نانو تکنولوژی - مقدمه

[v.m 2020]

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

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

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

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

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




شکل (1)- ساختار بلوری نمک طعام

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




الف



ب

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

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

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


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

[v.m 2020]

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

مقدمه

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

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

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




شکل 1. طرحی از مواد متخلخل

پرسش 5: آیا می‌توانید کاربردهای واکنش‌های شیمیایی مواد را نام ببرید؟ چه مواقعی نیاز داریم تا از واکنش‌های شیمیایی مواد جلوگیری کنیم؟

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

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

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



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

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

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

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

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

[v.m 2020]

رچه اندازه ی ابعاد یک ماده کوچکتر می شود،نسبت سطح به حجم در آن افزایش می یابد و نسبت اتمهای سطحی به کل اتم ها بیشتر می شود.مثلا در خوشه های تک پوسته،نسبت اتمهای سطحی به کل اتمها 92% است در حالیکه این نسبت در خوشه های هفت پوسته کم می شود و به 35% می رسد!از آنجایی که اتمهای سطحی تعیین کننده ی خواص شیمیایی از جمله واکنش پذیری مواد هستند،می توان نتیجه گرفت تاثیراتمهای سطحی در تعیین خواص مواد ، درماده ای با ابعاد کوچکتر نسبت به مواد با ابعاد بزرگتر ، خیلی بیشتر و مشهود تر است. در مقاله‌ی قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتم‌های آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. هم‌چنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر می‌کند. درک این‌که چرا واکنش‌پذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیش‌تر می‌شود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش می‌آید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دست‌خوش تحولات زیادی می‌شود؟ چنانچه ماده‌ای با مقیاس چند ده متری را کوچکتر کرده و به ابعاد میلی‌متری برسانیم، هیچ تغییری در نقطه‌ی ذوب، رنگ و خواص مغناطیسی آن ایجاد نمی‌شود. اما این تغییر در هنگام کوچک‌تر کردن ماده تا ابعاد نانومتری دیده می‌شود.
کلید حل این مساله در این جاست که تعداد اتم‌های سطحی در مواد با مقیاس‌های بزرگ‌تر از نانومتر، بسیار ناچیز است، اما با ورود به دنیای نانومتری، مقدار این اتم‌ها نسبت به کل اتم‌های ماده، بسیار زیاد می‌شود. برای بررسی دقیق‌تر و درک این موضوع، به جدول 1 دقت کنید.



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



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

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

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




شکل 1. بلور نمک طعام

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

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

[v.m 2020]

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

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


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

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





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

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

[v.m 2020]

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

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

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




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

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

E=Nt.ε

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

Nt=Na.Nb

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

γ=E/2A=Na.Nb.ε/2A

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

γ=Nb.ε.ρa/2

در این رابطه γ دارای واحد انرژی بر واحد سطح یا ژول برسانتی‌متر مربع (J/cm²) است. این رابطه مدلی بسیار ساده شده از انرژی سطحی را ارائهمی‌دهد. در این مدل فرض شده است که فواصل و آرایش اتمی و هم‏چنین مقدار ε در سطح، تفاوتی با حجم ماده ندارد (همان‏طور که در ادامه‏ این مقالات خواهیم دید، این موضوع درست نیست و اتم‌های سطحی حتی می‌توانند آرایش متفاوتی را نسبت به اتم‌های درون حجم ماده به خود بگیرند). بنابراین نمی‌توان این مدل را با اطمینان در تمام موارد به کار برد. اما این مدل می‌تواند درک خوبی از مقدار انرژی سطحی و عوامل موثر بر آن رادر اختیار ما قرار دهد.
برای درک دقیق‌تر این موضوع، مناسب است که انرژی سطحی صفحات مختلف بلوری را محاسبه نماییم تا با پارامترهای این محاسبه و ماهیت دقیق‌ترآنها آشنا شویم. برای این منظور صفحه‏ (100) را در یک شبکه‏ بلوری با ساختار FCC در نظر بگیرید (شکل 2).




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

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

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

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

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

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


در مقاله‏ بعدی با استفاده ازمفهوم انرژی سطحی، به تبیین برخی رفتارهای سطحی مواد جامد خواهیم پرداخت و شناخت بهتری از اتم‌های سطحی مواد پیدا خواهیم نمود.

[v.m 2020]

کربن یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود. همه این چهار شکل، جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این چهار ماده عبارتند از:گرافیت، الماس، نانولوله ها و باکی بال ها.
از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن که به صورت شش ضلعی منتظم که با پیوند کوالانسی کنار هم قرار می گیرند، لایه های گرافیتی تشکیل می شوند که این لایه ها با لایه های زیرین خود با پیوند واندروالسی به هم وصل می شوند .علت نرمی گرافیت نیز همین موضوع است.
نانولوله ها در حقیقت لایه های گرافیتی هستند که از دو نفطه به هم وصل شده اند و بسته به نوع اتصالشان به چند دسته تقسیم می شوند:
1- صندلی
2- زیگزاگ
3- نامتقارن
نانولوله های کربنی علاوه بر اینکه استحکام بسیار بالایی دارند، از انعطاف و پیچش پذیری خوبی نیز برخوردارند.یکی از کاربردهای آن، کامپوزیت است. مهم ترین خاصیت نانولوله ها، هدایت الکتریکی آنهاست که بستگی به میزان نظم قرار گرفتن اتم ها، مقدار این پارامتر متغیر است.


مقدمه
کربن یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. به عنوان مثال فولاد ـ که یکی از مهم‌ترین آلیاژهای مهندسی است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل می شود؛ با تغییر درصد کربن (به‌میزان تنها چندصدم درصد) می توان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «کربن» و «هیدروژن» می پردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه‌گذاری شده است.
کربن، به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می‌شود که همه این چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این ساختارها عبارتند از:
1- گرافیت
2- الماس
3- نانولوله‌ها
4- باکی‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زیر)

شکل1

گرافیت
گرافیت یکی از مهم‌ترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم کربن در کنار یکدیگر به وجود آمده است. این اتم های کربن به گونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک‌ شش ‌ضلعی منتظم را پدید می آورند و از مجموع آنها، صفحه ای به دست می آید که به عنوان یک « لایه گرافیت» در نظر گرفته می‌شود.

اتم‌های کربن با پیوندهای کووالانسی ـ که پیوندی قوی و محکم است ـ به یکدیگر متصل شده‌اند. لازم به ذکر است که اتم های کربن به کار رفته در یک لایه گرافیت نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی بدهند. بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس ـ که پیوندهایی ضعیف هستندـ به لایه زیرین متصل می شود. این مساله باعث می‌شود که صفحه‌های گرافیت به‌راحتی روی یکدیگر بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب در «روغن‌کاری» و «روان‌کاری» استفاده می‌شود. علت نرمی سطوحی که با مداد روی آنها نوشته شده است نیز همین نکته می باشد.

نانولوله‌ها
یک لایه گرافیت را در نظر بگیرید. اتم‌هایی را که در یک ردیف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ که نشان‌دهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکان‌یابی می‌کنیم. به طوری که مختصاتn، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به ردیف اتم‌ها باشد.
همان‌طور که می‌دانیم برای تهیه یک لوله از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطه ی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله مانند صفحه گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولوله ها را خواهیم داشت.

شکل2

نوع زیگزاگ
برای ساختن نوع زیگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستای افقی (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهایی(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روی اتم ابتدایی (0و0) انطباق می دهیم. برای اطمینان از درستی روش ساخت باید دقت کنیم که در آخر کار، در راستای افقی یک خط شکسته زیگزاگ به دور نانولوله ببینیم.

شکل3

نوع صندلی
در صورتی که اتم ابتدایی و اتمی که در وضعیت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روی هم قرار بگیرند، نانولوله نوع صندلی به دست می آید. در این حالت می‌توانیم بین این دو اتم یک خط مستقیم رسم کنیم که معادله آن «m=n» است. یعنی شماره ستون و ردیف هر یک از آنها با یکدیگر برابر است. در این حالت با یک بار گردش به دور نانولوله تعدادی صندلی پشت سر هم خواهیم دید.

شکل4

نوع نامتقارن
در این حالت نیز مشابه روش صندلی عمل می‌کنیم، با این تفاوت که در مختصات اتم انتهایی، m≠n خواهد بود. اگر یک بار افقی به دور نانولوله بچرخیم مجموعه‌ای از صندلی‌ها را می‌بینیم که نسبت به افق، به صورت مایل قرار گرفته‌اند.
برای ساختن مدلی از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافی است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ی انتهایی را بر نقطه ی ابتدایی منطبق نمایید.

شکل5

این لوله ها به علت آنکه دارای قطر چند نانومتری می باشند «نانولوله» نام گرفته اند. یعنی ما با اتصال دونقطه ی یک صفحه گرافیتی به هم، لوله‌ای را به دست آورده‌ایم که قطر فضای خالی داخلی آن چند میلیاردم یک متر است (اگر طول یک متر را به یک میلیارد قسمت تقسیم کنیم، ضخامتی معادل یک نانومتر به دست می‌آید).

خواص نانولوله‌ها
هریک از سه نوع نانولوله، به خاطر آرایش اتمی خاصی خود،‌ دارای خواصی می‌باشند که در اینجا به چند ویژگی مشترک بین آنها اشاره می‌کنیم:
1- خواص مکانیکی
نانولوله‌ها دارای پیوندهای محکمی در بین اتم‌هایشان می باشند وبه همین علت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند. به عنوان مثال نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ی کربنی چند برابر نیرویی است که برای شکستن یک قطعه فولاد ـ با ضخامتی معادل یک نانو لوله ـ احتیاج داریم.
اما جالب است که بدانیم پیوندهای بین اتمی در نانولوله‌ها علاوه بر ایجاداستحکام بالا، شکل‌پذیری آسان و حتی پیچش را درآنها میسر می سازد! در حالی که فولاد تنها دربرابر نیروهای کششی دارای مقاومت است و برای پیچش انعطاف پذیری لازم را ندارد.

در بررسی کاربرد نانولوله‌ها و به کار گیری خواص آنها ، می توانیم به استفاده از این ترکیبات به عنوان «رشته» در مواد مرکب، اشاره کنیم؛ به چنین موادی «کامپوزیت» می‌گویند. ملموس‌ترین مثال کامپوزیت «کاه‌گِل» است. کاه‌گِل مخلوطی از «کاه» و «گِل» است که در آن، کاه به عنوان رشته‌هایی که استحکام و انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به گل دارد، پراکنده شده است تا مانع از ترک‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمینه» می نامیم. نانولوله ها نیز چون استحکام و شکل‌پذیری خوبی دارند، ‌در مواد مرکب با زمینه‌های فلزی، پلیمری و سرامیکی استفاده می‌شوند. اما مهم‌ترین فاکتوری که که باعث برگزیدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مرکب (کامپوزیت) شده است، وزن کم آن است، در حالی که استحکام آن بالاست. از مهم‌ترین موارد استفاده چنین مواد مرکبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بدنه هواپیما و هلیکوپتر، زه راکت‌های تنیس و ...

2- خواص فیزیکی
مهم‌ترین خاصیت فیزیکی نانولوله‌ها،«هدایت الکتریکی» آنهاست. هدایت الکتریکی نانولوله‌ها بسته به زاویه و نوع پیوندها، از دسته‌ای به دسته دیگر کاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جایگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتی که یک الکترون (یا بار الکتریکی) وارد مجموعه ای از اتم ها می‌شود، ارتعاش اتم‌ها بیشتر شده و در اثر برخورد با یکدیگر بار الکتریکی وارد شده را انتقال می‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بیشتر باشد، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولوله‌ها بیشتر خواهد بود. تقسیم بندی ابتدای متن بر اساس نظم اتمهای کربن در نانولوله و در نتیجه رسانایی آنها‌ انجام شده است؛ برای مثال نانولوله نوع صندلی 1000 بار از مس رساناتر است، در حالی که نوع زیگزاگ و نوع نامتقارن نیمه رسانا هستند. خاصیت نیمه رسانایی نانولوله ها بسته به نوع آنها تغییر می کند.

* خواص فوق‌العاده نانولوله‌ها و روشهای پیچیده تولید آنها باعث شده است که قیمت هرگرم از این ماده حدود چندصد دلار باشد.

[مدیر آزمایشی تالار مهندسی شیمی]

نانو تکنولوژی :

[کاساندان]

یعنی چه؟!!!!

[sevda_sj]

۱ - تعریف فناوری

نانو فناوری عبارتست از توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید در اندازه های مولکولی و اتمی و در دست گرفتن کنترل این ساخته ها و استفاده از ویژگیهایی که در این ابعاد (ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر) ظاهر میشود.
در واقع نانو فناوری فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی - عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک - از خود نشان میدهند. به عبارت دیگر فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق میشود. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود یک نانومتر تا 100 نانومتر میباشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).
نانو فناوری عبارت است از هنر دستکاری مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی (مانند روبات های میکروسکپی). نانوفناوری، فناوری است که بر پایه دستکاری تک تک اتم ها و مولکول ها استوار است بدین منظور که بتوان ساختاری پیچیده را با خصوصیات اتمی تولید کرد.
تعریف استاندارد

1. به طراحی، تعیین ویژگی ها، تولید و کاربرد مواد، ابزار آلات و سیستم ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو می گویند.
2. به دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو می گویند و هدف آن تولید مواد، ابزار و سیستم هایی با ویژگیهای بنیادی و عملکردهای جدید میباشد.
   
3. 
   

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟
خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتری، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی به وجود می آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و فناوریهای جدیدی با کارآیی بالا منتهی میشود که پیش از این میسر نبود.
نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوفناوری به ما اجازه میدهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود اسمبلی بسازیم. در روش خود اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوفناوری به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.
ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده ال می سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت تر و غیرشکننده تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم میکنند. وسایل الکترونیکی جدید، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر میتوانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.


۲ - تاریخچه

اولین جرقه نانو فناوری (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد.
در 29 دسامبر 1959 ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل 1965 فیزیک، کنفرانسی تحت عنوان "فضای زیادی در آن پایین وجود دارد" در جلسه سالیانه جامعه فیزیک آمریکا ارائه داد. او وارد مبحثی شد که کمتر کسی به آن فکر کرده بود و شجاعت صحبت داشت، چون اطلاعات بسیار ناچیزی از این مقیاس وجود داشت. فاینمن ایده­ای را برای دستکاری و کنترل اشیای بسیار ریز از طریق جابجایی و چیدن اتم به اتم ماده ارائه داد. فاینمن حضار را با ایده ای بسیار ساده و تکان دهنده (حداقل در آن زمان و ابزارهایی که در آن زمان در دسترس بود) شگفت زده کرد.
فاینمن اشاره کرد که بعضی دانشمندان فکر میکنند که بیشتر کشفیات بزرگ ساخته شدهاند در حالی که این چیزی جز یک هیجان نیست. او به کارش ادامه داد تا عکس این ایده را اثبات کند. او توضیح داد که چگونه میتوان 24 جلد از دایره المعارف بریتانیکا را روی سر یک سوزن بنویسد. او حروفی از فلز سیاه را بالا آورد و گفت میشود این حروف را 25000/1 برابر کوچک تر از اندازه ی طبیعی اش روی تکه ای فلز نوشت یا حک کرد.

در ادامه فاینمن توضیح داد که چگونه میتوان چنین نوشته های کوچکی را به کمک میکروسکوپ های الکترونی خواند. روشی که او گفت نوشتن متنهایی بسیار ریز و کوچکتر کردن اندازه آنها بدون تغییر وضوح بود.
اما این کار باید چگونه انجام شود؟ او گفت می توان هر حرف الفبا را با 6 یا 7 بیت از اطلاعات نشان داد. او همچنین پیشنهاد کرد که از فضای درون فلز هم میتوان علاوه بر سطح بیرونی آن برای حک کردن اطلاعات استفاده کرد. وی افزود اگر هر بیت معادل 100 اتم باشد تمام اطلاعات کتابهای جهان در مکعبی به ضلع 200/1 اینچ می تواند نوشته شود، اندازه ای حدود یک ذره غبار. آری، در این پایین فضای زیادی وجود دارد.
فاینمن (به عنوان یک فیزیکدان) تاکید کرد که این چیزها که برای زیست شناسی قدیمی شده است و سالیان است که زیست شناسان در حال بررسی روی سلول های پروتئینی مانند DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) هستند. دانشمندان می دانند که با DNA کدگذاری برای طراحی هرچیزی از حشرات ریزبالدار، انسان ها و نهنگ ها و هرموجود زنده دیگری صورت می گیرد.
فاینمن خاطر نشان کرد که زیست شناسان منتظر اختراع میکروسکوپی 100 برابر قوی تر از میکروسکوپ های موجود، توسط فیزیکدانان هستند و هرچه ابزار مورد استفاده قوی تر باشد، دانشمندان قادر خواهند بود پنجره ی جدیدتر و محسوس تری از پروتئین ها را بسوی خود باز کنند. وی از احتمالات بی شمار دنیای مولکول ها سخن به میان آورد که امروز دنیای نانو نامیده شده است. وی همکارانش را بر آن داشت که تلاش و ذهنیت خود را برای شناسایی و به دست آوردن این دنیای مولکولی صرف کنند.

اما موضوع بحث فاینمن کاملاً جدید هم نبود ایده تغییر خواص شیمیایی اولین بار توسط شیمیدانان مسلمان بیان شد. در 13 قرن پیش دانشمندان به دنبال اکسیر جاودانگی و تغییر فرمول شیمیایی سرب و تبدیل آن به طلا بودند که دریافتند واکنش پذیری و پالایش شیمیایی باعث ساخت مواد جدید می شود. آنها در تلاش بودند تا با ترکیب اتمهای از راه های شیمیایی به ترکیب های دلخواه برسند.
برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت. اغلب گفته میشود فناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک است ، اشیاء خیلی کوچک و در واقع استفاده و تولید ماده در مقیاس ریز مولکولی است که در این ابعاد اتم ها و مولکول ها به شکلی متفاوت از ابعاد بزرگتر عمل میکنند و گستره ای ازکاربردهای جالب و شگفت انگیز را فراهم میکنند. میتوان اصطلاح"فناوری مولکولی" را برای فناوری نانو استفاده کرد، چرا که ابعاد نانو ابعاد کارایی مولکولها است.

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر میباشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان: «موتور آفرینش: آغاز دوران نانو فناوری» بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم ها، ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
اگر چه تحقیق در زمینه فناوری نانو به زمانی باز میگردد که ریچارد پی فاینمن طی سخنرانی کلاسیک خود در سال 1959 به این فناوری اشاره کرد اما عبارت فناوری نانو اولین بار توسط کی اریک درکسلر در سال 1986 در کتابی از وی با عنوان موتورهای آفرینش بسط داده شد. در مقالات و نوشته های عمومی واژه فناوری نانو گاهی به هر فرآیند کوچکتر از اندازه های میکرون اطلاق میگردد که میتواند فرآیند لیتوگرافی را نیز شامل شود. به خاطر همین بسیاری از دانشمندان هنگامی که می خواهند درباره فناوری نانو به معنی واقعی و علمی کلمه صحبت کنند از آن به عنوان فناوری نانومولکولی یاد میکنند که به معنی فناوری نانو در ابعاد مولکولی میباشد.


۳ - مفاهیم بنیادین

برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت. اغلب گفته میشود فناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک است ، اشیاء خیلی کوچک و در واقع استفاده و تولید ماده در مقیاس ریز مولکولی است که در این ابعاد اتم ها و مولکول ها به شکلی متفاوت از ابعاد بزرگتر عمل میکنند و گستره ای ازکاربردهای جالب و شگفت انگیز را فراهم میکنند. میتوان اصطلاح"فناوری مولکولی" را برای فناوری نانو استفاده کرد، چرا که ابعاد نانو ابعاد کارایی مولکولها است.
پیشوند nano کلمه ای یونانی به معنی کوچک (کوتوله) است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم یک کمیت استفاده میشود.
سازمان بینالمللی استانداردها یک متر را بدین گونه تعریف کرده است:
طولی که توسط نور در خلأ در بازه زمانی 29979457/1 ثانیه طی میشود، یک متر میباشد و یک نانومتر یک میلیاردیوم متر میباشد.

مثلاً فکر کنید، ضخامت تار موی انسان 50000nm است. این ابعاد در مقایسه با یک مولکول گلوکز که کمتر از یک نانومتر است، بسیار زیاد است. جالب است که با چنین تفاوتی، مولکول گلوکز که پنجاه هزار بار کوچکتر از تار مو است، میتواند انرژی فعالیتهای متابولیکی را تأمین کند.
با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم ها و مقیاس نانو میتوان یک نانومتر را راحت تر تصور کرد. یک نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن و یا 5 اتم سیلسیم میباشد. درک این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت تر میباشد.
همچنین یک گلبول قرمز دارای عرض تقریبی هفت هزار نانومتر است.
یک مولکول آب دارای قطری حدود 1 نانو متر است.
اندازه پروتئینها بین 1 تا 20 نانومتر است.
طبق تعاریف مقیاس طولی بین 1 نانومتر تا 100 نانومتر را مقیاس نانو می گویند. یک نانومتر یک هزارم میکرون است و اگر بخواهیم احساس فیزیکی نسبت به آن داشته باشیم میتوان گفت که یک نانومتر 80000/1قطر موی انسان میباشد اما این تعریف مقیاس نانو، نمیتواند مقایسه درستی باشد چرا که ضخامت موی انسان با توجه خصوصیات فردی هرانسان از چند ده میکرومتر تا چند صدمیکرومتر متغیر میباشد.
بنابراین نیاز به یک استاندارد برای بیان مفهوم مقیاس نانو وجود دارد. با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم ها و مقیاس نانو میتوان یک نانومتر را راحت ترتصورکرد. یک نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن و یا 5 اتم سیلسیم میباشد. درک این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت تر میباشد. علی رغم اینکه درک اندازه یک اتم برای افراد غیرعلمی ساده نمیباشد، با اینحال اندازه دقیق اتم برای فهماندن این مقیاس زیاد اهمیت ندارد.


۴ - گستره دانشی (دایره شمول در حوزه علوم)

نانو تکنولوژی از یک رشته علمی خاص مشتق نمیشود. با وجودی که نانو تکنولوژی بیشترین وجه مشترک را با علم مواد دارد، خواص اتم و مولکول شالوده بسیاری از علوم است و در نتیجه دانشمندان حوزه های علمی به آن جذب میشوند.
نانوفناوری یک دانش به شدت میان رشته ای است و به رشته هایی چون پزشکی، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط میشود. نانو تکنولوژی میتواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح ریزی دانش کنونی بر پایه هایی جدیدتر و امروزی تر باشد.


۵ - حوزه کاربرد در صنعت

هر فناوری باید با به کارگیری علم در تولید مفید و مقرون به صرفه کالاها و خدمات، رشد کند و امروزه فناوری نانو است که دنباله رو این هدف است. به واسطه ارتباط فناوری نانو با آجربنای مولکولی مواد این حوزه از فناوری، با بسیاری از چیزهایی که به صورت روزمره از کنار آنها میگذریم ارتباط دارد، زیرا مولکولها بنای همه مواد را شکل میدهد.دانشمندان برای فناوری نانو کاربردهای خاصی را متصورند که جایگاه و اهمیت آن را در منافع اقتصادی ممتاز میکند و دانشمندان را به تحقیق در مورد کاربردهای مختلفی مثل محیط زیست، نفت و پتروشیمی، الکترونیک، خودرو، پوشاک، بهداشت و... هدایت میکند. با حذف آلاینده به کمک ذراتی با ابعاد نانومتر (نانوذرات) یا با کاهش مصرف سوخت میتوان بهبود زیادی را در محیط زیست فراهم ساخت. میتوان از نانوذرات برای انتقال دارو به یک نقطه هدف در بدن بیمار بهره برد. در خودرو مهمترین مولفه، وزن و هزینه قـطـعات مخـتلف است که با فناوری نانو میتوان آن را تغییر داد.بر اساس خواصی که به آن اشاره شد، هر یک از ساختارهای نانومتری استعداد کاربرد ویژه ای را دارند که در هر زمینه قابل بررسی است. اما از دید کاربردی بیشترین سندهای ثبت اختراع مربوط به حوزه های زیر بوده اند:

فناوری نانو کاربردهای گسترده ای در دانش های گوناگون دارد که از موردهای مهم آن میتوان به کاربردهایش در پزشکی برای ساخت داروهای بدون اثرهای جانبی اشاره کرد که تنها بر یک بافت ویژه تأثیر می گذارند. از انواع کاربردها میتوان در ساخت نانو جوراب ها، نانو لوله های کربنی، داروسازی هوشمند و ... اشاره کرد.
فناوری نانو و الکترونیک
سازندگان تجهیزات الکترونیکی، علاقه بسیاری به کوچک کردن ابعاد و بالا بردن قدرت محاسبات این تجهیزات دارند. ولی این امر با استفاده از فناوریهای معمولی تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک شده است. اما فناوری نانو، راه دیگری را پیش پا گذاشته و میتوان گفت دنیای الکترونیک را دگرگون ساخته است. با استفاده از این فناوری، نسل جدیدی از رایانه ها به نام رایانه کوانتومی به بازار خواهد آمد، که تقریبا 1000 برابر رایانه های امروزی قدرت خواهد داشت! با استفاده از این رایانه ها، سرعت دستیابی به اطلاعات صدها برابر شده و طبعا برتری اطلاعاتی با دارندگان این تجهیزات خواهد بود.

فناوری نانو و شیمی

با استفاده از فناوری نانو میتوان کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالا تولید کرده و راندمان را در واحدهای شیمیایی به میزان بسیار زیادی افزایش داد. سلولهای خورشیدی کوانتومی با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز، نسل جدید باتریها، پوششهای بسیار مقاوم، رنگهای بی نیاز از شستشو و تحولات خارق العاده دیگر در دنیای شیمی و تولید، از دیگر کاربردهای فناوری نانو می باشند که قابلیت ایجاد تحول در نحوه زندگی انسان خواهد داشت.

فناوری نانو و پزشکی

همانگونه که می دانید روش معمولی درمان دارویی، بدین صورت است که ماده موثر را وارد بدن میکنند و این ماده علاوه بر سلولهای مریض به سلولها و بافتهای سالم بدن نیز سرایت میکند. این امر، باعث مصرف بسیار بالای دارو شده و مهمتر اینکه موجب آسیب رساندن به بافتهای سالم بدن نیز میگردد. محققان با استفاده از فناوری نانو، در حال ساخت کپسولهایی با ابعاد نانومتری هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصورشان قدرت تشخیص بافتهای مریض را داشته، دقیقا روی این بافتها قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها می رسانند.
این پدیده را دارو رسانی (drug delivery) گویند. فناوری نانو همچنین راه را برای ساخت اندامکهای سازگار با بدن بسیار هموارتر ساخته و بسیاری از امراض غیر قابل علاج را درمان پذیر خواهد کرد. در مورد درمان سرطان نیز محققان در حال ساخت نانو ذراتی هستند که به محض ورود به بدن، بافتهای سرطانی را حتی اگر به اندازه چند سلول باشند، شناسایی کرده و از بین می برند. این امر موجب خواهد شد که بافتهای سرطانی در همان روزهای ابتدای شکل گیری، شناسایی شده و از بین بروند. بطور کلی در سالهای آینده پیشگیری تشخیص و درمان بیماریها نسبت به آنچه امروزه به عنوان پزشکی خوانده میشود، بسیار متفاوت خواهد شد.
فناوری نانو و حمل و نقل
مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شدهاند، به میزان چشم گیری موجب کاهش وزن وسائط نقلیه خواهند شد. در خودروهای نسل آینده، به جای فولاد، از مواد مرکب یا نانو کامپوزیتهایی استفاده میشود که وزنی بسیار ناچیز و استحکام حیرت انگیز دارند (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با فولاد چند صد برابر بیشتر است).
کاهش وزن در وسائط نقلیه یعنی دستیابی به سرعتهای بالاتر، کاهش مصرف سوخت، کاهش تولید آلاینده ها و هزاران منفعت دیگر که به یمن کاهش آلودگی، عاید بشر خواهد شد. هم اکنون با استفاده از این فناوری، لاستیکهایی ساخته میشود که با دارا بودن درصدی از خاک رس، مقاومت به سایش بسیار بالایی داشته و عمری چند برابر لاستیکهای معمولی دارند.

نانو تکنولوژی و نساجی
نانوالیاف" اصطلاحی عمومی است که به الیافی با قطر کمتر از یک میکرون اطلاق میشود. همچنین اصطلاح نانوالیاف به رشته های نسبتاً کوتاهی با قطر کمتر از 500 نانومتر نیز اطلاق میشود و مانند نانوسیم ها از انواع ساختارهای تک بعدی می باشند. یکی از روشهای کاربرد نانوذرات برای ایجاد قابلیت ویژه در لباس، استفاده ازنانوذراتی است که با یک لایه واسطه احاطه شده و به طور غیر مستقیم به پارچه وصل میگردد. این لایه با سطح لایه الیاف یا پارچه اتصال کوالانسی ایجاد میکند و قابلیت خاصی را به منسوج میدهد. با این روش، نانوذرات با الیاف، نخ، پارچه و پوشاک پیوند شیمیایی کوالانسی ایجاد میکنند. لایه احاطه کننده، سطحی دارد که شامل اتصالات جانبی برای چسبیدن به الیاف است. این گروهها اتصال محکم ماده فعال به منسوج را تضمین میکند. چنین منسوجاتی پایداری و دوام بالایی از نانوذرات و قابلیت آنها بعد از بارها شستشو نشان میدهند.
منسوجات هوشمند نسل آینده الیاف، پارچه ها و اقلامی هستند که از آنها تولید شده است. میتوان گفت منسوجاتی هستند که برای خودشان فکر میکنند نه برای دیگران. این یعنی آنها میتوانند در سرما ما را گرم نگه دارند و در سرما خنکمان کنند یا راحتی لازم را برای ما فراهم آورند یا با وسایل الکترونیکی سازگاری داشته باشد یا یک اثر رنگی مشخص داشته باشند. خیلی از منسوجات هوشمند در انواع پوشاک استفاده می-شوند و هدف آنها ایمنی یا بهداشت یا راحتی است. یکی از زمینه های اصلی توسعه منسوجات صنایع نظامی است. لباسهایی که در شرایط زمستانی سخت پوشیده میشود یا لباسهایی که تغییر رنگ میدهند از اصلی ترین پروژههای مطرح نظامی هستند. بسیاری از این موارد فقط با کار تیمی حاصل میشوند.

کاربرد فناوری نانو در صنعت چوب
شناخت و استفاده موفقیت آمیز از فن آورى نانو در صنعت چوب، تولید محصولات جدید و با ارزش افزوده بسیار بالا را ممکن مى سازد. کمیسیون اروپا به منظور ترسیم نقشه راه،تحقیق و توسعه و تشخیص پیشرفت هاى جدید در حوزه فن آورى نانو و شناسایى زمینه هاى مرتبط و مناسب براى کاربرد هاى عملى این فن آورى در بخش تولیدات چوبى، مطالعه جامه اى را انجام داده است. در این مطالعه مشخص شد که فن آورى نانو با ساخت موادى با عملکرد بسیار بالا مى تواند ابزارى بسیار مهم براى پیشرفت زمینه هاى بسیارى از جمله موارد زیر باشد:

1. تغییر محصولات چوبى از منبع محور به دانش محور
2. پیشرفت هاى غیر منتظرة واقعى در عملکرد مواد زیستى ساخته شده از منابع چوبى
   
3. تغییر رویکرد از محصولات چوبى حجیم به مواد جدید بیوکامپوزیتى مناسب
4. یکپارچه نمودن SMEها

مثال،اجتماع تولید کنندگان محصولات با عملکرد بالا با فعالان صنعت چوب و کاغذ

کاربرد فناوری نانو در صنعت کاغذ
صنعت کاغذ و مقوا سازی ، صنعتی سرمایه بر است وزمان لازم برای به کارگیری فرایندهای جدید در آن عموما بسیار زیاد است . با این شرایط ، تعویض تجهیزات پرهزینه فقط هنگام بازسازیهای عمده و راه اندازی خطوط تولید جدید صورت می گیرد . تا کنون تنها تعداد اندکی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت کاغذ به کار گرفته شده است که یکی از مشهورترین آنها استفاده از نانو/ میکرو ذرات (سیلیکای کلوئیدی ، هیدروکسید آلومینییم کلوئیدی ) به صورت ترکیب با پلی الکترولیت های کاتیونی است . کلیه این فناوریها از دهه 80 آغاز ومحصولات جدید ، در دهه 90 توسعه یافته اند . دیگر فناوریهای در حال توسعه شامل استفاده از حفاظ های نانو کامپوزیتی برای استفاده در بسته بندی غذا و عایق های روغن و چربی است .

کاربرد فناوری نانو در صنایع غذایی
یکی از مهمترین بخشهای صنعت تمام کشورها که با امنیت غذایی در ارتباط است صنایع غذایی میباشد. با کمبود منابع غذایی و افزایش جمعیت، توسعه این بخش از صنعت ضروری به نظر می رسد.حوزه های مختلف کاربردی فناوری نانو در غذا و صنایع غذایی را میتوان به شش دسته زیر تقسیم بندی نمود:

1. نگهداری غذا
2. بهبود طعم و رنگ
3. سلامت غذا
   
4. بسته بندی
5. تولید غذا
   
6. فرآیندهای غذایی
   

نانوپوشش ها
در فعالیتهای صنعتی میتوان به پوشش دهی نانومتری ضد سایش، ضد خش و مقاوم در برابر خوردگی اشاره کرد. پوشش های اپتیکی هم به سرعت در حال پیشرفت هستند. پوشش های نانوکامپوزیتی در صنایع بسته بندی سبب نازکتر شدن بسته بندی و سبکی و طولانی تر شدن عمر مواد غذایی میشوند. دستة دیگر، کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی اند که موجب کوچکتر شدن قطعات الکترونیکی، افزایش ذخیره سازی اطلاعات، ساخت پوشش ها با رسانایی بالا میشوند. در همه این کاربردها یک پوشش مخصوص روی یک ماده زمینه قرار گرفته است.




شاخه های اصلی در نانو فناوری
میتوان موردهای زیر را شاخه های بنیادین دانش نانوفناوری دانست:

• نانو روکش­ها (به ماده ای گفته میشود که در مقیاس نانو ساخته شده و به عنوان روکش ، پوشاننده یا محافظ برای دیگر مواد به کار میرود. زمینه هایی که از نانو روکش ها استفاده میشود: الکترونیک، مواد غذایی، وسائط نقلیه و غیره.)
• نانو مواد
• نانو پودرها
• نانو لوله ها (نانو تیوب ها)
• نانو کامپوزیت ها
• مهندسی مولکولی (ماشین های مولکولی زیستی ای هستند که عامل اصلی حرکت در سازواره های زنده می باشند. در حالت کلی موتور به معنی وسیله ای است که شکلی از انرژی را مصرف و به حرکت یا کار تبدیل میکند؛ برای مثال، بسیاری از موتورهای مولکولی پروتئین- محور از انرژی آزاد شیمیایی ای که از آبکافت ای تی پی آزاد میشود برای انجام کار مکانیکی استفاده می­کنند)
• موتورهای مولکولی(نانو ماشین ها)
• نانو الکترونیک (شاخه ای از فناوری نانو است که از تاثیر نانوفناوری بر دانش و صنعت الکترونیک ایجاد شده است. تاریخه این دانش به حدود ۵۰ سال قبل و از زمان تلاش برای کوچک تر کردن هر چه بیش تر ترانزیستورها برمیگردد. نانوالکترویک از نظر ساخت وسایل الکتریکی کوچک تر، سریع تر و کم مصرفتر نقش بسیار مهمی در تکنولوژی جهانی دارد. افزایش میزان ذخیره اطلاعات، محاسبه گرهای رایانهای کوچک تر، طراحی مدارهای منطقی، نانوسیم ها و... از زمینه های کاربرد نانو الکترونیک هستند)
• نانو سیم ها
• نانو حسگرها
• نانو ترانزیستورها
  

برای آشنایی بیشتر با کاربردهای فناوری نانو می­توانید به فایل پیوست مراجعه نمایید.


۶ - طبقهبندی فناوری


۷ - محصولات منتجه از فناوری

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانو فناوری

1. محصولات خود اسمبل
2. کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3. اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)
4. سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5. نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6. دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه های دنیا
7. احیاء و سازماندهی اراضی

میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملکولی ) - مثل یک درخت یا یک میکروب - ساخته میشود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمیشوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال:

o ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نو
o ورشکستگی صنایع قدیمی با ورود تجاری مواد نو
o کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوختهای فسیلی
o همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف
o سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
o شناسائی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
o ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
o از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
o از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
o سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
o تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند
o و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!
از دامنه بسیار گسترده محصولات منتجه از نانو فناوری می­توان به فهرست کلی زیر اشاره کرد:

• نانو روکش­ها
• نانو پودرها
• نانو لوله­ها (نانو تیوب ها)
• نانو کامپوزیت ها
• موتورهای مولکولی(نانو ماشین ها)
• نانو سیم ها
• نانو حسگرها
• نانو ترانزیستورها