريکي است. با اعمال شرايط خاص، ﻣﻲتوان از اين ذرات که به صورت پودر هستند، ساختارهاي متخلخل به دست آورد. ساختار متخلخل کاربردهاي جالبي دارد و از جمله ﻣﻲتوان از آنها به عنوان تصفيه‌کننده استفاده کرد.

سيليس با ساختار متخلخل​

امروزه توانسته‌اند از نانوپودر سيليس با توزيع اندازة ذرات کم، پوليشرهاي مکانيکي و شيميايي توليد کنند. در اين روش، مشکلاتي که در پوليش سطوح با استفاده از اسيدها و پوليشرهاي ديگر وجود داشت، رفع شده است.

پوليشر چيست؟
معمولاً براي اينکه سطوح، صاف و صيقلي شوند، از پوليشر استفاده مي‌کنند که معروفترين آنها سُمباده است که فکر مي‌کنم همه اين نوع پوليشر را ديده باشند. پوليشرِ سيليس فناوريِ بالايي دارد و در پوليش کردن صفحة تلويزيون، مانيتور و ليزر به کار مي‌رود. ذرات سيليس بسيار سخت و محکم‌اند و کمتر تغيير شکل مي‌دهند. براي پوليش و زدودن لاية روييِ برخي از مواد هم که سطحشان فعال است و واکنش نشان مي‌دهند، از اين پوليشر استفاده مي‌شود. تا به حال از اسيد براي زدودن اين لايه استفاده مي‌کردند که روش چندان مناسبي به شمار نمي‌رفت.​

 

[m4material]

نانو ذرات نقره​

امروزه به کمک علم پزشکی، هر روز به تعداد بیماریهایی که قابل درمان می باشند، افزوده می شود. این کار به وسیله داروهایی انجام می شود که عوامل بیماری را از بین برده و سلامت را به انسان باز می گردانند.
در راستای تحولات اخیر زندگی انسان، علم نانو تکنولوژی توسعه یافته و تقریبا ً در همه رشته های علمی، نشانه هایی از آن یافت می شود. محققان نانو تکنولوژی با فناوری جدیدی در رابطه با نانو ذرات آشنا شده اند که ممکن است نقش بسیار زیادی در پزشکی آینده ایفا کند.
در فناوری نانوسیلور(Nano Silver )، یونهای نقره به صورت کلوییدی در محلولی به‌ حالت سوسپانسیون قرار دارند که خاصیت آنتی باکتریال ( ضد باکتری)، آنتی فونگاس ( ضد قارچ) و آنتی ویروس دارند.

سوسپانسیون:
به مخلوط کلوئیدی جامد در مایع سوسپانسیون گفته می شود. سوسپانسیون ها در حالت عادی ناپایدار هستند و با گذشت زمان ذرات آنها ته نشین شده و در اثر این پدیده فاز مایع از جامد جدا می شود. آب گل آلود نمونه ای از یک سوسپانسیون طبیعی است.
​

هر چند این فناوری به تازگی مورد توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا کرده ، اما از آن در طب قدیم استفاده می شده بدون آنکه دلیل تاثیر آن شناخته شود وحتی در جنگ برای کنترل عفونت زخم سربازان از سکه های نقره استفاده می شده است .
محلول های نانو سیلور از یونهای نقره در اندازه های 100-10 نانومتر (9- 10) تشکیل شده اند و در مقایسه با محلولهای دیگر پایداری بیشتری دارند.
یونهای نقره به دلیل اندازه کمی که دارند، سطح تماس بیشتری با فضای بیرون دارند و تأثیر بیشتری برمحیط می گذارند.

نانو ذرات نقره​

این محلول را میتوان به عنوان داروی خوراکی استفاده کرد که در آن صورت ، محلول باید از 80 % نقره عادی (فلز) و 20 % یون نقره تشکیل شود، زیرا یونها در معده با اسید هیدروکلریک واکنش داده و نقره کلرید درست می شود که خاصیت خود را از دست می دهد.
برای مصرف این دارو به صورت خوراکی بهتر است از محلولی با غلظت 20ppm استفاده شود تا تأثیر بیشتری در بدن داشته باشد. از نانو سیلور به عنوان دارو می توان در درمان بیماریهای پوستی ،جوش و ... ، انواع جراحات و سوختگی ها، بیماریهای باکتریایی و قارچی ، بیماریهای گوارشی ، بیماریهای جنسی و ... استفاده کرد .
نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم میباشد، ولی زمانیکه به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل میشود خاصیت میکرب کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می یابد، به حدی که می توان از آن جهت بهبود جراحات و عفونتها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل میکروارگانیسم اثر می گذارد. تاکنون بیش از 650 نوع باکتری شناخته شده را از بین برده است.

دو مکانیسم عمده نانو نقره ها عبارتند از :
1- مکانیسم کاتالیستی : تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر درمورد کامپوزیت2های نانو نقره ای صدق میکند که روی پایه های نیمه هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرار گرفته می شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی3عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید می کند که هر دو از بنیان های فعال و از قوی ترین عاملین ضد میکربی نیز می باشند.

2- مکانیسم یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به وسیله تبدیل پیوند های SH ــ به Sag ــ .
دراین مکانیسم ذرات نانونقره فلزی به مرور زمان یونهای نقره از خود ساطع می کنند. این یونها طی واکنش جانشینی، باندهایSH- را در جداره میکروارگانیسم به باندهای -SAg تبدیل می کنند، که نتیجه ای واکنش تلف شدن میکروارگانیسم است.

خصوصیات نانو سیلور :
1- تاثیر بسیار زیاد
2- تاثیر سریع
3- غیر سمی
4- غیر محرک برای بدن
5- غیر حساسیت زا
6- قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)
7- آب دوست بودن
8- سازگاری با محیط زیست
9- مقاوم در برابر حرارت
10- عدم ایجاد و افزایش مقاومت و سازگاری در میکروارگانیسم
از دیگر قابلیتهای نانو سیلور، اضافه شدن به الیاف، پلیمر، سرامیک، سنگ، رنگ و... ، بدون تغییر دادن خواص ماده است.
موارد استفاده پلیمرهای نانو سیلور:
1- شیشه شیر و پستانک نوزادان ،مسواک و برسهای بهداشتی حمام و ...

2- ظروف پلاستیکی ( غذایی ، دارویی ، آرایشی )
3- لوازم خانگی(یخچال، جارو برقی، ماشین ظرف شویی، سیستم تهویه و تصفیه هوا و رطوبت زا)

4- مواد بسته بندی برای تازه و بهداشتی نگه داشتن مواد غذایی
5- بدنه وسایلی که انسان مداوم با آن تماس دارد( گوشی موبایل ، کیبورد و ...)

خصوصیات پلیمرهای نانو سیلور آنتی باکتریال :
1- اندازه ذرات نقره کمتر از 20 نانو متر است
450ppm2- غلظت تقریبی
3- مطابق با شرایط مختلف جوی
4- آنتی اسید و آنتی آنیون
5- سازگار با محیط زیست و غیر سمی
6- بی ضرر برای انسان
7- تاثیر داشتن روی باکتریها ، قارچها و... و خوشبو کننده
8- قابلیت از بین بردن ویروسها
9- صرفه اقتصادی و قابل رقابت از نظر عملکرد با دیگر فراورده ها

این پلیمرها باید در محیط سرد و خشک و به دور از آفتاب نگهداری شوند که تحت این شرایط تا دو سال قابل نگهداری هستند.
ذرات نانو سیلور را می توان به صورت پودر درآورد و در مواد و وسایل مختلف استفاده کرد ( مسواک ، خمیر دندان ) ، که در آن صورت به محض تماس ماده با آب ، نقره فعال شده و خاصیت آنتی باکتریال پیدا می کند.
طی آزمایشی که اخیرا دانشمندان، روی درمان بیماران مبتلا به ایدز به وسیله نانو سیلور انجام داده اند، متوجه شدند که ویروسهای HIV نوع1، به طور کامل از بین رفته اند و بدین ترتیب دانشمندان امیدوار شده اند که شاید بتوان این ویروس را به طور کامل از بین برد.
نانو سیلور یک دستاورد شگرف علمی از نانو تکنولوژی است که در عرصه های مختلف پزشکی، صنایع مختلف مثل کشاورزی و دامپروری و بسته بندی، لوازم خانگی، آرایشی، بهداشتی، و نظامی کاربرد دارد. این فناوری از طریق کنترل فعالیت عوامل بیماری زا در خدمت بشر می باشد. از این رو، به لحاظ بازدهی بالا، عملی بودن ، و افزایش ظرفیت ها و مقرون به صرفه بودن از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست و ماندگاری بسیار زیاد، در مقایسه با دیگر روشهای بهبود فرآوری و تولید ، ارجحیت دارد .

 

[m4material]

محلول های مغناطیسی نانو​

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است.
محلول‌های مغناطیسی (Ferro fluid) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود 100-10 نانومتر (9-10) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایعی ، ساخته میشوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند .
هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام " سورفاکتانت " به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. در شکل زير می توانيد نجوه قرار گرفتن ذرات مغناطيسی و مولکول های سورفاکتانت را مشاهده کنيد.

 

[m4material]

سنتز نانوذراتِ سیلیس به روش سُل ـ ژل​

فرآيند سُل ـ ژل روش جديدي نيست. در سال 1800 «ابل‌من» به طور اتفاقي مشاهده کرد که تتراکلريد سيليکون - که در ظرف رها شده بود- ابتدا هيدروليز و سپس به ژل تبديل شد. در سال 1950 باب مطالعات گسترده‌اي در سنتز سراميکﻫﺎ و ساختارهاي شيشه‌اي با استفاده از اين روش آغاز شد. شايان ذکر است که با اين روش، بسياري از اکسيدهاي غيرآلي مانند SiO2 ZrO2 , TiO2 , …. سنتز شدند.
در اين فرآيند با استفاده از مواد اوليه، ابتدا سُل تشکيل ﻣﻲشود. سُل محلولي کلوئيدي، حاوي ذرات معلّق است. بعد از اين واکنش، ژل تشکيل ﻣﻲشود. ژل سوسپانسيوني است که شکل ظرف را به خود ﻣﻲگيرد و خواص کشساني از خود نشان ﻣﻲدهد. از مزاياي اين روش ﻣﻲتوان به موارد زير اشاره کرد:

1ـ ابزار انجام آن ساده است؛
2 ـ سرمايه‌گذاري اولية آن کم و در عين حال کيفيت محصول بالاست؛
3 ـ خلوصِ محصول به‌دست‌آمده بالاست؛
4 ـ امکان طراحي ترکيب شيميايي و به‌دست آوردن ترکيب همگن وجود دارد؛
5 ـ فرآيند را مي‌توان در دماي کم نيز ايجاد کرد.
​

از طرف ديگر، با توجه به شکل زير، ﻣﻲتوان مشاهده کرد که با تغيير شرايط، ساختارهاي متنوعي با استفاده از اين روش به دست آيند.

مادة اوليه‌اي که در اين روش مورد استفاده قرار ﻣﻲگيرد، الکوکسي سيلان نام دارد. اين ماده از تأثير شبه فلزات بر الکل تهيه ﻣﻲشود. تهية اين ماده بسيار مشکل است و در دنيا دو کمپاني صنايع شيميايي قادر به تهية آن هستند. الکوکسي سيلان ماده‌اي گران‌قيمت به شمار مي‌رود، در عوض، با استفاده از اين مادة اوليه ﻣﻲتوان به محصولاتي با خلوص بالا در مدت زمان کوتاه دست يافت. از سيليسيلت سديم نيز ﻣﻲتوان براي تهية ذرات نانومتري سيليس استفاده کرد. مشکل اين‌ است که خلوص محصولاتِ حاصل از اين مادة اوليه بالا نيست و نياز به شست‌وشوي طولاني‌مدت دارد تا ناخالصيﻫﺎ از محصول نهايي خارج شود.
براي سنتز نانوذرات سيليس، به الکوکسي سيلان، آب و الکل نياز است. از آن‌جا که الکوکسي سيلان در آب حل ﻧﻤﻲشود، بنابراين، بايد از ماده‌اي استفاده کرد که هم الکوکسي سيلان در آن حل شود و هم خود اين ماده محلول در آب باشد. به اين منظور، از الکل استفاده ﻣﻲکنيم. از طرف ديگر، واکنش دو مادة آب و الکوکسي سيلان بسيار کُند است و با افزودن الکل، سيستم رقيق‌تر هم ﻣﻲشود. در نتيجه سرعت واکنش باز هم کاهش مي‌يابد. براي افزايش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتاليزور استفاده کرد. کاتاليزوري را که براي انجام سريع اين واکنش مورد استفاده قرار ﻣﻲدهيم بايد به گونه‌اي باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌راحتي از سيستم خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسيدها و هم از بازها به عنوان کاتاليزور در سنتز ذرات سيليس استفاده شده است که هر کدام مزايا و معايب خود را دارند.
در محيطي با خاصيت بازي، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌سرعت رشد ﻣﻲکنند و نيروي دافعة جرمي باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقي بمانند. در محيط اسيدي ذرات در اندازة 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولي در ادامة فرآيند به‌سرعت به هم ﻣﻲپيوندند و ذرات بزرگتر را تشکيل مي‌دهند.
براي سنتز نانوذرات سيليس، از کاتاليزور آمونياک استفاده ﻣﻲشود. از مزاياي آمونياک اين است که نقطة جوش پايين دارد و به‌سرعت از سيستم بيرون مي‌رود. ولي از اسيدهايي چون اسيد کلريدريک، نيتريک و استيک نيز مي‌توان استفاده کرد که نقطة جوش بالايي دارند. بنابراين، خارج کردن آنها از سيستم کار راحتي ﻧيست. از معايب ديگرِ اين کاتاليزورها اين است که باعث ايجاد ليگاندهايي با محصولات ﻣﻲشوند که ديگر ﻧﻤﻲتوان محصول را با همان پيوندهاي شيميايي مورد نظر تهيه کرد.

ليگاند چيست؟
ليگاند: در يون کمپلکس، يون‌هايي وجود دارند که يون مرکزي را احاطه کرده‌اند، مثلاً ( CN)
(منظور از يون کمپلکس يوني است که از چند يون تشکيل شده است)​

روش آزمايش
مقداري آب را با الکل و آمونياک و بقية الکل را با الکوکسي سيلان مخلوط مي‌کنيم. اين دو محلولِ جداگانه را به هم ﻣﻲافزاييم و با هم زدن، سيستم را کاملاً همگن ﻣﻲکنيم. بسته به نسبت مولي مورد استفاده در سنتز اين ذرات، زمان هيدروليز و چگالش متفاوت است. بعد از تهية اين محلول، ابتدا الکوکسي سيلان در محيط آبي هيدروليز ﻣﻲشود. در اين فرآيند گروه هيدروکسيل جايگزين گروه کربوکسيل ﻣﻲشود. اين واکنش همان‌طور که گفته شد در محيط آبي طبق معادلة زير انجام ﻣﻲشود.

بعد از هيدروليزِ محصولات، چگالش طبق معادلة زير آغاز ﻣﻲشود.
2 HOSi(OR)3 ==> (OR)3 SiOSi (OR)3 + H2O
يا (OR)3 SiOSi (OR)2 (OH) + ROH
(R جزء گروه الکيل است.)
در مرحلة پليمريزاسيون گروه سيلانول Si-OH با آزاد کردن آب يا الکل به صورت سيلوکسان Si –O– Si درﻣﻲآيد. سازوکار هيدروليز به اين صورت است که اکسيژن آب به اتمﻫﺎي سيليکون حمله ﻣﻲکنند. آب ابتدا به شکل يونﻫﺎي +H و ¯OH در مي‌آيد و گروه الکوکسي نيز به صورت -(OR) و Si(OR)3+ تفکيک ﻣﻲشود. سپس -(OH) ناشي از هيدروليز آب جايگزين OR- ناشي از هيدروليز الکوکسي ﻣﻲشود.
بايد خاطرنشان کرد که سرعت اين واکنش با افزودن کاتاليزور تغيير ﻣﻲکند. اگر از کاتاليزور اسيدي استفاده کنيم، سازوکار واکنش اندکي متفاوت خواهد بود. در اين حالت به علت وجود +H در محيط، گروه الکوکسي به‌سرعت پروتونﻫﺎي +H را جذب ﻣﻲکند و چگالي ابرالکتروني سيليکن کاهش خواهد يافت. بنابراين، براي مورد حمله قرار گرفتن توسط مولکولﻫﺎي آب مستعد خواهند شد.
در محيط با خاصيت بازي آب، ابتدا يونﻫﺎي هيدروکسيل ¯OH توليد خواهند شد. سپس يونﻫﺎي هيدروکسيل جايگزين گروه OR ﻣﻲشوند.
بعد از فرآيند هيدروليز، مونومرها و دي‌مرهاي تشکيل مي‌شوند و به هم ﻣﻲپيوندند. در اين هنگام است که پليمريزاسيون آغاز مي‌شود. اين مرحله ممکن است به اين صورت رخ دهد:
1ـ سازوکاري که منجر به تشکيل آب ﻣﻲشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)3 + H2O
2 ـ سازوکاري که منجر به تشکيل الکل ﻣﻲشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)2 OH SiOSi (OR)3 + HOR
با افزايش پيوندهاي سيلوکسان، مولکولﻫﺎي منفرد به يکديگر ﻣﻲپيوندند و تشکيل سُل مي‌دهند. سپس دانهﻫﺎي تشکيل‌شده به يکديگر ﻣﻲپيوندند و تشکيل يک شبکة سه‌بُعدي را که همان ژِل است، ﻣﻲدهند.
با خشک کردن اين محلول، ﻣﻲتوان ذرات نانومتريِ پراکنده‌شدة سيليس را تهيه کرد. اگرچه اين فرآيند به‌سادگيِ دو معادلة ذکرشده در بالا نيست (و داراي مراحل مياني زيادي است) ولي هدف از ذکر اين آزمايش چند نکته به شرح زير است:

1ـ تهية ذرات نانومتري با استفاده از روشﻫﺎي معمول ﻣﻲتواند انجام شود. فقط کافي است تدبيري انديشيد تا اين ذرات ريزتر باشند و به هم نچسبند. اين فن‌آوري ظرافتﻫﺎي خاص خود را دارد، ولي دور از دسترس نيست؛
2ـ با استفاده از روشﻫﺎي آزمايشگاهي ساده، بسياري از مواد مورد نياز کشور را مي‌توان تهيه کرد. زيرا به علت تحريم اقتصادي کشور، قادر به واردات بسياري از اين مواد نانومتري نيستيم؛
3 ـ با طراحي يک دستگاه دقيق ﻣﻲتوان اين فرآيند را ادامه‌ داد و در شبانه‌روز به مقدار قابل توجهي از آن در آزمايشگاه توليد کرد.
​

 

[m4material]

ك مثل كامپوزيت،كامپوزيت مثل كاهگِل
​

to compose يعني ترکيب کردن و بنابراين کامپوزيت (composite) يعني مرکب. مرکب هم که مي‌دانيم، يعني چيزي که از ترکيب چند چيز مختلف به دست آمده است. موادّ کامپوزيتي به موادي گفته مي‌شوند که از ترکيب چند نوع ماده به وجود آمده‌اند. وقتي مي‌گوييم از ترکيب چند ماده، منظور اين است که هرکدام از اين موادّ ترکيب‌شده، قابليت استفاده به صورت يک مادة مستقل را دارند. اولين کامپوزيت کِي ساخته شد؟
کسي نمي‌داند اولين کامپوزيت کِي ساخته شد. شايد اولين کامپوزيتي که بشر با آن سروکار پيدا کرد، کاه‌گِل باشد. قديم‌ها براي ساختن خانه از گل استفاده مي‌کردند، اما چون گل بعد از خشک شدن ترک مي‌خورد (وقتي آبِ گل تبخير مي‌شود، حجم آن کاهش پيدا مي‌کند و چون گل خشک نمي‌تواند خودش را جمع کند ترک مي‌خورد)، مقداري کاه به آن افزودند تا حفره‌ها را پُر کند و مانع از ترک خوردن گل شود. شايد هم اولين کامپوزيت را مصري‌ها ساخته باشند که در قايق‌هايشان به چوب بدنه مقداري پارچه مي‌آميختند تا در اثر خيس شدن چوب باد نکند. اما در هر حال، مي‌شود گفت که مواد کامپوزيتي در سال‌هاي اخير است، که به عنوان يک مادة مهندسي پذيرفته شده‌اند.
چرا از کامپوزيت‌ها استفاده مي‌کنيم؟
قبل از اين گفتيم که گل به‌تنهايي و پس از خشک شدن ترک مي‌خورد. کاه با خواص ارتجاعي خود اين نقص گل را برطرف مي‌کند، بنابراين، مقداري از آن را به گل مي‌افزايند. اصلاً علت استفاده از کامپوزيت همين خواص است. يعني ما براي اينکه خواص بدِ يک ماده را برطرف کنيم، مادة ديگري را که مکمل خواص مادة اوليه است به آن مي‌افزاييم.
ترکيب کردن يعني چه؟
انواع ترکيب‌ها عبارتند از: شيميايي، مکانيکي، و فيزيکي.
وقتي دو ماده با هم ترکيب شيميايي مي‌دهند که بين آن دو يک پيوند شيميايي مثل کووالانسي، يوني، واندروالسي و... برقرار شده باشد. به موادي که اين‌گونه با هم ترکيب مي‌شوند محلول مي‌گويند. بارزترين و ملموس‌ترين مثال براي محلول‌ها آلياژها هستند.
اما وقتي دو ماده با اعمال نيرو کنار هم قرار مي‌گيرند، به صورت مکانيکي با هم ترکيب شده‌اند و واضح است با برداشتن اين نيرو، اين ترکيب از بين مي‌رود.
اما ترکيب در کامپوزيت‌ها جزء هيچ‌کدام از اين دو حالت نيست، بلکه ترکيبي از نوع فيزيکي است. مثال مناسب براي اين نوع ترکيب، ساندويچ است. وقتي يک يا چند ماده با مادة ديگري محاصره شود، به طوري که نتواند از محاصرة آن فرار کند، يک ترکيب فيزيکي به وجود مي‌آيد. براي درک بهتر اين نوع ترکيب، کسي را تصور کنيد که در يک باتلاق گير افتاده است.
اجزاي يک کامپوزيت
گفتيم که کامپوزيت عبارت است از ترکيب فيزيکي دو ماده با خواص متفاوت. بنابراين، کامپوزيت‌ها از دو قسمت تشکيل شده‌اند: قسمت زمينه (مادة اول که در يک سري از خواص نقص دارد) و قسمت تقويت‌کننده (مادة دومي که به مادة اول اضافه مي‌شود تا دسته‌اي از خواص آن را بهبود بخشد). (شکل 1)

الف) کامپوزيت لايه‌اي ب) کامپوزيت رشته‌اي ج) کامپوزيت ذره‌اي (شکل 1)​

زمينه چيست؟
زمينة يک مادة مرکب، ماده‌اي است پيوسته که مادة دوم را در برگرفته است. اين ماده در کاه‌گِل، گِل و در مثال باتلاق و آدم، محيط باتلاق است که پيوسته است و آدم را در برگرفته است. دومين ملاک براي تعيين زمينه اين است که مقدار ماده‌اي که به عنوان زمينه استفاده مي‌شود بيشتر از قسمت تقويت‌کننده است.
وظيفة زمينه چيست؟
اولين وظيفة زمينه احاطة مادة‌ تقويت‌کننده است، به طوري که نگذارد مادة تقويت‌کننده پراکنده شود؛ وظيفة دوم، محافظت از مادة تقويت‌کننده در برابر عوامل شيميايي است؛ و وظيفة سوم اين است که چون مواد زمينه را نرم انتخاب مي‌کنند، وقتي نيرو به مادة مرکب (کامپوزيت) وارد مي‌شود، توسط زمينه به مادة تقويت‌کننده انتقال داده شود تا مادة تقويت‌کننده نيرو را تحمل کند.
تقويت‌کننده چيست؟
تقويت‌کننده‌ها موادي هستند که به صورت تکه‌تکه، در يک زمينة پيوسته وارد مي‌شوند تا خواص مادة زمينه را بهتر کنند.
تقويت‌کننده‌ها چه شکلي هستند؟
تقويت‌کننده‌ها مي‌توانند به صورت يک صفحه، يک رشته ( نخ)، يا يک ذره (پودر) وارد حجم زمينه شوند و خواص آن را بهبود بخشند. (شکل 2)

الف) تقويت‌کنندة صفحه‌اي ب) تقويت‌کنندة رشته‌اي ج) تقويت‌کنندة ذره‌اي (شکل 2)​

کامپوزيت‌ها چه کاربردهايي دارند؟
امروزه مي‌توانيم ترکيبات کامپوزيتي را در زندگي روزانه و در اطراف خود ببينيم. چند مثال از اين وسايل که در آنها ترکيبات کامپوزيتي به کار رفته است، اينها هستند: بدنة هلي‌کوپتر، زه راکت تنيس، بدنة هواپيما، کاه‌گِل، توپ‌هاي ورزشي و...

 

[m4material]

نانوکامپوزيت هم حتماً يعني نانوکاه‌گل؟​

دقيقاً! نانوکامپوزيت هم يعني نانوکاه‌گل. به شرط اينکه رشته‌هاي کاه که در گِل توزيع شده‌اند، قطري در حد 1 تا 100 نانومتر داشته باشند.

نمونه‌اي از يک نانوکامپوزيت
شباهت آن به کاه‌گل جالب توجه است.​

نانوکامپوزيت‌ها
براي اينکه يک کامپوزيت به نانوکامپوزيت تبديل شود، مي‌توان روي دو قسمت از آن کار کرد:
1. زمينه: همان‌طور که بارها گفته‌ايم، اتم‌هاي يک مادة منظمِ بلوري، در داخل دانه‌ها قرار دارند. يعني همة آنها در يک جهت چيده نشده‌اند، بلکه مثل سلول‌هاي روي پوست دست، دسته‌‌دسته اتم‌هاي داخل هر سلول در يک جهت خاص قرار دارند. ما براي اينکه کامپوزيت را به نانوکامپوزيت تبديل کنيم، بايد قطر دانه‌ها را نانومتري کنيم.
2. تقويت‌کننده: گفتيم که سه نوع تقويت‌کننده داريم. اگر تقويت‌کنندة ما ذره‌اي باشد، با ريزکردن ذرات در حدّ نانومتر و وارد کردن آنها در يک زمينه، نانوکامپوزيت توليد مي‌شود. اما اگر تقويت‌کننده‌هاي ما رشته‌اي باشند، با ريز کردن قطر رشته‌ها در حدّ نانومتر (يعني توليد يک‌سري نخ نازک که قطر هر کدام بين يک تا صد نانومتر است) و وارد کردن آنها در زمينه، مي‌توانيم نانوکامپوزيت توليد کنيم. اگر تقويت‌کنندة ما لايه‌اي باشد، با نازک کردن لايه‌ها در حدّ نانومتر (ضخامت ورقه‌ها در حدّ 1 تا 100 نانومتر باشد) مي‌توانيم نانوکامپوزيت بسازيم.

تقويت‌کنندة ذره‌اي

تقويت‌کنندة رشته‌اي

تقويت‌کنندة لايه‌اي​

چرا نانوکامپوزيت؟
در جواب به اين سؤال، اول بايد معلوم شود که چرا اصلاً از کامپوزيت استفاده مي‌کنيم؟ حتماً ديده‌ايد که ديوارهاي خانه‌هاي قديمي، خيلي ضخيم‌تر از ديوارهاي ساختمان‌هاي امروزي‌اند، يا اگر در خانه‌هاي قديمي ستون ديده باشيد، به‌مراتب قطورتر از ستون‌هاي ساختمان‌هاي نوسازِ امروزي است. علتْ اين است که براي تحمل نيروي سقف، احتياجي به قطور کردن ديوارها يا ستون‌ها نيست. چون با زياد کردن تعداد ستون‌ها و قرار دادن ستون‌هاي باريک¬تر در جاهايي که نيرو وارد مي‌شود، در واقع ستون‌هاي کاذب را حذف مي‌کنيم. در مواد مرکب هم، براي اينکه بخواهيم خواص ماده بهتر شود، لازم نيست همة ماده را از يک ماده با خواص خوب بسازيم.
خواص مهندسي مواد
ما از مواد خاصي براي ساخت قطعات، دستگاه‌‌ها، ساختمان‌ها و... استفاده مي‌کنيم، چون همة مواد خواص مورد نياز ما را در آن دستگاه برآورده نمي‌کنند. به اين خواص ماده، که موجب مي‌شود آن ماده داراي کاربردهاي مهندسي شود، «خواص مهندسي مواد» مي‌گويند. خواص مهندسي مواد عبارتند از:
1. خواص مکانيکي، مثل خواص کشتي؛
2. خواص فيزيکي، مثل هدايت الکتريکي؛
3. خواص شيميايي، مثل مقاومت در برابر خوردگي؛
نمونه‌اي از اين تغيير خواص شبميايي را در زير مي‌بينيد. در اينجا با تبديل ميکروکامپوزيت به نانوکامپوزيت امکان شکل گيري ذغال به ماده اضافه شده است. با اين کار از گسترش آتش جلوگيري مي‌شود.

بهتر شدن خواص مکانيکي با ترکيب مواد و توليد نانوکامپوزيت
خواص مکانيکي يعني خواص ماده در برابر اِعمال انواع نيروها. نيروها به چند دسته تقسيم مي‌شوند: کشيدن، فشردن، خم کردن، پيچاندن و...
وقتي يک لايه‌ يا صفحه با ضخامت 1 ميلي‌متر را وارد زمينه‌اي نرم مي‌کنيم، اگر تقويت‌کننده محکمتر از زمينه باشد، مثلاً مقداري ورق فلزي را وارد يک زمينة پلاستيکي (پليمري) کنيم، مادة مرکبِ تشکيل‌شده در مقايسه با مادة اول، در برابر نيروي کششي، مقاومت بيشتري از خود نشان مي‌دهد.
حال اگر اين لايه بخواهد به لايه‌اي با ضخامت 1 نانومتر تبديل شود، يک ميليون لايه با ضخامت 1 نانومتر خواهيم داشت. واضح است که توزيع يک ميليون لاية نانومتري، مي‌تواند در تمام سطح زمينة پليمري به صورت يکنواخت توزيع شود. بنابراين، وقتي به زمينة پليمري نيروي مکانيکي وارد مي‌شود، اين نيرو را بهتر تحمل مي‌کند.

در شکل دو کامپوزيت را مي‌بينيد که لايه سطحي يکي از آنها با ذرات نانوي و ديگري با ذرات ميکروني پوشيده شده است. همان طور که مي‌بينيد لايه با ذرات ميکروني (تصوير سمت چپ) ر مقابل تنش ترک خورده است در حالي که لا با ذرات نانويي در مقابل اين تنش مقاومت کرده است.​

​

بهبود سختي کامپوزيت اپوکسي-سيليس با تغيير درصد نانوذرات سيليس و لاستيک به عنوان تقويت کننده​

بهتر شدن خواص فيزيکي
خواص فيزيکيِ يک ماده، خواصي از قبيل هدايت، مقاومت الکتريکي و... هستند. جريان الکتريکي با حرکت الکترون‌ها وارد يک ماده مي‌شود و اتم‌ها با ارتعاش، به همديگر مي‌خورند و به اين ترتيب الکترون را دست به دست درون ماده منتقل مي‌کنند. حال اگر مادة ما يک پلاستيک (عايق الکتريسيته و حرارت) باشد و ما بتوانيم چند عدد ميلة مسي درون آن وارد کنيم (دقيقاً مثل سيم)، الکترون‌ها از درون اين پلاستيک و با عبور از اتم‌هاي مس، مي‌توانند هدايت شوند. يعني ما با قرار دادن يک ميلة مسي درون يک پلاستيک، آن را هادي جريان الکتريسيته کرده‌ايم. اکنون فرض کنيد که سطح اين پلاستيک 1 متر در 1 متر باشد و قطر ميلة مسي 1 ميلي‌متر. در اين صورت، مقطعي دايره‌اي به قطر 1 ميلي‌متر از پلاستيک هادي جريان مي‌شود. اين در حالي است که با ريز کردن ميلة مسي، به ميله‌هاي با قطر نانومتر مي‌توان يک ميليون ميله با قطر 1 نانومتر را درون پلاستيک پخش کرد. بنابراين، يک ميليون قسمت پلاستيک، رساناي جريان الکتريکي مي‌شوند.

 

[m4material]

نانو کامپوزيت تحول بزرگ در مقياس کوچک​

مواد و توسعة آنها از پايه‌هاي تمدن به شمار مي‌روند. به طوري که دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر مي‌بريم. عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نمي‌آيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده مي‌توان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است.

کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي‌ و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.

نانوکامپوزيت¬‌هاي نانوذره‌اي
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.
نانوکامپوزيت‌هاي نانو‌لوله‌اي
نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره‌ و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت‌ بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.
استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده‌!

نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رُس‌هاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايه‌لايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتش‌گيري در اين نانوکامپوزيت‌هاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت مي‌شوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشين‌هاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده مي‌شود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌اي بهبود پيدا مي‌کند که از جمله مي‌توان در آنها به موارد زير اشاره کرد:

1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک
​

نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
محققان توانسته‌اند سخت‌ترين مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌هاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولوله‌هاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيته‌اند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.
اين کامپوزيت مي‌تواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس مي‌تواند نانولوله‌هاي کربني را در مقابلِ ازهم‌گسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولوله‌هاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.
اين کامپوزيت همچنين در رديابي‌هاي زيستي کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌هاي زيستي مي‌چسبند و به عنوان حسگر عمل مي‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار مي‌کند.
تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولوله‌هاي کربني چگونه محکم به هم مي‌چسبند؟

جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
اين خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمت‌هاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌هاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت مي‌کند.

توپ تنيس نانوکامپوزيتي
شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود چهار هفته است ــ در حالي که توپ‌هاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نمي‌شود. علت مهم و اصلي دوام توپ‌هاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون به عنوان پوستة داخلي است که باعث مي‌شود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالي‌که توپ‌هاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند.
الياف نانو، تحولي در صنعت نساجي
امروزه ساخت کامپوزيت‌هاي تقويت‌شده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است. ليفچه‌هاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر خارجي خلق شده‌اند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند.
يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در *****اسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌هاي محافظ نظامي و... کاربرد دارد.

مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيت‌هاي سبک‌وزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌هاي فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازه‌هاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستم‌هاي دروني، اجزاي موتور راکت‌ها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.

در مصارف نظامي نيز کامپوزيت‌ها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار مي‌شوند.
کامپوزيت‌هاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جويي در سوخت را به همراه دارد.
علاوه بر اين، نانوکامپوزيت‌ها به محصولاتي همچون بسته‌بندي غذاها راه يافته‌اند تا سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله با اکسيژن بيروني).
همچنين خواصّ تعويق آتش‌گيريِ کامپوزيت‌هاي سيليکات نانوذره‌اي، مي‌تواند در رختِ خواب‌، پرده‌ها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.
1- Poly Ethylen
2- Filler
3- Clay
4- Smectite type
منابع:
www.irannano.org
www.autnano.org
www.azonano.com

 

[m4material]

نانوکامپوزيت‌هاي ديرسوز​

با توجه به اين که امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي هر جامعه‌اي را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. بر همين اساس، در کشورهاي صنعتي، تلاش گسترده‌اي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است.
بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر مي‌رسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الکترونيک،‌ صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است.
از طرف ديگر مدتي است که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعله‌‌‌‌‌‌وري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراين به‌‌‌‌‌‌نظر مي‌رسد که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس مي‌توانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛
براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينکه:
از افزودني‌هايي استفاده شود که قيمت تمام‌‌‌‌‌‌شده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.)
مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود.
مواد افزوده‌شده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند.
زباله‌هاي اين مواد نبايد مشکلات زيست‌‌‌‌‌‌محيطي ايجاد کند.
با توجه به اين موارد، خاک‌‌‌‌‌‌رس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب مي‌شود که مي‌تواند آتش‌گيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم ‌شود. مزيت ديگر خاک‌ رس فراواني آن است که استفاده از اين منبع خدادادي را آسان مي‌کند.
ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس
خواص مکانيکي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر-نايلون6 که از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليکات است، بهبود فوق‌العاده‌‌‌‌‌‌اي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان مي‌دهد. مقاومت کششي اين نانوکامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول کششي آن 68 درصد بيشتر، انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شکل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد به 152 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد افزايش يافته است. در حاليکه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است.
نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان مي‌‌‌‌‌‌دهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت مي‌‌‌‌‌‌شود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يابد.
برخي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان مي‌دهند که اهميت ويژه‌اي براي بهبود مقاومت در برابر آتش‌‌‌‌‌‌گيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري کمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلال‌ها از خود نشان مي‌دهند.
استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست کشورهاي پيشروي صنعتي
تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است که همواره کشورهاي پيشرو بر کشورهاي پيرو ديکته کرده‌اند. در کشورهاي پيشرو صنعتي،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين کشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يکبار، استانداردها دستخوش تغيير مي‌شوند و ديگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت کنند و به اين ترتيب، مجبور مي‌شوند که نتايج تحقيقات آنها را خريداري کنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است:
چندي پيش در جرايد اعلام شد که بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي که مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام کرده است که ورود کاميون‌هاي فاقد استاندارد زيست‌‌‌‌‌‌محيطي به خاک اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.



منابع و توضیحات:
- اين مطلب توسط شايان جاوید ميلانی از وبلاگ http://ariyana1985.persianblog.com انتخاب شده است.

 

[m4material]

ليتوگرافي، هنر ساختن در ابعاد کوچک​

خلاصة مقاله
• توسعة نانوفناوري بستگي به توان محققان در توليد کارآمد ساختارهايي با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از يک هزارم قطر موي انسان) دارد.
• فوتوليتوگرافي، فناوري‌اي است که هم‌اکنون براي ساخت مدار روي ميکروچيپ‌ها به کار گرفته مي‌شود. کاربرد اين فناوري را مي‌توان به توليد نانوساختارها تعميم داد، ولي تغييرات لازم بسيار گران و از نظر تکنيکي دشوارند.
• روش‌هاي ساخت سيستم‌هاي نانومتري دو دسته‌اند: بالا به پايين که با کندن مولکول‌ها از سطح ماده صورت مي‌گيرد و پايين به بالا که با نشاندن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم ساختار نانويي به وجود مي‌آورد.
• ليتوگرافي نرم و ليتوگرافي قلمي دو مثال از روش‌هاي مربوط به بالا به پايين هستند. محققان با استفاده از روش‌هاي پايين به بالا در حال ساخت نقاطي کوانتومي هستند که مي‌توانند به عنوان رنگ‌هاي بيولوژيک به کار روند.

يادتان هست آخرين بار کِي رايانه‌تان را ارتقا داده‌ايد يا به جاي رايانة کُندِ قديمي، رايانة جديدي گرفته‌ايد؟ اگر سرعت پردازنده‌ها را بر اساس سالي که اولين‌بار به بازار عرضه شدند يادداشت کنيد، شما هم مي‌توانيد با رسم يک نمودار در کاغذ نيم‌لگاريتمي، به کشفِ دوبارة «قانون مور» نائل آييد! قانون مور نشان مي‌دهد که از سال 1970 تا کنون، سرعت پردازنده‌ها هر 18 ماه دو برابر شده است. سرعت يک پردازنده ارتباط مستقيمي با تعداد ترانزيستورهاي به‌کاررفته در مدار مجتمع آن دارد. فکر مي‌کنيد اندازة پردازندة سريعِ امروزِ شما از پردازندة کُندِ سه سال پيش بزرگتر است؟ مسلم است که نه! علت اين رشد سرسام‌آور، پيشرفت فناوري و قابليت دسترسي بشر به توان طراحي و گنجاندن تعداد بيشتري ترانزيستور در واحد سطح است. اين رقم براي پردازنده‌هاي امروزي به بيشتر از 10 ميليارد ترانزيستور در يک سانتيمتر مربع مي‌رسد. مي‌توانيد طول يک ترانزيستور را تخمين بزنيد؟ اگر به عدد 100 نانومتر رسيده‌ايد، محاسبة شما درست است. اما 100 نانومتر طول رشته‌اي است که فقط از 500 اتم سيليکون تشکيل شده باشد. با اين اطلاعات فکر مي‌کنيد آيا باز هم بشر قادر است به اين رشد سريع ادامه دهد؟
اگر بخواهيم به همين ترتيب پيش برويم، تا سال 2010 طول هر ترانزيستور از 50 اتم و تا سال 2015 حتي از 5 اتم هم کمتر خواهد شد. همين واقعيت است که ايدة ساختن نانوساختارها با ابعاد چند اتم را هم براي دانشمندان و هم براي شرکت‌ها بسيار جذاب کرده است.

روش معمول توليد
در سال‌هاي اخير دانشمندان روش‌هاي مختلفي براي ايجاد نانوساختارها پيدا کرده‌اند، اما اين روشها در حال حاضر در مرحلة آزمونِ کارآيي و توانمندي‌اند. «فُتوليتوگرافي»، فناوري‌اي که امروزه براي ساخت پردازنده‌هاي رايانه و مي‌توان گفت تمام انواع مدارهاي مجتمع به کار گرفته مي‌شود، قابليت ارتقا براي توليد ساختارهايي در ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. اما انجام اين کار بسيار مشکل، گران و پردردسر است. براي پيدا کردن روش‌هاي جايگزين، محققانِ ساخت سيستم‌هاي نانومتري, در حال بررسي هزاران ايده و صدها روش هستند، تا شايد يکي از آنها جواب بدهد.
ابتدا به سراغ سودمندي‌ها و کاستي‌هاي فُتوليتوگرافي مي‌رويم. توليدکنندگانِ مدارهاي مجتمع در دنيا از اين شيوة بسيار کارآمد براي توليد بيش از 10 ميليارد ترانزيستور در هر ثانيه استفاده مي‌کنند. ارزش توليدات صنعتي با استفاده از تنها اين يک فناوري، به بيش از 140 ميليارد دلار در سال مي‌رسد. فُتوليتوگرافي در اصل تعميم‌يافتة عکاسي است. ابتدا چيزي شبيه نگاتيو عکاسي از شِماي مدار مجتمع تهيه مي‌شود. اين نگاتيو ــ که در اينجا «ماسک» ناميده مي‌شود ــ براي تکثير طرح بر روي هادي‌ها و نيمه‌هاديها به کار گرفته مي‌شود. تهية نگاتيو به سادگي عکاسي نيست، اما با داشتن آن مي‌توان به‌راحتي هزاران نسخه تکثير کرد. بنابراين، روند کار به دو بخش اصلي تقسيم مي‌شود: اول تهية ماسک (که مي‌تواند کُند و هزينه‌بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک براي تهية نسخه‌هاي بعدي (که بايد سريع و ارزان باشد).
براي توليد ماسکِ يک قطعة رايانه‌اي، ابتدا شِماي مدار در مقياس به‌نسبت بزرگ طراحي مي‌شود. سپس اين طرح به صورت لاية نازکي از فلز (اغلب کُروم) روي صفحة شفافي (اغلب شيشه يا سيليکون) درمي‌آيد که در مجموع به آن «ويفر» گفته مي‌شود.

سپس فُتوليتوگرافي، در فرآيندي شبيه آنچه در تاريکخانة عکاسي اتفاق مي‌افتد، ابعاد طرح را کوچک مي‌کند. براي اين کار يک دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ يک لامپ جيوه) از ماسک عبور مي‌کند و با استفاده از يک عدسي، تصويري روي سطح سيليکون تشکيل مي‌دهد. روي سيليکون با لايه‌اي از جنس پليمرهاي آلي حساس به نور (فُتورِزيست) پوشانده شده است. قسمت‌هايي که نور ديده‌اند در فرآيند تثبيت حذف مي‌شوند و طرحي معادل طرح اوليه روي سطح سيليکون پديدار مي‌شود.
سؤال اين است: چرا از فُتوليتوگرافي براي توليد نانوساختارها استفاده نکنيم؟ دو محدوديت در مقابل اين فناوري وجود دارد. اول اينکه کوچک‌ترين طول موج فرابنفشي که در فرآيند توليد استفاده مي‌شود 250 نانومتر است. سعي در تهية ساختارهاي با ابعاد کمتر از اين طول موج، مانند سعي در خواندن نوشته‌هاي بسيار ريز است. پديدة «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها مي‌شود.

اگر تا کنون پديدة پراش را نديده‌ايد کافي است از شکاف لابه‌لاي انگشتان دستتان به يک لامپ مهتابي نگاه کنيد. نوارهاي تيره و روشني که مي‌بينيد خاصيت موجي نور و پراشيده شدن آن را نشان مي‌دهد. اپلت ذيل پديده پراش را نشان می‌دهد برای دیدن ان نیاز به نصب برنامه جاوا دارید.​

​

پيشرفت‌هاي تکنيکي مختلف، محدوديت‌هاي فُتوليتوگرافي را کمي عقب رانده‌اند. کوچک‌ترين ساختارهايي که توليد انبوه شده‌اند، ابعادي در حدود 100 نانومتر دارند. با اين حال، اين ابعاد هنوز براي دستيابي به بسياري خواص جالب نانوساختارها به اندازة کافي کوچک نيستند.
محدوديت دوم هم پيامد محدوديت اول است. چون از نظر تکنيکي توليد اين ساختارها با نور بسيار دشوار است، انجام اين کار بسيار گران تمام مي‌شود. ابزارهاي ليتوگرافي که براي ساخت عناصري با ابعاد کمتر از 100 نانومتر به کار مي‌روند هر کدام 10 تا 100 ميليون دلار ــ يعني در حدود 10 تا 100 ميليارد تومان ــ قيمت دارند. صرف اين هزينه شايد براي توليدکنندگان منطقي نباشد، اما براي فيزيک‌دان‌ها، زيست‌شناسان، مهندسان مواد و شيمي‌دان‌ها که براي بررسي خواص سيستم‌هاي نانومتري به توليد ساختارهاي با طراحي خودشان نياز دارند، ضروري است.

نمونه هايي از نانوليتوگرافي، به مقياس‌ها دقت کنيد.​

نانوچيپ‌هاي آينده
صنعت الکترونيک به طور جدي به دنبال پياده کردن روش‌هاي جديد ساخت سيستم‌هاي نانومتري است تا بتواند به روند ساختن ابزارهاي کوچک‌تر، سريع‌تر و ارزان‌تر ادامه دهد. طبيعي است که در قدم اول بايد تلاش کنيم تا روش‌هاي موجود براي ميکروالکترونيک را به نانوالکترونيک تعميم دهيم. اما همان‌طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتوليتوگرافي در ابعاد ريزتر، بسيار دشوارتر است. به همين علت، توليدکنندگان قعطات رايانه به دنبال فناوري‌هاي جايگزين براي ساخت نانوچيپ‌ها در آينده هستند.
ليتوگرافي پرتو الکتروني، يکي از جايگزين‌هاي پيش رو است. در اين روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روي لاية نازکي از پليمر نوشته مي‌شود. پرتو الکترون در ابعاد اتمي پراشيده نمي‌شود، بنابراين لبه‌هاي طرح ديگر ناخوانا نيستند. محققان از اين روش براي ترسيم خطوطي با پهناي چند نانومتر روي سطح سيليکون آغشته به فوتورِزيست استفاده کرده‌اند. با اين حال، ابزارهاي پرتو الکتروني که امروزه وجود دارند، براي توليد انبوه در صنعت مناسب نيستند. زيرا اين روش کُند است؛ کاري شبيه نسخه‌برداري از روي يک نوشته با دست.
اگر الکترون‌ها جوابگو نيستند، پس چه بايد کرد؟ يک جواب ديگر، استفاده از اشعة ايکس با طول موجي بين 1/0 تا 10 نانومتر يا نور فرافرابنفش با طول موج بين 10 تا 70 نانومتر است. کوچک‌تر بودن طول موج اين نورها از طول موج نور فرابنفش که اينک در فُتوليتوگرافي استفاده مي‌شود، تأثير پراش را کمتر مي‌کند. با اين حال، اين فناوري‌ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند. عدسي‌هاي معمولي نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش ديگر شفاف نيستند و اشعة ايکس را متمرکز نمي‌کنند. در عين حال، انرژي زيادِ اين پرتوها به‌سرعت به مواد تشکيل‌دهندة ماسک و عدسي‌ها آسيب مي‌رساند. اما صنعت ميکروالکترونيک، ترجيح مي‌دهد از تعميم روش‌هاي موجود براي توليد نانوچيپ‌ها استفاده کند. بنابراين، اين روش‌ها به طور جدي در حال توسعه‌اند. بعضي از اين روش‌ها ــ مثلاً استفاده از فُتوليتوگرافي پيشرفتة فرا ـ فرابنفش براي ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به روش‌هاي پررونق تجاري تبديل شوند. با اين حال، با اين روش‌ها نانوچيپ‌هاي ارزان ساخته نمي‌شوند و نمي‌توان نانوفناوري را در دسترس تعداد بيشتري از مهندسان و دانشمندان قرار داد.
نياز به سيستم‌هاي ساده‌تر و ارزان‌ترِ ساخت ابزار نانومتري، دانشمندان را به جست‌وجوي روش‌هايي متفاوت از آنچه در صنعت الکترونيک به کار مي‌رود، ترغيب کرده است. «ليتوگرافي نرم» يکي از اين روش‌هاست که بيشتر شبيه ساختن يک مهر لاستيکي از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانيکي است. روش ديگر که از ميکروسکوپ نيروي اتمي استفاده مي‌کند «ليتوگرافي قلمي» نام دارد که شبيه نوشتن با جوهر و پرِ قو است. دستة ديگري از روش‌ها که به روش‌هاي «پايين به بالا» معروف‌اند، با رويکردي به‌کل متفاوت به توليد نانوساختارها مي‌پردازند. در اين روش‌ها اتم‌ها يک‌به‌يک در کنار هم قرار مي‌گيرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکيل دهند. در مقاله‌هاي بعدي به شرح مفصل‌ترِ اين روش‌ها مي‌پردازيم.

 

[m4material]

نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته​

دانشمندان مي‌کوشند روش‌هايي ابداع کنند که بتوان با آنها سطوحي در مقياس 1 تا 100 نانومتر را شکل داد. چنين دستاوردي براي فناوري نانو بسيار مهم و بنيادي است، زيرا دانشمندان رشته‌هاي مختلف مانند الکترونيک، داروسازي يا تشخيص بيماري‌ها را براي ورود به دنياي نانو توانمند مي‌سازد. پس از اختراع ميکروسکوپ تونل‌زني اتمي (STM) و به دنبال آن ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) متخصصان زيادي کوشيده‌اند طرح‌هايي را با مشقت فراوان توسط بازوهاي ظريف اين ميکروسکوپ‌ها اتم به اتم بچينند. نمونه‌هايي از اين طرح‌ها در شکل زير ديده‌ مي‌شوند. اين کار زمان زيادي مي‌برد و براي انجام آن بايد خلأ بسيار بالا و دماي پايين ايجاد کرد.

گروه ديگري از متخصصان، از STM و AFM براي خراشيدن يا ايجاد واکنش اکسيداسيون در سطوح نانويي استفاده کرده‌اند. اين تکنيک‌ها کاربردهاي مهمي دارند، اما متأسفانه اکسيداسيون را تنها بر سطوح خاصي از فلزات و نيمه‌هادي‌ها به وجود مي‌آورند و به علاوه نمي‌توان به‌راحتي آنها را براي ايجاد چند لايه روي هم به کار گرفت.
«نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته» که به طور خلاصه DPN ناميده مي‌شود، روش نويني براي طراحي سيستم‌ها در مقياس نانومتري است. در اين روش يک سوزن بسيار نوک‌تيز، مواد شيميايي (جوهر) را روي سطح مورد نظر مي‌نشاند. با اين روش، که شبيه استفاده از پر براي نوشتن است، نقش‌هايي به ريزي چند ده نانومتر قابل ترسيم‌اند. همچنين مي‌توان انواع گوناگوني از جوهرها، از پوشش‌هاي فلزي گرفته تا ذرات نانومتري يا مولکول‌هاي زيستي را در شرايط کنترل‌شده به کار گرفت.
نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته چيست؟
اين روش توسط «سي ميرکين» و همکارانش در دانشگاه «نورث وسترن» ابداع شد. آنها توانستند مولکول‌ها را در فرآيندي قابل کنترل با استفاده از نوک سوزن يک ميکروسکوپ نيروي اتمي روي سطح بنشانند. اين روش در شکل زير نشان داده شده است.

در کارهاي اوليه‌اي که به روش DPN انجام مي‌شد، مولکول‌ آلي «تايول» و سطح طلا به کار مي‌رفتند (شکل 2). با استفاده از اين سيستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. به‌ويژه معلوم گرديد که پخش جوهر بر روي سطح، براي اين سيستم، به عوامل محيطي مانند دما و رطوبت وابسته است. متخصصان با کنترل اين عوامل موفق به دستيابي به دقت بيشتر در ترسيم شدند. علاوه بر اين، محققان توانستند لايه‌اي‌ به ارتفاع فقط يک مولکول، به تفکيک 12 نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.

مقصود از تفکيک حداقل فاصلة قابل رعايت بين دو نقطه در طرح است، به طوري که دو نقطه از هم قابل تجزيه باشند. اين مفهوم معادل قدرت تفکيک در چاپگرهاست.​

شکل 2: نقش جوهر بر روي طلا که با استفاده از نانوليتوگرافي قلم آغشته در سرعت‌هاي متفاوت نگاشته شده‌اند. (سرعت‌ها از چپ به راست: 0.8، 0.6، 0.4، 0.2 و 0.1 ميکرومتر بر ثانيه)​

قدرت بي‌نظير DPN و قابليت‌هاي وسيع آن، توجه محققان زيادي را به خود جلب کرد. آنها دست به آزمايش‌هاي زيادي با اين تکنيک زدند. در نتيجة اين تحقيقات، آنها متوجه شدند فرآيند DPN براي تعداد زيادي از مولکول‌ها به عنوان جوهر قابل انجام است: سورفکتانت‌ها، مولکول‌هاي بزرگِ باردار مانند پروتئين‌ها و پوليمرها، مواد تشکيل‌دهندة سل‌ژل، اکسيدهاي فلزي و حتي نانوذرات (شکل زير را ببينيد). سطوح قابل استفاده شامل فلزات (مانند طلا اگر از تيول به عنوان جوهر استفاده شود)، نارساناها (مانند اکسيد آلومينيوم يا اکسيد سيليکون) و نيمه‌رساناها (مانند آرسنيد گاليم) هستند.

سورفَکتانت‌ها موادي آلي هستند، داراي يک سر قطبي (آب‌گريز) و يک سر غيرقطبي (آب‌دوست). سر قطبي در آب محلول است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولکول‌ها يک لاية نازکِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشکيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.​

شکل 3 : نمونه‌هايي از مواد شيميايي که به عنوان جوهر در نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته به کار گرفته شده‌اند.​

توانايي‌هاي منحصربه‌فرد فرآيند DPN آن را به روشي پيشرو براي ترسيم نقوش با تفکيک بالا در ابعاد نانومتري تبديل مي‌کند. در بين روش‌هايي که براي ابعاد زير 50 نانومتر قابل استفاده‌اند، مانند ليتوگرافي پرتو الکتروني، DPN تنها ابزاري است که مي‌تواند مولکول‌ها را به طور مستقيم در شرايط کنترل‌شده روي سطح بنشاند. در حقيقت، از آنجا که ابزارهاي DPN از ميکروسکوپ‌هاي پيمايشي استفاده مي‌کنند، مي‌توانند عمليات ترسيم نقوش و تصويربرداري را همزمان انجام دهند. مسئلة مهم در اينجا توليد نقوش پيچيده در ابعاد نانومتري نيست؛ مسئلة مهم‌تر اين است که بتوان اين نقوش را ــ که ممکن است ملزم به پياده‌سازي در چند مرحلة مجزا باشند ــ به دقت نسبت به هم تثبيت کرد. محققان با استفاده از DPN توانسته‌اند نقوش مختلف را با استفاده از جوهرهاي مختلف با خطاي کمتر از 5 نانومتر روي هم رسم کنند.

براي جمع‌بندي مي‌توانيم بگوييم که نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته، مزاياي زير را دارد:
1. قدرت تفکيک بالا. ترسيم نقوشي به کوچکي 12 نانومتر، با دقت 5 نانومتر و قابل تطبيق بر نقوش لايه‌هاي بعدي؛
2. بي‌نياز از خلأ. براي انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزن AFM، کافي است شرايط محيطي محصورشده‌اي فراهم کنيم. بر خلاف برخي روش‌هاي ديگر، در اين روش ترسيم به خلأ نيازي نيست. اين خاصيت به‌ويژه در مورد مولکول‌هاي زيستي که در خلأ آسيب مي‌بينند بسيار مهم است؛
3. قدرت ترسيم مستقيم. مواد مورد نظر مي‌توانند دقيقاً (و فقط) در جايي که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسيم‌شده به اين روش، به عنوان ***** فوتورزيست براي فرآيندهاي ميکروالکترونيک استاندارد قابل استفاده اند؛
4. امکان به کارگيري مواد گوناگون. در نقش‌هاي ترسيمي با DPN مي‌توان از انواع متنوع جوهر بر روي سطوح مختلف استفاده کرد؛
5. قابليت هدايت خودکار. اين روش را مي‌توان به‌راحتي و با برنامه‌ريزي ماشين‌هاي موجود به طور خودکار پياده کرد.
​

اين برتري‌ها، DPN را روشي بسيار سودمند براي توسعة ليتوگرافي در ابعاد نانومتري ساخته است. در مقياس آزمايشگاهي، اين تکنيک مي‌تواند همة کارآيي‌هاي ساير روش‌هاي ليتوگرافي را داشته باشد. اما حوزه‌هاي گوناگون صنعت هم مي‌توانند با استفاده از اين روش به توليد صنعتي محصولات جديد بپردازند. در ادامه به چند کاربرد اين تکنيک که احتمال صنعتي شدن آن زياد است، اشاره مي‌کنيم.
کاربردهايي براي DPN
پيش‌بيني در مورد مسير فناوري‌هاي نوظهورا بسيار مشکل است. با اين حال، بررسي تعداد مقالات و فعاليت‌هاي علمي نشان مي‌دهد که DPN احتمالاً تأثير مهمي در صنعت خواهد گذاشت. در اين بخش، به چند حوزة مهم که اين فناوري بر آنها تأثيرگذار خواهد بود تمرکز مي‌کنيم؛ گرچه هنوز حوزه‌هاي ديگري براي بررسي و پيدا کردن کاربردهاي جديد وجود دارند.

DNA يک مولکول بسيار بزرگ است که از کنار هم قرار گرفتن عوامل ساختاري کوچک‌تري به نام «ژن» تشکيل مي‌شود. ترکيب و ترتيب قرارگيري ژن‌ها در اين مولکول، همة خواص زيستيِ مولکول مانند کارکرد و سرعتِ تکثير آن را مشخص مي‌کند. در صورتي که ترتيب ژن‌ها به علت عوامل خارجي يا داخلي تغيير کند، اصطلاحاً «جهش ژنتيکي» رخ مي‌دهد که عامل بسيار مهمي در ايجاد بسياري از بيماري‌ها ــ و از همه مهم‌تر سرطان ــ است. از همين رو، اگر ترکيب ژن‌هاي DNA را ثبت کنيم، مي‌توانيم به نارسايي‌هاي آن پي ببريم و اين گام بسيار مهمي در تشخيص و درمان بيماري است (در صورت تشخيص زودهنگام سرطان، احتمال درمان بيماري بسيار زياد است).​

الف ـ آرايه‌هاي مولکول‌هاي زيستي در ابعاد ميکرو و نانو
امروزه زيست‌شناسان از روش‌هاي جديدي براي تشخيص ترکيب ژنتيکي مولکول‌هاي زيستي استفاده مي‌کنند. تقريباً همة اطلاعات لازم در مورد ساختار يک سلول و بيماري‌هاي احتمالي آن، مانند جهش ژنتيکي که عامل اصلي ايجاد سرطان و برخي نارسايي‌هاي ديگر زيستي است، در DNA وجود دارد.
جديدترين ابزاري که براي تشخيص ژن‌هاي DNA به کار گرفته مي‌شود، «چيپ‌هاي زيستيِ آرايه‌اي» است. در اين ابزار، تعداد زيادي حس‌گر که هر کدام به نوع خاصي از ژن حساس‌اند، به‌دقت کنار هم چيده شده‌اند. ترتيبِ قرارگيري آنها طوري تنظيم شده است که هر دسته از آنها نوع مشخصي از ترتيبِ ژن‌ها را مشخص مي‌کنند. به طوري که هرDNA به خاطر ساختار خاص خود تنها به يک دسته از حس‌گرها مي‌چسبد. با تشخيص محل قرارگيري مولکول DNA ناشناخته روي چيپ زيستي و مقايسة آن با مرجع، مي‌توان ترکيب ساختاري مولکول را به‌سرعت پيدا کرد.
براي ساخت چيپ‌هاي زيستيِ آرايه‌اي که بتوانند انواع مختلف DNA را تشخيص دهند، بايد بتوانيم تعداد زيادي مولکول‌ حس‌گر را به‌درستي کنار هم بچينيم. DPN به عنوان تکنيکي براي نوشتن مستقيم مولکول‌ها روي سطوح، قابليت‌هاي زيادي به دست پژوهشگران داده است و توان ساخت چيپ‌هاي پيشرفته‌تر با سرعت و دقت تشخيص بسيار بالاتر را فراهم آورده است.

ب ـ ساخت ماسک براي حک کردن طرح‌هاي نانومتري با استفاده از خوردگي مرطوب
يکي از روش‌هاي مرسوم براي ترسيم طرح‌ها روي سطوح، «خوردگي مرطوب» است. خوردگي مرطوب شباهت زيادي به تکنيکي دارد که براي ايجاد يک فيبر مدار چاپي براي يک مدار خاص الکترونيکي استفاده مي‌شود، اما در ابعادي بسيار کوچک‌تر. در اين روش ابتدا طرح مورد نظر با لايه‌اي از مواد مقاوم در برابر خوردگي روي سطح ترسيم مي‌شود. سپس سطح در مايعي قرار مي‌گيرد که خاصيت خوردگي دارد. در نتيجه، قسمت‌هايي که در تماس با مايع‌اند حل مي‌شوند. ميزان پيشروي در سطح با کنترل عوامل مختلف، مانند دما، ميزان غلظت حلال و زمان تماس با مايع قابل تنظيم است. اما لازمة اين روش، رسم طرح مورد نظر با مادة مقاوم روي سطح است. به طور سنتي اين کار با استفاده از تکنيک‌هاي عکاسي صورت مي‌گرفت، اما از انجا که طول موج نور بسيار بزرگ‌تر از نقش‌هايي است که مي‌خواهيم ايجاد کنيم، رسيدن به قدرت تفکيکِ کمتر از چند صد نانومتر با روش‌هاي سنتي غيرممکن است. به همين علت، DPN که به طور مستقيم طرح مورد نظر را با مادة مقاوم بر روي سطح رسم مي‌کند، پيشرفت بسيار مهمي در اين حوزه به شمار مي‌رود. قابليت به‌کارگيري اين تکنيک براي سطوح مختلف، ميزان اميدواري کارشناسان براي به‌کارگيري صنعتي آن را افزايش مي دهد. به‌تازگي سوزن‌هاي مخصوص چندگانه‌اي براي ترسيم موازيِ طرح‌ها با تکنيک DPN ساخته ‌شده‌اند که مي‌توانند تا ده هزار طرح را به طور موازي رسم کنند. تصوير زير را ببينيد.

شکل 4: استفاده از آراية سوزن‌ها در نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته براي حک طرح‌هاي يکسان به طور موازي​

آخرين دستاورد: استفاده از جوهرهاي خشک
به‌تازگي با استفاده از يک تکنيک جديد در مرکز تحقيقات نيروي دريايي آمريکا و دانشگاه «جُرجيا تِک» ــ که بر پاية DPN طراحي شده است ــ محققان توانسته‌اند انواع جديدي از جوهرهاي خشک را به طور کنترل‌شده روي سطح بنشانند. در اين روش، دماي سوزن ميکروسکوپِ نيروي اتمي با سازوکاري داخلي قابل تغيير و کنترل است. با افزايش دماي سوزن، مادة جامدي که به عنوان جوهر روي سوزن قرار داده شده است ذوب مي‌شود و روي سطح مي‌چسبد. با سرد کردن سوزن، ديگر جوهر به سطح نمي‌چسبد و به اين ترتيب مي‌توان طرح پياده‌شده را با دقت بيشتري کنترل کرد. مراحل اين فرآيند در تصوير زير ديده مي‌شوند. اين روش را «نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشتة گرمايي» ناميده‌اند.

يکي از مهم‌ترين مزاياي اين روش امکان به‌کارگيري آن در خلأ است. جوهرهاي مايع در خلأ قابل استفاده نيستند، زيرا به‌سرعت قبل از اينکه به سطح بچسبند بخار مي‌شوند. اين موضوع گاهي باعث کاهش دقت مسير جوهر و پخش شدن آن روي سطح مي‌شود. با استفاده از روش گرمايي امکان ترسيم نقش‌هاي ظريف‌تر فراهم شده است. محققان اميدوارند بتوانند طرح‌هايي را در ابعاد کمتر از 10 نانومتر با اين روش ترسيم کنند. استفاده از سوزن‌هاي متعدد براي ترسيم موازي، در اين روش هم امکان‌پذير شده است.

دربارة مبتكر روش ليتوگرافي قلم آغشته
«چاد ميرکين» ليسانس خود را از کالج ديکينسون (1986) و دکتراي خود را از دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا (1989) گرفت. بعد از گذراندن يک دورة پَسادکتري در ام. آي. تي با حمايت بنياد ملي علوم آمريکا جزو هيئت علمي دانشگاه نورث وسترن شد. او در حال حاضر کرسي جرج راتمان در شيمي و مديريت مرکز تحقيقات نانوفناوري را در اين دانشگاه بر عهده دارد. ميرکين همچنين رهبري يک برنامة تحقيقاتي بين‌رشته‌اي متمرکز بر فيزيک و شيمي براي ارائة راه‌حل‌هاي مسائل نانوفناوري، به‌خصوص معماري سطوح در اين ابعاد را انجام مي دهد.

او جوايز بسياري گرفته است که از جمله مي‌توان به اينها اشاره کرد:
1. جايزة ACS در شيمي محض؛
2. جايزة فاينمن؛
3. جايزة ويلسون از دانشگاه هاروارد.
او جزو بنيانگذاران دو شرکت Nanoink و Nanosphere است. فعاليت‌هاي اين دو شرکت بر اساس يافته‌هاي علميِ گروه او شکل گرفته‌اند.
​

منابع و توضیحات:
- Getting Small with Dip-Pen Nanolithography, S. Cruchon-Dupeyrat, Nanoink Inc.
- “Nanoscale Deposition of Solid Inks via Thermal Dip Pen Nanolithography”, P.E.Sheehan et al. Applied Physics Letters, 2004, Vol. 85, No. 9, pp. 1589-1591
- “The Evolution of Dip-Pen Nanolithography”, Chad A. Mirkin et al. Angew. Chem Int. Ed. 2004, pp. 30, 43, 45

 

[m4material]

نفهميدن فيزيک کوانتوم در هفت گام​

نيلز بور (1962-1885)، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم، در مورد چيزي که بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون که اگر کسي بگويد فيزيک کوانتوم را فهميده، پس چيزي نفهميده است. من هم در اينجا مي خواهم چيزي را برايتان توضيح دهم که قرار است نفهميد!

شکل 1: نيلز بور، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم​

گام اول: تقسيم ماده
بياييد از يک رشته‌ي دراز ماکارونيِ پخته شروع کنيم. اگر اين رشته‌ي ماکاروني را نصف کنيم، بعد نصف آن را هم نصف کنيم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنيم و... شايد آخر سر به چيزي برسيم ــ البته اگر چيزي بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکاروني مي‌توان گفت؛ يعني کوچکترين جزئي که هنوز ماکاروني است. حال اگر تقسيم کردن را باز هم ادامه بدهيم، حاصل کار خواص ماکاروني را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ي تقسيم، به مولکول‌هاي کربن يا هيدروژن يا... بربخوريم. اين وسط، چيزي که به درد ما مي خورد ــ يعني به دردِ نفهميدنِ کوانتوم! ــ اين است که دست آخر، به اجزاي گسسته اي به نام مولکول يا اتم مي رسيم.
اين پرسش از ساختار ماده که «آجرکِ ساختماني ماده چيست؟»، پرسشي قديمي و البته بنيادي است. ما به آن، به کمک فيزيک کلاسيک، چنين پاسخ گفته ايم: ساختار ماده، ذره اي و گسسته است؛ اين يعني نظريه‌ي مولکولي.
گام دوم: تقسيم انرژي
بياييد ايده‌ي تقيسم کردن را در مورد چيزهاي عجيب تري به کار ببريم، يا فکر کنيم که مي توان به کار برد يا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم اين نيست که داخل يک قوطي جيغ بکشيم و در آن را ببنديم و سعي کنيم جيغ خود را نصف ـ نصف بيرون بدهيم. صوت يک موج مکانيکي است که مي تواند در جامدات، مايعات و گازها منتشر شود. چشمه هاي صوت معمولاً سيستم هاي مرتعش هستند. ساده ترين اين سيستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجره‌ي انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتي(!) و بر اساس مکانيک کلاسيک مي توان نشان داد که بسياري از کمّيت هاي مربوط به يک تار کشيده‌ي مرتعش، از جمله فرکانس، انرژي، توان و... گسسته (کوانتيده) هستند. گسسته بودن در مکانيک موجي پديده اي آشنا و طبيعي است (براي مطالعه‌ي بيشتر مي توانيد به فصل‌هاي 19 و 20 «فيزيک هاليدي» مراجعه کنيد). امواج صوتي هم مثال ديگري از کمّيت هاي گسسته (کوانتيده) در فيزيک کلاسيک هستند. مفهوم موج در مکانيک کوانتومي و فيزيک مدرن جايگاه بسيار ويژه و مهمي دارد که جلوتر به آن مي رسيم و يکي از مفاهيم کليدي در مکانيک کوانتوم است.
پس گسسته بودن يک مفهوم کوانتومي نيست. اين تصور که فيزيک کوانتومي مساوي است با گسسته شدن کمّيت هاي فيزيکي، همه‌ي مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّيت هاي گسسته در فيزيک کلاسيک هم وجود دارند. بنابراين، هنوز با ايده‌ي تقسيم کردن و سعي براي تقسيم کردن چيزها مي‌توانيم لذت ببريم!
گام سوم: مولکول نور
خوب! تا اينجا داشتم سعي مي کردم توضيح دهم که مکانيک کوانتومي چه چيزي نيست. حالا مي رسيم به شروع ماجرا:
فرض کنيد به جاي رشته‌ي ماکاروني، بخواهيم يک باريکه‌ي نور را به طور مداوم تقسيم کنيم. آيا فکر مي کنيد که دست آخر به چيزي مثل «مولکول نور» (يا آنچه امروز فوتون مي‌ناميم) برسيم؟ چشمه هاي نور معمولاً از جنس ماده هستند. يعني تقريباً همه‌ي نورهايي که دور و بر ما هستند از ماده تابش مي‌کنند. ماده هم که ساختار ذره اي ـ اتمي دارد. بنابراين، بايد ببينيم اتم ها چگونه تابش مي کنند يا مي توانند تابش کنند؟
گام چهارم: تابش الکترون
در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتم ها، مثل ميوه‌ها، داراي هسته‌ي مرکزي هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون‌ها به دور هسته مي چرخند. اما الکترون هاي در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبناي اصول الکترومغناطيس، «ذره‌ي بادارِ شتابدار بايد تابش کند» و در نتيجه انرژي از دست بدهد و در يک مدار مارپيچي به سمت هسته سقوط کند. اين سرنوشتي بود که مکانيک کلاسيک براي تمام الکترون ها پيش‌بيني و توصيه(!)

شکل 2: طيف تابشي اتم‌ها، بر خلاف فرضيات فيزيک کلاسيک گسسته است. به عبارت ديگر، نوارهايي روشن و تاريک در طيف تابشي ديده مي‌شوند.
در اين تصوير، طيف تابشي کربن را مي‌بينيد.​

مي کرد و اگر الکترون ها به اين توصيه عمل مي کردند، همه‌ي‌ مواد ــ از جمله ما انسان‌ها ــ بايد از خود اشعه تابش مي کردند (و همان‌طور که مي‌دانيد اشعه براي سلامتي بسيار خطرناک است)! ولي مي‌بينيم از تابشي که بايد با حرکت مارپيچي الکترون به دور هسته حاصل شود اثري نيست و طيف نوريِ تابش‌شده از اتم ها به جاي اينکه در اثر حرکت مارپيچي و سقوط الکترون پيوسته باشد، يک طيف خطي گسسته است؛ مثل برچسب هاي رمزينه‌اي (barcode) که روي اجناس فروشگاه ها مي زنند. يعني يک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش فرو نمي‌ريزد، بلکه نوري هم که از خود تابش مي‌کند، رنگ ها ــ يا فرکانس هاي ــ گسسته و معيني دارد. گسسته بودن طيف تابشي اتم ها از جمله علامت سؤال هاي ناجور در مقابل فيزيک کلاسيک و فيزيکدانان دهه‌‌ي 1890 بود.
گام پنجم: فاجعه‌ي فرابنفش
برگرديم سر تقسيم کردن نور.
ماکسول (1879-1831) نور را به صورت يک موج الکترومغناطيس در نظر گرفته بود. از اين رو، همه فکر مي کردند نور يک پديده‌ي موجي است و ايده‌ي «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، يک لطيفه‌ي اينترنتي يا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب مي شد. به هر حال، دست سرنوشت يک علامت سؤال ناجور هم براي ماهيت موجي نور در آستين داشت که به «فاجعه‌ي فرابنفش» مشهور شد:
يک محفظه‌ي بسته و تخليه‌شده را که روزنه‌ي کوچکي در ديواره‌ي آن وجود دارد، در کوره اي با دماي يکنواخت قرار دهيد و آن‌قدر صبر کنيد تا آنکه تمام اجزا به دماي يکسان (تعادل گرمايي) برسند.

شکل 3: جسم سياه​

در دماي به اندازه‌ي کافي بالا، نور مرئي از روزنه‌ي محفظه خارج مي‌شود ــ مثل سرخ و سفيد شدن آهن گداخته در آتش آهنگري.

شکل 4: نمودار انرژي تابشي در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رايلي- جينز در فيزيک کلاسيک و رابطه پيشنهادي پلانک​

در تعادل گرمايي، اين محفظه داراي انرژي تابشي‌اي است که آن را در تعادل تابشي ـ گرمايي با ديواره ها نگه مي‌دارد. به چنين محفظه‌اي «جسم سياه» مي‌گوييم. يعني اگر روزنه به اندازه‌ي كافي كوچك باشد و پرتو نوري وارد محفظه شود، گير مي‌افتد و نمي‌تواند بيرون بيايد.
فرض کنيد ميزان انرژي تابشي در واحد حجمِ محفظه (يا چگالي انرژي تابشي) در هر لحظه U باشد. سؤال: چه کسري از اين انرژي تابشي که به شکل امواج نوري است، طول موجي بين 546 (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند. جوابِ فيزيک کلاسيک به اين سؤال براي بعضي از طول موج‌ها بسيار بزرگ است! يعني در يک محفظه‌ي روزنه دار که حتماً انرژي محدودي وجود دارد، مقدار انرژي در برخي طول موج‌ها به سمت بي نهايت مي‌رود. اين حالت براي طول موج‌هاي فرابنفش شديدتر هم مي‌شود. (نمودار شکل 4 را ببينيد.)
گام ششم: رفتار موجي ـ ذره‌اي
در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولين گام را به سوي مولکول نور برداشت و با استفاده از ايده‌ي تقسيم نور، جواب جانانه‌اي به اين سؤال داد. او فرض کرد که انرژي تابشي در هر بسامدِ ν ــ بخوانيد نُو ــ به صورت مضرب صحيحي از νh است که در آن h يک ثابت طبيعي ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. يعني فرض کرد که انرژي تابشي در بسامد ν از «بسته هاي کوچکي با انرژي νh» تشکيل شده است. يعني اينکه انرژي نوراني، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژي به‌تنهايي در فيزيك كلاسيك حرفِ ناجوري نبود‌ (همان‌طور كه قبل‌تر در مورد امواج صوتي ديديم)، بلکه آنچه گيج‌كننده بود و آشفتگي را بيشتر مي‌کرد، ماهيتِ «موجي ـ ذره‌اي» نور بود. اين تصور كه چيزي ــ مثلاً همين نور ــ هم بتواند رفتاري مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاري مثل «ذره»، به طرز تفكر جديدي در علم محتاج بود.

شکل 5: ماکس پلانک، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم​

ذره چيست؟ ذره عبارت است از جرم (يا انرژيِ) متمركز با مكان و سرعتِ معلوم. موج چيست؟ موج يعني انرژي گسترده‌شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف مي‌توانند با هم برخورد كنند، اما امواج با هم برخورد نمي‌كنند، بلكه تداخل مي‌كنند (شکل 6). نور قرار است هم موج باشد هم ذره! يعني دو چيز كاملاً متفاوت.

شکل 6: تداخل امواج آب​

گام هفتم: نرسيدن!
در بخش بعدي اين مقاله مفاهيم فيزيک کوانتوم را بيشتر خواهيم شناخت و ارتباط آن را با نانوفناوري بررسي خواهيم کرد.
1.مقالاتي در مورد مکانيک کوانتومي
2.لينک‌هاي مفيد در مورد مکانيک کوانتومي
3.جسم سياه و تابش مادون قرمز
4.تابش جسم سياه
5.ثابت پلانک
6.ثابت پلانک و انرژي فوتون
7.مکانيک کوانتومي

 

[m4material]

نقاط کوانتومی، روش‌های ساخت و کاربردها​

نقاط کوانتومي ــ يا نانوکريستال‌ها ــ در دستة نيمه‌رساناها جاي مي‌گيرند. نيمه‌رساناها اساس صنايع الکترونيک جديد هستند و در ابزارهايي مانند ديودهاي نوري و رايانه‌هاي خانگي به کار گرفته مي‌شوند. اهميت نيمه‌رساناها در اين است که رسانايي الکتريکي اين مواد را مي‌توان با محرک‌هاي خارجي مانند ميدان الکتريکي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي که از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يک کليد عمل کنند. اين خاصيت، نيمه‌رساناها را به يکي از اجزاي حياتي انواع مدارهاي الکتريکي و ابزارهاي نوري تبديل کرده است.
نقاط کوانتومي، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در کاربردهاي علمي و فني به نقاط کوانتومي مي‌بخشد.

کارآيي نقاط کوانتومي به خاطر قابل تنظيم بودن طول موجي است که بيشترين شدت نور را تابش مي‌کند. وقتي نقاط کوانتومي را با محرک نور ماوراي بنفش وادار به تابش کنيم، اين طول موج، رنگ نقاط کوانتومي را مشخص مي‌کند (شکل). مقدار اين طول موج به جنس و اندازة نقاط کوانتومي بسيار حساس است و روش‌هاي جديد در فناوري نانو، به توليدکنندگان آنها توانايي زيادي در کنترل دقيق اين طول موج بخشيده است. اين خاصيت مهم نقاط کوانتومي، فقط با مکانيک کوانتومي قابل توصيف است که در ادامه به آن اشاره مي‌کنيم.
الکترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يک الکترون انرژي متفاوتي از الکترون ديگر دارد، گفته مي‌شود که در يک تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الکترون‌ها باعث مي‌شود که بيش از دو الکترون نتوانند در يک تراز انرژي قرار بگيرند. در يک تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديک هم هستند؛ آن‌قدر نزديک که به صورت يک بازة پيوسته توصيف مي ‌شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است که درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يک گپ (شکاف، فاصله) وجود دارد، يعني الکترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الکترون‌هايي که ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌کنند «الکترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الکترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الکترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار کمي از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الکترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري که آنها را تقريباً پر مي‌کنند. همين پديده باعث مي‌شود که موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الکتريکي باشند. اگر الکترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي کافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت کنند. تحريک با نور، ميدان الکتريکي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الکترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي که خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يک حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريکي که باعث جهش الکترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي گپ داشته باشد. انرژي پهناي گپ در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است که تنها به ترکيب آن مواد بستگي دارد. الکترون‌هايي که به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الکترون‌ها جهش‌هاي بسيار کوچکي مي‌کنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند که در نتيجه انرژي به پايين‌ترين تراز سطح در نوار رسانش مي‌رسد و سپس با تابش انرژي به صورت نور، به نوار ظرفيت منتقل مي‌شوند. از آنجا که گپ انرژي نيمه‌رسانا کاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.

در نقاط کوانتومي امکان تغيير اندازة گپ انرژي وجود دارد. مي‌توان با اين امکان، طول موج نور تابش‌شده را تنظيم کرد. نقاط کوانتومي هم از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومي بازه‌اي از انرژي‌ها را دارند. مفاهيم تراز انرژي، گپ انرژي، نوار رسانش و نوار ظرفيت هم هنوز معتبرند. با اين حال، يک تفاوت بارز وجود دارد: وقتي يک الکترون به نوار رسانش برانگيخته مي‌شود، بايد به طور حقيقي، مقداري هم در ماده جابه‌جا شود. اين فاصلة کوچک را به احترام نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي، «شعاع بور» مي‌نامند. در تودة ماده اين جابه‌جايي بسيار کوچکتر از ابعاد جسم است، به طوري که الکترون به‌راحتي مي‌تواند در ماده به اندازة لازم جابه‌جا شود. اما اگر کريستال نيمه‌رسانا در حدّ شعاع بور کوچک باشد، ديگر قواعد تودة ماده بر آن حاکم نيست. در اين حالت، ديگر نمي‌توان انرژي‌هاي مجاز را پيوسته در نظر گرفت و بين هر دو تراز انرژي فاصله مي‌افتد. تحت اين شرايط، مادة نيمه‌رسانا ديگر خاصيت‌هاي حالت توده‌اي خود را از دست مي‌دهد. اين اختلاف تأثير زيادي روي شرايط جذب يا تابش نور در نيمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهاي انرژي در نقاط کوانتومي ديگر پيوسته نيستند، کاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة کوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة کوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، که باز هم به دليل اندازة بسيار کوچک اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة کوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الکترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد کنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج کوتاه‌تري داشته باشد، يا به اصطلاح، انتقال به آبي يافته باشد. اين خاصيت باعث ايجاد قابليت تنظيم طول موج تابشي، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه براي نقاط کوانتومي مي‌گردد.
روش ساختن نقاط کوانتومي
براي ساختن نقاط کوانتومي مي‌توان هم از روش‌هاي بالا به پايين و هم از روش‌هاي پايين به بالا استفاده کرد. روش‌هاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد کرده‌اند. مزيت استفاده از روش‌هاي بالا به پايين، در امکان کنترل بيشتر محل نقاط کوانتومي و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش است.
يکي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز کولوئيدي است. در اين روش، نمک‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

سورفَکتنت‌ها موادي آلي هستند که يک سر قطبي (آب‌گريز) و يک سر غيرقطبي (آب‌دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولکول‌ها يک لاية نازکِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشکيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.​

نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازک با استفاده از واکنش‌هاي الکتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني مي‌توان نقاط کوانتومي را در محل مشخصي حک کرد و با طراحي مدارهاي مناسب اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.
کاربردهايي براي نقاط کوانتومي

1. نشانگرهاي بيولوژيکي
امکان تابش در فرکانس‌هاي مطلوب، نقاط کوانتومي را ابزاري کارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط کوانتومي را به انتهاي بيومولکول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل کرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط کوانتومي اين امکان را فراهم آورده است که همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به کار برد و از نحوه و ميزان برهمکنش آنها مطلع شد.
پيش از اين از مولکول‌هاي رنگي براي اين کار استفاده مي‌شد که تنوع کمتري از نقاط کوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌کارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند.
2. ديودهاي نوراني سفيد
قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط کوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد که آنها را به عنوان ديود نوراني به کار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازة بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با کارآيي بسيار بالا ايجاد کرد. همچنين با ترکيب نقاط کوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد کرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يک طريق برانگيخت.
مي‌دانيم که نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه کرد؛ مانند همان چيزي که در رنگين‌کمان مشاهده مي‌کنيم. معکوس اين حالت هم امکان‌پذير است، يعني مي‌توان با ترکيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد کرد که سفيد به نظر بيايد. با آنکه نقاط کوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌کنند، اما همة آنها را مي‌توان با يک پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌هاي رنگي) که همة محلول‌ها تحت تابش يک منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط کنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌کنند. چون طيف تابشي نقاط کوانتومي بسيار باريکتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، که در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

3. اتم‌هاي مصنوعي
باردار کردن نقاط کوانتومي، به علت کوچکي، به سادگيِ باردار کردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه کردن هر الکترون به يک نقطة کوانتومي، بايد بر انرژي الکترواستاتيک بين الکترون‌هاي روي نقطة کوانتومي غلبه کرد. اين کار را با اِعمال ميدان الکتريکي انجام مي‌دهند. الکترون‌هايي که به نقاط کوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ کوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند که خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين کسي که اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.
4. عناصر مدارهاي نوري
يکي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط کوانتومي، مي‌تواند بر اين مشکل فائق آيد. نقاط کوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي کارآمدتر با اغتشاش کمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌کنند.
5. مولدهاي انرژي خورشيدي
در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يکي از منابع مهم توليد انرژي الکتريکي، تابش خورشيد است. مشکل اصليِ مولدهاي کنونيِ انرژي خورشيدي، هزينة بالا و کارآيي کمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند که با جذب نور خورشيد، الکترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌کنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محرکة الکتريکي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها که جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود. با طراحي نقاط کوانتومي که بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي مولدهاي انرژي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

 

[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]

متخصصان ايراني نانوسيد ساختند​

گرچه حرف و حديث در مورد علوم و فناوري‌هاي نانو بسيار است، اما در عمل، محصولات بسيار کمي توليد شده‌اند. از اين رو، باخبر شدن از توليد چند محصول نانويي توسط يک شرکت ايراني مي‌تواند واقعة مهمي به شمار آيد.
به‌تازگي يک شرکت ايراني به نام نانو نصب پارس موفق به توليد چند نوع فراوردة نانويي در کشور شده است. مهم‌ترين آنها «نانوسيد» ناميده مي‌شود. نانوسيد به کار ضد قارچ کردن محصولات کشاورزي مي‌آيد. اين محصول انواع آزمايش‌هاي کيفي، بهداشتي و صنعتي را با موفقيت پشت سر گذاشته و به بازار عرضه شده است. در مورد فعاليت‌هاي اين شرکت، خبرنگار باشگاه نانو، گفت‌وگويي با مهندس رحمانيان (مديرعامل شرکت) و مهندس الهي (کارشناس شرکت)، انجام داده است که در زير مي‌خوانيد:

باشگاه نانو: شرکت نانونصب پارس چه نوع شرکتي است و در چه زمينه‌اي فعاليت مي‌کند؟
مهندس رحمانيان: شرکت نانونصب پارس از شرکت نصب نيروي ايران جدا شده است. اين شركت اولين توليدكنندة محصولات نانو در ايران به شمار مي‌رود. از آغاز به كار اين شرکت تا کنون سه اختراع در زمينة نانو توسط کارشناسان آن صورت گرفته و به ثبت رسيده است. در حال حاضر ما صاحب فناوري ساخت محصولات نانويي هستيم. محصولات اولية توليدي شركت سه نوع است که با حروفG ،P , L مشخص مي‌شود و با نام تجاري «نانوسيد» (Nanocid) ثبت و معرفي شده است. اين محصول هم به صورت كلوئيد و هم به صورت پودر براي مصارف خانگي و صنعتي عرضه مي‌شود.

ب. ن: لطفاً در مورد شركت نصب نيرو و فعاليتهاي آن بيشتر بگوييد.
م. ر: شرکت نصب نيروي ايران در زمينة صنعت کار مي‌کند. روش کار شركت نصب نيرو بدين صورت است که ابتدا تحقيق را در زمينه‌هاي مختلف انجام مي‌دهد. بعد اگر نتيجة تحقيقات در مورد آن زمينه مثبت بود، تکميلشان مي‌کند و بعد خط توليد محصول را راه مي‌اندازد. علاوه بر اين، 30 درصد سود شرکت به فعاليت‌هاي تحقيق و توسعه (R&D) اختصاص دارد.

ب. ن: يعني در اين شرکت ايده‌ها گرفته و تبديل به محصول مي‌شوند و دست آخر خودشان يک شرکت مستقل را تشکيل مي‌دهند؟
م. ر: بله. و به علاوه، شرکت ما قبل از ورود به يک زمينه ابتدا و انتهاي آن را مطالعه و از قبل پيش‌بيني مي‌کند و سپس پا در آن عرصه با عرصه‌ها مي‌گذارد. يکي از اين عرصه‌ها نانوفناوري است. شرکت تحقيقات خود را در اين زمينه آغاز کرد و نتايج آن را به تأييد رساند و سپس شروع به کار در اين زمينه نمود. مراحل کار ما هم بدين صورت بود که ابتدا گروهي دانش لازم را کسب و آن را به کشور وارد کردند. سپس نمونه‌هايي از محصول ساخته شد. در مرحلة بعد، نمونة مطلوب مورد تأييد قرار گرفت و در حال حاضر توليد انبوه در دستور کار قرار گرفته است. جالب است بدانيد که در همين مرحله شرکت‌هايي در خارج و داخل از کشور وجود دارند که حاضرند نمايندگي محصولات ما را به عهده بگيرند. علت اين است که محصول نانوسيد کاربردهاي فراواني دارد و براي اولين‌بار توليد شده است. نکتة ديگر که بايد بگويم اين است که سعي ما استفاده از نيروهاي جوان و نخبه است. آنها توانايي‌هايشان را در عمل ثابت کرده‌اند و يکي از عوامل پيشرفت ما هم همين افراد هستند.

ب. ن: طرح توليد «نانوسيد» (Nanocid) را مهندسان شرکت دادند؟
م. ر: بله. روش کار ما اين‌گونه است که ابتدا متخصصان شرکت تعدادي موضوع را مشخص مي‌کنند و از آنجا که کار در همة زمينه‌ها امکان‌پذير نيست، دربارة آنها به تحقيق مي‌پردازند و بهترينِ آنها را از نظر اقتصادي بودن و پاسخگويي آن به نيازهاي اساسي کشور، انتخاب مي‌کنند. در اين انتخاب توانايي‌هاي شرکت نيز مد نظر قرار مي‌گيرد. نانوسيد يکي از اين طرح‌هاست که همة جوانب آن در نظر گرفته شده است. يکي ديگر از زمينه‌هايي که در آينده کار در مورد آن را شروع مي‌کنيم بيوتکنولوژي است که روزبه‌روز بر اهميت آن در جهان و همچنين ايران افزوده مي‌شود.

باشگاه نانو: نانوسيد چه کاربردي دارد و آيا محصول شما توان رقابت با شرکت‌هاي خارجي و احياناً داخلي ديگر را دارد؟
مهندس الهي: پُربازده‌ترين محصولات نانو در دنيا به سه دستة «نانوتيوب‌ها»، «نانوکلوئيدها» و «نانوکامپوزيت‌ها» تقسيم مي‌شوند و به‌خصوص روي دو مورد آخر سرمايه‌گذاري زيادي صورت گرفته است. بخش تحقيقاتي ما در تلاش است روي تمام محصولاتي که مي‌شود توليد کرد کار کند و تا به حال به کلوئيدها به خاطر پتانسيل قوي اقتصادي و کاربردهاي زيادي که در ايران و جهان دارند بهاي بيشتري داده است. شرکت‌هاي معتبري در دنيا هستند که در اين زمينه کار مي‌کنند و رقابت ما در سطح جهاني صورت مي‌گيرد. محصول توليدي شرکت ما از دو جهت رقابت‌پذير است: يکي از نظر قيمتي و ديگري از نظر کيفيت. به‌جرأت مي‌توانم بگويم که کيفيت محصولات ما به گونه‌اي است که مي‌تواند با محصولات مشابه خارجي رقابت کند. نانوسيد در سه بخش توليد مي‌شود: بخش P مربوط به نانوکامپوزيت‌ها؛ بخش L که به صورت کلوئيدها و ذرات نانونقره توليد مي‌شود، و بالاخره بخش G ــ که سعي در توليد آن داريم ــ بازارهاي خانگي را هدف قرار مي‌دهد. بخش G از Tio2 تشکيل شده و داراي پوشش نقره است. Tio2 استحکام زيادي دارد و وقتي در پليمرها استفاده شود خواص آنها را چند برابر مي‌کند. با نقره پوشاندن Tio2 پودري به دست مي‌دهد که وقتي آن را به مادة ديگري ــ مانند الياف پارچه ــ اضافه کرديم، توانستيم خواص ضد باکتري آن را مشاهده کنيم. اين خواص مي‌توانند تجارت خارجي ايران را متحول کنند.
ب. ن: چطور چنين چيزي ممکن خواهد شد؟
م. ا: به چند علت:
1. محصولات ما خاصيت ضد باکتري در مدتي طولاني دارند، در حالي که محصولات مشابه خارجي زود خاصيت ضد باکتري خود را از دست مي‌دهند؛
2. محصولات ما استحکام مکانيکي دارند که از ضد باکتري بودن آنها ناشي مي‌شود. مثلاً استفاده از اين فناوري در کولرهاي جديد که قابليت توليد اکسيژن و ضد عفوني کردن را دارند. همة اين ويژگي‌ها به خاطر وجود نقره (Ag ) است و در بخش P قرار دارد.
محصولات غير ايراني در بخش L از يون نانونقره استفاده مي‌کنند و به خاطر همين، خواص ضدباکتري (آنتي‌باکتريال) محصول بعد از مدتي از بين مي‌رود. ولي محصول ما چون از ذرات فلزي نانونقره ساخته شده است، خاصيت ضد باکتري خود را بسيار بيشتر از محصولات مشابه خارجي حفظ مي‌کند و اين راز موفقيت ماست.
يکي از بيشترين کاربردهاي اين محصول در مصارف عمومي است. يعني مثلاً اگر لباس شما خاصيت ضد ميکروب داشته باشد، وقتي آن را دور مي‌اندازيد، تا مدت زيادي ميکروب به خود نمي‌گيرد و بازيافت آن آسان‌تر مي‌شود. گروه ما در حال تحقيق و بررسي است و تا به حال حدود نود درصد بازدهي محصول را به دست آورده است. يعني ما به‌زودي خواهيم ديد که محصولاتي مانند لباس، پنل خودرو و لوازم بهداشتي براي مدت نسبتاً طولاني ضد ميکروب مي‌شوند. اساس اين حرف اين است که حدود هفتاد درصد مواد اطراف ما از پليمر‌ها ساخته شده‌اند. حال فرض کنيد که هفتاد درصد مواد اطراف ما ضد ميکروب يا همان ضد باکتري شود، يعني عملاً روش‌هاي ضد عفوني کردن با استفاده از مواد پاک‌کنندة رايج يا استفاده از اشعة گاما که براي انسان و طبيعت مضرند، منسوخ مي‌شوند. به اين وسيله مي‌توان از بروز بيماري‌هاي همه‌گير مانند وبا، سارس و... جلوگيري کرد. لازم است يادآوري کنم که اين محصول به تأييد انستيتو پاستور ايران رسيده است.
در توليد نانوسيد رقابت اصلي ما با شرکت‌هاي خارجي و شناخته‌شده‌اي مانند LG ، SAMSUNG و... است که تحت ليسانس شرکت آمريکايي Ag Ion فعاليت مي‌کنند و محصولات خود را تحت ليسانس اين شرکت به بازار مي‌فرستند و مي‌دانيد که سرمايه‌گذاري آنها در اين بخش چقدر زياد است. ولي در عوض، سه ويژگي زير باعث مي‌شود که ما بتوانيم با اين شرکت‌ها رقابت کنيم:
1. مقاومت نسبت به مادة ضد باکتري در باکتري‌ها ايجاد نمي‌شود؛
2. غير سمي است؛
3. قيمت آن در بازارهاي جهاني بسيار پايين است.

ب. ن: ابزار و دستگاه‌هايتان را از خارج خريده‌ايد يا خير؟ و بگوييد که آيا مشابه خارجي براي محصولتان وجود دارد؟
م. ر: ابزارهاي ما به دو دسته تقسيم مي‌شوند: ابزارهاي توليدي و ابزارهاي تحقيقاتي، که ابزارهاي توليدي ساخت داخل‌اند و ابزارهاي تحقيقاتي و آزمايشگاهي ما از آزمايشگاه‌هاي دانشگاه‌هاي مختلف مانند صنعتي شريف و تهران يا مراکز علمي مانند مرکز تحقيقات پليمر و مرکز تحقيقات رنگ يا حتي چند شرکت خارجي فراهم آمده است. در زمينه‌هاي بهداشتي هم از انستيتو پاستور کمک مي‌گيريم و بخش تئوريک تحقيقات هم همان‌طور که گفته شد در داخل شرکت انجام مي‌شود. در مورد بخش دوم سؤال هم بايد بگويم که براي نانوذرات فلزي چه در داخل و چه در خارج از کشور مشابهي نمي‌توان يافت و آنچه به عنوان نانوسيلور استفاده مي‌شود همان يون نقره است که خواص ضد باکتري خود را بعد از مدتي از دست مي‌دهد. اميد ما اين است که با توليد نانوسيد جاي خود را در بازارهاي داخلي و خارجي باز کنيم.

 

[m4material]

کاربردهای نقاط کوانتومی​

نقاط کوانتومی، بلورهایی نانومتری هستند که از خود نور ساطع می کنند. طول موج نور ساطع شده از آنها به اندازه بلور بستگی دارد. به علت اینکه الکترون ها در این بلورهای نانومتری به روش یکسانی رفتار می کنند، آنها را نقاط کوانتومی می نامند.
موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم و غیره بسته به اندازه، طول موج یا رنگ معینی از نور را پس از تحریک الکترون ها با استفاده از یک منبع خارجی از خود ساطع می کنند. انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیص های پزشکی کاربرد فراوانی دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می کنند با این تفاوت که در برابر درخشان شدن خاصیت و توانایی خود را از دست نمی‌دهند و در برابر تعداد سیکل های تحریک و انتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.
نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در رنگ های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می توانیم نقاط کوانتومی را بسته به فرکانس مورد نیاز نور انتخاب کنیم و باعث شویم تا یک گروه از نقاط کوانتومی مشابه گروه دیگری با یک یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسبهای چندگانه امکان می دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند.
در دانشگاه فنی جورجیا و مرکز تحقیقات کمبریج ار نقاط کوانتومی در تصویر برداری سلول های تومور در موش استفاده شده است. این نقاط کوانتومی از هسته های کادمیومی به قطر 5 نانومتر که با سولفید سلینید پوشیده شده بودند درست شده بودند و توسط پوششی از پلیمر محافظت می شدند تا از حمله آنتی بادی های بدن موش به آنها و نیز نشت یونهای کادمیوم و سلینیوم سمی در بدن جلوگیری شود.

به پوسته خارجی این نقاط کوانتومی آنتی بادیهایی متصل شد تا به صورت هدفمند به سلول تومور پرستات متصل شوند. نقاط کوانتومی با کمک جریان خون و از طریق تزریق وارد بدن شده و در محل تومور جمع شدند تا علاوه بر ایجاد قابلیت آشکار سازی در تصویربرداری به درمان و نابودی این سلولهای تومور نیز کمک نمایند.
امروزه از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلولهای سالم و سلولهای تومور در مغز کمک گرفته می شود. تیمی از محققان از بنیاد کلینیک کلیولند اعلام داشته اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می کنند این نقاط کوانتومی قابل رویت هستند و حتی زمانی که تحت تابش قرار نمی گیرند نیز مرئی می باشند. نتایج کار این تیم تحقیقاتی در مجله نئوسرجری درج شده است. بر این اساس زمانی که حجم زیادی از نقاط کوانتومی به موشهای مبتلا به تومور مغزی تزریق شد، نانوکریستال های فلوئوروسانت در سلول های ایمنی موش ها (ماکروفاژها) تجمع می کنند. این سلولها می توانند از سد بین مغز و خون بگذرند و در اطراف سلولهای مغزی جای گیرند. زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین های دیجیتالی ویژه ، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعیین می‌کنند.

 

[m4material]

انتقال گرما به وسيله نانوسيالات​

سيستم‌هاي خنک کننده، يکي از مهم‌ترين دغدغه‌هاي کارخانه‌ها و صنايع و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه‌رو می‌‌‌‌‌‌‌باشد. در اين شرايط استفاده از سيستم‌هاي خنک‌کننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتناب‌ناپذير است. بهينه‌سازي سيستم‌هاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي‌گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاه‌ها مي‌شود؛ لذا براي غلبه‌ بر اين مشکل، به خنک کننده‌هاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده‌اند.
نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سال‌هاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولوله‌هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد مي‌کند؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون‌هاي معمولي، به غلظت‌هاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است.
البته از سوسپانسيون نانوذرات فلزي، در ديگر زمينه‌ها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است.

تصاوير ميکروسکوپی از نانو سيال مس (چپ)،
نانو ذرات اکسيد مس (وسط)
ذرات کلوئيدي طلاسرب (راست)​

انتقال حرارت در سيالات ساکن
خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيون‌هاي معمولي، رابطه غيرخطي بين هدايت وغلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما است. اين خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهيه نسبتاً آسان و ويسکوزيته یا گرانروی قابل قبول باعث شده تا اين سيالات به عنوان يکي از مناسب‌ترين و قوي‌ترين انتخاب‌ها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند. بيشترين تحقيقات روي هدايت حرارتي نانوسيالات، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است یکی از اين پژوهش ها افزايش 30 درصدي هدايت حرارتي را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمي آلومينا به آب نشان می‌‌‌‌‌‌‌دهد. البته در يک پژوهش مشابه ديگر، محققان به افزايش 15 درصدي هدايت گرمایی را براي همين نوع نانوسيال با همين درصد حجمي دست یافتند که مشخص شد تفاوت اين نتايج ناشي از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در اين دو تحقيق بوده است. قطر متوسط ذرات آلوميناي بکاررفته در آزمايش اول 13نانومتر و در آزمايش دوم 33 نانومتر بوده است.
خلاصه
خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيون‌هاي معمولي، رابطة غيرخطي بين هدايت و غلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما است.
خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهية نسبتاً آسان و ويسکوزيتة قابل قبول باعث شده تا نانوسيالات به عنوان يکي از مناسب‌ترين و قوي‌ترين انتخاب‌ها در زمينة سيالات خنک کننده مطرح شوند.
مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولوله‌هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد مي‌کند.
اصل اين مقاله در ماهنامه شماره 109 فناوری نانو به چاپ رسيده است

منابع و توضیحات:
- برگرفته از مجله فناوری نانو

 

[m4material]

فناوری نانو و پدیده های فیزیکی​

حتما تاکنون پیش آمده که سنگی را به درون دریاچه ای مملو از آب پرتاب کرده یا انداخته باشید.

بیایید امتحان کنیم. یک لیوان را پر از آّب کنید و روی میز قرار دهید. حال یک تیله را به آرامی درون آب بیاندازید. ملاحظه می کنید که تیله در هنگام برخورد با سطح آب سبب می شود تا آب به اطراف پاشیده شود . به عبارتی تیله با ایجاد صدایی "پولوپ"، آب را می شکافد و وارد آن می شود. دوباره این کار را با جسمی دیگر امتحان کنید. خواهید دید که شکل پاشیده شدن آب به اطراف متفاوت خواهد بود و حتی اگر با یک دوربین حرفه ای از این صحنه ها فیلمبرداری کنید متوجه خواهید شد که حتی دو شیء یکسان، هم وزن و همجنس را نمی توانید پیدا کنید که به طور یکسان آب را به اطراف پراکنده سازند.

Lydéric Bocquet و همکارانش در دانشگاه کلودبرنارد لیئون در فرانسه در خصوص این پدیده پیچیده مطالعاتی انجام داده اند. آنها به دنبال یافتن پاسخ این سوال که چرا حتی در حالتی که دو گوی هم اندازه، هم شکل و هم جنس باشند باز هم شکل پاشیده شده آب متفاوت است تحقیقات وسیعی انجام دادند. آنها دریافتند که رفتار مولکولی سطح گوی ها – اینکه آنها آب را جذب می کنند یا دفع- متفاوت است.
این گروه تحقیقاتی آزمایش را با گوی هایی از جنس آلومینیوم، فولاد و شیشه تکرار کردند تا گویی را پیدا کنند که بیشترین خاصیت آبدوستی را داشته باشد. پس از انتخاب گوی مناسب (گوی شیشه ای)، گوی را با پراکسید ئیدروژن، اسید سولفوریک و الکل تمیز کردند و آزمایش را انجام دادند. در این حالت گلوله به آرامی درون آب افتاد
سپس گوی یکسان دیگری را با کمک یک نانولایه از ماده آب گریز به نام سیلان که تنها به اندازه یک مولکول ضحامت داشت، پوشش دادند و آزمایش را تکرار کردند. در این حالت گوی در هنگام برخورد، به شدت آب را به اطراف پاشید

مقایسه دو مرحله آزمایش: زمانی که گوی شیشه ای بدون پوشش است (شکل سمت چپ)،
زمانی که گوی شیشه ای با یک نانولایه پوشش داده شده است (شکل سمت راست).​

Bocquet دلیل این اختلاف را اینگونه شرح می دهد: مولکول های آب گریز سبب می شوند تا هنگام بازشدن مولکول های آب از یکدیگر، حباب هوا ایجاد شود که سبب پاشیده شدن آب به اطراف (درست مانند شکل بالا) می شود در حالی که مولکول های آب دوست شیشه سبب می شوند تا حباب هوا بین سطح مولکولهای شیشه و مولکولهای آب ایجاد نشود. بنابراین گوی به آرامی و بدون پاشیدن آب به اطراف وارد آب می شود. بنابراین نانولایه از ایجاد حباب هوا جلوگیری می کند.
یافته های این گروه آزمایشی ثابت می کنند که برای کاهش شدت پاشیده شدن آب به اطراف عامل سرعت نیز می تواند موثر باشد به گونه ای که هر چه سرعت ورود جسم به آب بیشتر باشد فرصت کمتری برای ایجاد حباب هوا و در نتیجه پاشیده شدن آب به اطراف وجود خواهد داشت.
خوب حالا که دلیل آن را متوجه شدیم بیایید این کار را اجسام مختلف امتحان کنیم. فراموش نکنیم که هر چه مولکول های جسم آب گریزتر باشند آب بیشتر به اطراف پخش می شود پس مواظب باشید خیس نشوید.

منبع: برداشتی از مجله Nature Physics،

 

[m4material]

بسم رب المهدي

با سلام به همه دوستان عزيز
چند وقتي هست كه تالار نانو و به خصوص تاپيكهاي مهمه اين تالار بيكار افتاده اند!
يه خونه تكاني هم اينجا بايد انجام بديم
با توجه به اينكه تمامي پستهاي قرار داده شده در اينجا، حجم زيادي دارند و بعضا باعث دير بالا آمدن ميشن و از طرف ديگه با توجه به زياد شدن پستها،‌تصميم گرفتيم كه از اين به بعد ( وبا توجه به نزديك شدن به مسابقه نانو در ارديبهشت ماه سال 91) نكات آموزشي رو به صورت تاپيكهاي جداگونه در تالار نانو قرار بديم و در تاپيك :!!: آرشيو مقالات نانوتكنولوژي :!!: آرشيو بندي كنيم و در اين تاپيك هم نشاني اونا رو به صورت مرتب(بر اساس اولويت) دسته بندي كرده و قرار بديم
هر كدام از دوستان كه مايل به همكاري در اين زمينه هستن به بنده پيغام بدن
به اميد موفقيت تمام دوستان
ياحق

 

[m4material]

بسم الله الرحمن الرحيم

با سلام به تمام دوستان

بالاخره زمان مورد نظر براي دسته بندي موضوعي تاپيكهاي نانو رسيد

ان شاءاله از اين به بعد ، مقالات قرار داده شده به صورت موضوعي دسته بندي ميشن تا اگر كسي خواست از پايه نانو را فرا بگيرد.

از دوستان خواهش ميكنم از قرار دادن پستهاي غير مرتبط خودداري كنن
ممنون
​

 

[m4material]

موضوع اول: مقدمه اي بر فناوري نانو و آشنايي با آن

موضوع اول: مقدمه اي بر فناوري نانو و آشنايي با آن

موضوع اول: مقدمه اي بر فناوري نانو و آشنايي با آن


مقاله شماره 94: آشنایی با فناوری نانو

مقاله شماره 70: يک نانومتر چقدر کوچک است؟

مقاله شماره73: دنیای رنگارنگ نانو

مقاله شماره 71: چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟

مقاله شماره 57 : رویکرد نانوتکنولوژی

مقاله شماره 58 : نانو تکنولوژی انقلاب صنعتی آینده

مقاله شماره 44 : نانو تکنولوژی چیست؟

مقاله شماره 81: ساختن از بالا به پايين و از پايين به بالا

مقاله شماره 82: روشهاي ساخت در مقیاس نانو

مقاله شماره 97: ماکرو - میکرو - نانو ساختار

مقاله شماره 107: کاربردهای فناوری نانو

مقاله شماره 109: مزایای نهفته در ابعاد نانو

مقاله شماره 32 : محصولات نانوفناوري

مقاله شماره 21 : نانو

مقاله شماره 24 : ***مشاهیر نانو***

مقاله ی شماره ی 1 : نانو مواد و دسته بندی آن ها

​