نانو پودر ها

[ghasem motamedi]

نانوپودر چيست؟

پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خُرد كردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را ميتوان مجموعه‌ي از ذرات دانست كه اندازه‌ي آنها كمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يك نانومتر ميرسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است كه اندازه‌ي آن كمتر از 100 نانومتر باشد.)

چه پودري را ميتوان نانوپودر به شمار آورد؟

پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار ميآيند:

حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.

يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يك پودر را به صورت يكي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره كمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد. به عبارت حسابيتر، ميانگين اضلاع مكعب بايد در اين رابطه صدق كند:


1 نانومتر < (a+b+c)/3 < 100 نانومتر


براي مثال، بلورهاي نمك طعام ساختاري مكعب‌شكل دارند. (شكل شماره‌ي 1)

يادآوري: اگر بيشترِ ذرات تشكيل‌دهندة پودر، ابعادي ميان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب ميشود.


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552.gif


شكل 1: ساختار بلور نمك طعام، مكعبي است.


حالت دوم: دانه‌هاي تشكيل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتري داشته باشند.

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


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552B.gif


شكل 2: اين ذره، حاوي سه دانه است.


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552C.gif


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


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552D.gif


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


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552E.gif


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


در دانه‌ي 1 (شكل 3)، اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. در دانه‌ي 2 (شكل 4) اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه و در دانه‌ي 3 (شكل 5) اتم‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگيرند، يك ذره تشكيل مي‌شود. (شكل 6) به فضاي خالي بين دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند. مرز دانه محلي است كه جهت چيده شدن اتم‌ها عوض مي‌شود.

همچنين دانه‌ها را ميتوان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد. در اين صورت، مرز بين دانه‌ها ملات بين آجرهاست. اگر قطر اين دانه‌ها بين 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكيل نانوپودر مي‌دهند.

هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار 1 متر در 1 متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود، مانند گره‌هاي يك فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود.


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552F.gif


شكل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يك ذره را تشكيل دهند.


يادآوري: اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات، نانومتري باشند، پودر، نانوپودر محسوب ميشود.

حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي تركيب شوند.

در اين حالت، پودر را «نانوپودر كامپوزيتي» مينامند. كامپوزيت كه از كلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني تركيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده‌اند (شكل 7).


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552G.gif


شكل 7: ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراكنده شده‌اند.


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


http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00552H.gif


شكل 8 : در يك نانوكامپوزيت، ذرات نانويي در زمينه‌اي غيرنانويي پراكنده شده‌اند .

[ghasem motamedi]

نانوپودر ( کرم پودر نیست)
چه پودری را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟

پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آیند:

▪ حالت اول: ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.
یعنی اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشكال منظم هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. مهمترین اشكال هندسی، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر را كُره فرض كنیم، باید قطر كُره کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، میانگین اضلاع مكعب باید در محدوده‌ی ۱ تا ۱۰۰ نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابی‌تر، میانگین اضلاع مکعب باید در این رابطه صدق کند: ۱ nm<<۱۰۰ nm. برای مثال، بلورهای نمك طعام ساختاری مكعب‌شکل دارند.
▪ یادآوری: اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعادی میان ۱ تا ۱۰۰ نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
▪ حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.
در حالتی که اندازه‌ی ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد، کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هایی که آنها را "دانه" می‌نامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری جامد نیز از سلول‌های ریزی تشكیل شده‌اند كه به آنها دانه می‌گویند. درون هر دانه، اتم‌ها در یك جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو دانهٔ مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست.
در دانه‌ی ۱، اتم‌ها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی ۴۵ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی ۲ اتم‌ها با زاویه‌ی ۹۰ درجه و در دانه‌ی ۳ اتم‌ها با زاویه‌ی ۱۲۰ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. وقتی این سه دانه در كنار یكدیگر قرار بگیرند، یك ذره تشكیل می‌شود. به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه محلی است كه جهت چیده شدن اتم‌ها عوض می‌شود.
همچنین دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهای یك دیوار فرض كرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكیل نانوپودر می‌دهند.
هر چه قطر دانه‌های یك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهای تشكیل‌دهنده‌ی یك دیوار ۱ متر در ۱ متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود، مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین استحكام محصول بیشتر خواهد بود.
یادآوری: اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.
در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» می‌نامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای كامپوزیت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌های كاه در زمینه‌ی گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهای كامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراكنده شده‌اند.
علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌كند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد.

. خُرد كردن قطعات بزرگ
یك استوانه‌ی توخالی را فرض كنید كه گوی های فلزی یک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. یك قطعه‌ی بزرگ نیز یک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتیجه، یک‌سومِ حجم داخل استوانه خالی خواهد بود. اگر این استوانه را بچرخانیم، گوی های فلزی به قطعه برخورد و آن را خُرد می‌كنند.
در صورتی كه اندازه‌ی اضلاع قطعه‌ی اولیه ۱ میكرومتر باشد (اگر یك میلی‌متر را هزار قسمت كنیم، طولی معادل یك میكرومتر به وجود می‌آید)، با اولین برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ی اضلاع آن nm۵۰۰ می‌شود. در مرحله‌ی دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن ۲۵۰ نانومتر می‌شود و در مرحله‌ی سوم nm ۱۲۵. تا اینكه در مرحله‌ی چهارم، ذره‌ای نانومتری به اندازه‌ی nm ۵/۶۲ به‌دست می‌آید.
در روش بالا به پایین، مهم این است كه جسمِ خُردشونده باید مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذیرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا این‌حد نمی‌توان خُرد كرد. به طور كلی در این روشِ تولید، باید انرژی بسیار زیادی را صرف كرد تا ذرات محكم به یك ماده‌ی تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
۲. رسوب‌دهی از محلول‌ها
در این روش ابتدا باید محلول مورد نظر را ساخت. این محلول می‌تواند به دو حالت باشد:
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مایع؛
در صورتی كه محلول ما مایع باشد، می‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادی خاص برای ته‌نشین كردن، یا با افزایش غلظت جامد و سیر شدن محلول در آن، رسوب داد. حین رسوب كردن، اتم‌ها دانه‌به‌دانه كنار هم جمع می‌شوند تا یك پودر نانومتری را تولید كنند.
ب ـ ذرات گازی.
روش دیگر این است كه ما به قدری سریع محلول‌های گازی را سرد كنیم تا گاز مستقیماً تبدیل به جامد شود (به این فرایند «چگالش» می گوییم). در این حالت نیز اتم‌ها در كنار هم جمع می‌شوند تا ذراتِ یك پودر نانومتری را تولید كنند.

● نانوپودرها به چه کار می‌آیند؟
۱. پوشش‌دهی
یكی از مهمترین كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهی» است. وقتی مقداری پودر روی یك سطح ریخته می‌شود، می‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمین پودر گچ بپاشیم، تمام سطح پوشیده می‌شود و یک سطح یکدست سفید به وجود می‌آید. اما در این حالت هنوز فضاهای خیلی ریزی بین پودرها وجود دارد، یعنی پوشش یكپارچه نیست. اکنون مقداری آب به گچ اضافه می‌كنیم و صبر می‌كنیم تا آب توسط حرارت خشك شود. می‌بینیم كه ذرات پودر به هم چسبیده‌اند و یك پوشش یكدست بر روی سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهی توسط نانوپودرها نیز دقیقاً همین است، یعنی پودرها را ــ عمدتاً باشدت ــ به سطح می‌پاشند و بعد توسط یك عامل اضافه‌شونده ــ عمدتاً گازهای اكسیژن یا آرگون كه همان نقش آب را در مثال گچ بازی می‌كنند ــ و حرارت، این ذرات را به هم می‌چسبانند تا یك پوشش یكپارچه بر روی سطح ایجاد شود. پوشش روی داشبورد ماشین دقیقاً به این روش تولید می‌شود.

۲. ساخت قطعات
همان‌طور كه دیدیم، ذراتِ پودر میل زیادی دارند که مانند بُراده‌های آهنربا به هم بچسبند. از طرفی این میل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ی حرارت به‌شدت افزایش می‌یابد، و بنابراین، با اِعمال فشار و افزایش درجه‌ی حرارت می‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و یك قطعه را تولید كنند. این روش عمدتاً برای تولید قطعات با شكل‌های پیچیده به كار می‌رود. (این پدیده به طور طبیعی در نمك طعام اتفاق می‌افتد. اگر مقداری نمك طعام در داخل یك نمكدان باقی بماند، بعد از مدتی ذرات نمك به هم می‌چسبند و نمكدان دیگر نمك نمی‌پاشد. بنابراین، باید به نمكدان چند ضربه وارد كنیم تا ذرات از همدیگر جدا شوند.)

۳. استفاده در كِرِم‌ها
همان‌طور كه می‌دانیم، نانوپودرها ذراتی با قطر یك تا ۱۰۰ نانومتر هستند. وقتی از این ذرات در ساخت كِرِم استفاده می‌شود، چون قطر آنها كوچك است، اشعه‌های مُضرّ نور خورشید را كه طول موج‌های بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمی‌دهند. این در حالی است كه اشعه‌های نور مرئی را كه موجب دیده شدن قطعات‌اند از خود عبور می‌دهند. بنابراین، به صورت شفاف دیده می‌شوند. در این حالت ما كِرِمی داریم كه شفاف است و اشعه‌های مُضرّ را از خود عبور نمی‌دهد.

۴. شناسایی آلودگی ها
ذراتی كه نانوپودرها را تشکیل می‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحی خود، وقتی به یك محلول حاوی آلودگی (مثل باكتری، سلول سرطان زا و...) اضافه می‌شوند، روی آلودگی‌ها می‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغییر رنگ می‌دهند و باعث شناسایی آنها می‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغییر رنگِ حاصل از آن دیده شود، اما تغییر رنگِ مجموعه‌ی این ذرات، آلودگی‌ها را قابل تشخیص و شناسایی می‌كند.

[ghasem motamedi]

نانو پودرهای مغناطیسی
▪ میدان مغناطیسی :میدان مغناطیسی‌ یك میدان نیروست، مثل میدان جاذبهٔ زمین. درست همان‌طور كه یك جسم در محدودهٔ میدان جاذبهٔ زمین، جذب زمین می‌شود، یك قطعهٔ مغناطیسی نیز در میدان مغناطیسیِ یك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا می‌شود.
این خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبی‌های مغناطیسی است (یعنی یك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهای ریز است). علت به وجود آمدن دوقطبی‌های مغناطیسی، حركت الكترون‌هاست. برای درك بهتر انواع حركت‌های الكترون، بهتر است قدری راجع به ساختمان اتم صحبت كنیم.

● ساختمان اتم

همان‌طور كه می‌دانیم، اتم شامل مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌ای از ذرات باردار منفی (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ایجاد خاصیت مغناطیسی تأثیری ندارد). الكترون‌ها در مدارهایی حلقوی به نام اُربیتال دور هسته می‌چرخند. با نگاه به نمودار زیر (كه برای Fe۲۶ رسم شده است) قطعاً این مجموعه را به خاطر خواهید آورد:

Fe26: 1s2,2s2,2p6,3s3,3p6,3d4,4s2

اُربیتال‌ها به ترتیب با نام‌های K و L وM وN و... شناخته می‌شوند و در هر اُربیتال اتم‌ها در لایه‌های s و p و d و f به دور هسته می‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپین» می‌گوییم. در تمام این مقاله،‌ می‌خواهیم این موضوع را تفهیم کنیم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداری به نام «گشتاور» ایجاد می‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر می‌آورید: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نیرویی را نشان می‌دهد که در اثر تغییر بردار حرکت الکترون تولید می‌شود. مجموعهٔ خطوط این بردارهای گشتاور، یك میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد. یعنی وقتی یك جسم در فاصله‌ای نزدیك چنین قطعه‌ای قرار بگیرد، این مجموعه از نیروها بر آن وارد می‌شوند و به اصطلاح آن را یا به طرف خود جسم می‌كشند (جاذبه) و یا هُل می‌دهند (دافعه).
امّا حتماً توجه دارید که دو نیرو در یك راستا، ولی در خلاف جهت هم، همدیگر را خنثی می‌كنند. بنابراین،‌ اگر در یك لایه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته می‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نیرو در خلاف جهت تولید می‌شوند كه همدیگر را خنثی می‌كنند. از این رو، اگر جسمی در نزدیكی آنها قرار بگیرد، یك نیرو آن را می‌كشد و یك نیرو آن را هُل می‌دهد و در کل هیچ نیرویی بر آن وارد نمی‌شود. پس مادهٔ مورد نظر ما، با یك اربیتال پُر (دارای تعداد الكترون‌های زوج در لایهٔ آخر كه برای Fe۲۶،‌ اربیتال d لایهٔ آخر است) دارای خاصیت مغناطیسی نخواهد بود.
اما یك راه دیگر هم برای ایجاد خاصیت مغناطیسی در ماده وجود دارد. در این روش، خاصیت مغناطیسی ناشی از نوع دیگری از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربیتالی (چرخش به دور هسته كه در بالا توضیح داده شد) می‌توانند مثل كرهٔ زمین به دور خود نیز بچرخند. در این حالت نیز همان بردار گشتاور ایجاد می‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لایهٔ آخر زوج باشد دوباره نیروهای به‌وجودآمده همدیگر را خنثی می‌كنند.
جامداتی كه در آنها لایهٔ d در حال پر شدن است، دارای خاصیت مغناطیسی خواهند بود، اما این خاصیت مغناطیسی فقط ناشی از چرخش الكترون‌های لایهٔ آخر (: Fe۲۶) است. زیرا لایهٔ d به هسته نزدیك است و جاذبهٔ هسته به الكترون‌های این لایه اجازه نمی‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتی كه لایهٔ f در حال پُر شدن است، چون فاصلهٔ لایه از هسته زیاد است، الكترون‌ها هم می‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نیرو ناشی از دو نوع حركت به وجود می‌آید و واضح است كه خاصیت مغناطیسی بسیار بیشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به این موضوع هم باید توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربیتالی) و چرخش به دور خود (حركت وضعی) برای یك الكترون در خلاف هم هستند.
● حوزه‌های مغناطیسی

یك مادهٔ مغناطیسی مجموعه‌ای از حوزه‌های مغناطیسی است. حوزهٔ مغناطیسی،‌ ناحیه‌ای است كه درون آن همهٔ الكترون‌های لایه‌های منفرد در یك جهت به دور هسته و به دور خود می‌چرخند. یعنی یك مادهٔ چندحوزه‌ای مجموعه‌ای از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتی خاص به دور هسته می‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نیرو در راستای خاص خود را به وجود می‌آورد و مجموعهٔ بردارهای نیروی تولیدشده، در جهات مختلف، به نوعی همدیگر را خنثی می‌كنند. یعنی میدان نیروی ما، مجموعه‌ای از نیروهای پراكنده است. پس قدرت آن ضعیف‌تر خواهد شد.

▪ برای درك این موضوع به مثال زیر توجه كنید.

دو اتاق كنار هم را در نظر بگیرید. در اتاق اول ۱۰ نفر وجود دارند. از این ۱۰ نفر، ۱ نفر از جنوب به شمال،‌ ۲ نفر از غرب به شرق، ۱ نفر از شرق به غرب و ۴ نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (این اتاق دقیقاً همان مادهٔ چندحوزه‌ای است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند).
در اتاق دوم ۴ نفر وجود دارند كه همگی از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد می‌كنند. بنابراین، برآیند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خیلی كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتی حركت می‌كنند و هیچ برخوردی بین آنها وجود ندارد. بنابراین، برآیند حركتیِ آنها معادل حركت ۴ نفر است.

● القای مغناطیسی

القای مغناطیسی یعنی اینكه بخواهیم ماده‌ای را كه برای مغناطیسی شدن مناسب است، مغناطیس كنیم. واضح است كه برای این كار باید حوزه‌های مغناطیسی غیر هم‌جهت را هم‌جهت كنیم تا نیروهای حاصل همدیگر را خنثی نكنند. برای این كار باید قطعه را با یك آهن‌ربا مالش دهیم، یا آن را در جهت میدان مغناطیسیِ زمین گداخته كنیم یا در این جهت چكش‌كاری كنیم. این كارها باعث چرخیدن فلش‌ها در هر حوزه ‌می‌شوند تا در نهایت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، یعنی جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با این كار مرز بین حوزه‌ها حركت می‌كند و حوزه‌های كوچك‌تر در حوزه‌های بزرگ ادغام (هضم) می‌شوند.
ساده‌ترین مواد مغناطیسی که می‌شناسیم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعیین‌كننده‌ای در زندگی بشر دارند. در این فصل نشان می‌دهیم كه برای استفاده از برخی خواص مغناطیس، از جمله در كارت‌های اعتباری، باید از پودرهای مغناطیسی استفاده كرد. همچنین نشان می‌دهیم كه اندازهٔ پودرها تأثیر زیادی در خاصیت مغناطیسی آنها دارد.
● سرگذشت آهنربا

بزرگترین مادهٔ مغناطیسیِ زمین، خودِ زمین است. زمین آهنربایی دوقطبی است كه میدان مغناطیسی آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. یعنی اگر آهنربایی را در فضا معلق نگاه داریم، در این جهت قرار می‌گیرد.
اولین مادهٔ مغناطیسی كه بشر شناخت، اكسیدآهن بود. این ماده دارای خاصیت آهنربایی غیردائمی است. یعنی خاصیت مغناطیسی آن از بین می‌رود. مواد مغناطیسی در سه دستهٔ فلزات، سرامیک‌ها، و پلیمرها می‌گنجند. عمدهٔ مواد مغناطیسی جزء دستهٔ سرامیك‌ها هستند. سرامیك‌ها از طریق پیوند یونیِ یك فلز یا غیرفلز با كوچك‌ترین اتم‌های طبیعت، یعنی اكسیژن،‌ نیتروژن، بور و كربن به وجود می‌آیند. (البته هیدروژن كه كوچك‌تر از همه است در این بین نیست).
خواص مغناطیسی اكسید آهن توسط «تالس» شناخته شد.
در قرن هفتم میلادی از این ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چین به اروپا رسید. در اروپا‌ دانشمندی فرانسوی به نام گیلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنربای بزرگ زمینی» را نوشت. در این كتاب قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش‌های آهنربا كردن یك قطعهٔ مغناطیسی به شرح زیر بیان شده‌اند:

۱. مالش دادن یك قطعهٔ آهنی (قطعه‌ای که می‌خواهیم مغناطیسی شود) با یك آهنربا (دارای میدان مغناطیسی)؛

۲. گداخته كردن یك قطعهٔ آهنی (تا سرخ شود) و سپس سرد كردن آن در جهت میدان مغناطیسی زمین؛

۳. چكش‌كاری یا كشش یك قطعهٔ آهنی در جهت میدان مغناطیسی زمین.

● نانوپودرهای مغناطیسی

می‌دانیم که اندازهٔ مواد و پدیده‌ها در مغناطیس در مقیاس بسیار ریز قرار دارد. از سوی دیگر، می‌دانیم كه یك ماده هر چه حوزه‌های کم‌تعدادتری داشته باشد، نیروی كمتری برای همجهت کردن حوزه‌های آن لازم است. اگر ماده تنها دارای یك حوزه باشد، در این صورت دیگر نیازی به همجهت كردن آن با دیگر حوزه‌ها نیست. از آنجا‌كه قطر این حوزه‌ها در محدودهٔ یک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط دارای یک حوزه باشد، می‌تواند نانوپودر به شمار رود. به این ترتیب، ذرات نانوپودر دارای تعداد حوزه‌های كمی هستند و مغناطیس كردن آنها كار ساده‌ای است. از طرف دیگر، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، می‌دانیم که موادی که از حالت طبیعی خارج شده‌اند، تمایل دارند که به حال طبیعی خود بازگردند و مغناطیس كردن یك ماده، ماده را از حالت طبیعی خود خارج می‌کند. اما چون نانوپوردها احتیاج به نیروی زیادی برای مغناطیس شدن ندارند و از حالت طبیعی خود خیلی فاصله نمی‌گیرند، پس از مغناطیس شدن، تمایل زیادی برای از دست دادن این خاصیت و بازگشت به حالت طبیعی ندارند.

▪ قانون دوم ترمودینامیک: بی نظمی در یک سیستم منزوی، در یک فرایند خودبه‌خودی، افزایش می‌یابد.

اما به طور كلی با گرم كردن یك مادهٔ مغناطیس‌شده تا دمای كوری، حوزه‌ها به جهت‌های اولیه خود برمی‌گردند و خاصیت خود را از دست می‌دهند.
دمای کوری دمایی است که در آن ماده کاملاً خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد.

● كاربردهای نانوپودرهای مغناطیسی

۱. ساخت آهنربا

برای ساخت آهنربا می‌توان به روشی که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضیح داده شده است عمل كرد. یعنی پودرها را تحت فشار در دمای بالا قرار داد تا به هم بچسبند و یك قطعه درست شود. چنین قطعات آهنربایی در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده می‌شوند. جالب است بدانید خودروهای جدید ۷۰ آهنربای دائمی دارند. حركت موتورهای DC، حركت سقف، شیشه‌های پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل می‌شوند.
قطارهایی هم كه روی هوا حركت می‌كنند، بر مبنای نیروی دافعهٔ بین آهنرباها در ریل و كف قطار، روی هوا می‌ایستند. یكسو و غیرهمسو كردن جریان الكتریكی این آهنرباها را به وجود می‌آورد و موجب حرکت یا ترمز قطار می‌شود.

۲. قطعات آهنرباییِ کامپوزیت‌شده با پلیمرها

به جای روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصیت مغناطیسی را کم می‌کند، می‌توان از پلیمرها كه در دمای نه چندان بالا ذوب می‌شوند استفاده كرد. به این شکل که پودرهای مغناطیسیِ مذاب را در آنها بریزیم و سرد كنیم تا جامد شوند. البته پلیمرها خاصیت مغناطیسی ندارند و بنابراین خاصیت مغناطیسی آهنربای تولیدشده كم می‌شود، ولی می‌توان از این نوع آهنربا در جایی كه آهنربا باید تحت ضربه كار كند، مثل درِ یخچال، استفاده كرد. (توجه کنید که ضربه خاصیت مغناطیسی را كم می‌كند).

۳. در محیط‌های ذخیره اطلاعات

یکی از مهمترین كاربردهای پودر مغناطیسی، ذخیرهٔ اطلاعات در كارت‌های اعتباری است. در این محیط‌ها، پودر مغناطیسی به صورت ذرات ریزی که به‌سختی آهنربا می‌شوند و به‌سختی هم خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. حفظ و ماندگاری اطلاعات در چنین محیط‌هایی بسیار مهم است و پایداری خاصیت مغناطیسی در پودرها باعث می‌شود اطلاعات حکاکی‌شده‌ای که در قالب حوزه‌های مغناطیسی ثبت شده‌اند از بین نروند.

[ghasem motamedi]

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها
● نانوپودر تولید کنیم
به طور كلی نانوپودرها را نیز مانند دیگر موادّ نانومتری می‌توان به دو روش پایین به بالا یا بالا به پایین تولید كرد. در روش بالا به پایین قطعه را از اندازه‌های بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد می‌كنیم تا به اندازه‌های نانومتری برسد. در روش پایین به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم می‌چینیم تا یك ساختار نانومتری به وجود آید. در زیر، دو روش فوق توضیح داده می‌شوند.
۱. خُرد كردن قطعات بزرگ
یك استوانه‌ی توخالی را فرض كنید كه گوی های فلزی یک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. یك قطعه‌ی بزرگ نیز یک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتیجه، یک‌سومِ حجم داخل استوانه خالی خواهد بود. اگر این استوانه را بچرخانیم، گوی های فلزی به قطعه برخورد و آن را خُرد می‌كنند. در صورتی كه اندازه‌ی اضلاع قطعه‌ی اولیه ۱ میكرومتر باشد (اگر یك میلی‌متر را هزار قسمت كنیم، طولی معادل یك میكرومتر به وجود می‌آید)، با اولین برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ی اضلاع آن nm۵۰۰ می‌شود. در مرحله‌ی دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن ۲۵۰ نانومتر می‌شود و در مرحله‌ی سوم nm ۱۲۵. تا اینكه در مرحله‌ی چهارم، ذره‌ای نانومتری به اندازه‌ی nm ۵/۶۲ به‌دست می‌آید. در روش بالا به پایین، مهم این است كه جسمِ خُردشونده باید مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذیرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا این‌حد نمی‌توان خُرد كرد. به طور كلی در این روشِ تولید، باید انرژی بسیار زیادی را صرف كرد تا ذرات محكم به یك ماده‌ی تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
۲. رسوب‌دهی از محلول‌ها
در این روش ابتدا باید محلول مورد نظر را ساخت. این محلول می‌تواند به دو حالت باشد:
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مایع؛
ب ـ ذرات گازی.


الف ـ ذرات جامدِ معلق در مایع
در صورتی كه محلول ما مایع باشد، می‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادی خاص برای ته‌نشین كردن، یا با افزایش غلظت جامد و سیر شدن محلول در آن، رسوب داد. حین رسوب كردن، اتم‌ها دانه‌به‌دانه كنار هم جمع می‌شوند تا یك پودر نانومتری را تولید كنند.
ب ـ ذرات گازی
روش دیگر این است كه ما به قدری سریع محلول‌های گازی را سرد كنیم تا گاز مستقیماً تبدیل به جامد شود (به این فرایند «چگالش» می گوییم). در این حالت نیز اتم‌ها در كنار هم جمع می‌شوند تا ذراتِ یك پودر نانومتری را تولید كنند.

● نانوپودرها به چه کار می‌آیند؟
۱. پوشش‌دهی
یكی از مهمترین كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهی» است. وقتی مقداری پودر روی یك سطح ریخته می‌شود، می‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمین پودر گچ بپاشیم، تمام سطح پوشیده می‌شود و یک سطح یکدست سفید به وجود می‌آید. اما در این حالت هنوز فضاهای خیلی ریزی بین پودرها وجود دارد، یعنی پوشش یكپارچه نیست. اکنون مقداری آب به گچ اضافه می‌كنیم و صبر می‌كنیم تا آب توسط حرارت خشك شود. می‌بینیم كه ذرات پودر به هم چسبیده‌اند و یك پوشش یكدست بر روی سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهی توسط نانوپودرها نیز دقیقاً همین است، یعنی پودرها را ــ عمدتاً باشدت ــ به سطح می‌پاشند و بعد توسط یك عامل اضافه‌شونده ــ عمدتاً گازهای اكسیژن یا آرگون كه همان نقش آب را در مثال گچ بازی می‌كنند ــ و حرارت، این ذرات را به هم می‌چسبانند تا یك پوشش یكپارچه بر روی سطح ایجاد شود. پوشش روی داشبورد ماشین دقیقاً به این روش تولید می‌شود.
۲. ساخت قطعات
همان‌طور كه دیدیم، ذراتِ پودر میل زیادی دارند که مانند بُراده‌های آهنربا به هم بچسبند. از طرفی این میل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ی حرارت به‌شدت افزایش می‌یابد، و بنابراین، با اِعمال فشار و افزایش درجه‌ی حرارت می‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و یك قطعه را تولید كنند. این روش عمدتاً برای تولید قطعات با شكل‌های پیچیده به كار می‌رود. (این پدیده به طور طبیعی در نمك طعام اتفاق می‌افتد. اگر مقداری نمك طعام در داخل یك نمكدان باقی بماند، بعد از مدتی ذرات نمك به هم می‌چسبند و نمكدان دیگر نمك نمی‌پاشد. بنابراین، باید به نمكدان چند ضربه وارد كنیم تا ذرات از همدیگر جدا شوند).
۳. استفاده در كِرِم‌ها
همان‌طور كه می‌دانیم، نانوپودرها ذراتی با قطر یك تا ۱۰۰ نانومتر هستند. وقتی از این ذرات در ساخت كِرِم استفاده می‌شود، چون قطر آنها كوچك است، اشعه‌های مُضرّ نور خورشید را كه طول موج‌های بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمی‌دهند. این در حالی است كه اشعه‌های نور مرئی را كه موجب دیده شدن قطعات‌اند از خود عبور می‌دهند. بنابراین، به صورت شفاف دیده می‌شوند. در این حالت ما كِرِمی داریم كه شفاف است و اشعه‌های مُضرّ را از خود عبور نمی‌دهد.
۴. شناسایی آلودگی ها
ذراتی كه نانوپودرها را تشکیل می‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحی خود، وقتی به یك محلول حاوی آلودگی (مثل باكتری، سلول سرطان زا و..). اضافه می‌شوند، روی آلودگی‌ها می‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغییر رنگ می‌دهند و باعث شناسایی آنها می‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغییر رنگِ حاصل از آن دیده شود، اما تغییر رنگِ مجموعه‌ی این ذرات، آلودگی‌ها را قابل تشخیص و شناسایی می‌كند. در فیلم زیر كه به عنوان مثالی از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سیلیكون در محلول، قطرات روغن را شناسایی می‌كنند و با نفوذ مقداری از مایع به داخل حفره‌های آنها، تغییر رنگ می‌دهند و هدف را قابل تشخیص می‌نمایند.

[ghasem motamedi]

فشرده كردن نانوپودرها در دمای پائین
امروزه علاقه بسیاری به ساخت مواد سرامیکی با استفاده از نانوپودرهای با ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر بوجود آمده است. تئوری‌ها نشان می‌دهد که نرخ چگال‌شدن به‌شدت به اندازه ذرات بستگی دارد. بنابراین، با توجه به این موضوع با کاهش اندازه ذرات از میکرومتر به سمت نانومتر، زمان زینترکردن در یک دمای مشخص کاهش خواهد یافت. در حقیقت بسیاری از آزمایشات این تئوری را حمایت می‌کنند. به عنوان مثال آقای رودز (Rhodes) قطعات فشرده‌شده از نانوپودرهای زیرکونیا را تولید کرد که چگالی آنها در حدود چگالی تئوری بود اما دمای زینترکردن، بسیار کمتر از دمای زینترکردن پودرهای درشت بود. اخیراً آقای کاندان (Skandan) و همکارانش، نانوپودرهای تیتانیا را در دمای ۸۰۰ درجه سلسیوس زینتر کردند. این دما بسیار کمتر از دمای زینترکردن پودرهای معمولی تیتانیا می‌باشد. نتایج فوق نشان می‌دهد که نانوذرات می‌توانند مزیت‌های قابل توجهی را در ساخت قطعات سرامیکی داشته باشند و علاوه بر این کاهش زمان و دمای زینترکردن می‌تواند جلوی رشد دانه‌ها را بگیرد زیرا اندازه دانه‌ها یکی از پارامترهای بسیار مهم در خواص قطعه می‌باشد. اثبات شده است که با کاهش اندازه دانه، استحکام تسلیم مواد بالا می‌رود. با کاهش اندازه دانه‌ها به سمت ابعاد نانومتری، مرز دانه‌ها در قطعات افزایش خواهد یافت. بنابراین تعداد اتم‌های موجود در فصل مشترک دانه‌ها نسبت به اتم‌های موجود در شبکه کریستالی قابل توجه خواهد بود. بنابراین خواص کلی ماده از اتم‌های موجود در مرز دانه‌ها تأثیر خواهد پذیرفت. بنابراین خواص فیزیکی بهبودیافته‌ای را از قطعات سرامیکی ساخته‌شده از نانوپودرها انتظار خواهیم داشت. یکی از مسائل بسیار مهم در ساخت مواد نانوساختاری رسیدن به ماکزیمم چگالش پودرها و در عین حال حفظ‌شدن ساختار دانه‌ها در ابعاد نانومتری می‌باشد. در حال حاضر چگالی در حدود ۹۵% چگالی واقعی با نانوذرات در حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر قابل حصول است. اما چگالی‌های بالاتر با افزایش اندازه دانه بالاتر از ۵۰ نانومتر قابل حصول می‌باشد. برای کاهش رشد دانه‌ در حین زینترشدن، باید چگالی خام قطعه فشرده‌شده بالا باشد و اندازه حفرات آن کوچک باشد. زیرا برای حذف حفرات بزرگ نیاز به رشد دانه می‌باشد. بنابراین قبل از فرآیند زینترکردن نانوپودرهای فشرده‌شده، باید به چگالی بالایی دست پیدا کنیم. یکی از روش‌های رسیدن به این هدف استفاده از فشار بالا می‌باشد. با این حال می‌دانیم که رسیدن به چگالی خام بالا با استفاده از نانوپودرهای سرامیکی بسیار مشکل می‌باشد. علت این مسئله وجود نیروهای متعددی مثل نیروهای واندروالس می‌باشد. بنابراین قطعات خام فشرده‌شده در دمای اتاق بعد از فرآیند فشرده‌سازی چگالی بالایی نخواهد داشت.

چگالی خام پائین قطعات فشرده‌شده از نانوپودرها به خاطر دو مسأله می‌باشد:
۱- وجود حفرات برزگ به علت مجتمع ‌شدن نانوپودرها، زیرا شکستن آنها در تکنیک‌های رایج فشرده‌سازی به علت پدیده پل‌زنی ممکن نمی‌باشد.
۲- فشرده‌شدن غیرهمگن ذرات به خاطر وجود نیروهای اصطکاکی.
برای بدست‌آوردن ساختار مطلوب و در ابعاد نانو در قطعه خام، آگلومره‌شدن ذرات در حین ساخت باید حداقل باشد. اخیراً پودر %ZrO2 Y2O3 3mol را با چگالی کامل و در دمای پائین پخت کرده‌اند. این محققین تأکید کرده‌اند که شیب چگالی در قطعه خام، غیرهمگنی و مجتمع ذرات در قطعه قبل از پخت‌شدن نباید وجود داشته باشد. زیرا منجر به تولید عیوبی در قطعه پخت‌شده خواهد شد. نتایج آنها همچنین نشان می‌دهد که تغییر دما در حدود ?۷۰ تأثیر مهمی را در سرعت افزایش چگالی خواهد داشت. با توجه به این نتایج مشخص می‌شود که شرایط فرآوری نانوپودها باید به دقت رعایت شود. در تحقیقی دیگر از فشار بالا برای بدست‌آوردن حداکثر چگالی خام و ساختار در ابعاد نانو استفاده شده است. به عنوان مثال فشار اعمالی در حدود GPa۱ بوده است که این فشار نیاز به تجهیزات خاصی دارد. برای مثال به منظور بدست‌آوردن حداکثر چگالی در یک نانوپودر از پیستون‌هایی از جنس کاربید تنگستن و کبالت استفاده شده است. همچنین برای فشارهای بالاتر از الماس‌ استفاده شده است. اخیراً بررسی شده است که چگالش نانوپودرها در قطعه خام با استفاده از مواد روانساز که به ذرات اجازه لغزیدن روی هم را می‌دهد، بهبود خواهد یافت. یک روانساز مناسب فشرده‌شدن پودرها را به مقدار زیادی بهبود خواهد بخشید. البته نکته مهم در انتخاب روانساز می‌باشد. زیرا نانوپودرها فعالیت شیمیایی بسیار بالایی دارند. از طرفی روانساز باید توانایی نفوذ به داخل حفرات بین نانوپودرها را داشته باشد. بنابراین روانساز باید ماده‌ای با جرم مولکولی بسیار پائین باشد. محققین بررسی کرده‌اند که بهبود چگالش نانوپودرها توسط روانسازهایی که مایع تک‌مولکولی ساده هستند عملی می‌باشد. آنها نانو ذرات نیترید سیلیکون را در دمای نیتروژن مایع توسط روانساز LN2 فشردند.