دنیای فناوری

نانو ذرات

با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها- یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط ‌شده در نانوکامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.
از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترون‌های آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند.
علاوه بر این، کوچک‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند.
برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که «نانوکره‌های» به‌خوبی شکل‌یافتة سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند.
نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.
کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و کربن بلک‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درک نظری رفتار نانومواد- که قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی- نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).
نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.
نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.
نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.
اگر چه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام کیتوسان (Chitosan)، که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.
روش‌های تولید
برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع کاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.
چگالش بخار
از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیکی فلزی و اکسید فلزی استفاده می‌شود. این روش شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. از روش‌های مختلفی می‌توان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی که امکان تبخیر را به وجود می‌آورد، طبیعت و اندازة ذرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اکسیداسیون از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود، حال آنکه برای تولید نانوذرات سرامیکی اکسیدفلزی از اکسیژن هوا استفاده می‌شود. مهم‌ترین مزیت این روش میزان کمی آلودگی است. در نهایت اندازة ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود.
یک روش که شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است که از آن توسطArgonide استفاده می‌کند. به خاطر اینکه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشه‌های فلزی تبدیل ‌شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌شود (مشابه دمیدن با یک مفتول به درون حباب شیشه‌ای مذاب). این کار در یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود که سریعاً ‌ذرات را فرو می‌نشاند.
نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلأ بر روی مایعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در این روش از فیلم نازکی از مواد نسبتاً‌ ویسکوز- یک روغن یا پلیمر- در یک استوانة دوار استفاده می‌شود. در این دستگاه، خلأ ایجاد می‌شود و فلز مورد نظر در خلأ ‌تبخیر یا پراکنده می‌شود؛ ذرات معلقی که در مایع تشکیل می‌شوند، می‌توانند به اشکال مختلفی رشد یابند.
توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) که عموماً برای تولید فیلم‌های نازک در صنعت مدارات مجتمع به کار می‌رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شکل مایع و گاز در یک رآکتور قرار داده می‌شود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوة افزایش گاز و مایع،‌ دما و زمان حرارت‌دهی) اشکال مختلفی از ذرات را می‌توان تولید کرد. همسان‌بودن نانوذرات در برخی از کاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسک‌های ذخیره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. این شرکت فرآیند خود را با اکسید تیتانیوم آزمایش کرده و نانوکره‌هایی با ابعاد nm100-1 پدید آورده است. همچنین با پوشش‌دادن یکی از آنها با چندین ذره، خوشه‌ای از ذرات را ساخته است.
سنتز شیمیایی
عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یک واسطة مایع، حاوی انواع واکنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط کوانتومی نیز استفاده می‌شود. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیایی، اندازة نهایی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی که اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل‌دهندة ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یک اندازة ‌خاص، کنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یک مشکل باشد و می‌تواند یکی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روکش‌های سطحی، را دچار مشکل نماید.
فرآیند‌های حالت جامد
از روش آسیاب یا پودر کردن می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع مادة آسیاب‌کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند. آلودگی حاصل از مواد آسیاب‌کننده خود می‌تواند یک مسئله باشد.
پیشرفت‌های روش‌های تولید
هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوری‌های پیشرفته- همچون صنعت کامپیوتر و داروسازی- توسعه می‌یابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شکل تعریف‌شده در مقیاس انبوه و قیمت اندک افزایش می‌یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوری‌های تولیدی موجود و پیشرفت‌ روش‌های تولیدی نوین می‌گردد.
در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی کرده‌اند. فرآیندهای ته‌نشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریک می‌گردد. گازها در بالای فشار بحرانی (Pc) و دمای بحرانی (Tc) به سیالات فوق بحرانی تبدیل می‌شوند. SCFها واجد خواصی مابین گاز و مایع می‌باشند. عموماً به دلیل شرایط نسبتاً ملایم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده می‌شود. ضمن آنکه مشکلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یک راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوط‌نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یک نمک فلزی در CO2 فوق بحرانی است. این فرآیند به تولید میکروامولسیون‌ها منجر می‌شود که در زمرة نانورآکتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به شمار می‌روند.
Sumitomo Electric اخیراً یک فرآیند رسوبدهی الکتریکی‌ای را توسعه داده است که طی آن یون‌های فلزی در یک حلال آبی حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزی احیا می‌شوند. این شرکت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهکارهای رسوبدهی شیمیایی بخار بسیار اقتصادی و به‌صرفه است.
روش‌های تولید نوین دیگری نیز گزارش شده‌اند، که بر استفاده از امواج مایکرویو، مافوق صوت، و تقلید از طبیعت استوارند.
به دلیل قابلیت سیستم‌های طبیعی در خلق نانوساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایسته امعان نظرند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند نانوذرات مغناطیسی یا نقره‌ای را بسازند. از پروتئین‌های باکتریایی برای رشد مگنتیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلول‌های مخمر می‌توانند نانوذرات سولفید کادمیوم را ایجاد کنند. به‌تازگی محققان هندی قارچی را یافته‌اند که می‌تواند نانوذرات طلا را خلق کند. عده‌ای در آمریکا از پروتئین‌های ویروسی برای خلق نانوذرات نقرة دارای شکل‌های جذاب استفاده کرده‌اند. پیوستگی بین راهکارهای تقلیدگرایانه از طبیعت و سنتز شیمیایی با حلقة میانی ماکرومولکول‌هایی همچون درخت‌سان‌ها تکمیل می‌شود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف کربنات کلسیم- یک ماده کلیدی در سیستم‌های زیستی- استفاده شده است.
روکش دهی و اصلاح شیمیایی روکش‌دهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانوذرات شیوه‌ای رایج و زمینه‌ای است که نوآوری‌های جدید و ارزشمندی را ارائه می‌دهد.
نانوذرات سیلیکات(سیلیکات‌ها یا اکسید‌های سیلیکون نیز سرامیک هستند) برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند؛ مثلاً با یون‌های آمونیوم یا مولکول‌های بزرگ‌تر نظیر سیلسزکیوکسان‌های الیگومریک چندوجهی (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، که هم برای روکش‌دهی نانوذرات سیلیکات و هم به عنوان پرکنندة روی خودشان مناسب هستند. POSS حاوی یک هستة معدنی (سیلیکون- اکسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، که این گروه‌ها نوعاً‌ دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و می‌توانند به آسان‌ترشدن پیوند پلیمرها به یکدیگر کمک کنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیست‌مواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه‌بندی می‌شوند.
فروسیالات، که در اوایل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به کوچکی 10 نانومتر استفاده می‌کنند که با یک مادة پایدارکننده همانند گرافیت پوشانده می‌شوند و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق می‌شوند. هر ذره، آهن‌ربای کوچکی است که یک میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد می‌کند و اجازة کنترل فشار، ویسکوزیته، هدایت الکتریکی، هدایت گرمایی و ضریب انتقال نور را در سیال می‌دهد. جذب انرژی از محیط به صورت حرارت می‌باشد و لذا این سیالات را می‌توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.

منابع: www.nano.ir & nanoresearch.persianblog.ir