***دنیای نانو ؛ آشنایی با مفاهیم*** [آرشيو]

masoud*65

2009/8/30, 11:37 PM

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

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

http://www.courtial-italy.com/english/Umbria/piatto_deruta.jpg http://www.bellaumbria.net/Deruta/deruta_pottery_ceramics.jpg

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

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

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

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

http://www.theapplecollection.com/various/Celebrity/images/DrRichardFeynman.jpg

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

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

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

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

مطالب فوق با اندکی تغییراتی از اینجا (http://www.sussan18.blogfa.com/post-12.aspx) برداشت شده است.

masoud*65

2009/9/02, 09:41 AM

هدف در نانو تکنولوژِی:

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

m4material

2010/3/14, 12:29 PM

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

m4material

2010/3/14, 12:33 PM

فناوري نانو چيست؟
1385-11-06

فرض کنيد که يک جعبه از آجرک‌هاي ساختمان سازي در اختيار داريد، مثل اين:http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/01.gif
و مي خواهيد با آن يک ديوار به ارتفاع 10 سانتي متر بسازيد. براي ساختن ديوار چند راه مختلف داريد:
راه اول: مي توانيد آجرک‌ها را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته ده سانتي متري درست شود. دراين حالت ديوار شما کاملا بي نظم و غير يکنواخت است. مثلا ضخامت ديوار در قسمتهاي پاييني خيلي بيشتر از قسمتهاي بالايي است.(تصوير شماره يک):
http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/02.jpg
تصوير شماره 1
راه دوم: ممکن است کمي حوصله به خرج دهيد و آجرک‌ها را چندتا چندتا به هم وصل کنيد. مثلا قطعاتي به اندازه جعبه کبريت بسازيد و بعد اين قطعات را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته 10 سانتي متري درست بشود، اين بار هم ديوار شما بي نظم و غير يکنواخت خواهد بود؛ اما به طور قطع از ديوار قبلي منظم تر و قدري هم خوش قيافه‌تر است.(تصوير شماره 2)

http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/03.jpg
تصوير شماره 2
راه سوم:اگر خيلي آدم صبور و باحوصله اي باشيد، آجرک‌ها را دانه به دانه به هم متصل تا يک مستطيل به ارتفاع ده سانتي متر بسازيد. اين ديوار کاملا يکدست و منظم خواهد بود. به عنوان مثال اگر از وسط آن را بشکنيد، هرکدام از نصفه ديوارها نظم اوليه خود را حفظ خواهد کرد.(تصوير شماره 3)

http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/04.jpg
تصوير شماره 3
حالا به تصوير شماره 4 نگاه کنيد، به نظر شما اين تصوير شبيه کداميک از ديوارها است؟
فکر مي‌کنم در اين مورد شما هم با من موافقيد، بله! تصوير شماره 4 بيش از همه به ديوار دوم شبيه است. حتما مي پرسيد که تصوير شماره 4 چه چيزي را نشان مي‌دهد؟ بايد بگويم که اين تصوير، عکس واقعي سطح يک ميله مسي کاملا صيقل داده شده در زير ميکروسکوپ است! اگر سطح يک فلز را خوب صيقل دهيم، بعد آن را به خوبي بشوييم، و سپس زير ميکروسکوپ بگذاريم چنين ساختاري را مشاهده خواهيم کرد. (البته نه به اين وضوح!) به هرکدام از چندضلعي‌هاي تصوير، يک «دانه» مي گوييم. هر دانه در واقع مجموعه اي از هزاران اتم فلز است که به طور منظمي کنار هم قرار گرفته اند. هرکدام از اين اتمها قطري در حدود «يک نانومتر» يعني يک ميليارديم متر دارند.

http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/05.jpg
تصوير شماره 4
خوب، حال بگذاريد که تشابه بين ديوارهاي شما و سطح فلز را بررسي کنيم:
آجرهاي ساختمان سازي مانند اتم ها هستند و قطعات به اندازه جعبه کبريت در ديوار دوم هم مانند دانه ها. در واقع اتمهاي درون يک دانه مانند آجرک‌هاي يک قطعه به هم متصل شده اند. اما ديوار سوم شبيه چيست؟
از يک نظر مي توان گفت که ديوار سوم شبيه يک تصوير بزرگ از درون يکي از دانه ها است. اما آيا در عمل مي توانيم فلزي داشته باشيم که همه اتمهاي آن مانند ديوار سوم به شکل منظم به هم متصل شده باشند؟ يعني همه سطح فلز يکدست باشد نه اينقدر تکه تکه ونامنظم؟
بايد دانست که تا چند سال پيش نه تنها هيچ فلزي، بلکه هيچ ماده مصنوعي هم وجود نداشت که در ابعاد بزرگ، حتي مثلا در ابعاد چند ميلي متر در چند ميلي متر، يکدست و منظم باشد. فکر مي کنيد چرا؟
دليلش اين است که ما انسانها در بيشتر مواقع، وقتي مي خواهيم يک جسم جديد بسازيم، آن را از روش ساختن ديوار اول درست مي کنيم! شايد روش ساختن يک قطعه فلزي را در تلويزيون ديده و يا در کتابي خوانده باشيد: "ابتدا فلز را ذوب مي کنيم و بعد به وسيله ظرفهاي مخصوصي فلزمذاب را درقالب قطعه مورد نظر مي ريزيم." اين کار دقيقا مانند ساختن ديوار به روش اول است؛ کاملا کيلويي!!!
حتي همان دانه هايي هم که در تصوير 4 ديديد، به طورطبيعي و بدون دخالت انسان ايجاد مي شوند و ما در اکثر روشهاي معمولِ ساختنِ چيزها، توانايي نظم دادن و يا شکل دادن به اتمها در ابعاد کوچک را نداريم. البته بايد به اين نکته هم اشاره کرد که در بسياري از کاربردها، به موادي شبيه به ديوار اول يا دوم نياز داريم. براي مثال فلزات که ساختاري شبيه به ديوار دوم دارند (مثل مسي که عکسش را ديديد)، قابليت چکش خواري و شکل پذيري بيشتري از خود نشان مي دهند.
اما در چند سال اخير روشهايي ابداع شده اند که به ما اجازه مي دهند که اتم ها و مولکول ها (آجرک ها) را به طور منظم وبه دلخواه خودمان به هم متصل کنيم. دانشمندان اين روشهاي جديد را «فناوري نانو» ناميده اند. به تصوير شماره 5 توجه کنيد.

http://www.nanoclub.ir/contents/whatisnano01/06.jpg
تصوير شماره 5
شايد در ابتدا، شکل 5، تصوير يک ميله توپر به نظر برسد، اما اين ميله که قطر آن درحدود 0.3 ميلي متر است، از هزاران رشته ايستاده کربن تشکيل شده است که قطر هرکدام در حدود چند نانومتراست. اين دسته رشته هاي منظم و يکسان براي اولين باردر حدود 10 سال پيش ساخته شدند و خواص و قابليت هاي حيرت آور و متعددي دارند.
شايد بپرسيد كه چرا اين روشهاي جديد را "فناوري نانو" ناميده اند؟ جواب اين است که در شيوه هاي فوق با ساختارهايي سروکار داريم که از تعداد کمي اتم و مولکول ساخته شده اند و اتمها و مولکولها هم ابعادي در حدود نانومتر دارند.
همانطور که مي دانيد خواص مواد به نوع اتمهاي تشکيل دهنده آنها و نوع اتصال اين اتمها به يکديگر بستگي دارد. بنابراين اگر بتوانيم اين اتم ها را به شکل مورد نظر خودمان به هم متصل کنيم، مواد جديدي با خواص و توانايي هاي مورد نظرمان، به دست آوريم؛ اين کار، مهمترين هدف در نانوفناوري است. مثلا مي توانيم ماده اي بسازيم که هم خيلي محکم باشد و هم خيلي سبک و يا ماده اي که در ابعاد بزرگ هم يکدست و منظم باشد.
در اين سايت مطالب مختلفي درباره فناوري نانو و کاربردهاي آن خواهيد يافت. سرگرمي ها و فعاليت هاي مختلفي هم خواهيد ديد که مي توانيد با انجام آن ها فناوري نانو را بهتر بشناسيد.

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

m4material

2010/3/14, 12:34 PM

شيمی مولکولی
آيا تا به حال هوا را داخل سرنگي محبوس کرده‌ايد تا آن را تحت فشار قرار دهيد؟
چه اتفاقي مي‌افتد وقتي پيستون سرنگ را فشار مي‌دهيد؟
هوا چگونه متراکم مي‌شود؟ چگونه در يک فضاي کوچکتر جا مي‌گيرد؟
يک تکه اسفنج را مي‌توان در فضاي کوچکتري متراکم کرد. علت تراکم اسفنج اين است که در آن سوراخهاي ريزي وجود دارد، وقتي اسفنج را فشار مي‌دهيم هواي داخل اين سوراخها خارج مي‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزديکتر مي‌گردد. درست مثل زماني که يک تکه اسفنج خيس را فشار مي‌دهيد؛ آب از سوراخهاي اسفنج خارج و اسفنج متراکم مي‌شود. "بويل"، دانشمند انگليسي در سال 1662 ميلادي مقداري جيوه – که فلزي مايع است- را در يک لوله شيشه‌اي پنچ متري ريخت. اين لوله خميده به شکل حرف انگليسي U و يک سمت آن مسدود بود. بويل مشاده کرد که با افزودن جيوه هواي به دام افتاده در سمتي که بسته است، متراکم مي‌شود و فضاي کمتري اشغال مي‌کند. بويل نتيجه گرفت که هوا بايد از ذرات بسيار کوچک، يعني اتمهاي ريز، تشکيل شده باشد. ميان اتم‌ها فضايي است که در آن هيچ چيز نيست. وقتي هوا متراکم مي‌شود، اتم‌ها به هم نزديکتر مي‌شوند. بويل همان سال‌ها در کتابي نوشت: "عنصرها را بايد با آزمايش کشف کرد. شيميدانها بايد بکوشند تا هر چيزي را به مواد ساده‌تر تجزيه کنند، آن ماده يک عنصر است."
دانشمندان بر مبناي اين توصيه بويل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زيادي را که از اين عناصر ساخته شده بود را بررسي کردند. بسياري از مواد مرکب بررسي شده تا آن زمان از مولکول‌هاي ساده ساخته شده بودند و هر کدام بيش از چند اتم نداشتند. کافي بود فهرستي از انواع گوناگون اتمها تهيه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 ميلادي (1203 شمسي) "يوستون ليبينگ" و "فردريخ وهلر"، شيميدان آلماني درباره دوماده مرکب متفاوت تحقيق مي‌کردند. هريک از آنها براي ماده مرکب خود فرمولي بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصري و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتي آنها نتايج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده داراي فرمول يکساني هستند. با اينکه اين دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگوني داشتند، مولکولهاي آنها از عناصر يکسان تشکيل شده و حتي عده اتمهاي هر عنصر در هر دو ماده يکسان بود. به اين ترتيب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهاي موجود در يک مولکول کافي نيست. و اين اتمها بايد آرايش ويژه‌‌‌اي داشته باشند. بنابراين، آرايش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها مي‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اينکه هم مولکولها و هم اتمها به قدري کوچک هستند که ديده نمي‌شوند، شيميدانان چگونه مي توانند نوع آرايش اتم‌ها را در مولکولها بيابند؟
نخستين گام را در اين راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگليسي برداشت. او مولکول‌هاي آلي را با برخي از فلزات ترکيب کرد و دريافت که اتمِ يک نوع فلزِ، هميشه با تعداد مشخصي از مولکول‌هاي آلي ترکيب مي‌شود. او نتيجه گرفت که هر اتم توانايي و ظرفيت خاصي براي ترکيب با عناصر ديگر دارد. او اسم اين خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌اي لاتين به معناي "ظرفيت" يا "توانايي" است. براي مثال وقتي مي‌گوييم:"ظرفيت هيدروژن «يک» است"، يعني اتم هيدروژن تنها با يک اتم ديگر مي‌تواند ترکيب شود. ظرفيت اکسيژن «دو»، نيتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندي، نيز در 1858 ميلادي نظريه "پيوندهاي شيميايي" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" يا "پيوند" به يکديگر متصل مي‌شوند و مولکولهاي مختلف را تشکيل مي‌دهند. طبق نظريه او، هر اتم به اندازه "ظرفيت" يا "والانس" خود مي‌تواند با اتمهاي ديگر پيوند بدهد. کوپر همچنين پيشنهاد کرد که اتم‌ها را با توجه به ظرفيتشان و تعداد پيوندهايي که مي‌توانند با ساير اتمها داشته باشند، به صورت ذيل نمايش دهند:
http://www.nanoclub.ir/contents/molchem01/01.gif
به اين ترتيب مي‌توانيم مولکول‌ها را با رسم پيوندهاي ميان اتم‌ها، به شکل زير نشان بدهيم:

http://www.nanoclub.ir/contents/molchem01/02.gif
استفاده از روش فوق براي نشان دادن ساختمان مولکول‌هاي کوچک و غير آلي، به راحتي مقدور بود، اما در مورد مولکول‌هاي بزرگتر و مواد مرکب آلي، مشکلاتي وجود داشت که گاه باعث گمراهي مي‌شد. از اينرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفيت را در موردِ مواد مرکب آلي برطرف کند. "فردريش آگوست ککوله" با توجه به اين مسأله که هر اتم کربن ظرفيت اتصال به چهار اتم ديگر را دارد، توانست مسايل مربوط به تعداد زيادي از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر مي‌رسيد- را حل کند.
امروزه نيز از همين مدل براي نشان دادن مولکولها و همچنين توضيح خواص آنها استفاده مي‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/molchem01/03.gif
اما شيمي‌دانان ها چگونه مي‌توانند بين ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اين‌که از چه عناصر تشکيل شده‌اند و داراي چه آرايشي هستند، خواص مختلفي دارند. براي مثال موادي که خاصيت اسيدي از خود نشان مي‌دهند در ساختار مولکولي خود اتم هيدروژني دارند که به اکسيژن متصل است و آن اتم اکسيژن هم با يک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پيوند دارد. حال اگر به جاي اتم نافلز، يک اتم فلز مانند سديم، کلسيم يا ... قرار گيرد، ترکيب به جاي "خصلت اسيدي"، "خاصيت قليايي" خواهد داشت.
در داروها و مولکول‌هاي بزرگ، خواص ترکيب به عوامل متعددي بستگي دارد. در نانو فناوري که هدف ساختن مولکولي جديد با رفتاري خواص است، يک دانشمند شيمي مولکولي با استفاده از تخصص خود، آرايشي از اتم‌ها را پيشنهاد مي‌کند که خواصيت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوي ديگر بايد بدانيم مولکولها صرفاً آنچه ما روي کاغذ رسم مي‌کنيم نيستند. مولکول‌ها داراي بعد هستند و فضا اشغال مي‌کنند.
يک مولکول در فضا آرايشهاي مختلفي را مي‌تواند اختيار کند. درحال حاضر با استفاده از يک سري فنون خاص و به کمک کامپيوتر مي‌توان آرايش‌هاي مختلف را پيش‌بيني کرده و چگونگي قرار گرفتن اتمها را در کنار يکديگر را بررسي کرد. همچنين مي توان حدس زد که هر آرايش مولکولي چه خواصي را موجب مي‌شود. اين کار نيز به واسطه اطلاعاتي که يک دانشمند شيمي مولکولي از مطالعه ساختارهاي مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذير مي‌باشد.
شاخه‌اي از نانوفناوري که با بهره‌گيري از شيمي مولکولي و روشهاي محاسباتي فيزيکي و مکانيک کوانتومي، آرايشهاي متنوع مولکولها را بررسي مي‌کند را نانوفناوري محاسباتي مي‌نامند.

m4material

2010/3/14, 12:36 PM

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

قصه حسن کچل و اتمهای کربن

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon01/1.jpg
http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon01/2.jpg
http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon01/3.jpg
http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon01/4.jpg

منابع و توضیحات:
- گرافیست: مهدی دهقانی (maziar_de@yahoo.com)

m4material

2010/3/14, 12:39 PM

ميكروسكوپ نيروي اتمي

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

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/0102.jpg
ميكروسكوپ نيروي اتمي از اجزاء و قطعات مختلفي تشكيل شده است كه مهم‌ترين بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" مي‌باشد و در واقع قسمت اصلي براي شناخت سطوح به شمار مي‌آيد. جنس انبرك معمولاً از سيليسيم و نوك از يک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکيل شده است. براي اينکه ميکروسکوپ نيروي اتمي بتواند برجستگي ها و فرورفتگي ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تيز انبرک ظرافت اتمي داشته باشد. همان طور که ما با دستکش کار نمي توانيم زبري يا نرمي يک سطح را حس کنيم. ازآنجا كه تصاوير مربوط به اندازه‌هاي اتمي روي يك سطح با چشم غيرمسلح يا حتي مسلح به قوي‌ترين عدسي‌ها قابل مشاهده نيست، به کمک ابزارهاي پيشرفته، حرکات عرضي لمس شده توسط انبرک و نوک ويژه ميکروسکوپ را به تصاوير ويدئويي تبديل مي‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرايش اتم‌هاي سطح، در صفحة رايانه امکانپذير باشد.
درواقع كل فرآيند "جاروكردن سطح" به وسيله همان انبرك نوك‌دار صورت مي‌گيرد. انبرك به راحتي در پستي و بلندي‌‌‌‌ها بالا و پايين مي‌رود و انتهاي آن هم به قسمتي متصل است كه به جابجايي عرض انبرك بسيار حساس است و اين تغيير فاصله‌ها را ثبت كرده و به علائمي تبديل مي‌كند که براي رايانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سيگنال" نام دارد توسط رايانه پردازش مي‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گيري اتم‌ها در کنارهم، بر روي صفحه نمايشگر، نشان داده ‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/a-afm.gifدو روش كلي براي جاروكردن سطح وجود دارد كه عبارتند از روش تماسي و روش غيرتماسي.
در روش تماسي كه براي بيشتر سطوح كارايي دارد، نوك انبرك در فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا بلندي به دليل جابجايي كه در انبرك ايجاد مي‌شود، امکان نمايش توپوگرافي براي رايانه فراهم مي‌گردد. درواقع نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزديك‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، كم مي‌شود، اين مسئاله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتم‌ها مي‌گردد.
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح كثيف و آلوده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرك را با نوساني دقيق به تحرك درمي‌آوريم و آن را روي سطح هدايت مي‌كنيم. انبرك خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي در عرض بالا و پايين مي‌شود. در اين حالت نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح مشخص مي‌شود.
البته اندازه‌گيري ساختارهاي بسيار ريز که موجب جابجايي بسيار کوچکي در انبرك مي‌‌‌‌شود، روي مي‌دهد خود بحث مفصلي است كه اين كار امروزه به وسيلة تغيير جهت انعكاس نوري كه از يك منبع بالاي انبرك روي آن مي‌تابانند، مشاهده مي‌شود(شکل 3).

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/03.jpg
شکل 3
به اين معني كه سطح انبرك به گونه‌اي صيقل داده مي‌شود كه توانايي بازتابش نور را به خوبي داشته باشد. منبع نوري اشعة مرئي را به قسمت صيقل‌داده شده مي‌تاباند و گيرنده آن را دريافت مي‌كند. به محض جابجايي عرضي انبرك، اشعه كمي منحرف مي‌شود كه باتوجه به ميزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستي و بلندي(توپوگرافي) را دقيقتر ترسيم مي‌‌‌‌کنند(شکل 4).

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/04.jpg
شکل 4
نكتة ديگري كه در مورد كاركرد ميكروسكوپ نيروي اتمي بايد بدانيم آن است كه پستي‌ها و بلندي‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط اين دستگاه گزارش مي‌شود. در نمونه‌هاي ابتدايي چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين كار با رنگ‌ها انجام مي‌شد. به اين صورت كه رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي كم و رنگ‌هاي روشن براي عمق‌هاي زياد به كار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان داد.
• نتيجه
پس از معرفي ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش كار آن، خوب است بدانيم كه بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت سطوح پيدا كرده است كه در بسياري از صنايع از جمله الكترونيك، ارتباطات، خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و كاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.

نمونه هايي از انبرک و نوک ميکروسکوپ نيروي اتمي:

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/probs.jpg
برای آشنايی بيشتر با چگونگی عملکرد این نوع ميکروسکوپها میتوانيد فايل ويدئويی ذيل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نماييد:
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifفيلم شبيه سازی میکروسکوپ نيروی اتمی (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/afm.wmv)
شبيه سازيهاي زير اطلاعات جالبي درباره ميکروسکوپ نيروي اتمي و نحوه کارکردن آن در اختيار مي گذارد. براي استفاده فايلهاي زير را داونلود (Download) کنيد و آن را روي رايانه خود نصب نماييد:
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifشبيه ساز انبرک ميکروسکوپ اتمي (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/ProbeSimulator.exe)
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifمدل سازي کار ميکروسکوپ اتمي (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/AFMModel.exe)

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

m4material

2010/3/14, 12:40 PM

شاخه هاي فناوری نانو

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanoresearch/01.jpg
پروتئين ها و رشته هاي DNA از موضوعات اصلي تحقيقات در نانوفناوري مرطوب هستند.
1- نانوتکنولوژي مرطوب: اين شاخه به مطالعه سيستم هاي زنده اي مي پردازد که اساسا در محيطهاي آبي وجود دارند. در اين شاخه ساختمان مواد ژنتيکي، غشاءها و ساير ترکيبات سلولي در مقياس نانومتر مورد مطالعه قرار مي گيرد. پژوهشگران موفق شده اند ساختارهاي زيستي فراواني توليد کنند که نحوه عملکرد آنها در مقياس نانويي کنترل مي شود. اين شاخه دربرگيرنده علوم پزشکي،دارويي و به طور کلي علوم و روشهاي مرتبط با زيست فناوري است.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanoresearch/02.jpg

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanoresearch/03.jpg
نانو لوله هاي کربني (راست) و نانوترانزيستورها (چپ)، دو نمونه از تحقيقات در نانوفناوري خشک
3- نانوتکنولوژي محاسبه اي: در بسياري از مواقع ابزار آزمايشگاهي موجود براي انجام برخي از آزمايشها در مقياس نانومتر مناسب نيستند و يا آنکه انجام اين آزمايشها بسيار گران تمام مي شود. در اين حالت از رايانه ها براي شبيه سازي فرآيندها و واکنش هاي اتم ها و مولکول ها استفاده مي شود. شناختي که به وسيله محاسبه به دست مي آيد، باعث مي شود که زمان لازم براي پيشرفت نانوتکنولوژي خشك بطور محسوسي کاهش يابد و البته تأثير مهمي در نانوتکنولوژي مرطوب نيز خواهد داشت.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanoresearch/04.jpg
نانو چرخ دنده ها (راست) و نانوموتورها (چپ) از نانو ساختارهايي هستند که با استفاده از شبيه سازي رايانه اي اطلاعات زيادي درباره آنها داريم. اما اين وسايل هنوز در عمل مورد استفاده قرار نگرفته اند.

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

m4material

2010/3/14, 12:41 PM

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌‌کند؟
قسمت اول

مقدمه
شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آن‌ها محکم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور مي‌تواند از بعضي از مواد عبور ‌کند و از بعضي ديگر نه؟
سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌هاي مواد از نظر خواص مي‌‌کند و ما را در رابطه با علت اين تفاوت‌‌ها، به تفکر بيشتر وادار مي‌‌کند. با اطلاعاتي که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌هاي موجود در عناصر داريم شايد گمان کنيم که تفاوت‌‌‌‌هاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌هاي عناصر تشکيل دهنده آنها است. با اين تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگي‌‌هاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشکيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشکيل دهنده يعني تعيين ترکيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشکار مي‌‌کند. براستي با دانستن ترکيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با کمي دقت و توجه به ترکيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مي‌‌يابيم که بسياري از آنها با وجود اين که در رفتار و خواص با يکديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي يکسان مي‌باشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي متفاوت با يکديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز ترکيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد مي‌‌شود؟
براي جواب اين سئوال لازم است که بيشتر با ساختار و ويژگي‌هاي مواد آشنا شويم.
ساختار مواد چيست؟
ساختار مواد ارتباط بين اتم‌‌ها، يون‌‌ها و مولکول‌‌هاي تشکيل دهنده آن مواد را مشخص مي‌‌کند. براي شناخت ساختار مواد ابتدا بايد به نوع اتصالات بين اتم‌‌ها و يون‌‌ها پي برد. به طور حتم با پيوندهاي شيميايي آشنايي داريد. پيوندهاي شيميايي نحوه اتصال ميان اتم‌‌ها و يون‌‌ها را مشخص مي‌‌کنند. بنابراين تفاوت پيوندهاي شيميايي مختلف را در ويژگي‌هاي اين پيوندها مي‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دليل وجود پيوند يوني که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها مي‌‌شود، خاصيت "رسانايي" مشاهده نمي‌شود زيرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ي بار الکتريکي هستند، به دليل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چيزي براي انتقال بار الکتريکي در ميان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دليل وجود پيوند فلزي که موجب آزادي الکترون‌‌ها مي‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم مي‌‌نمايد، مي‌‌توانيم خاصيت رسانايي را انتظار داشته باشيم. زيرا الکترون‌‌هاي آزاد، امکان انتقال بار الکتريکي را در طول ماده فراهم مي‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پيوندهاي اتمي مي‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آيا تنها با دانستن نوع پيوندها تمامي خواص و رفتار يک ماده را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد؟
براي روشن شدن مطلب مثال معروفي را ارائه مي‌‌کنيم. همانطور که مي‌‌دانيد گرافيت و الماس هر دو از اتم‌‌هاي کربن تشکيل شده‌‌اند و هر دو "ريخت‌‌هاي" مختلفي از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافيت و الماس تا اين حد با يکديگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترين ماده طبيعي معرفي مي‌‌گردد و گرافيت به دليل نرمي بسيار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته مي‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافيت و الماس را به نوع اتصال و پيوند شيميايي اتم‌‌هاي کربن نمي‌‌توان نسبت داد زيرا در هر دو شکل اين ماده - که تنها داراي اتم‌‌هاي کربن است - يک نوع پيوند شيميايي وجود دارد. بلکه علت در "چگونگي اتصالات و پيوندهاي شيميايي" اين دو شکل کربن است. در گرافيت اتم‌‌هاي کربن شش ضلعي‌‌هاي پيوسته‌‌اي شبيه به يک لانه زنبور تشکيل مي‌‌دهند که در يک سطح گسترده شده است. لايه‌‌هاي شش ضلعي ساخته شده با قرار گرفتن روي هم، حجمي را تشکيل مي‌‌دهند که به آن گرافيت مي‌‌گوييم. واضح است که در ساختار گرافيت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: يک نوع اتصال، اتصالي است که بين اتم‌‌هاي کربن هر لايه لانه زنبوري وجود دارد و جنس آن از نوع پيوند کوالانسي است. نوع دوم اتصالي است که لايه‌‌هاي لانه زنبوري را به يکديگر وصل مي‌کند. بديهي است که اين نوع از جنس اتصالات اوليه يعني پيوندهاي اتمي نيست. بنابراين پيوند به هم پيوستگي دوم - که قدرت به هم پيوستگي لايه‌‌ها را مشخص مي‌‌کند - ضعيف‌‌تر از اتصال اوليه که يک پيوند کوالانسي است، خواهد بود. پس مي‌توان انتظار داشت که گرافيت، در جهت صفهات لانه‌زنبوري به دليل داشتن پيوند قوي کووالانسي استحکام بالايي داشته باشد؛ بالعکس، اين ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوري به علت وجود پيوند ضعيف ثانويه بين لايه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، داراي مقاومت است. از طرفي به دليل پيوندهاي ضعيف بين لايه‌‌اي انتظار مي‌‌رود که با اعمال نيرويي بيشتر، لايه‌‌هاي لانه زنبوري بتوانند بر روي يکديگر بلغزند.
http://www.nanoclub.ir/contents/bulk1/01.jpg
شکل 1- ساختار گرافيت
<در مقابل ساختار لايه‌اي گرافيت، الماس داراي يک ساختار شبکه‌اي است. در گرافيت پيوندهاي اوليه يعني پيوندهاي اتمي تنها در يک سطح (در يک وجه) برقرار مي‌‌شود در حالي که در ساختار الماس اين پيوندها به صورت شبکه‌‌اي سه بعدي فضا را پر مي‌‌کنند. در ساختار گرافيت هر اتم کربن با سه اتم کربن ديگر اتصال اتمي از جنس کوالانسي ايجاد مي‌‌کند، در حالي که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن ديگر پيوند اتمي و از جنس کوالانسي برقرار مي‌نمايد.

http://www.nanoclub.ir/contents/bulk1/02.jpg
شکل 2- ساختار الماس
با توضيحاتي که راجع به تفاوت‌‌هاي ساختاري گرافيت و الماس داده شد مشخص مي‌‌گردد که دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور که ديديد ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشکيل دهنده مواد، تاثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني کرد. همچنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود.

*vernal*

2010/3/25, 11:27 AM

:gol:ممنون

m4material

2010/3/27, 09:25 AM

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌کند؟ قسمت دوم

ريز ساختار چيست؟

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

http://www.nanoclub.ir/contents/bulk2/01.gif
شکل 1- طرحي ساده از ريزساختار ايده‌آل گرافيت
براي درک درست از رفتار توده‌اي مواد لازم است که با ريزساختار آنها آشنا بشويم. با بررسي ميکروسکوپي گرافيت درمي‌يابيم‌ که توده گرافيت يکپارچه نيست بلکه اين توده متشکل از دانه‌هاي بسياري است که هر يک به صورت مستقل و جدا از يکديگر در درون خود داراي ساختار گرافيت هستند. به عبارت ديگر توده گرافيت را مي‌توان اجتماع بي‌نظمي از بخش‌هايي که هر يک داراي ساختار گرافيت هستند، دانست.

http://www.nanoclub.ir/contents/bulk2/02.gif
شکل 2- طرحي ساده از ريزساختار واقعي گرافيت
تفاوت اين نوع ريزساختار از نوعي که پيش‌تر تصور مي‌کرديم، يعني يک توده گسترده از ساختار گرافيت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافيت را يک ساختار يکپارچه و منظم از ساختار گرافيت که در تمام توده گسترش يافته مي‌دانستيم در اين حالت نظم حاکم بر ساختار، يک نظم با دامنه بلند که تمام توده را مي‌پوشاند در نظر گرفته مي‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافيت به صورت محلي و با دامنه‌هاي کوتاه مشاهده مي‌شود. اين بي‌نظمي در قرار گرفتن توده‌هاي داراي ساختار گرافيت باعث مي‌شود. تنوع و گوناگوني فراواني در بخش‌هاي گرافيت که هر يک زاويه و جهت خاصي دارند، وجود داشته باشد. بنابراين هميشه بخش‌هايي که زاويه و جهت مناسب براي حرکت و کنده شدن لايه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگراني از جهت و زاويه قرار گرفتن مداد مي‌توانيم از نوشتن آن مطمئن شويم.
نتيجه‌گيري
عوامل تاثيرگذار در خواص توده‌اي مواد را به صورت اجمالي و ساده شناختيم. اين عوامل عبارت بودند از عناصر تشکيل دهنده مواد، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به صورتي ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يک شهر بدانيم. عناصر تشکيل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد که چگونگي قرارگرفتن عناصر در کنار يکديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌کند به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار که چگونگي کنار هم قرار گرفتن ساختار ميکروسکوپي را معين مي‌کند، به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته مي‌شود. با اين تشبيه خصوصيات يک شهر نه تنها به مصالح(ترکيب شيميايي بکار رفته در آن) بلکه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازي(ريزساختار) نيز بشدت وابسته خواهد بود.

m4material

2010/3/27, 09:31 AM

روكش كردن آنزيم‌ها

يكي از دغدغه‌هاي شركت‌هاي صنايع غذايي جهان، بهبود كيفيت، نگهداري و بسته‌بندي "مواد غذايي" براي دور تگه داشتن آن‌ها از آسيب باكتري‌ها و آنزيم‌هاي تخميركننده است. مثلا اين‌که چگونه مي‌توان طول عمر و ماندگاري شير را افزايش داد؟ (البته شير خوراکي نه شير جنگل) يا اين‌كه چگونه مي‌توان از آلوده‌شدن محيط زيست توسط مواد زائد يا پساب‌هاي كارخانه‌هاي صنايع غذايي جلوگيري كرد؟ زيرا در آنها آنزيم‌ها و پروتئين‌هاي فراواني وجود دارد كه با ايجاد محيط مناسب براي رشد باكتري‌ها و انگل‌ها، محيط زيست را آلوده مي‌سازند.
فساد مواد غذايي، اغلب به دو روش صورت مي‌گيرد: 1- توسط يك عامل ميكروبي خارجي. 2- توسط آنزيم‌هايي كه واكنش‌هاي تخميري را سرعت مي‌بخشند.
آنزيم‌ها، پروتئين‌هايي هستند که سرعت واكنش‌هاي شيميايي را بالا مي‌برند، مثلا مي‌توانند زمان فاسد‌شدن ميوه‌ها را از چند ماه به چند روز كاهش دهند. البته بايد به اين نكته توجه داشت كه مي‌توان از آنزيم‌ها براي توليد مواد با ارزش غذايي سود جست ودر فرآيندهاي مفيدي مانند "تخمير نان" و "تخمير شير در توليد پنير" از آن‌ها استفاده کرد. همچنين آنزيم‌هايي به نام "پكتيناز" در صنايع توليد آب‌ميوه براي شفاف كردن آن به كار مي‌روند.
اگر بتوان به روشي آنزيم‌ها يا باكتري‌ها را از محيط عمل دور كرد، فرآيند فساد مواد غذايي به تأخير مي‌افتد. با تكامل نانوفناوري و شناخت محققين از ذرات ريز و بنيادي مواد و دست بردن در ساختار مواد از طريق ريزترين ذرات آن‌ها، توانايي‌هاي جديدي در صنايع مختلف -از جمله صنايع غذايي- به وجود آمده‌است، به عنوان مثال مي‌توان به "روكش‌كردن آنزيم‌ها و پروتئين‌ها" اشاره كرد.
با روكش‌كردن آنزيم‌ها، آن ها را از محيط فعاليت دور کرده و مانع از فعاليت آن‌ها مي‌شوند. به اين ترتيب، فساد مواد غذايي به تأخير مي‌افتد و طول عمر آن ها افزايش مي‌يابد.
آنزيم‌ها تنها در محيط هاي زنده رشد و فعاليت مي‌كنند و در خارج اين محيط‌ها به سرعت تخريب مي‌شوند. يكي از پروژه‌هاي مهم كه در مراجع علمي مورد توجه قرار گرفته است، روكش‌كردن آنزيم "توسط يك ساختار پليمري" (1) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftn1) مي‌باشد. با اين روش آنزيم‌ ها تا 5 ماه فعال مي مانند. به گفته‌ محققين تبديل آنزيم‌هاي آزاد به اين نانوذراتِ حاوي آنزيم، باعث ثبات خاصيت كاتاليزوري (2) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftn2) آن‌ها مي‌شود. در اين روش يك شبكه كامپوزيتي (3) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftn3) را با فرآيند پليمريزاسيون در اطراف هر مولكول آنزيم ايجاد مي‌کنند تا از تخريب آن جلوگيري شود. اين نانوذراتِ حاوي آنزيم قطري حدود 8 نانومتر دارند و در دماي 4 درجه‌ سانتيگراد تا 5 ماه عمر مي‌كنند.
"روكش‌كردن آنزيم‌ها"، يكي از فرآيندهاي مهم در صنايع غذايي براي حفظ، افزايش كيفيت و بهبود بسته‌بندي مواد غذايي است، كه با پيدايش فناوري نانو، اجراي آن‌ها آسان‌تر شده‌است.
http://www.nanoclub.ir/contents/01/image004.png

http://www.nanoclub.ir/contents/01/image003.png

آنزيم ها در ساختار پليمري لانه زنبوري محبوس شده اند.
http://www.nanoclub.ir/contents/01/micro_encapsulation.jpg
روکش دهي رشته DNA به وسيله روکشي از جنس پروتئين
(1) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftnref1) پليمرها عموما موادي با ساختار كربني هستند كه از به‌ هم پيوستن واحدهاي يكسان که "مونومر" ناميده مي شوند، به دست مي‌آيند.
(2) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftnref2) كاتاليزورها موادي هستند كه سرعت واكنش‌هاي شيميايي را افزايش مي‌دهند ولي خود در واكنش شركت نمي‌كنند. آنزيم ها هم نوعي کاتاليزور مي‌باشند که در فرآيندهاي غذايي شرکت مي کنند.
(3) (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/9#_ftnref3) مواد كامپوزيتي از دو يا چند ماده متفاوت، كه هر كدام خاصيت منحصر به فردي دارند، تشكيل شده‌اند. با تركيب‌كردن اين مواد، به ترکيبي دست مي‌يابيم كه مجموعه خواص‌ مواد تشكيل دهنده را همزمان دارد. براي مثال بتن آرمه هم از خاصيت سختي بتن بهره‌مند است و هم از خاصيت انعطاف پذيري آهن و بنابراين در برابر زلزله مقاوم است.

m4material

2010/3/27, 09:36 AM

قصه نخودي و شبيه‌سازي اتمهای کربن

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon03/01.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon03/02.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon03/03.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon03/04.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/cartoon03/05.jpg

m4material

2010/3/27, 09:39 AM

ميكروسكوپ نيروي اتمي

AFM

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

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/0102.jpg
ميكروسكوپ نيروي اتمي از اجزاء و قطعات مختلفي تشكيل شده است كه مهم‌ترين بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" مي‌باشد و در واقع قسمت اصلي براي شناخت سطوح به شمار مي‌آيد. جنس انبرك معمولاً از سيليسيم و نوك از يک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکيل شده است. براي اينکه ميکروسکوپ نيروي اتمي بتواند برجستگي ها و فرورفتگي ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تيز انبرک ظرافت اتمي داشته باشد. همان طور که ما با دستکش کار نمي توانيم زبري يا نرمي يک سطح را حس کنيم. ازآنجا كه تصاوير مربوط به اندازه‌هاي اتمي روي يك سطح با چشم غيرمسلح يا حتي مسلح به قوي‌ترين عدسي‌ها قابل مشاهده نيست، به کمک ابزارهاي پيشرفته، حرکات عرضي لمس شده توسط انبرک و نوک ويژه ميکروسکوپ را به تصاوير ويدئويي تبديل مي‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرايش اتم‌هاي سطح، در صفحة رايانه امکانپذير باشد.
درواقع كل فرآيند "جاروكردن سطح" به وسيله همان انبرك نوك‌دار صورت مي‌گيرد. انبرك به راحتي در پستي و بلندي‌‌‌‌ها بالا و پايين مي‌رود و انتهاي آن هم به قسمتي متصل است كه به جابجايي عرض انبرك بسيار حساس است و اين تغيير فاصله‌ها را ثبت كرده و به علائمي تبديل مي‌كند که براي رايانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سيگنال" نام دارد توسط رايانه پردازش مي‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گيري اتم‌ها در کنارهم، بر روي صفحه نمايشگر، نشان داده ‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/a-afm.gifدو روش كلي براي جاروكردن سطح وجود دارد كه عبارتند از روش تماسي و روش غيرتماسي.
در روش تماسي كه براي بيشتر سطوح كارايي دارد، نوك انبرك در فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا بلندي به دليل جابجايي كه در انبرك ايجاد مي‌شود، امکان نمايش توپوگرافي براي رايانه فراهم مي‌گردد. درواقع نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزديك‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، كم مي‌شود، اين مسئاله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتم‌ها مي‌گردد.
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح كثيف و آلوده مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرك را با نوساني دقيق به تحرك درمي‌آوريم و آن را روي سطح هدايت مي‌كنيم. انبرك خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي در عرض بالا و پايين مي‌شود. در اين حالت نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح مشخص مي‌شود.
البته اندازه‌گيري ساختارهاي بسيار ريز که موجب جابجايي بسيار کوچکي در انبرك مي‌‌‌‌شود، روي مي‌دهد خود بحث مفصلي است كه اين كار امروزه به وسيلة تغيير جهت انعكاس نوري كه از يك منبع بالاي انبرك روي آن مي‌تابانند، مشاهده مي‌شود(شکل 3).

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/03.jpg
شکل 3
به اين معني كه سطح انبرك به گونه‌اي صيقل داده مي‌شود كه توانايي بازتابش نور را به خوبي داشته باشد. منبع نوري اشعة مرئي را به قسمت صيقل‌داده شده مي‌تاباند و گيرنده آن را دريافت مي‌كند. به محض جابجايي عرضي انبرك، اشعه كمي منحرف مي‌شود كه باتوجه به ميزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستي و بلندي(توپوگرافي) را دقيقتر ترسيم مي‌‌‌‌کنند(شکل 4).

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/04.jpg
شکل 4
نكتة ديگري كه در مورد كاركرد ميكروسكوپ نيروي اتمي بايد بدانيم آن است كه پستي‌ها و بلندي‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط اين دستگاه گزارش مي‌شود. در نمونه‌هاي ابتدايي چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين كار با رنگ‌ها انجام مي‌شد. به اين صورت كه رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي كم و رنگ‌هاي روشن براي عمق‌هاي زياد به كار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان داد.
• نتيجه
پس از معرفي ميكروسكوپ نيروي اتمي و روش كار آن، خوب است بدانيم كه بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت سطوح پيدا كرده است كه در بسياري از صنايع از جمله الكترونيك، ارتباطات، خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميكروسكوپ نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و كاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.

نمونه هايي از انبرک و نوک ميکروسکوپ نيروي اتمي:

http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/probs.jpg
برای آشنايی بيشتر با چگونگی عملکرد این نوع ميکروسکوپها میتوانيد فايل ويدئويی ذيل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نماييد:
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifفيلم شبيه سازی میکروسکوپ نيروی اتمی (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/afm.wmv)
شبيه سازيهاي زير اطلاعات جالبي درباره ميکروسکوپ نيروي اتمي و نحوه کارکردن آن در اختيار مي گذارد. براي استفاده فايلهاي زير را داونلود (Download) کنيد و آن را روي رايانه خود نصب نماييد:
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifشبيه ساز انبرک ميکروسکوپ اتمي (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/ProbeSimulator.exe)
http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/star.gifمدل سازي کار ميکروسکوپ اتمي (http://www.nanoclub.ir/contents/afm01/AFMModel.exe)

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

m4material

2010/3/27, 09:41 AM

ساختن از بالا به پايين و از پايين به بالا

از اهداف مهم فناوري نانو ــ و شايد مهم‌ترين آنها ــ به وجود آوردن ساختارهايي از مواد است که در آنها آرايش مولکول‌ها از پيش طراحي شده باشد. روش‌هاي مرسوم توليد، مثل روش ذوب فلزات و سرد کردن آنها در قالب، چنين امکاني را فراهم نمي‌کنند. پس چگونه مي‌توان چنين ساختارهايي را به وجود آورد؟ اين مقاله مي‌خواهد به همين سؤال پاسخ بگويد.
فرض کنيد تعدادي آجر خانه‌سازي داريد و مي‌خواهيد با آن چيزي ــ بهتر است بگوييم «ساختاري» ــ مانند شکل 1 بسازيد.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/01.jpg
شکل 1
چگونه اين کار را انجام مي‌دهيد؟ احتمالاً روش شما هم با ما يکي است: چهار آجر دو در دو را کنار هم مي‌گذاريد و بعد چهار آجر دو در دوي ديگر را به صورت عمودي به آنها متصل مي‌کنيدتا ساختار مورد نظر شکل بگيرد.
بسيار خوب، حالا فرض کنيد که وقتي آجرهاي خانه‌سازي را از فروشگاه مي‌خريد، آنها به شکل يک مکعب بزرگِ پيش‌ساخته مثل شکل دو باشند.

http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/02.jpg
شکل 2
حالا اگر بخواهيم به شکل يک برسيم چه کنيم؟ اجازه دهيد جواب را ما به روش خودمان بدهيم: آجرهاي اضافيِ مکعب بزرگ را حذف کنيد تا شکل يک کم‌کم خودش را نشان بدهد. (مثل شکل 3)

http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/03.jpg
شکل 3
در روش اول با استفاده از قطعات کوچک يک قطعة بزرگتر ساختيم. به اين روش، «ساختن از پايين به بالا» مي‌گوييم. در روش دوم قطعات زائدِ يک قطعة بزرگ را حذف کرديم تا به ساختار مورد نظر برسيم. به اين روش، «ساختن از بالا به پايين» مي‌گوييم.
حالا فرض کنيد يک ساختار جديد براي ساختن پيشنهاد شود، مثل شکل 4.

http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/04.jpg
شکل 4
سؤال: از کدام روش براي ساختن اين ساختار استفاده کنيم؟ نظر شما چيست؟
اوضاع کمي پيچيده شد، اما غم به خود راه ندهيد! اين مقاله براي ساده کردن همين پيچدگي نوشته شده است. يکي از عوامل تعيين‌کنندة جواب، اين است که ماده‌ي اوليه‌ي ما به چه شکل است؟ اگر مادة دمِ دست ما تعدادي قطعه‌ي کوچک و ريز باشد، از روش پايين به بالا استفاده مي‌کنيم؛ اگر مادة اوليه يک قطعه‌ي بزرگ باشد، از روش بالا به پايين استفاده مي‌کنيم. در عين حال، ممکن است هر دو روش هم به کار رود. مثلاً اگر ماده‌ي اوليه براي ساختن شکل پنج به صورت مکعب بزرگي با آجرهاي دو در چهار، يعني همان شکل دو باشد، نمي‌توان با حذف بعضي آجرها مستقيماً به ساختار نهايي رسيد. در اين حالت، مي‌توانيم آجرهاي بالا و پايين ساختار شکل چهار را برداريم (ساختن از بالا به پايين) و بعد دو آجر دودردوي مورد نياز را به جاي آنها متصل کنيم. ( ساختن از پايين به بالا)

http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/05.jpg
شکل 5
در صنعت هم از هر دو روش با هم استفاده مي‌شود. به مثال‌هاي زير توجه کنيد:
• يک نجار مي‌خواهد مجسمه‌اي چوبي بسازد. او يک قطعه‌ي بزرگ چوب را برمي‌دارد و با رنده و سوهان آن را مي‌تراشد و پرداخت مي‌کند تا مجسمه ساخته شود. اين کدام روش است؟
• نجار مي‌خواهد يک صندلي بسازد. او پايه‌هاي ميز و قطعات مربوط به تکيه‌گاه صندلي را جداگانه مي‌سازد و بعد آنها را به هم متصل مي‌کند. اين کدام روش است؟

حالا به نانوفناوري فکر کنيد: به نظر شما کدام روش ساختن در نانوفناوري کاربرد دارد؟
تا چند سال پيش، راه دست‌کاري و جابه‌جا کردن تک‌مولکول‌ها و ساختارهاي نانويي يک‌طرفه بود. يعني براي ساختن چيزها در مقياس کوچک، مي‌بايست يک قطعه‌ي بزرگ‌تر را با تراشيدن و خرد کردن يا حل کردن بخش‌هاي اضافي با اسيد و... آن‌قدر کوچک مي‌کرديم تا به قطعه‌ي نهايي برسيم. به عيارت ديگر، روش‌ توليد ساختارهاي کوچک، از نوع بالا به پايين بود.
در چند سال اخير فنوني ابداع شده‌اند که اجازه مي‌دهند مولکول‌ها يا ذرات نانويي را جابه‌جا و آنها را به هم متصل کنيم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانويي با ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يا فنون ساختن نانولوله‌هاي کربني. اين فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پايين به بالا هستند.
فنون گفته‌شده در بالا، براي ساختن محصولاتي که بسيار کوچک‌اند مناسب به نظر مي‌رسند، اما اگر بخواهيم يک ديوار چندسانتي‌متريِ يکدست را به اين روش بسازيم، چند ده سال طول مي‌کشد تا مولکول‌ها را تک‌تک کنار هم بچينيم و ديوار مورد نظر را بسازيم. در عين حال، اگر بخواهيم ديوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگ‌هاي ساختماني، بسازييم، ديوار يکدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ي نانوفناوري چيست؟ (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/12)، ساختار مواد (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/15) و عيوب کريستالي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/23) را ببينيد.) پس چه کار کنيم؟
پيدا کردن فنون توليد مناسب در نانوفناوري موضوعي است که در چند سال اخير به‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوري هم از روش‌ ساختن از بالا به پايين استفاده مي‌شود (به کمک فنوني مانند ليتوگرافي و آسياب کردن ذرات) و هم از روش ساختن از پايين به بالا (به کمک فنوني مانند خودآرايي يا رسوب‌دهي بخار). منتظر مقاله‌هاي بعدي باشگاه نانو در اين موضوع باشيد .

m4material

2010/3/27, 09:42 AM

نانو پودرها

نانوپودر چيست؟
پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را می‌توان مجموعه‌ي از ذرات دانست که اندازه‌ي آنها کمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يک نانومتر می‌رسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است که اندازه‌ي آن کمتر از 100 نانومتر باشد.) چه پودري را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آيند:
حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.
يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يک پودر را به صورت يکي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره کمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد. به عبارت حسابی‌تر، ميانگين اضلاع مکعب بايد در اين رابطه صدق کند: 1 nm<http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/09.gif<100 nm. براي مثال، بلورهاي نمك طعام ساختاري مكعب‌شکل دارند. (شکل شماره‌ي 1)
يادآوري: اگر بيشترِ ذرات تشکيل‌دهندة پودر، ابعادي ميان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/01.gif
شکل 1: ساختار بلور نمک طعام، مکعبي است.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/02.gif
شكل 2: اين ذره، حاوي سه دانه است.

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/03.gif
شکل 3: اتم‌ها با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/04.gif
شکل 4: اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/05.gif
شکل 5: اتم‌ها با زاويه ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.
در دانه‌ي 1 (شکل 3)، اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. در دانه‌ي 2 (شکل 4) اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه و در دانه‌ي 3 (شکل 5) اتم‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگيرند، يك ذره تشكيل مي‌شود. (شکل 6) به فضاي خالي بين دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند. مرز دانه محلي است كه جهت چيده شدن اتم‌ها عوض مي‌شود.
همچنين دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد. در اين صورت، مرز بين دانه‌ها ملات بين آجرهاست. اگر قطر اين دانه‌ها بين 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكيل نانوپودر مي‌دهند.
هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار 1 متر در 1 متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود، مانند گره‌هاي يک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود.
http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/06.gif
شکل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يک ذره را تشکيل دهند.
يادآوري: اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات، نانومتري باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي ترکيب شوند.
در اين حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزيتي» می‌نامند. کامپوزيت که از کلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني ترکيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده‌اند (شکل 7).

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/07.gif
شکل 7: ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراکنده شده‌اند.
علت ترکيب شدن آنها اختلاف خواص اين دو ماده است. در کامپوزيت معمولاً زمينه از يک ماده‌ي نرم و افزودني از ماده‌ي سخت انتخاب مي‌شود. در اين صورت، هنگامي‌ که به ماده نيرو وارد مي‌شود، زمينه نيرو را به رشته يا پودر اضافه‌شده منتقل مي‌كند تا بتواند در برابر نيروي واردشده‌ مقاومت بيشتري داشته باشد. (شکل شماره‌ي 8)
http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPowders/08.gif
شكل 8 : در يک نانوکامپوزيت، ذرات نانويي در زمينه‌اي غيرنانويي پراكنده شده‌اند .

m4material

2010/3/27, 09:45 AM

چرا نانو پودرها

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

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

V1=a13=(3cm)3=27cm3 (حجم مكعب بزرگتر)
براي اينكه مكعب را به 9 مكعب كوچكتر تقسيم كنيم، بايد هريك از اضلاع را به 3 قسمت تقسيم كنيم. در اين حالت:

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/01.gif

V2=a32=(1cm)3=1cm3 (حجم هر مكعب)
اگر جمع حجم اين 9 مكعب را در نظر بگيريم:

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/02.gif
يعني برابراست با حجم مکعب بزرگ. ولي سطح آزاد مكعب بزرگ برابر است با:
http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/03.gif

در حالي که مجموع سطح آزاد مكعب‌هاي كوچك برابر است با:
http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/04.gif

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

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/05.jpg (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Free%20Surface%20L.wmv)

کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Free%20Surface%20L.wmv)
کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Free%20Surface%20H%202.wmv)
اهميت سطح آزاد مواد:
اهميت سطح آزاد در اين است كه سطح آزاد مواد است که محل انجام واكنش هاي آن ها است. براي مثال ، حتماً ديده ايد كه در زمستان، روي يخ جاده ها نمك طعام مي پاشند تا يخ زودتر ذوب شود، واكنش بين نمك و يخ در سطح ذرات نمك انجام مي شود ، براي درك بهتر فرض كنيد سنگ نمك طعام را روي يخ بيندازند، بهتر يخ را ذوب مي كند يا اينكه اين سنگ را پودر كرده و پودر نمك را روي يخ بپاشيم. مثالي ديگر از اين مطلب ، تفاوت حل كردن شكر و قند در چاي است. در فيلم زير بخوبي ديده مي شود که شكر به دليل سطح آزاد زياد آن ، به مراتب سريعتر از يك حبه قند با حجم يکسان، در آب داغ حل مي شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/07.jpg (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Asiab%20va%20Ghand%20L.wmv)

کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Asiab%20va%20Ghand%20L.wmv)
کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/NanoPactivity01/Asiab%20va%20Ghand%20H.wmv)

m4material

2010/3/27, 09:46 AM

نانولوله‌هاي كربني
مقدمه:
كربن يكي از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهم‌ترين آلياژهاي مهندسي است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل مي شود؛ با تغيير درصد كربن (به‌ميزان تنها چندصدم درصد) مي توان انواع فولاد را به دست آورد. «شيمي آلي» نيز علمي است که به بررسي ترکيبات حاوي «كربن» و «هيدروژن» مي پردازد و مهندسي پليمر هم تنها براساس عنصر كربن پايه‌گذاري شده است.
كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت يافت مي‌شود که همه اين چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌هاي كربن به صورت كاملاً منظم در كنار يکديگر قرار گرفته‌اند. اين ساختارها عبارتند از:
1- گرافيت
2- الماس
3- نانولوله‌ها
4- باكي‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زير )
http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/01.jpg
گرافيت:
گرافيت يكي از مهم‌ترين ساختارهاي كربن در طبيعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار يکديگر به وجود آمده است. اين اتم هاي كربن به گونه اي با يکديگر ترکيب شده اند كه يك‌ شش ‌ضلعي منتظم را پديد مي آورند و از مجموع آنها، صفحه اي به دست مي آيدكه به عنوان يک « لاية گرافيت» در نظر گرفته مي‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/c.wmv)
اتم‌هاي كربن با پيوندهاي كووالانسي ـ كه پيوندي قوي و محکم است ـ به يکديگر متصل شده‌اند. لازم به ذكر است كه اتم هاي كربن به کار رفته در يک لاية گرافيت نمي‌توانند با كربني خارج از اين لايه پيوند كووالانسي بدهند. بنابراين يک لاية گرافيت از طريق پيوندهاي واندروالس ـ كه پيوندهايي ضعيف هستندـ به لاية‌ زيرين متصل مي شود. اين مساله باعث مي‌شود كه صفحه‌هاي گرافيت به‌راحتي روي يکديگر بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب در «روغن‌كاري» و «روان‌كاري» استفاده مي‌شود. علت نرمي سطوحي که با مداد روي آنها نوشته شده است نيز همين نکته مي باشد.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/e.wmv)
نانولوله‌ها
يك لايه گرافيت را در نظر بگيريد. اتم‌هايي را كه در يك رديف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ كه نشان‌دهندة مختصات يك نقطه در صفحه است ـ مكان‌يابي مي‌كنيم. به طوري كه مختصات n، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به رديف اتم‌ها باشد.
همان‌طور كه مي‌دانيم براي تهيه يک لوله از يک صفحه، کافي است يك نقطه از صفحه را روي نقطه ي ديگر قرار دهيم. يك نانولوله مانند صفحة گرافيتي است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اينکه چگونه دو سر صفحه گرافيتي به يکديگر متصل شده باشند، انواع مختلفي از نانولوله ها را خواهيم داشت.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/02.gif

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/i.wmv)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/g.wmv)
1. نوع زيگزاگ
براي ساختن نوع زيگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستاي افقي (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهايي(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روي اتم ابتدايي (0و0) انطباق مي دهيم. براي اطمينان از درستي روش ساخت بايد دقت کنيم که در آخر کار، در راستاي افقي يک خط شکسته زيگزاگ به دور نانولوله ببينيم.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/03.jpg
2. نوع صندلي
در صورتي كه اتم ابتدايي و اتمي که در وضعيت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روي هم قرار بگيرند، نانولوله نوع صندلي به دست مي آيد. در اين حالت مي‌توانيم بين اين دو اتم يك خط مستقيم رسم كنيم كه معادلة آن «m=n» است. يعني شمارة ستون و رديف هر يک از آنها با يکديگر برابر است. در اين حالت با يک بار گردش به دور نانولوله تعدادي صندلي پشت سر هم خواهيم ديد.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/04.gif
http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/j.wmv)
3. نوع نامتقارن
در اين حالت نيز مشابه روش صندلي عمل مي‌کنيم، با اين تفاوت که در مختصات اتم انتهايي، m≠n خواهد بود. اگر يک بار افقي به دور نانولوله بچرخيم مجموعه‌اي از صندلي‌ها را مي‌بينيم که نسبت به افق، به صورت مايل قرار گرفته‌اند.
براي ساختن مدلي از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافي است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ي انتهايي را بر نقطه ي ابتدايي منطبق نماييد.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/05.jpg
http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/00.gif (http://www.nanoclub.ir/contents/nanotube01/k.wmv)
اين لوله هاا به علت آنکه داراي قطر چند نانومتري مي باشند «نانولوله» نام گرفته اند. يعني ما با اتصال دونقطه ي يك صفحة گرافيتي به هم، لوله‌اي را به دست آورده‌ايم كه قطر فضاي خالي داخلي آن چند ميلياردم يك متر است. (اگر طول يك متر را به يك ميليارد قسمت تقسيم كنيم، ضخامتي معادل يك نانومتر به دست مي‌آيد)
خواص نانولوله‌ها
هريك از سه نوع نانولوله، به خاطر آرايش اتمي خاصي خود،‌ داراي خواصي مي‌باشند كه در اينجا به چند ويژگي مشترك بين آنها اشاره مي‌كنيم:
1. خواص مكانيكي
نانولوله‌ها داراي پيوندهاي محكمي در بين اتم‌هايشان مي باشند وبه همين علت در برابر نيروهاي کششي مقاومت واستحکام زيادي از خود نشان مي دهند. به عنوان مثال نيروي لازم براي شکستن يک نانولوله ي کربني چند برابر نيرويي است که براي شکستن يک قطعه فولاد ـ با ضخامتي معادل يک نانو لوله ـ احتياج داريم.
اما جالب است که بدانيم پيوندهاي بين اتمي در نانولوله‌ها علاوه بر ايجاداستحكام بالا، شكل‌پذيري آسان و حتي پيچش را درآنها ميسر مي سازد! در حالي که فولاد تنها دربرابر نيروهاي كششي داراي مقاومت است و براي پيچش انعطاف پذيري لازم را ندارد.
در بررسي كاربرد نانولوله‌ها و به کار گيري خواص آنها ، مي توانيم به استفاده از اين ترکيبات به عنوان «رشته» در مواد مركب،اشاره كنيم؛ به چنين موادي «كامپوزيت» مي‌گويند. ملموس‌ترين مثال كامپوزيت «کاه‌گِل» است. كاه‌گِل مخلوطي از «کاه» و «گِل» است که در آن، كاه به عنوان رشته‌هايي كه استحكام و انعطاف‌پذيري بهتري نسبت به گل دارد، پراكنده شده است تا مانع از ترك‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمينه» مي ناميم. نانولوله ها نيز چون استحكام و شكل‌پذيري خوبي دارند، ‌در مواد مركب با زمينه‌هاي فلزي، پليمري و سراميكي استفاده مي‌شوند. اما مهم‌ترين فاكتوري که كه باعث برگزيدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزيت) شده است، وزن كم آن است ، در حالي که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترين موارد استفادة چنين مواد مركبي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
بدنة هواپيما و هليكوپتر، زه راكت‌هاي تنيس و ...
2. خواص فيزيكي
مهم‌ترين خاصيت فيزيكي نانولوله‌ها،«هدايت الكتريكي» آنهاست. هدايت الكتريكي نانولوله‌ها بسته به زاويه و نوع پيوندها، از دسته‌اي به دستة ديگر كاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جايگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتي كه يك الكترون (يا بار الكتريكي) وارد مجموعه اي از اتم ها مي‌شود، ارتعاش اتم‌ها بيشتر شده و در اثر برخورد با يکديگر بار الكتريكي وارد شده را انتقال مي‌دهند. هرچه نظم اتم‌ها بيشتر باشد، هدايت الكتريكي آن دسته از نانولوله‌ها بيشتر خواهد بود. تقسيم بندي ابتداي متن بر اساس نظم اتمهاي کربن در نانولوله و در نتيجه رسانايي آنها‌ انجام شده است؛ براي مثال نانولوله نوع صندلي 1000 بار از مس رساناتر است، در حالي که نوع زيگزاگ و نوع نامتقارن نيمه رسانا هستند. خاصيت نيمه رسانايي نانولوله ها بسته به نوع آنها تغيير مي کند.
* خواص فوق‌العادة نانولوله‌ها و روشهاي پيچيده توليد آنها باعث شده است که قيمت هرگرم از اين ماده حدود چندصد دلار باشد.

m4material

2010/3/27, 09:50 AM

نانولوله کاغذي بسازيم

در مقاله «نانولوله هاي کربني» خوانديد که ساختار نانولوله هاي کربني مانند يک صفحه گرافيت است که دو سر آن به هم متصل شده و يک استوانه ساخته اند. همانطور که ديديد، دو سر صفحه گرافيت را به سه شکل مختلف مي توان به هم متصل نمود، بنابراين سه نوع نانولوله خواهيم داشت:
1- نوع زيگزاگ
اتمهاي متصل به هم در اين نوع شکل زيگزاگ را پديد مي آورند:
http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/01.jpg
2- نوع صندلي
در اين نوع، اتم ها طوري به يکديگر اتصال يافته اند که فرم صندلي را براي ما تداعي مي کنند:

http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/02.jpg
3- نوع نامتقارن
رديف هاي اتمي در اين نوع نانولوله به صورت اريب قرار مي گيرند، بنابراين اگر اين نانولوله را مقابل آينه قرار دهيد، تصويري متفاوت از اصل را خواهيد ديد و به همين علت هم ، نامتقارن نام گرفته است:

http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/03.jpg
براي انجام بازي «تقارن آينه اي» به آدرس زير سري بزنيد:

http://nobelprize.org/chemistry/educational/chiral/
و براي اين که عکس هاي واقعي از نانولوله هاي کربني را ببينيد به نشاني زير مراجعه کنيد:

http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html
براي ساختن نانولوله هاي گفته شده در بالا با کاغذ، صفحات زير را داونلود کنيد. اين صفحات ساختار شش ضلعي هاي منتظم اتمهاي کربن را نشان مي دهد. براي ساختن نانولوله ها، صفحات را طوري به يکديگر بچسبانيد که کلمات «زيگزاگ»، «صندلي» و «نامتقارن» کامل شوند.
• نوع صندلي (http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/carbon-armchair2.pdf)
• نوع نامتقارن (http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/carbon-chiral2.pdf)
• نوع زيگزاگ (http://www.nanoclub.ir/contents/papernanotube/carbon-zigzag2.pdf)

m4material

2010/3/27, 09:51 AM

گرافن پایه ساختارهای مهم کربنی

ساختار نانولوله‏های کربنی (1)

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

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

http://www.nanoclub.ir/contents/CNT01/1.JPG
در يک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه‏های عاملی و هم چنین اتم‏های هیدروژن است. پیوند بین اتم‏های کربن در اینجا کوالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می‏رود که نانولوله‏های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک ماده‏ی کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه‏های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل می‏شود. اما همانطور که می‏دانیم، گرافیت بسیار نرم است. به نظر شما دلیل این امر چیست؟
*
*
*
*
آنچه لایه‏های گرافن را روی یکدیگر نگه می‏دارد، پیوندهای واندروالس بین آن‏هاست. این پیوند بسیار ضعیف است‏. بنابراین لایه‏های گرافن به راحتی می‏توانند روی هم بلغزند و به همين دلیل گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم است.
گرافن، به عنوان يک لایه‏ی تک اتمی، رسانای جریان الکتریسیته است. همانطور که خواهیم دید، برخی نانولوله‏های کربنی نیز رساناهای بسیار خوبی هستند. البته این خاصیت نانولوله‏های کربنی مستقیما به شکل ظاهری آن‏ها بستگی دارد که در آينده به آن اشاره خواهيم كرد.
صفحه‏ی مختصات گرافنی:
صفحه‏ی مختصات کارتزین یا دکارتی معروف را می‏شناسید. این صفحه، شبکه‏ای است که از مربع‏هایی با طول و عرض واحد تشکیل شده ‏است. در این صفحه دو بردار یکه‏ی i و j هریک به طول یک واحد وجود دارد که توسط آن‏ها می‏توان از نقطه‏ی مبدا به هر نقطه‏ی دیگری مثل (nوm) رفت (شکل 2). این کار با تعریف یک بردار به شکل k=mi+nj امکان پذیر می‏گردد.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/CNT01/2.JPG
دستگاه مختصات کارتزین، يك دستگاه دو بعدي است كه در آن دو بردار یکه‏ی یاد شده، هم اندازه بوده و بر یکدیگر عمود هستند. اما باید توجه داشت که تمام دستگاه‏های مختصات به این شکل نیستند. بلکه می‏توان دستگاه هایی را تعریف کرد که در آن اندازه‏ی بردارهای یکه نابرابر و زاویه‏ی بین آن دو مقدار دیگری باشد مانند صفحه‏ی مختصات گرافنی. برای توصیف نانولوله‏های کربنی ما به يك صفحه‏ي دو بعدي متشکل از شش‌ضلعی‏های منتظم احتياج داريم (صفحه‏ی مختصات گرافنی). این صفحه یادآور شکل منظم کندوی زنبورهای عسل است. این صفحه متناظر با یک صفحه از اتم‏های کربن (به ضخامت یک اتم) یا همان صفحه گرافن است.
در این صفحه‏یِ مختصاتِ دو بعدی، دو بردار یکه‏ی هم اندازه‏ی i و j را به طوری که در شکل 3 نشان داده شده است، تعریف می‏کنیم. زاویه‏ی بین این دو بردار برابر با 60° است. برای حرکت روی این صفحه می‏توانیم بردار C=mi+nj را تعریف نماییم. این بردار را بردار کایرال می‏نامیم (بعدها می‌گوييم که چگونه می‏توانیم با استفاده از این بردار یک نانولوله درست کنیم). به عنوان تمرین ما چند بردار دلخواه را با شروع از یک نقطه، به عنوان مبدا، در شکل 4 رسم کرده‌ايم.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/CNT01/3.JPG

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

http://www.nanoclub.ir/contents/CNT01/4.JPG
همچنين مي‏توانيم زاويه‏ي بين بردار كايرال و محور متناظر با بردار يكه‏ي i را به عنوان زاويه كايرال كه مشخصه‏ي راستاي بردار كايرال است‏ در نظر بگيريم. اين زاويه در شكل 5 نشان داده شده است. همانطور كه در آينده خواهيم ديد، اين زاويه يكي از مشخصه‏هاي نانولوله‏هاي كربني مي‏باشد.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/CNT01/5.JPG

m4material

2010/3/27, 09:50 PM

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها

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

1. خُرد كردن قطعات بزرگ
يك استوانه‌ي توخالي را فرض كنيد كه گوي هاي فلزي يک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. يك قطعه‌ي بزرگ نيز يک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتيجه، يک‌سومِ حجم داخل استوانه خالي خواهد بود. اگر اين استوانه را بچرخانيم، گوي هاي فلزي به قطعه برخورد و آن را خُرد مي‌كنند.
در صورتي كه اندازه‌ي اضلاع قطعه‌ي اوليه 1 ميكرومتر باشد (اگر يك ميلي‌متر را هزار قسمت كنيم، طولي معادل يك ميكرومتر به وجود مي‌آيد)، با اولين برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ي اضلاع آن nm500 مي‌شود. در مرحله‌ي دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن 250 نانومتر مي‌شود و در مرحله‌ي سوم nm 125. تا اينكه در مرحله‌ي چهارم، ذره‌اي نانومتري به اندازه‌ي nm 5/62 به‌دست مي‌آيد.http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/01.jpg
در روش بالا به پايين، مهم اين است كه جسمِ خُردشونده بايد مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذيرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا اين‌حد نمي‌توان خُرد كرد. به طور كلي در اين روشِ توليد، بايد انرژي بسيار زيادي را صرف كرد تا ذرات محكم به يك ماده‌ي تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
چطور يک آسياب مکانيکي بسازيم؟ (http://www.unitednuclear.com/ballmill.htm)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/02.jpg
کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/Ball%20Mill%20L.wmv) کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/Ball%20Mill%20H.wmv)

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

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

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

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

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

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

4. شناسايي آلودگي ها
ذراتي كه نانوپودرها را تشکيل مي‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحي خود، وقتي به يك محلول حاوي آلودگي (مثل باكتري، سلول سرطان زا و...) اضافه مي‌شوند، روي آلودگي‌ها مي‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغيير رنگ مي‌دهند و باعث شناسايي آنها مي‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغيير رنگِ حاصل از آن ديده شود، اما تغيير رنگِ مجموعه‌ي اين ذرات، آلودگي‌ها را قابل تشخيص و شناسايي مي‌كند.
در فيلم زير كه به عنوان مثالي از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سيليكون در محلول، قطرات روغن را شناسايي مي‌كنند و با نفوذ مقداري از مايع به داخل حفره‌هاي آنها، تغيير رنگ مي‌دهند و هدف را قابل تشخيص مي‌نمايند.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/03.jpg
کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/NANOpowder%20movie%20L.wmv) کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/NANOpowder%20movie.AVI)

m4material

2010/3/27, 09:51 PM

پوشش دهي چيست؟

نانوپوشش ها، بخش اول

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating01/01.jpg
شکل 1 ـ تصويري از يک پوشش چندلاية باند زخم که جايگزين پوست بدن شده است.
تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نياز به پوشش دارند، چون نبايد در طي مراحل توليد، بستهبندي، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ويژگي‌هاي خود را از دست بدهند. البته گاهي هم براي بهبود خواص فيزيکي، شيميايي و مکانيکي از فناوري پوشش‌دهي استفاده مي‌کنيم.

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

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

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating01/02.jpg
شکل2- شماتيکي از ساختار يک اتم
ولي چگونه يک اتم مي‌تواند الکترون بگيرد يا از دست بدهد؟
بين ذرات همنام و غيرهمنامي که در ساختار اتم وجود دارند، نيروهاي دافعه و جاذبه‌اي هستند که نيروي برآيند حاصل از آنها الکترون را در فاصله‌اي معين از پروتون نگه مي‌دارد. با اعمال نيروي معادل آن مي‌توان الکترون را از پروتون جدا کرد. با اين کار ذره بار مثبت مي‌گيرد، چون يک الکترون از دست داده است. با اعمال يک ولتاژ قوي اين نيرو تأمين مي‌شود. به اين ترتيب، شرايطي فراهم مي‌شود که اتم‌هاي ماده‌اي که مي‌خواهند پوشش داده شوند الکترون از دست بدهند و اتم‌هاي مادة پايه الکترون بگيرند. در نتيجه يون‌ها مانند دو قطب مثبت و منفي آهنربا همديگر را جذب مي کنند.

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

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

مادة سخت و سختي ماده:
به ماده‌اي که در برابر يک شيء نوک تيزِ فروروندة خارجي مقاومت کند، مادة سخت مي‌گويند و به مقاومت در برابر عامل فروروندة خارجي سختي.
با پوشش مناسبي که سختي لازم را داشته باشد، مي‌توان سختي را زياد کرد و در عين حال بر وزن آن نيفزود. با استفاده از خواص مکانيکي مي‌توان کاربردهاي جديدي براي مواد کشف کرد. خواص فيزيکي و شيميايي، مانند چگالي، مقاومت الکتريکي و... هم در اين طبقه‌بندي قرار مي‌گيرند.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating01/03.jpg
شکل 3 ـ شمايي از يک کشتي در حال غرق شدن

منابع و توضیحات:
- استاد راهنما: مهدی حبیب نژاد

m4material

2010/3/27, 09:51 PM

نانوپوشش‌ چيست؟

نانوپوشش ها، بخش دوم

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating02/01.jpg
شکل 4 ـ نمونه‌هايي از نانومواد (نانوکريستال‌ها)
5. انواع نانوپوشش‌ها
با توجه به تعريف بالا، مي‌توان نانوپوشش‌ها را به صورت زيرتقسيم‌بندي کرد:
1. يکي از مشکلات خوردن پفک، چسبيدن ذرات پفک به دست است که باعث مي‌شود انگشتاني نارنجي داشته باشيم. (اما البته به سختي‌اش مي‌ارزد!) چگونگي چسبيدن ذرات پفک مثل توليد پوشش با استفاده از ذرات ريز است. ذرات پفک به خاطر رطوبت به دست مي‌چسبند (عامل چسباننده) و پوششي از ذرات پفک را ايجاد مي‌کنند.
همان‌طور که مي‌دانيد نانولوله‌ها، نانوپودرها، نانوسيم‌ها و... موادي نانومتري هستند. هر کدام از اين مواد خصوصيات فوق‌العاده اي دارند. مثلاً نانولوله‌ها از خواص الکتريکي، استحکام مکانيکي و چند خاصيت ويژة ديگر برخوردارند. اگر ما با استفاده از عوامل چسباننده، نانوذرات را کنار هم روي سطح بچسبانيم، پوششي ايجاد خواهد شد که خواص آن مشابه خواص نانوذرات خواهد بود. البته مهمترين عامل در اين حالت، سطح آزاد (سطح بيروني ماده که در تماس با محيط است) بالاي اين نانوذرات است که باعث مي‌شود به نحو بسيار مناسبي به همديگر بچسبند.
براي درک اين موضوع تصور کنيد که چگونه ذرات نمک درون يک نمکدان به علت رطوبت موجود در هوا به همديگر مي چسبند و کلوخه اي مي شوند. رطوبت عاملي است که سطح بيروني ذرات ريز نمک را خيس مي کند و باعث مي شود سطح بيروني دو ذره به همديگر بچسبند. حتماً با مطالعة مقالة چرا نانو پودرها (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/30)به اين موضوع واقف شده‌ايد که يک کلوخه وقتي خرد مي‌شود، سطح آزاد آن به چند برابر مي‌رسد. از طرف ديگر، اين سطح آزاد مکاني خواهد بود که در آن ذرات به سطح زيرين مي چسبند.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating02/02.jpg
شکل 5 ـ شمايي از يک پوشش نانوساختار
3. اصطلاح «لاية نازک» يا «فيلم نازک» را شايد شنيده باشيد، ولي آيا مي‌دانيد منظور از لاية نازک چيست؟ چرا مي‌گوييم نازک؟ و نازکي اين لايه‌ها در چه حدي است؟ (شکل 6)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating02/03.jpg
شکل6: تصويري از يک لايه نازک اکسيد آلومينيوم که روي يک زمينه سيليکوني نشانده شده است.
همان‌طور که حدس زده‌ايد، لاية نازک، ضخامت خيلي کمي دارد، اما لايه‌هاي نازکي نانوپوشش به شمار مي‌روند که ضخامت آنها در محدودة 1 تا 100 نانومتر باشد. چنين لايه‌هايي کاربردهاي فراواني دارند. مثلاً مي‌خواهيم آينه‌اي داشته باشيم که فقط طول موج 620 نانومتر يعني قرمز را منعکس کند و بقية امواج را از خود عبور دهد. (شکل 7)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating02/04.jpg
شکل7 ـ تصويري از آينه اي که با لاية نازک پوشش دهي شده است.
چنين کاري با نشاندن يک لاية نازک مناسب که داراي اين خاصيت باشد امکان‌پذير است. در اين فرآيند معمولاً از دو ماده استفاده مي‌کنيم: اولي زيرلايه و دومي پوشش است که با روش‌هايي مثل تبخير و رسوب‌دهي «لايه‌نشاني» مي شوند. تعداد لايه‌هاي نشانده‌شده بستگي دارد به اينکه بخواهيم آينه چه ضريبي از موج را منعکس کند. هر چه تعداد لايه‌ها بيشتر باشد، امواج بيشتري منعکس مي‌شوند، ولي اگر اين تعداد از مقدار معيني بيشتر شود، لايه‌ها ديگر به هم نمي‌چسبند.
ما در طبيعت هم مثال‌هايي از لاية نازک داريم. اگر گفتيد کجا؟ با کمي فکر کردن حتماً متوجه خواهيد شد. (راهنمايي: يادي از نفتکش‌ها کنيد!) وقتي نفت در دريا نشت مي‌کند سريع‌ترين کاري که بايد انجام شود، پاک‌سازي درياست. ولي از کجا متوجه مي‌شوند که نفت در کدام قسمت سطح دريا پراکنده شده است؟ رنگ آن قسمت از دريا تغيير مي‌کند. در حقيقت، به رنگ سبز درمي‌آيد. يک لايه از نفت روي سطح دريا مثل يک لاية نازک عمل مي‌کند. اين لاية نازک فقط طول موج 530 نانومتر (سبز) را باز مي‌تاباند. مثال ديگر حباب صابون است. حباب صابون لايه‌اي نازک از آب و مواد شوينده است که داخل آن را هوا پر کرده است. (سخن يک آدم بزرگ: انسان هيچ‌وقت چيزي را از خودش ابداع نمي‌کند، بلکه هميشه از طبيعت الهام مي‌گيرد.)

پس ديديم كه نانوپوشش‌ها به سه دستة اصلي تقسيم مي‌شوند:

• نانوذرات چسبانده‌شده روي يك زمينه
• روکش‌هاي بلوري با ساختار نانومتري
• لايه‌هاي نازك
گفتيم براي توليد پوشش‌هاي نانوساختار بايد بلورها يا دانه‌ها را روي سطح قرار دهيم، ولي نگفتيم چگونه. «جوانه‌زني» عملي است که توضيح آن در زير مي‌آيد.
جوانه‌زني
جوانه‌زني ــ همان‌گونه که از نام آن پيداست ــ به معني جوانه زدن بلورهاي پوشش است که به آن رشد بلوري نيز مي‌گويند. ما به شکل‌هاي مختلف مي‌توانيم بلورها را شکل دهيم: مربعي، هرمي، ستوني، دايره‌اي و... که هر کدام از اين اشکال به شکل بلور وابسته‌اند (شکل 8). بلورهاي رشد‌داده‌شده بايد اندازه‌اي بين 1 تا 100 نانومتر داشته باشند و براي کنترل رشد و اندازة دانة اين پوشش‌ها از موادي به ‌نام کنترل‌کننده هاي رشد استفاده مي شود. اين مواد رسوبات ريزي هستند که با قفل کردن مرزهاي يک دانه، مانع از حرکت و در نتيجه رشد آن مي‌شوند.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating02/05.jpg
شکل 8- نمونه‌اي از بلورهاي ستوني

m4material

2010/3/27, 09:52 PM

خواص فيزيکی و شيميايی نانوپوشش‌ها

نانوپوشش ها، بخش سوم

گفتيم که يکي از مهمترين عواملي که باعث شد بشر اقدام به پوشش برخي از مواد به وسيلة مواد ديگر کند، نياز به بهبود خواص مهندسي اين مواد بود. در اين قسمت، ابتدا خواص مهندسي مواد را در سه دستة خواص شيميايي، خواص مکانيکي و خواص فيزيکي توضيح مي‌دهيم و سپس خواص مهندسي پوشش‌هاي معمولي و نانوپوشش‌ها را مقايسه مي‌کنيم.
اختلاف نانوپوشش‌ها با پوشش‌هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش‌ها مي‌توان متوجه اين اختلاف‌ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل‌دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش‌ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة ‌دانة پوشش‌ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي‌کند. يکي از تفاوت‌هاي عمده ميان نانوپوشش‌ها و پوشش‌هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش‌ها نسبت به خوردگي است.
خواص خوردگی
اتم‌ها در حوزه‌هايي به صورت منظم چيده شده‌اند. به اين حوزه‌هاي منظم «دانه» مي‌گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟ (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/16)» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه‌گانه» مي‌گويند. اين به آن مي‌ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي‌اي در محل اتصال ايجاد مي‌شود که به آن «مرز دانه» مي‌گويند. شكل زير را بينيد. (شکل 9)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating03/01.gif
اتم‌هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌اي نيستند. در نتيجه با اتم‌هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي‌کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي‌کند، با اتم‌هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي‌دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي‌کند، زنگ آهن درست مي‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود.
با اين حساب، نانوپوشش‌ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش‌ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي‌شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي‌افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت‌تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي‌کند در کار نخواهد بود.
خواص مکانيکی
پوشش‌دهي و نانوپوشش‌ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي‌شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به ‌وجود مي‌آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي‌افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي‌نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي‌شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف‌پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش‌دهي مي‌توان بهبود بخشيد.
حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد:

1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده‌اند. مثلاً نيروي بين اتم‌هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم‌هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم‌هاي گاز هليم‌اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي‌شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم‌هاي گاز به‌راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي‌شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم‌هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد.
2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري‌ نانو مي‌توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک‌هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن‌قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي‌کند، عملاً به مرزهاي اين دانه‌ها برخورد ‌کند و چون مرزها محل بي‌نظمي اتم‌ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي‌دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه‌هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي‌دهد.
البته چنين پوشش‌هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي‌بخشند، که به‌اختصار به آنها مي‌پردازيم.
خستگی
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي‌کنيد؟ آيا آن را مي‌کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي‌شوند، در واقع مواد را خسته مي‌کنند. يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي‌کند، ويژگي‌هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي‌توان اين خواص را بهبود بخشيد.
خواص فيزيکی
يکي از مهمترين مزيت‌هاي پوشش‌دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان‌طور که مي‌دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم‌ها و برخورد آنها با هم انجام مي‌شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.)
وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه‌اي از اتم‌ها مي‌شود، اتم‌ها سر جاي خود مي‌لرزند و ارتعاش مي‌کنند. اين ارتعاش باعث مي‌شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به‌خوبي انجام نمي‌شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم‌تر باشد اين هدايت راحت‌تر انجام مي‌شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي‌شود، احتمال اينکه اتم‌ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي‌يابد و در واقع تعداد نقص‌هاي نقطه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص‌هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص‌هاي صفحه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي‌شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي‌کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي‌شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه‌هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي‌يابند.

m4material

2010/3/27, 09:53 PM

خاصيت مغناطيسی چيست و چرا بوجود می آيد؟

نانو پودرهای مغناطیسی - بخش اول

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

fe26:1s2,2s2,2P6,3s3,3P6,3d4,4s2
اُربيتال‌ها به ترتيب با نام‌هاي K و L وM وN و... شناخته مي‌شوند و در هر اُربيتال اتم‌ها در لايه‌هاي s و p و d و f به دور هسته مي‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپين» مي‌گوييم. در تمام اين مقاله،‌ مي‌خواهيم اين موضوع را تفهيم کنيم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداري به نام «گشتاور» ايجاد مي‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر مي‌آوريد: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نيرويي را نشان مي‌دهد که در اثر تغيير بردار حرکت الکترون توليد مي‌شود. مجموعة خطوط اين بردارهاي گشتاور، يك ميدان مغناطيسي را به وجود مي‌آورد. يعني وقتي يك جسم در فاصله‌اي نزديك چنين قطعه‌اي قرار بگيرد، اين مجموعه از نيروها بر آن وارد مي‌شوند و به اصطلاح آن را يا به طرف خود جسم مي‌كشند (جاذبه) و يا هُل مي‌دهند (دافعه).

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic01/01.gif
قانون دست راست
امّا حتماً توجه داريد که دو نيرو در يك راستا، ولي در خلاف جهت هم، همديگر را خنثي مي‌كنند. بنابراين،‌ اگر در يك لايه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته مي‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نيرو در خلاف جهت توليد مي‌شوند كه همديگر را خنثي مي‌كنند. از اين رو، اگر جسمي در نزديكي آنها قرار بگيرد، يك نيرو آن را مي‌كشد و يك نيرو آن را هُل مي‌دهد و در کل هيچ نيرويي بر آن وارد نمي‌شود. پس مادة مورد نظر ما، با يك اربيتال پُر (داراي تعداد الكترون‌هاي زوج در لاية آخر كه براي Fe26،‌ اربيتال d لاية آخر است) داراي خاصيت مغناطيسي نخواهد بود.
اما يك راه ديگر هم براي ايجاد خاصيت مغناطيسي در ماده وجود دارد. در اين روش، خاصيت مغناطيسي ناشي از نوع ديگري از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربيتالي (چرخش به دور هسته كه در بالا توضيح داده شد) مي‌توانند مثل كرة زمين به دور خود نيز بچرخند. در اين حالت نيز همان بردار گشتاور ايجاد مي‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لاية آخر زوج باشد دوباره نيروهاي به‌وجودآمده همديگر را خنثي مي‌كنند.
جامداتي كه در آنها لاية d در حال پر شدن است، داراي خاصيت مغناطيسي خواهند بود، اما اين خاصيت مغناطيسي فقط ناشي از چرخش الكترون‌هاي لاية آخر (http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic01/02.gif : Fe26) است. زيرا لاية d به هسته نزديك است و جاذبة هسته به الكترون‌هاي اين لايه اجازه نمي‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتي كه لاية f در حال پُر شدن است، چون فاصلة لايه از هسته زياد است، الكترون‌ها هم مي‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نيرو ناشي از دو نوع حركت به وجود مي‌آيد و واضح است كه خاصيت مغناطيسي بسيار بيشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به اين موضوع هم بايد توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربيتالي) و چرخش به دور خود (حركت وضعي)‌ براي يك الكترون در خلاف هم هستند.
حوزه‌هاي مغناطيسي
يك مادة مغناطيسي مجموعه‌اي از حوزه‌هاي مغناطيسي است. حوزة مغناطيسي،‌ ناحيه‌اي است كه درون آن همة الكترون‌هاي لايه‌هاي منفرد در يك جهت به دور هسته و به دور خود مي‌چرخند. يعني يك مادة چندحوزه‌اي مجموعه‌اي از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتي خاص به دور هسته مي‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نيرو در راستاي خاص خود را به وجود مي‌آورد و مجموعة بردارهاي نيروي توليدشده، در جهات مختلف، به نوعي همديگر را خنثي مي‌كنند. يعني ميدان نيروي ما، مجموعه‌اي از نيروهاي پراكنده است. پس قدرت آن ضعيف‌تر خواهد شد.

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic01/03.jpg
حوزه‌هاي مغناطيسي
براي درك اين موضوع به مثال زير توجه كنيد.
دو اتاق كنار هم را در نظر بگيريد. در اتاق اول 10 نفر وجود دارند. از اين 10 نفر، 1 نفر از جنوب به شمال،‌ 2 نفر از غرب به شرق، 1 نفر از شرق به غرب و 4 نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (اين اتاق دقيقاً همان مادة چندحوزه‌اي است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند.)
در اتاق دوم 4 نفر وجود دارند كه همگي از شمال اتاقhttp://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic01/04.gif به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد مي‌كنند. بنابراين، برآيند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خيلي كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتي حركت مي‌كنند و هيچ برخوردي بين آنها وجود ندارد. بنابراين، برآيند حركتيِ آنها معادل حركت 4 نفر است.
القاي مغناطيسي
القاي مغناطيسي يعني اينكه بخواهيم ماده‌اي را كه براي مغناطيسي شدن مناسب است، مغناطيس كنيم. واضح است كه براي اين كار بايد حوزه‌هاي مغناطيسي غير هم‌جهت را هم‌جهت كنيم تا نيروهاي حاصل همديگر را خنثي نكنند. براي اين كار بايد قطعه را با يك آهن‌ربا مالش دهيم، يا آن را در جهت ميدان مغناطيسيِ زمين گداخته كنيم يا در اين جهت چكش‌كاري كنيم. اين كارها باعث چرخيدن فلش‌ها در هر حوزه ‌مي‌شوند تا در نهايت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، يعني جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با اين كار مرز بين حوزه‌ها حركت مي‌كند و حوزه‌هاي كوچك‌تر در حوزه‌هاي بزرگ ادغام (هضم) مي‌شوند.

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic01/05.jpg
تأثير ميدان بر حوزه‌هاي مغناطيسي

m4material

2010/3/27, 09:54 PM

نانوپوشش ها به چه کار می آيند؟

نانوپوشش ها، بخش پنجم

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/01.jpg
شکل 13 ـ بسته‌بندي مواد غذايي با پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي
دستة ديگر، کاربردهاي الکتريکي و الکترونيکي‌اند که موجب کوچکتر شدن قطعات الکترونيکي، افزايش ذخيره‌سازي اطلاعات، ساخت پوشش‌ها با رسانايي بالا و... مي‌شوند. در ادامه، برخي از مهمترين محصولات و کاربردهاي حاصل از پوشش‌دهي نانومتري را توضيح مي‌دهيم.
نانو*****ها
ما از ***** چه انتظاري داريم؟ *****هاي معمولي چه ميزان از نياز ما را برطرف مي‌کنند؟ براي افزايش دقت چه تدبيري بايد انديشيد؟
وقتي سرما مي‌خوريد يا در معرض هواي آلوده هستيد، براي جلوگيري از ورود ميکروب، ويروس يا مواد سمي مثل سرب، چه کاري انجام مي‌دهيد؟ اکثراً از يک ماسک سفيد استفاده مي‌کنند. (البته بعضي‌ها حاضرند سرب بخورند، ولي از اين ماسک‌ها استفاده نکنند!)
ماسک‌هاي متداول مي‌توانند جلو ورود باکتري‌ها را بگيرند، ولي باکتري‌ها را از بين نمي‌برند. به اين صورت که آنها را روي خود جذب مي‌کنند. بعد از مدتي باکتري‌ها و ذرات، روي پوشش جمع مي‌شوند و لايه‌اي از مواد مضر را تشکيل مي‌دهند و چون ماسک با سيستم تنفسي در ارتباط است، استفاده از آن خطرناک است و در نتيجه نياز به تعويض دارد. اين مشکل را پوشش‌هاي نانوذرات نقره حل کرده‌اند. ويژگي اين پوشش از بين بردن ميکروب‌هاست. در نتيجه اين ماسک‌ها طول عمر بيشتر و کيفيت بهتري نسبت به ماسک‌هاي معمولي دارند. (شکل 14)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/02.jpg
شکل 14ـ ماسک ساخته‌شده با کمک نانوذرات نقره
شرکت Argonide Nanomaterials سازندة نانوذرات و محصولات نانو*****اسيون است. اين *****ها از الياف نانومتري آلومينا ساخته شده‌اند. اين الياف ذرات نانومتري را به خود جذب مي‌کند و نگاه مي‌دارد. از اين ***** مي‌توان براي تصفية آب استفاده کرد، چون 9/99 درصد ويروس‌ها را در جريان آب با سرعتي بيشتر از نمونه‌هاي فعلي حذف مي‌کند. در بيشتر نواحي جهان، به‌خصوص جهان سوم، مردم دسترسي کمي به آب آشاميدني دارند و استفاده از اين محصول براي اين گروه از انسان‌ها بسيار مفيد خواهد بود.
پوشش‌هاي ضدّ سايش
خيلي از ابزار مثل ابزارآلات برش، متّه و... به علت کاربردشان بيشتر در معرض اصطکاک قرار مي‌گيرند و زودتر ساييده مي‌شوند. شرکتNanodyne اين مشکل را با ساخت پوششي کامپوزيتي حل کرده است. اين پودر کامپوزيتي ترکيبي از کاربيد تنگستن و کُبالت است که اندازة دانه‌هاي آن از 15 نانومتر بيشتر نمي‌شود و بر اثر پخت به ماده‌اي سخت‌تر از الماس تبديل مي‌گردد و پوشش بسيار مناسبي براي ابزار آلات توليد مي‌کند. (شکل 15)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/03.jpg
شکل15ـ ابزارآلات پوشش‌داده‌شده با مواد سخت و مقاوم در برابر سايش
OLED
يکي از محصولات مهم فناوري ‌نانو، ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين است که به OLED مشهورند. به طور خلاصه، فولرين‌ها به خاطر خواص نوراني‌شان مي‌توانند وضوح بيشتري به مانيتور بدهند. بنابراين OLED ها نسبت به LCD ها قابليت تفکيک و وضوح بالاتري دارند. (شکل 16)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/04.jpg
شکل 16ـ نمونه‌اي از ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين OLED
پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي با خاصيت خودپاک‌کنندگي
اين کاربرد نانوپوشش‌ها بيشتر مورد علاقة دانش‌آموزاني است که وقتي از مدرسه به خانه باز مي‌گردند بايد جواب مادرشان را بدهند که چرا لباس‌هايشان خاکي و گچي است! در چنين شرايطي لباس‌هايمان را مي‌شوييم، ولي در مقياس‌هاي بزرگ مثل ديوار، کف اتاق، قطعات و... تميز کردن، هم پرهزينه است و هم وقت‌گير. (شکل 17)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/05.gif
شکل 17ـ تميز کردن سطوح، وقت‌گير و هزينه‌بر است.
بنابراين بهترين راه حل اين است که اصلا کثيف نشوند که بخواهيم تميزشان کنيم . ( قابل توجه افراد تنبل ! )
امروزه قطعاتي طراحي شده‌اند که هيچ‌گاه کثيف نمي شوند و علاوه بر اين، قابليت تميزکنندگي و تصفيه را نيز دارند. پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي جزو اين گروه هستند. اين پوشش‌ها از بلورهايي تشکيل شده‌اند که در مقابل نور خاصيت خود‌پاک‌کنندگي پيدا مي‌کنند. اين پوشش مي‌تواند با اسپري کردن روي انواع سطوح قرار بگيرد و با تجزية مواد آلوده‌کنندة هوا آن را هم تصفيه کند. لباس‌هاي ضدّ لک هم خاصيت خودتميزشوندگی دارند، ولي سازوكارشان با پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي متفاوت است. خبرنامة شمارة دو (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/47) را بينيد.
اگر برگ نيلوفر آبي را تا حالا ديده باشيد (اگر تا حالا دقت نکرده‌ايد، به عکس نگاه کنيد)، هميشه قطره‌هاي آب روي آن و در مرکز برگ جمع مي‌شوند، ولي هيچ‌گاه برگ خيس نمي‌شود. (شکل 18)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/06.jpg
شکل18ـ برگ نيلوفر آبي هيچ‌گاه خيس نمي‌شود.
دستتان را با کرِم چرب کنيد و بعد آن را توي آب فرو ببريد. اين تجربه‌اي است که احتمالاً پيش از اين داشته‌ايد. در اين حالت آب قطره قطره روي دستتان قرار مي‌گيرد و به سمت پايين سرازير مي‌شود.
‌شيشه‌هاي ضد بخار هم با همين روش عمل مي‌کنند. در اين حالت لايه‌‌اي را روي سطح شيشه مي‌نشانند که با آب خيس نمي‌شود (مثل بال‌هاي اردک در آب در شکل 19).

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/07.jpg
شکل 19ـ پرهاي مرغابي چرب‌اند و براي همين خيس نمي‌شوند.
يعني وقتي بخار روي سطح شيشه مي‌نشيند، نمي‌تواند مثل يک لاية نازک روي آن جا خوش کند، بلکه به صورت قطره قطره در‌مي‌آيد و از روي آن سُر مي‌خورد.
استفاده از لايه‌هاي ضد نورUV
يکي از نعمت‌هاي خوب خدا که به آن كم توجه مي‌كنيم، لاية اُزُن است. اين لايه مقدار زيادي از پرتو UV (Ultra Violet: ماوراي بنفش) را جذب مي‌کند. با وجود اين، مقداري از آن نيز به سطح زمين مي‌رسد كه گرچه اندك است، اما با سوراخ شدن لاية اُزُن (نمونه‌اي از شاهکارهاي بشر!) مقدار آن بيشتر شده و خطر خراب شدن لايه‌هاي پوست افزايش زيادي پيدا كرده است. محققان با دو روش از اين تخريب جلوگيري مي‌کنند. روش اول كه در ادامه توضيح داده مي‌شود، با استقبال خوب صنايع آرايشي مواجه شده است. اين صنايع در کرم‌هاي ضد آفتاب از روش اول استفاده کرده‌اند و چون ما آدم‌ها به زيبايي و سلامت خود اهميت زيادي مي‌دهيم، از اين راه پول خوبي به جيب زده‌اند.
حالت اول اين است که اجازة نفوذUV را به سطح مورد نظر نمي‌دهند. فکر مي‌کنيد براي اين کار، با توجه به توضيحاتي که قبلاً داده‌ايم، بهترين نوع پوشش چيست؟ درست است، لاية نازک بسيار مناسب است. ولي به جز آن از نانوذارات هم مي‌توان استفاده کرد. (شکل 20)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/08.jpg
شکل 20 ـ لاية نشانده‌شده بر روي اين عينک آفتابي نور فرابنفش را منعکس مي‌کند.
در حالت دوم UV جذب مي‌شود. براي اين كار از نانوذرات اکسيد روي استفاده مي‌کنند. يکي از علل مرغوبيت کرم‌هاي آفتاب ساخته‌شده با نانوذرات اکسيد روي، شفافيت اين نانوذرات است. در گذشته هم موادي را به کرم‌هاي آفتاب اضافه مي‌کردند، ولي اين مواد موجب کدر شدن کرم مي‌شد. ولي نانوذرات به علت ريز بودن تغييري در رنگ کرم ايجاد نمي‌کنند.
پوشش‌هاي هوشمند
هنوز تحقيقات در اين زمينه ادامه دارد، ولي اثرات آن به اين‌گونه خواهد بود:
روزي را تصور کنيد که براي عوض کردن رنگ ناخن‌هايتان به ناخنتان دستور شفاهي بدهيد! شما از مايعي شفاف استفاده خواهيد کرد که با تغيير جاي اتم‌هايش دستور شما را عملي مي‌کند. اين مواد هوشمند از روش شکست نور استفاده خواهند کرد، درست مثل بال پروانه. ولي خدا آن روز را نياورد! همين‌طوري هم مدل ناخن‌ها عجيب و غريب است، چه رسد به اينکه دست‌هاي هر کس مثل يك جعبه مدادرنگي بشود! (شکل 21)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanocoating05/09.jpg
شکل21: دستي با ناخن‌هاي رنگارنگ با استفاده از پوشش‌هاي هوشمند
نتيجه‌گيري و مرور کلي
در اين گزارش با تعاريف پوشش، روش‌هاي توليد، خواص و کاربردهاي آنها آشنا شديم و هر يک از مباحث فوق را در مورد نانوپوشش‌ها بررسي کرديم. درک مفهوم نانوپوشش‌ها مستلزم بيان پيش‌زمينه‌اي دربارة پوشش‌هاست. به طور کلي نانوپوشش‌ دربرگيرندة مفهوم لايه‌هاي نانومتري و روکش‌هاي نانوساختار است. در کل، نانوپوشش‌ها داراي خواص بهتري نسبت به پوشش‌هاي معمولي هستند و از نظر کاربردي مي‌توان آنها را در مصارف حساس به ‌کار برد. اگر‌چه به طور كلي روش‌هاي توليد اين نوع از پوشش‌ها با روش‌هاي توليد پوشش‌هاي متداول تفاوت چنداني ندارد، اما مي‌توان با دقت در پارامترها و شرايط توليد، چنين پوشش‌هايي را هم توليد نمود. کاربردهاي نانوپوشش‌ها با توجه به ساختار ويژة آنها و خواص ناشي از اين ساختار تعيين مي‌شود.

m4material

2010/3/28, 01:40 PM

از آهنربا تا نانوپودرهای مغناطیسی

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش دوم

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

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/01.jpg
تالس
در قرن هفتم ميلادي از اين ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چين به اروپا رسيد. در اروپا‌ دانشمندي فرانسوي به نام گيلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنرباي بزرگ زميني» را نوشت. در اين كتاب قديمي‌ترين و ساده‌ترين روش‌هاي آهنربا كردن يك قطعة مغناطيسي به شرح زير بيان شده‌اند:

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/02.jpg
گيلبرت
1. مالش دادن يك قطعة آهني (قطعه‌اي که مي‌خواهيم مغناطيسي شود) با يك آهنربا (داراي ميدان مغناطيسي)؛
2. گداخته كردن يك قطعة آهني (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت ميدان مغناطيسي زمين؛
3. چكش‌كاري يا كشش يك قطعة آهني در جهت ميدان مغناطيسي زمين.
نانوپودرهاي مغناطيسي
مي‌دانيم که اندازة مواد و پديده‌ها در مغناطيس در مقياس بسيار ريز قرار دارد. از سوي ديگر، مي‌دانيم كه يك ماده هر چه حوزه‌هاي کم‌تعدادتري داشته باشد، نيروي كمتري براي همجهت کردن حوزه‌هاي آن لازم است. اگر ماده تنها داراي يك حوزه باشد، در اين صورت ديگر نيازي به همجهت كردن آن با ديگر حوزه‌ها نيست. از آنجا‌كه قطر اين حوزه‌ها در محدودة يک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط داراي يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوپودر به شمار رود. به اين ترتيب، ذرات نانوپودر داراي تعداد حوزه‌هاي كمي هستند و مغناطيس كردن آنها كار ساده‌اي است. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک، مي‌دانيم که موادي که از حالت طبيعي خارج شده‌اند، تمايل دارند که به حال طبيعي خود بازگردند و مغناطيس كردن يك ماده، ماده را از حالت طبيعي خود خارج مي‌کند. اما چون نانوپوردها احتياج به نيروي زيادي براي مغناطيس شدن ندارند و از حالت طبيعي خود خيلي فاصله نمي‌گيرند، پس از مغناطيس شدن، تمايل زيادي براي از دست دادن اين خاصيت و بازگشت به حالت طبيعي ندارند.

قانون دوم ترموديناميک: بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرايند خودبه‌خودي، افزايش مي‌يابد.
اما به طور كلي با گرم كردن يك مادة مغناطيس‌شده تا دماي كوري، حوزه‌ها به جهت‌هاي اوليه خود برمي‌گردند و خاصيت خود را از دست مي‌دهند.

دماي کوري دمايي است که در آن ماده کاملاً خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد.
كاربردهاي نانوپودرهاي مغناطيسي
1. ساخت آهنربا
براي ساخت آهنربا مي‌توان به روشي که در ساخت قطعات از نانوپودرها (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/52) توضيح داده شده است عمل كرد. يعني پودرها را تحت فشار در دماي بالا قرار داد تا به هم بچسبند و يك قطعه درست شود. چنين قطعات آهنربايي در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده مي‌شوند. جالب است بدانيد خودروهاي جديد 70 آهنرباي دائمي دارند. حركت موتورهاي DC، حركت سقف، شيشه‌هاي پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل مي‌شوند.
قطارهايي هم كه روي هوا حركت مي‌كنند، بر مبناي نيروي دافعة بين آهنرباها در ريل و كف قطار، روي هوا مي‌ايستند. يكسو و غيرهمسو كردن جريان الكتريكي اين آهنرباها را به وجود مي‌آورد و موجب حرکت يا ترمز قطار مي‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/03.gif

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/04.jpg
2. قطعات آهنرباييِ کامپوزيت‌شده با پليمرها
به جاي روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصيت مغناطيسي را کم مي‌کند، مي‌توان از پليمرها كه در دماي نه چندان بالا ذوب مي‌شوند استفاده كرد. به اين شکل که پودرهاي مغناطيسيِ مذاب را در آنها بريزيم و سرد كنيم تا جامد شوند. البته پليمرها خاصيت مغناطيسي ندارند و بنابراين خاصيت مغناطيسي آهنرباي توليدشده كم مي‌شود، ولي مي‌توان از اين نوع آهنربا در جايي كه آهنربا بايد تحت ضربه كار كند، مثل درِ يخچال، استفاده كرد. (توجه کنيد که ضربه خاصيت مغناطيسي را كم مي‌كند.)
3. در محيط‌هاي ذخيره اطلاعات
يکي از مهمترين كاربردهاي پودر مغناطيسي، ذخيرة اطلاعات در كارت‌هاي اعتباري است. در اين محيط‌ها، پودر مغناطيسي به صورت ذرات ريزي که به‌سختي آهنربا مي‌شوند و به‌سختي هم خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حفظ و ماندگاري اطلاعات در چنين محيط‌هايي بسيار مهم است و پايداري خاصيت مغناطيسي در پودرها باعث مي‌شود اطلاعات حکاکي‌شده‌اي که در قالب حوزه‌هاي مغناطيسي ثبت شده‌اند از بين نروند.

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/05.gif

http://www.nanoclub.ir/contents/Magnetic02/06.jpg

m4material

2010/3/28, 01:43 PM

چگونه يک آهنربا بسازيم؟

نانوپودرهای مغناطیسی، بخش سوم

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

1. يك آهنرباي بزرگ و قوي
2. چهار نوع مادة آهنيِ مناسب براي درست کردنِ آهنربا (به شرحي که خواهد آمد)
3. يك چراغ حرارتي.
چهار نوع قطعة آهنيِ مناسب کدام‌اند؟
اندازه قطعات مغناطيسي، نشان‌دهنده تعداد حوزه‌هاي مغناطيسيِ آنهاست. بنابراين، چهار نوع قطعة آهني را که شکلِ پراکندگي بُردارهاي مغناطيسي در آنها با هم فرق دارد، به اين شرح انتخاب مي‌کنيم:
1. يك تكه آهن.‌ تكة آهن، يک قطعة سه‌بُعدي است، يعني در هر سه بُعد از فضا حوزه‌هاي مغناطيسي دارد.

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/01.gif

شكل 1: تصوری از یک تکه‌آهن که ماده‌ای است سه‌بُعدي
2. يك ورق آهني.‌ اين لايه را مي‌شود يک مادة دوبُعدي در نظر گرفت. حوزه‌هاي مغناطيسي در سطح صفحه وجود دارند. در واقع، طول و عرض اين صفحه در مقايسه با ضخامت آن بسيار زيادند و بنابراين از ضخامت، در مقايسه با طول و عرض، صرف نظر مي‌شود و در عمل مي‌توان آن را يك مادة دوبُعدي يا صفحه در نظر گرفت.

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/02.gif

شكل 2: تصوری از یک ورق آهن که در عمل ماده‌ای است دوبُعدي
3. يك تکه سيم از جنس آهن. اين سيم مثل يك خط است و چون طول و عرضِ سطح مقطع آن در مقايسه با ارتفاع آن بسيار ناچيز است، مي‌توان آن را ماده‌اي يك‌بُعدي به شمار آورد. در چنين ماده‌اي حوزه‌هاي مغناطيسي تنها در يك بُعد كه همان ارتفاع است وجود دارند.

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/03.gif

شكل 3: تصوری از یک تکه سیم که می‌شود آن را ماده‌ای يك‌بُعدي به شمار آورد
4. يك مُشت پودر آهن. در پودر آهن، هر سه بُعدِ طول و عرض و ضخامت بسيار کم‌اند. بنابراين، مي‌توان ذراتِ آن را يك نقطه به شمار آورد که ماده‌اي است صفربُعدي. در واقع، حوزه‌هاي مغناطيسي در چنين ماده‌اي در هيچ‌يک از ابعاد توزيع نشده‌اند.

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/04.gif

شكل 4: تصوری از یک ذره پودر آهن که ماده‌ای صفربُعدی تصور می‌شود
آزمايش را چگونه انجام دهيم؟
چهار نوع قطعه آهني را با يكي از سه روشِ پيشنهاديِ گيلبرت آهنربا مي‌كنيم. اين سه روش از اين قرارند:

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

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/05.jpg
کیفیت پایین (http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/Magnetic%20Nanopowder%201%20Low.wmv) کیفیت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/Magnetic%20Nanopowder%201.wmv) براي مقايسة ماندگاريِ خاصيت آهنربايي، قطعات آهنربا را به درجات مختلف حرارت مي‌دهيم و سپس آزمايش‌هاي گفته‌شده را تكرار مي‌كنيم. پيش‌بينيِ ما اين است که پودرها زودتر مغناطيس مي‌شوند و خاصيت آهنربايي بيشتري پيدا مي‌كنند و از آن طرف، ديرتر خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند. آزمايش‌ها را انجام دهيد تا ببينيد چقدر پيش‌بينيِ ما درست از آب درمي‌آيد!

http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/06.jpg
کیفیت پایین (http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/Magnetic%20Nanopowder%202%20Low.wmv) کیفیت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/Nanomagnetic03/Magnetic%20Nanopowder%202.wmv)

m4material

2010/3/28, 01:44 PM

نانوذراتِ سيليس

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

http://www.nanoclub.ir/contents/Silica_01/01.jpg
ذرات سيليس
روشﻫﺎي شيميايي سنتزِ نانوذراتِ سيليس پرهزينه‌اند، زيرا مواد مورد نياز در اين روش‌ها گران‌قيمت‌اند. بنابراين، دانشمندان تلاش مي‌کنند تا روش‌ها و منابع مقرون به‌صرفه بيابند.
در سال 2004 زونگ هرنگ ليو (Tzong Horng Liou)، پژوهشگر تايواني، براي اولين‌بار اين ذرات را از شلتوک برنج سنتز کرد که از روش‌هاي بسيار ارزان‌قيمت به شمار مي‌رود.
همان‌طور که گفته شد، در ايران معادن متعددي وجود دارند که کلوخهﻫﺎي سيليس را مي‌توان از آنها استخراج کرد. براي تبديل اين کلوخه‌ها به ذرات ريز چه مي‌توان کرد؟ شايد تصور کنيد که با آسيابﻫﺎي پرقدرت مي‌شود اين کلوخهﻫﺎ را آن‌قدر ريز کرد تا به اندازة نانومتري برسند. گرچه اين روش به نظر معقول و مقبول مي‌آيد، ولي تا به حال آسيابي ساخته نشده است که بتواند پيوندهاي کووالانسي بسيار قوي سيليس را بشکند. بنابراين، براي ريز کردن کلوخة سيليس بايد چارة ديگري کرد. اعضاي گروه شيمي دانشگاه تربيت مدرس موفق شده‌اند با استفاده از پراکندهﻫﺎي شيميايي به ذرات نانومتري سيليس دست يابند. پراکندهﻫﺎ موادي هستند که مانندِ پلي ميان اتمﻫﺎ و مولکولﻫﺎ قرار ﻣﻲگيرند و از ايجاد پيوندهاي قوي بين آنها جلوگيري ﻣﻲکنند.
کاربردهاي نانوذرات سيليس
اکنون سراغ کاربردهاي نانوذرات سيليس ﻣﻲرويم. سيستم کلوئيدي پراکنده‌ها، يعني محلول حاوي ذرات پراکندة سيليس، در صنايع مختلف از جمله در رنگدانهﻫﺎ و کاتاليزورها کاربرد دارد. همچنين از نانوذرات سيليس مي‌توان براي سختي و استحکام پوششﻫﺎي صنعتي استفاده کرد.
يک شرکت ژاپني با استفاده از اين نانوذرات در محصولات مرطوب‌کنندة خود، مشاهده کرد که کرمﻫﺎي جديد خشکي پوستِ مشتريان را درمان مي‌کند. بنابراين، يکي ديگر از زمينه‌هاي کاربرد اين نانوذرات ﻣﻲتواند داروها و لوازم آرايشي و بهداشتي باشد.
کاربرد ديگر نانوذرات، در عايقﻫﺎي حرارتي و عايقﻫﺎي الکتريکي است. با اعمال شرايط خاص، ﻣﻲتوان از اين ذرات که به صورت پودر هستند، ساختارهاي متخلخل به دست آورد. ساختار متخلخل کاربردهاي جالبي دارد و از جمله ﻣﻲتوان از آنها به عنوان تصفيه‌کننده استفاده کرد.

http://www.nanoclub.ir/contents/Silica_01/02.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/Silica_01/03.jpg
سيليس با ساختار متخلخل
امروزه توانسته‌اند از نانوپودر سيليس با توزيع اندازة ذرات کم، پوليشرهاي مکانيکي و شيميايي توليد کنند. در اين روش، مشکلاتي که در پوليش سطوح با استفاده از اسيدها و پوليشرهاي ديگر وجود داشت، رفع شده است.

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

m4material

2010/3/28, 01:45 PM

نانو ذرات نقره

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

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

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image002.jpg
نانو ذرات نقره
این محلول را میتوان به عنوان داروی خوراکی استفاده کرد که در آن صورت ، محلول باید از 80 % نقره عادی (فلز) و 20 % یون نقره تشکیل شود، زیرا یونها در معده با اسید هیدروکلریک واکنش داده و نقره کلرید درست می شود که خاصیت خود را از دست می دهد.
برای مصرف این دارو به صورت خوراکی بهتر است از محلولی با غلظت 20ppm استفاده شود تا تأثیر بیشتری در بدن داشته باشد. از نانو سیلور به عنوان دارو می توان در درمان بیماریهای پوستی ،جوش و ... ، انواع جراحات و سوختگی ها، بیماریهای باکتریایی و قارچی ، بیماریهای گوارشی ، بیماریهای جنسی و ... استفاده کرد .
نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم میباشد، ولی زمانیکه به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل میشود خاصیت میکرب کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می یابد، به حدی که می توان از آن جهت بهبود جراحات و عفونتها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل میکروارگانیسم اثر می گذارد. تاکنون بیش از 650 نوع باکتری شناخته شده را از بین برده است.

http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image003.jpg
دو مکانیسم عمده نانو نقره ها عبارتند از :
1- مکانیسم کاتالیستی : تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر درمورد کامپوزیت2های نانو نقره ای صدق میکند که روی پایه های نیمه هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرار گرفته می شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی3عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید می کند که هر دو از بنیان های فعال و از قوی ترین عاملین ضد میکربی نیز می باشند.

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

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

http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image004.jpg
2- ظروف پلاستیکی ( غذایی ، دارویی ، آرایشی )
3- لوازم خانگی(یخچال، جارو برقی، ماشین ظرف شویی، سیستم تهویه و تصفیه هوا و رطوبت زا)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image006.jpg
http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image005.jpg
4- مواد بسته بندی برای تازه و بهداشتی نگه داشتن مواد غذایی
5- بدنه وسایلی که انسان مداوم با آن تماس دارد( گوشی موبایل ، کیبورد و ...)

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

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

m4material

2010/3/28, 01:45 PM

محلول های مغناطیسی نانو

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

http://www.nanoclub.ir/contents/ferrofluid/image001.jpg

m4material

2010/3/28, 01:47 PM

سنتز نانوذراتِ سیلیس به روش سُل ـ ژل

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

1ـ ابزار انجام آن ساده است؛
2 ـ سرمايه‌گذاري اولية آن کم و در عين حال کيفيت محصول بالاست؛
3 ـ خلوصِ محصول به‌دست‌آمده بالاست؛
4 ـ امکان طراحي ترکيب شيميايي و به‌دست آوردن ترکيب همگن وجود دارد؛
5 ـ فرآيند را مي‌توان در دماي کم نيز ايجاد کرد.
از طرف ديگر، با توجه به شکل زير، ﻣﻲتوان مشاهده کرد که با تغيير شرايط، ساختارهاي متنوعي با استفاده از اين روش به دست آيند.

http://www.nanoclub.ir/contents/Silica_02/01.gif
مادة اوليه‌اي که در اين روش مورد استفاده قرار ﻣﻲگيرد، الکوکسي سيلان نام دارد. اين ماده از تأثير شبه فلزات بر الکل تهيه ﻣﻲشود. تهية اين ماده بسيار مشکل است و در دنيا دو کمپاني صنايع شيميايي قادر به تهية آن هستند. الکوکسي سيلان ماده‌اي گران‌قيمت به شمار مي‌رود، در عوض، با استفاده از اين مادة اوليه ﻣﻲتوان به محصولاتي با خلوص بالا در مدت زمان کوتاه دست يافت. از سيليسيلت سديم نيز ﻣﻲتوان براي تهية ذرات نانومتري سيليس استفاده کرد. مشکل اين‌ است که خلوص محصولاتِ حاصل از اين مادة اوليه بالا نيست و نياز به شست‌وشوي طولاني‌مدت دارد تا ناخالصيﻫﺎ از محصول نهايي خارج شود.
براي سنتز نانوذرات سيليس، به الکوکسي سيلان، آب و الکل نياز است. از آن‌جا که الکوکسي سيلان در آب حل ﻧﻤﻲشود، بنابراين، بايد از ماده‌اي استفاده کرد که هم الکوکسي سيلان در آن حل شود و هم خود اين ماده محلول در آب باشد. به اين منظور، از الکل استفاده ﻣﻲکنيم. از طرف ديگر، واکنش دو مادة آب و الکوکسي سيلان بسيار کُند است و با افزودن الکل، سيستم رقيق‌تر هم ﻣﻲشود. در نتيجه سرعت واکنش باز هم کاهش مي‌يابد. براي افزايش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتاليزور استفاده کرد. کاتاليزوري را که براي انجام سريع اين واکنش مورد استفاده قرار ﻣﻲدهيم بايد به گونه‌اي باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌راحتي از سيستم خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسيدها و هم از بازها به عنوان کاتاليزور در سنتز ذرات سيليس استفاده شده است که هر کدام مزايا و معايب خود را دارند.
در محيطي با خاصيت بازي، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌سرعت رشد ﻣﻲکنند و نيروي دافعة جرمي باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقي بمانند. در محيط اسيدي ذرات در اندازة 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولي در ادامة فرآيند به‌سرعت به هم ﻣﻲپيوندند و ذرات بزرگتر را تشکيل مي‌دهند.
براي سنتز نانوذرات سيليس، از کاتاليزور آمونياک استفاده ﻣﻲشود. از مزاياي آمونياک اين است که نقطة جوش پايين دارد و به‌سرعت از سيستم بيرون مي‌رود. ولي از اسيدهايي چون اسيد کلريدريک، نيتريک و استيک نيز مي‌توان استفاده کرد که نقطة جوش بالايي دارند. بنابراين، خارج کردن آنها از سيستم کار راحتي ﻧيست. از معايب ديگرِ اين کاتاليزورها اين است که باعث ايجاد ليگاندهايي با محصولات ﻣﻲشوند که ديگر ﻧﻤﻲتوان محصول را با همان پيوندهاي شيميايي مورد نظر تهيه کرد.

ليگاند چيست؟
ليگاند: در يون کمپلکس، يون‌هايي وجود دارند که يون مرکزي را احاطه کرده‌اند، مثلاً ( CN)
(منظور از يون کمپلکس يوني است که از چند يون تشکيل شده است)
روش آزمايش
مقداري آب را با الکل و آمونياک و بقية الکل را با الکوکسي سيلان مخلوط مي‌کنيم. اين دو محلولِ جداگانه را به هم ﻣﻲافزاييم و با هم زدن، سيستم را کاملاً همگن ﻣﻲکنيم. بسته به نسبت مولي مورد استفاده در سنتز اين ذرات، زمان هيدروليز و چگالش متفاوت است. بعد از تهية اين محلول، ابتدا الکوکسي سيلان در محيط آبي هيدروليز ﻣﻲشود. در اين فرآيند گروه هيدروکسيل جايگزين گروه کربوکسيل ﻣﻲشود. اين واکنش همان‌طور که گفته شد در محيط آبي طبق معادلة زير انجام ﻣﻲشود.

http://www.nanoclub.ir/contents/Silica_02/03.gif
بعد از هيدروليزِ محصولات، چگالش طبق معادلة زير آغاز ﻣﻲشود.
2 HOSi(OR)3 ==> (OR)3 SiOSi (OR)3 + H2O
يا (OR)3 SiOSi (OR)2 (OH) + ROH
(R جزء گروه الکيل است.)
در مرحلة پليمريزاسيون گروه سيلانول Si-OH با آزاد کردن آب يا الکل به صورت سيلوکسان Si –O– Si درﻣﻲآيد. سازوکار هيدروليز به اين صورت است که اکسيژن آب به اتمﻫﺎي سيليکون حمله ﻣﻲکنند. آب ابتدا به شکل يونﻫﺎي +H و ¯OH در مي‌آيد و گروه الکوکسي نيز به صورت -(OR) و Si(OR)3+ تفکيک ﻣﻲشود. سپس -(OH) ناشي از هيدروليز آب جايگزين OR- ناشي از هيدروليز الکوکسي ﻣﻲشود.
بايد خاطرنشان کرد که سرعت اين واکنش با افزودن کاتاليزور تغيير ﻣﻲکند. اگر از کاتاليزور اسيدي استفاده کنيم، سازوکار واکنش اندکي متفاوت خواهد بود. در اين حالت به علت وجود +H در محيط، گروه الکوکسي به‌سرعت پروتونﻫﺎي +H را جذب ﻣﻲکند و چگالي ابرالکتروني سيليکن کاهش خواهد يافت. بنابراين، براي مورد حمله قرار گرفتن توسط مولکولﻫﺎي آب مستعد خواهند شد.
در محيط با خاصيت بازي آب، ابتدا يونﻫﺎي هيدروکسيل ¯OH توليد خواهند شد. سپس يونﻫﺎي هيدروکسيل جايگزين گروه OR ﻣﻲشوند.
بعد از فرآيند هيدروليز، مونومرها و دي‌مرهاي تشکيل مي‌شوند و به هم ﻣﻲپيوندند. در اين هنگام است که پليمريزاسيون آغاز مي‌شود. اين مرحله ممکن است به اين صورت رخ دهد:
1ـ سازوکاري که منجر به تشکيل آب ﻣﻲشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)3 + H2O
2 ـ سازوکاري که منجر به تشکيل الکل ﻣﻲشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)2 OH SiOSi (OR)3 + HOR
با افزايش پيوندهاي سيلوکسان، مولکولﻫﺎي منفرد به يکديگر ﻣﻲپيوندند و تشکيل سُل مي‌دهند. سپس دانهﻫﺎي تشکيل‌شده به يکديگر ﻣﻲپيوندند و تشکيل يک شبکة سه‌بُعدي را که همان ژِل است، ﻣﻲدهند.
با خشک کردن اين محلول، ﻣﻲتوان ذرات نانومتريِ پراکنده‌شدة سيليس را تهيه کرد. اگرچه اين فرآيند به‌سادگيِ دو معادلة ذکرشده در بالا نيست (و داراي مراحل مياني زيادي است) ولي هدف از ذکر اين آزمايش چند نکته به شرح زير است:

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

m4material

2010/3/28, 01:48 PM

ك مثل كامپوزيت،كامپوزيت مثل كاهگِل

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

http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/01.gif
http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/02.gif http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/03.gif الف) کامپوزيت لايه‌اي ب) کامپوزيت رشته‌اي ج) کامپوزيت ذره‌اي (شکل 1)
زمينه چيست؟
زمينة يک مادة مرکب، ماده‌اي است پيوسته که مادة دوم را در برگرفته است. اين ماده در کاه‌گِل، گِل و در مثال باتلاق و آدم، محيط باتلاق است که پيوسته است و آدم را در برگرفته است. دومين ملاک براي تعيين زمينه اين است که مقدار ماده‌اي که به عنوان زمينه استفاده مي‌شود بيشتر از قسمت تقويت‌کننده است.
وظيفة زمينه چيست؟
اولين وظيفة زمينه احاطة مادة‌ تقويت‌کننده است، به طوري که نگذارد مادة تقويت‌کننده پراکنده شود؛ وظيفة دوم، محافظت از مادة تقويت‌کننده در برابر عوامل شيميايي است؛ و وظيفة سوم اين است که چون مواد زمينه را نرم انتخاب مي‌کنند، وقتي نيرو به مادة مرکب (کامپوزيت) وارد مي‌شود، توسط زمينه به مادة تقويت‌کننده انتقال داده شود تا مادة تقويت‌کننده نيرو را تحمل کند.
تقويت‌کننده چيست؟
تقويت‌کننده‌ها موادي هستند که به صورت تکه‌تکه، در يک زمينة پيوسته وارد مي‌شوند تا خواص مادة زمينه را بهتر کنند.
تقويت‌کننده‌ها چه شکلي هستند؟
تقويت‌کننده‌ها مي‌توانند به صورت يک صفحه، يک رشته ( نخ)، يا يک ذره (پودر) وارد حجم زمينه شوند و خواص آن را بهبود بخشند. (شکل 2)

http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/04.gif
http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/05.gif http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/06.gif الف) تقويت‌کنندة صفحه‌اي ب) تقويت‌کنندة رشته‌اي ج) تقويت‌کنندة ذره‌اي (شکل 2)
http://www.nanoclub.ir/contents/composites01/07.jpgکامپوزيت‌ها چه کاربردهايي دارند؟
امروزه مي‌توانيم ترکيبات کامپوزيتي را در زندگي روزانه و در اطراف خود ببينيم. چند مثال از اين وسايل که در آنها ترکيبات کامپوزيتي به کار رفته است، اينها هستند: بدنة هلي‌کوپتر، زه راکت تنيس، بدنة هواپيما، کاه‌گِل، توپ‌هاي ورزشي و...

m4material

2010/3/28, 01:49 PM

نانوکامپوزيت هم حتماً يعني نانوکاه‌گل؟

دقيقاً! نانوکامپوزيت هم يعني نانوکاه‌گل. به شرط اينکه رشته‌هاي کاه که در گِل توزيع شده‌اند، قطري در حد 1 تا 100 نانومتر داشته باشند.
http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/01.jpg
نمونه‌اي از يک نانوکامپوزيت
شباهت آن به کاه‌گل جالب توجه است.
نانوکامپوزيت‌ها
براي اينکه يک کامپوزيت به نانوکامپوزيت تبديل شود، مي‌توان روي دو قسمت از آن کار کرد:
1. زمينه: همان‌طور که بارها گفته‌ايم، اتم‌هاي يک مادة منظمِ بلوري، در داخل دانه‌ها (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/15) قرار دارند. يعني همة آنها در يک جهت چيده نشده‌اند، بلکه مثل سلول‌هاي روي پوست دست، دسته‌‌دسته اتم‌هاي داخل هر سلول در يک جهت خاص قرار دارند. ما براي اينکه کامپوزيت را به نانوکامپوزيت تبديل کنيم، بايد قطر دانه‌ها را نانومتري کنيم.
2. تقويت‌کننده: گفتيم که سه نوع تقويت‌کننده داريم. اگر تقويت‌کنندة ما ذره‌اي باشد، با ريزکردن ذرات در حدّ نانومتر و وارد کردن آنها در يک زمينه، نانوکامپوزيت توليد مي‌شود. اما اگر تقويت‌کننده‌هاي ما رشته‌اي باشند، با ريز کردن قطر رشته‌ها در حدّ نانومتر (يعني توليد يک‌سري نخ نازک که قطر هر کدام بين يک تا صد نانومتر است) و وارد کردن آنها در زمينه، مي‌توانيم نانوکامپوزيت توليد کنيم. اگر تقويت‌کنندة ما لايه‌اي باشد، با نازک کردن لايه‌ها در حدّ نانومتر (ضخامت ورقه‌ها در حدّ 1 تا 100 نانومتر باشد) مي‌توانيم نانوکامپوزيت بسازيم.

http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/02.jpg
تقويت‌کنندة ذره‌اي
http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/03.jpg
تقويت‌کنندة رشته‌اي
http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/04.jpg
تقويت‌کنندة لايه‌اي
چرا نانوکامپوزيت؟
در جواب به اين سؤال، اول بايد معلوم شود که چرا اصلاً از کامپوزيت استفاده مي‌کنيم؟ حتماً ديده‌ايد که ديوارهاي خانه‌هاي قديمي، خيلي ضخيم‌تر از ديوارهاي ساختمان‌هاي امروزي‌اند، يا اگر در خانه‌هاي قديمي ستون ديده باشيد، به‌مراتب قطورتر از ستون‌هاي ساختمان‌هاي نوسازِ امروزي است. علتْ اين است که براي تحمل نيروي سقف، احتياجي به قطور کردن ديوارها يا ستون‌ها نيست. چون با زياد کردن تعداد ستون‌ها و قرار دادن ستون‌هاي باريک¬تر در جاهايي که نيرو وارد مي‌شود، در واقع ستون‌هاي کاذب را حذف مي‌کنيم. در مواد مرکب هم، براي اينکه بخواهيم خواص ماده بهتر شود، لازم نيست همة ماده را از يک ماده با خواص خوب بسازيم.
خواص مهندسي مواد
ما از مواد خاصي براي ساخت قطعات، دستگاه‌‌ها، ساختمان‌ها و... استفاده مي‌کنيم، چون همة مواد خواص مورد نياز ما را در آن دستگاه برآورده نمي‌کنند. به اين خواص ماده، که موجب مي‌شود آن ماده داراي کاربردهاي مهندسي شود، «خواص مهندسي مواد» مي‌گويند. خواص مهندسي مواد عبارتند از:
1. خواص مکانيکي، مثل خواص کشتي؛
2. خواص فيزيکي، مثل هدايت الکتريکي؛
3. خواص شيميايي، مثل مقاومت در برابر خوردگي؛
نمونه‌اي از اين تغيير خواص شبميايي را در زير مي‌بينيد. در اينجا با تبديل ميکروکامپوزيت به نانوکامپوزيت امکان شکل گيري ذغال به ماده اضافه شده است. با اين کار از گسترش آتش جلوگيري مي‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/05.jpg
بهتر شدن خواص مکانيکي با ترکيب مواد و توليد نانوکامپوزيت
خواص مکانيکي يعني خواص ماده در برابر اِعمال انواع نيروها. نيروها به چند دسته تقسيم مي‌شوند: کشيدن، فشردن، خم کردن، پيچاندن و...
وقتي يک لايه‌ يا صفحه با ضخامت 1 ميلي‌متر را وارد زمينه‌اي نرم مي‌کنيم، اگر تقويت‌کننده محکمتر از زمينه باشد، مثلاً مقداري ورق فلزي را وارد يک زمينة پلاستيکي (پليمري) کنيم، مادة مرکبِ تشکيل‌شده در مقايسه با مادة اول، در برابر نيروي کششي، مقاومت بيشتري از خود نشان مي‌دهد.
حال اگر اين لايه بخواهد به لايه‌اي با ضخامت 1 نانومتر تبديل شود، يک ميليون لايه با ضخامت 1 نانومتر خواهيم داشت. واضح است که توزيع يک ميليون لاية نانومتري، مي‌تواند در تمام سطح زمينة پليمري به صورت يکنواخت توزيع شود. بنابراين، وقتي به زمينة پليمري نيروي مکانيکي وارد مي‌شود، اين نيرو را بهتر تحمل مي‌کند.

http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/06.jpg
در شکل دو کامپوزيت را مي‌بينيد که لايه سطحي يکي از آنها با ذرات نانوي و ديگري با ذرات ميکروني پوشيده شده است. همان طور که مي‌بينيد لايه با ذرات ميکروني (تصوير سمت چپ) ر مقابل تنش ترک خورده است در حالي که لا با ذرات نانويي در مقابل اين تنش مقاومت کرده است.
http://www.nanoclub.ir/contents/composites02/07.gif

بهبود سختي کامپوزيت اپوکسي-سيليس با تغيير درصد نانوذرات سيليس (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/92) و لاستيک به عنوان تقويت کننده
بهتر شدن خواص فيزيکي
خواص فيزيکيِ يک ماده، خواصي از قبيل هدايت، مقاومت الکتريکي و... هستند. جريان الکتريکي با حرکت الکترون‌ها وارد يک ماده مي‌شود و اتم‌ها با ارتعاش، به همديگر مي‌خورند و به اين ترتيب الکترون را دست به دست درون ماده منتقل مي‌کنند. حال اگر مادة ما يک پلاستيک (عايق الکتريسيته و حرارت) باشد و ما بتوانيم چند عدد ميلة مسي درون آن وارد کنيم (دقيقاً مثل سيم)، الکترون‌ها از درون اين پلاستيک و با عبور از اتم‌هاي مس، مي‌توانند هدايت شوند. يعني ما با قرار دادن يک ميلة مسي درون يک پلاستيک، آن را هادي جريان الکتريسيته کرده‌ايم. اکنون فرض کنيد که سطح اين پلاستيک 1 متر در 1 متر باشد و قطر ميلة مسي 1 ميلي‌متر. در اين صورت، مقطعي دايره‌اي به قطر 1 ميلي‌متر از پلاستيک هادي جريان مي‌شود. اين در حالي است که با ريز کردن ميلة مسي، به ميله‌هاي با قطر نانومتر مي‌توان يک ميليون ميله با قطر 1 نانومتر را درون پلاستيک پخش کرد. بنابراين، يک ميليون قسمت پلاستيک، رساناي جريان الکتريکي مي‌شوند.

m4material

2010/3/28, 01:49 PM

نانو کامپوزيت تحول بزرگ در مقياس کوچک

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

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/01.jpg
کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي‌ و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/02.jpg
نانوکامپوزيت¬‌هاي نانوذره‌اي
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.
نانوکامپوزيت‌هاي نانو‌لوله‌اي
نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره‌ و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت‌ بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.
استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده‌!

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/03.jpg
نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رُس‌هاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايه‌لايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتش‌گيري در اين نانوکامپوزيت‌هاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت مي‌شوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشين‌هاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده مي‌شود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌اي بهبود پيدا مي‌کند که از جمله مي‌توان در آنها به موارد زير اشاره کرد:

1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک
http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/04.jpgنانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
محققان توانسته‌اند سخت‌ترين مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌هاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولوله‌هاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيته‌اند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.
اين کامپوزيت مي‌تواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس مي‌تواند نانولوله‌هاي کربني را در مقابلِ ازهم‌گسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولوله‌هاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.
اين کامپوزيت همچنين در رديابي‌هاي زيستي کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌هاي زيستي مي‌چسبند و به عنوان حسگر عمل مي‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار مي‌کند.
تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولوله‌هاي کربني چگونه محکم به هم مي‌چسبند؟

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/08.gif
http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/05.jpgجديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
اين خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمت‌هاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌هاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت مي‌کند.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/06.gif
مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيت‌هاي سبک‌وزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌هاي فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازه‌هاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستم‌هاي دروني، اجزاي موتور راکت‌ها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.

http://www.nanoclub.ir/contents/composites03/07.jpg
در مصارف نظامي نيز کامپوزيت‌ها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار مي‌شوند.
کامپوزيت‌هاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جويي در سوخت را به همراه دارد.
علاوه بر اين، نانوکامپوزيت‌ها به محصولاتي همچون بسته‌بندي غذاها راه يافته‌اند تا سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله با اکسيژن بيروني).
همچنين خواصّ تعويق آتش‌گيريِ کامپوزيت‌هاي سيليکات نانوذره‌اي، مي‌تواند در رختِ خواب‌، پرده‌ها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.
1- Poly Ethylen
2- Filler
3- Clay
4- Smectite type
منابع:
www.irannano.org (http://www.irannano.org/)
www.autnano.org (http://www.autnano.org/)
www.azonano.com (http://www.azonano.com/)

m4material

2010/3/28, 01:50 PM

نانوکامپوزيت‌هاي ديرسوز

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

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

m4material

2010/3/28, 01:51 PM

ليتوگرافي، هنر ساختن در ابعاد کوچک

خلاصة مقاله
• توسعة نانوفناوري بستگي به توان محققان در توليد کارآمد ساختارهايي با ابعاد کمتر از 100 نانومتر (کمتر از يک هزارم قطر موي انسان) دارد.
• فوتوليتوگرافي، فناوري‌اي است که هم‌اکنون براي ساخت مدار روي ميکروچيپ‌ها به کار گرفته مي‌شود. کاربرد اين فناوري را مي‌توان به توليد نانوساختارها تعميم داد، ولي تغييرات لازم بسيار گران و از نظر تکنيکي دشوارند.
• روش‌هاي ساخت سيستم‌هاي نانومتري دو دسته‌اند: بالا به پايين (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/25)که با کندن مولکول‌ها از سطح ماده صورت مي‌گيرد و پايين به بالا (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/25) که با نشاندن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم ساختار نانويي به وجود مي‌آورد.
• ليتوگرافي نرم و ليتوگرافي قلمي دو مثال از روش‌هاي مربوط به بالا به پايين هستند. محققان با استفاده از روش‌هاي پايين به بالا در حال ساخت نقاطي کوانتومي هستند که مي‌توانند به عنوان رنگ‌هاي بيولوژيک به کار روند.

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

روش معمول توليد
در سال‌هاي اخير دانشمندان روش‌هاي مختلفي براي ايجاد نانوساختارها پيدا کرده‌اند، اما اين روشها در حال حاضر در مرحلة آزمونِ کارآيي و توانمندي‌اند. «فُتوليتوگرافي»، فناوري‌اي که امروزه براي ساخت پردازنده‌هاي رايانه و مي‌توان گفت تمام انواع مدارهاي مجتمع به کار گرفته مي‌شود، قابليت ارتقا براي توليد ساختارهايي در ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. اما انجام اين کار بسيار مشکل، گران و پردردسر است. براي پيدا کردن روش‌هاي جايگزين، محققانِ ساخت سيستم‌هاي نانومتري, در حال بررسي هزاران ايده و صدها روش هستند، تا شايد يکي از آنها جواب بدهد.
ابتدا به سراغ سودمندي‌ها و کاستي‌هاي فُتوليتوگرافي مي‌رويم. توليدکنندگانِ مدارهاي مجتمع در دنيا از اين شيوة بسيار کارآمد براي توليد بيش از 10 ميليارد ترانزيستور در هر ثانيه استفاده مي‌کنند. ارزش توليدات صنعتي با استفاده از تنها اين يک فناوري، به بيش از 140 ميليارد دلار در سال مي‌رسد. فُتوليتوگرافي در اصل تعميم‌يافتة عکاسي است. ابتدا چيزي شبيه نگاتيو عکاسي از شِماي مدار مجتمع تهيه مي‌شود. اين نگاتيو ــ که در اينجا «ماسک» ناميده مي‌شود ــ براي تکثير طرح بر روي هادي‌ها و نيمه‌هاديها به کار گرفته مي‌شود. تهية نگاتيو به سادگي عکاسي نيست، اما با داشتن آن مي‌توان به‌راحتي هزاران نسخه تکثير کرد. بنابراين، روند کار به دو بخش اصلي تقسيم مي‌شود: اول تهية ماسک (که مي‌تواند کُند و هزينه‌بر باشد)، و دوم استفاده از ماسک براي تهية نسخه‌هاي بعدي (که بايد سريع و ارزان باشد).
براي توليد ماسکِ يک قطعة رايانه‌اي، ابتدا شِماي مدار در مقياس به‌نسبت بزرگ طراحي مي‌شود. سپس اين طرح به صورت لاية نازکي از فلز (اغلب کُروم) روي صفحة شفافي (اغلب شيشه يا سيليکون) درمي‌آيد که در مجموع به آن «ويفر» گفته مي‌شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/Lithography/01.gif
سپس فُتوليتوگرافي، در فرآيندي شبيه آنچه در تاريکخانة عکاسي اتفاق مي‌افتد، ابعاد طرح را کوچک مي‌کند. براي اين کار يک دسته پرتو نور (اغلب نور فرابنفشِ يک لامپ جيوه) از ماسک عبور مي‌کند و با استفاده از يک عدسي، تصويري روي سطح سيليکون تشکيل مي‌دهد. روي سيليکون با لايه‌اي از جنس پليمرهاي آلي حساس به نور (فُتورِزيست) پوشانده شده است. قسمت‌هايي که نور ديده‌اند در فرآيند تثبيت حذف مي‌شوند و طرحي معادل طرح اوليه روي سطح سيليکون پديدار مي‌شود.
سؤال اين است: چرا از فُتوليتوگرافي براي توليد نانوساختارها استفاده نکنيم؟ دو محدوديت در مقابل اين فناوري وجود دارد. اول اينکه کوچک‌ترين طول موج فرابنفشي که در فرآيند توليد استفاده مي‌شود 250 نانومتر است. سعي در تهية ساختارهاي با ابعاد کمتر از اين طول موج، مانند سعي در خواندن نوشته‌هاي بسيار ريز است. پديدة «پراش» باعث محو شدن نوشته‌ها مي‌شود.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/jnanotube/01.gif (http://java.sun.com/webapps/getjava/BrowserRedirect?locale=en)

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

http://www.nanoclub.ir/contents/Lithography/03.jpg
نمونه هايي از نانوليتوگرافي، به مقياس‌ها دقت کنيد.
نانوچيپ‌هاي آينده
صنعت الکترونيک به طور جدي به دنبال پياده کردن روش‌هاي جديد ساخت سيستم‌هاي نانومتري است تا بتواند به روند ساختن ابزارهاي کوچک‌تر، سريع‌تر و ارزان‌تر ادامه دهد. طبيعي است که در قدم اول بايد تلاش کنيم تا روش‌هاي موجود براي ميکروالکترونيک را به نانوالکترونيک تعميم دهيم. اما همان‌طور که گفتم، استفاده از روش معمولِ فُتوليتوگرافي در ابعاد ريزتر، بسيار دشوارتر است. به همين علت، توليدکنندگان قعطات رايانه به دنبال فناوري‌هاي جايگزين براي ساخت نانوچيپ‌ها در آينده هستند.
ليتوگرافي پرتو الکتروني، يکي از جايگزين‌هاي پيش رو است. در اين روش، طرح مدار با استفاده از پرتو الکترون روي لاية نازکي از پليمر نوشته مي‌شود. پرتو الکترون در ابعاد اتمي پراشيده نمي‌شود، بنابراين لبه‌هاي طرح ديگر ناخوانا نيستند. محققان از اين روش براي ترسيم خطوطي با پهناي چند نانومتر روي سطح سيليکون آغشته به فوتورِزيست استفاده کرده‌اند. با اين حال، ابزارهاي پرتو الکتروني که امروزه وجود دارند، براي توليد انبوه در صنعت مناسب نيستند. زيرا اين روش کُند است؛ کاري شبيه نسخه‌برداري از روي يک نوشته با دست.
اگر الکترون‌ها جوابگو نيستند، پس چه بايد کرد؟ يک جواب ديگر، استفاده از اشعة ايکس با طول موجي بين 1/0 تا 10 نانومتر يا نور فرافرابنفش با طول موج بين 10 تا 70 نانومتر است. کوچک‌تر بودن طول موج اين نورها از طول موج نور فرابنفش که اينک در فُتوليتوگرافي استفاده مي‌شود، تأثير پراش را کمتر مي‌کند. با اين حال، اين فناوري‌ها هم مشکلات خاص خودشان را دارند. عدسي‌هاي معمولي نور در برابر نور فرا ـ فرابنفش ديگر شفاف نيستند و اشعة ايکس را متمرکز نمي‌کنند. در عين حال، انرژي زيادِ اين پرتوها به‌سرعت به مواد تشکيل‌دهندة ماسک و عدسي‌ها آسيب مي‌رساند. اما صنعت ميکروالکترونيک، ترجيح مي‌دهد از تعميم روش‌هاي موجود براي توليد نانوچيپ‌ها استفاده کند. بنابراين، اين روش‌ها به طور جدي در حال توسعه‌اند. بعضي از اين روش‌ها ــ مثلاً استفاده از فُتوليتوگرافي پيشرفتة فرا ـ فرابنفش براي ساخت مدار مجتمع ــ ممکن است به روش‌هاي پررونق تجاري تبديل شوند. با اين حال، با اين روش‌ها نانوچيپ‌هاي ارزان ساخته نمي‌شوند و نمي‌توان نانوفناوري را در دسترس تعداد بيشتري از مهندسان و دانشمندان قرار داد.
نياز به سيستم‌هاي ساده‌تر و ارزان‌ترِ ساخت ابزار نانومتري، دانشمندان را به جست‌وجوي روش‌هايي متفاوت از آنچه در صنعت الکترونيک به کار مي‌رود، ترغيب کرده است. «ليتوگرافي نرم» يکي از اين روش‌هاست که بيشتر شبيه ساختن يک مهر لاستيکي از طرح مدار و چاپ آن با تماس مکانيکي است. روش ديگر که از ميکروسکوپ نيروي اتمي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/14) استفاده مي‌کند «ليتوگرافي قلمي» نام دارد که شبيه نوشتن با جوهر و پرِ قو است. دستة ديگري از روش‌ها که به روش‌هاي «پايين به بالا» معروف‌اند، با رويکردي به‌کل متفاوت به توليد نانوساختارها مي‌پردازند. در اين روش‌ها اتم‌ها يک‌به‌يک در کنار هم قرار مي‌گيرند تا ساختار مورد نظر ما را تشکيل دهند. در مقاله‌هاي بعدي به شرح مفصل‌ترِ اين روش‌ها مي‌پردازيم.

m4material

2010/3/28, 01:53 PM

نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته

دانشمندان مي‌کوشند روش‌هايي ابداع کنند که بتوان با آنها سطوحي در مقياس 1 تا 100 نانومتر را شکل داد. چنين دستاوردي براي فناوري نانو بسيار مهم و بنيادي است، زيرا دانشمندان رشته‌هاي مختلف مانند الکترونيک، داروسازي يا تشخيص بيماري‌ها را براي ورود به دنياي نانو توانمند مي‌سازد. پس از اختراع ميکروسکوپ تونل‌زني اتمي (STM) و به دنبال آن ميکروسکوپ نيروي اتمي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/14) (AFM) متخصصان زيادي کوشيده‌اند طرح‌هايي را با مشقت فراوان توسط بازوهاي ظريف اين ميکروسکوپ‌ها اتم به اتم بچينند. نمونه‌هايي از اين طرح‌ها در شکل زير ديده‌ مي‌شوند. اين کار زمان زيادي مي‌برد و براي انجام آن بايد خلأ بسيار بالا و دماي پايين ايجاد کرد.

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/01.jpg
گروه ديگري از متخصصان، از STM و AFM براي خراشيدن يا ايجاد واکنش اکسيداسيون در سطوح نانويي استفاده کرده‌اند. اين تکنيک‌ها کاربردهاي مهمي دارند، اما متأسفانه اکسيداسيون را تنها بر سطوح خاصي از فلزات و نيمه‌هادي‌ها به وجود مي‌آورند و به علاوه نمي‌توان به‌راحتي آنها را براي ايجاد چند لايه روي هم به کار گرفت.
«نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته» که به طور خلاصه DPN ناميده مي‌شود، روش نويني براي طراحي سيستم‌ها در مقياس نانومتري است. در اين روش يک سوزن بسيار نوک‌تيز، مواد شيميايي (جوهر) را روي سطح مورد نظر مي‌نشاند. با اين روش، که شبيه استفاده از پر براي نوشتن است، نقش‌هايي به ريزي چند ده نانومتر قابل ترسيم‌اند. همچنين مي‌توان انواع گوناگوني از جوهرها، از پوشش‌هاي فلزي گرفته تا ذرات نانومتري يا مولکول‌هاي زيستي را در شرايط کنترل‌شده به کار گرفت.
نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته چيست؟
اين روش توسط «سي ميرکين (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/70#%D8%AF%D8%B1%D8%A8%D8%A7%D8%B1%D8%A9_%D9%85%D8% A8%D8%AA%D9%83%D8%B1_%D8%B1%D9%88%D8%B4_%D9%84%D9% 8A%D8%AA%D9%88%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%D9%8A_%D9%8 2%D9%84%D9%85_%D8%A2%D8%BA%D8%B4%D8%AA%D9%87)» و همکارانش در دانشگاه «نورث وسترن» ابداع شد. آنها توانستند مولکول‌ها را در فرآيندي قابل کنترل با استفاده از نوک سوزن يک ميکروسکوپ نيروي اتمي روي سطح بنشانند. اين روش در شکل زير نشان داده شده است.

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/02.jpg
در کارهاي اوليه‌اي که به روش DPN انجام مي‌شد، مولکول‌ آلي «تايول» و سطح طلا به کار مي‌رفتند (شکل 2). با استفاده از اين سيستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. به‌ويژه معلوم گرديد که پخش جوهر بر روي سطح، براي اين سيستم، به عوامل محيطي مانند دما و رطوبت وابسته است. متخصصان با کنترل اين عوامل موفق به دستيابي به دقت بيشتر در ترسيم شدند. علاوه بر اين، محققان توانستند لايه‌اي‌ به ارتفاع فقط يک مولکول، به تفکيک 12 نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/03.jpg
شکل 2: نقش جوهر بر روي طلا که با استفاده از نانوليتوگرافي قلم آغشته در سرعت‌هاي متفاوت نگاشته شده‌اند. (سرعت‌ها از چپ به راست: 0.8، 0.6، 0.4، 0.2 و 0.1 ميکرومتر بر ثانيه)
قدرت بي‌نظير DPN و قابليت‌هاي وسيع آن، توجه محققان زيادي را به خود جلب کرد. آنها دست به آزمايش‌هاي زيادي با اين تکنيک زدند. در نتيجة اين تحقيقات، آنها متوجه شدند فرآيند DPN براي تعداد زيادي از مولکول‌ها به عنوان جوهر قابل انجام است: سورفکتانت‌ها، مولکول‌هاي بزرگِ باردار مانند پروتئين‌ها و پوليمرها، مواد تشکيل‌دهندة سل‌ژل، اکسيدهاي فلزي و حتي نانوذرات (شکل زير را ببينيد). سطوح قابل استفاده شامل فلزات (مانند طلا اگر از تيول به عنوان جوهر استفاده شود)، نارساناها (مانند اکسيد آلومينيوم يا اکسيد سيليکون) و نيمه‌رساناها (مانند آرسنيد گاليم) هستند.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/04.jpg
شکل 3 : نمونه‌هايي از مواد شيميايي که به عنوان جوهر در نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته به کار گرفته شده‌اند.
توانايي‌هاي منحصربه‌فرد فرآيند DPN آن را به روشي پيشرو براي ترسيم نقوش با تفکيک بالا در ابعاد نانومتري تبديل مي‌کند. در بين روش‌هايي که براي ابعاد زير 50 نانومتر قابل استفاده‌اند، مانند ليتوگرافي پرتو الکتروني، DPN تنها ابزاري است که مي‌تواند مولکول‌ها را به طور مستقيم در شرايط کنترل‌شده روي سطح بنشاند. در حقيقت، از آنجا که ابزارهاي DPN از ميکروسکوپ‌هاي پيمايشي استفاده مي‌کنند، مي‌توانند عمليات ترسيم نقوش و تصويربرداري را همزمان انجام دهند. مسئلة مهم در اينجا توليد نقوش پيچيده در ابعاد نانومتري نيست؛ مسئلة مهم‌تر اين است که بتوان اين نقوش را ــ که ممکن است ملزم به پياده‌سازي در چند مرحلة مجزا باشند ــ به دقت نسبت به هم تثبيت کرد. محققان با استفاده از DPN توانسته‌اند نقوش مختلف را با استفاده از جوهرهاي مختلف با خطاي کمتر از 5 نانومتر روي هم رسم کنند.

براي جمع‌بندي مي‌توانيم بگوييم که نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته، مزاياي زير را دارد:
1. قدرت تفکيک بالا. ترسيم نقوشي به کوچکي 12 نانومتر، با دقت 5 نانومتر و قابل تطبيق بر نقوش لايه‌هاي بعدي؛
2. بي‌نياز از خلأ. براي انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزن AFM، کافي است شرايط محيطي محصورشده‌اي فراهم کنيم. بر خلاف برخي روش‌هاي ديگر، در اين روش ترسيم به خلأ نيازي نيست. اين خاصيت به‌ويژه در مورد مولکول‌هاي زيستي که در خلأ آسيب مي‌بينند بسيار مهم است؛
3. قدرت ترسيم مستقيم. مواد مورد نظر مي‌توانند دقيقاً (و فقط) در جايي که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسيم‌شده به اين روش، به عنوان ***** فوتورزيست براي فرآيندهاي ميکروالکترونيک استاندارد قابل استفاده اند؛
4. امکان به کارگيري مواد گوناگون. در نقش‌هاي ترسيمي با DPN مي‌توان از انواع متنوع جوهر بر روي سطوح مختلف استفاده کرد؛
5. قابليت هدايت خودکار. اين روش را مي‌توان به‌راحتي و با برنامه‌ريزي ماشين‌هاي موجود به طور خودکار پياده کرد.
اين برتري‌ها، DPN را روشي بسيار سودمند براي توسعة ليتوگرافي در ابعاد نانومتري ساخته است. در مقياس آزمايشگاهي، اين تکنيک مي‌تواند همة کارآيي‌هاي ساير روش‌هاي ليتوگرافي را داشته باشد. اما حوزه‌هاي گوناگون صنعت هم مي‌توانند با استفاده از اين روش به توليد صنعتي محصولات جديد بپردازند. در ادامه به چند کاربرد اين تکنيک که احتمال صنعتي شدن آن زياد است، اشاره مي‌کنيم.
کاربردهايي براي DPN
پيش‌بيني در مورد مسير فناوري‌هاي نوظهورا بسيار مشکل است. با اين حال، بررسي تعداد مقالات و فعاليت‌هاي علمي نشان مي‌دهد که DPN احتمالاً تأثير مهمي در صنعت خواهد گذاشت. در اين بخش، به چند حوزة مهم که اين فناوري بر آنها تأثيرگذار خواهد بود تمرکز مي‌کنيم؛ گرچه هنوز حوزه‌هاي ديگري براي بررسي و پيدا کردن کاربردهاي جديد وجود دارند.

DNA يک مولکول بسيار بزرگ است که از کنار هم قرار گرفتن عوامل ساختاري کوچک‌تري به نام «ژن» تشکيل مي‌شود. ترکيب و ترتيب قرارگيري ژن‌ها در اين مولکول، همة خواص زيستيِ مولکول مانند کارکرد و سرعتِ تکثير آن را مشخص مي‌کند. در صورتي که ترتيب ژن‌ها به علت عوامل خارجي يا داخلي تغيير کند، اصطلاحاً «جهش ژنتيکي» رخ مي‌دهد که عامل بسيار مهمي در ايجاد بسياري از بيماري‌ها ــ و از همه مهم‌تر سرطان ــ است. از همين رو، اگر ترکيب ژن‌هاي DNA را ثبت کنيم، مي‌توانيم به نارسايي‌هاي آن پي ببريم و اين گام بسيار مهمي در تشخيص و درمان بيماري است (در صورت تشخيص زودهنگام سرطان، احتمال درمان بيماري بسيار زياد است).
الف ـ آرايه‌هاي مولکول‌هاي زيستي در ابعاد ميکرو و نانو
امروزه زيست‌شناسان از روش‌هاي جديدي براي تشخيص ترکيب ژنتيکي مولکول‌هاي زيستي استفاده مي‌کنند. تقريباً همة اطلاعات لازم در مورد ساختار يک سلول و بيماري‌هاي احتمالي آن، مانند جهش ژنتيکي که عامل اصلي ايجاد سرطان و برخي نارسايي‌هاي ديگر زيستي است، در DNA وجود دارد.
جديدترين ابزاري که براي تشخيص ژن‌هاي DNA به کار گرفته مي‌شود، «چيپ‌هاي زيستيِ آرايه‌اي» است. در اين ابزار، تعداد زيادي حس‌گر که هر کدام به نوع خاصي از ژن حساس‌اند، به‌دقت کنار هم چيده شده‌اند. ترتيبِ قرارگيري آنها طوري تنظيم شده است که هر دسته از آنها نوع مشخصي از ترتيبِ ژن‌ها را مشخص مي‌کنند. به طوري که هرDNA به خاطر ساختار خاص خود تنها به يک دسته از حس‌گرها مي‌چسبد. با تشخيص محل قرارگيري مولکول DNA ناشناخته روي چيپ زيستي و مقايسة آن با مرجع، مي‌توان ترکيب ساختاري مولکول را به‌سرعت پيدا کرد.
براي ساخت چيپ‌هاي زيستيِ آرايه‌اي که بتوانند انواع مختلف DNA را تشخيص دهند، بايد بتوانيم تعداد زيادي مولکول‌ حس‌گر را به‌درستي کنار هم بچينيم. DPN به عنوان تکنيکي براي نوشتن مستقيم مولکول‌ها روي سطوح، قابليت‌هاي زيادي به دست پژوهشگران داده است و توان ساخت چيپ‌هاي پيشرفته‌تر با سرعت و دقت تشخيص بسيار بالاتر را فراهم آورده است.

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

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/05.jpg
شکل 4: استفاده از آراية سوزن‌ها در نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته براي حک طرح‌هاي يکسان به طور موازي
آخرين دستاورد: استفاده از جوهرهاي خشک
به‌تازگي با استفاده از يک تکنيک جديد در مرکز تحقيقات نيروي دريايي آمريکا و دانشگاه «جُرجيا تِک» ــ که بر پاية DPN طراحي شده است ــ محققان توانسته‌اند انواع جديدي از جوهرهاي خشک را به طور کنترل‌شده روي سطح بنشانند. در اين روش، دماي سوزن ميکروسکوپِ نيروي اتمي با سازوکاري داخلي قابل تغيير و کنترل است. با افزايش دماي سوزن، مادة جامدي که به عنوان جوهر روي سوزن قرار داده شده است ذوب مي‌شود و روي سطح مي‌چسبد. با سرد کردن سوزن، ديگر جوهر به سطح نمي‌چسبد و به اين ترتيب مي‌توان طرح پياده‌شده را با دقت بيشتري کنترل کرد. مراحل اين فرآيند در تصوير زير ديده مي‌شوند. اين روش را «نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشتة گرمايي» ناميده‌اند.

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/06.jpg
يکي از مهم‌ترين مزاياي اين روش امکان به‌کارگيري آن در خلأ است. جوهرهاي مايع در خلأ قابل استفاده نيستند، زيرا به‌سرعت قبل از اينکه به سطح بچسبند بخار مي‌شوند. اين موضوع گاهي باعث کاهش دقت مسير جوهر و پخش شدن آن روي سطح مي‌شود. با استفاده از روش گرمايي امکان ترسيم نقش‌هاي ظريف‌تر فراهم شده است. محققان اميدوارند بتوانند طرح‌هايي را در ابعاد کمتر از 10 نانومتر با اين روش ترسيم کنند. استفاده از سوزن‌هاي متعدد براي ترسيم موازي، در اين روش هم امکان‌پذير شده است.

http://www.nanoclub.ir/contents/dpn/07.jpgدربارة مبتكر روش ليتوگرافي قلم آغشته
«چاد ميرکين» ليسانس خود را از کالج ديکينسون (1986) و دکتراي خود را از دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا (1989) گرفت. بعد از گذراندن يک دورة پَسادکتري در ام. آي. تي با حمايت بنياد ملي علوم آمريکا جزو هيئت علمي دانشگاه نورث وسترن شد. او در حال حاضر کرسي جرج راتمان در شيمي و مديريت مرکز تحقيقات نانوفناوري را در اين دانشگاه بر عهده دارد. ميرکين همچنين رهبري يک برنامة تحقيقاتي بين‌رشته‌اي متمرکز بر فيزيک و شيمي براي ارائة راه‌حل‌هاي مسائل نانوفناوري، به‌خصوص معماري سطوح در اين ابعاد را انجام مي دهد.
او جوايز بسياري گرفته است که از جمله مي‌توان به اينها اشاره کرد:
1. جايزة ACS در شيمي محض؛
2. جايزة فاينمن؛
3. جايزة ويلسون از دانشگاه هاروارد.
او جزو بنيانگذاران دو شرکت Nanoink (http://www.nanoink.net/) و Nanosphere (http://www.nanosphere-inc.com/) است. فعاليت‌هاي اين دو شرکت بر اساس يافته‌هاي علميِ گروه او شکل گرفته‌اند.

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

m4material

2010/3/28, 01:53 PM

نفهميدن فيزيک کوانتوم در هفت گام

نيلز بور (1962-1885)، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم، در مورد چيزي که بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون که اگر کسي بگويد فيزيک کوانتوم را فهميده، پس چيزي نفهميده است. من هم در اينجا مي خواهم چيزي را برايتان توضيح دهم که قرار است نفهميد!
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01/01.jpg
شکل 1: نيلز بور، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم
گام اول: تقسيم ماده
بياييد از يک رشته‌ي دراز ماکارونيِ پخته شروع کنيم. اگر اين رشته‌ي ماکاروني را نصف کنيم، بعد نصف آن را هم نصف کنيم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنيم و... شايد آخر سر به چيزي برسيم ــ البته اگر چيزي بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکاروني مي‌توان گفت؛ يعني کوچکترين جزئي که هنوز ماکاروني است. حال اگر تقسيم کردن را باز هم ادامه بدهيم، حاصل کار خواص ماکاروني را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ي تقسيم، به مولکول‌هاي کربن يا هيدروژن يا... بربخوريم. اين وسط، چيزي که به درد ما مي خورد ــ يعني به دردِ نفهميدنِ کوانتوم! ــ اين است که دست آخر، به اجزاي گسسته اي به نام مولکول يا اتم مي رسيم.
اين پرسش از ساختار ماده که «آجرکِ ساختماني ماده چيست؟»، پرسشي قديمي و البته بنيادي است. ما به آن، به کمک فيزيک کلاسيک، چنين پاسخ گفته ايم: ساختار ماده، ذره اي و گسسته است؛ اين يعني نظريه‌ي مولکولي.
گام دوم: تقسيم انرژي
بياييد ايده‌ي تقيسم کردن را در مورد چيزهاي عجيب تري به کار ببريم، يا فکر کنيم که مي توان به کار برد يا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم اين نيست که داخل يک قوطي جيغ بکشيم و در آن را ببنديم و سعي کنيم جيغ خود را نصف ـ نصف بيرون بدهيم. صوت يک موج مکانيکي است که مي تواند در جامدات، مايعات و گازها منتشر شود. چشمه هاي صوت معمولاً سيستم هاي مرتعش هستند. ساده ترين اين سيستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجره‌ي انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتي(!) و بر اساس مکانيک کلاسيک مي توان نشان داد که بسياري از کمّيت هاي مربوط به يک تار کشيده‌ي مرتعش، از جمله فرکانس، انرژي، توان و... گسسته (کوانتيده) هستند. گسسته بودن در مکانيک موجي پديده اي آشنا و طبيعي است (براي مطالعه‌ي بيشتر مي توانيد به فصل‌هاي 19 و 20 «فيزيک هاليدي» مراجعه کنيد). امواج صوتي هم مثال ديگري از کمّيت هاي گسسته (کوانتيده) در فيزيک کلاسيک هستند. مفهوم موج در مکانيک کوانتومي و فيزيک مدرن جايگاه بسيار ويژه و مهمي دارد که جلوتر به آن مي رسيم و يکي از مفاهيم کليدي در مکانيک کوانتوم است.
پس گسسته بودن يک مفهوم کوانتومي نيست. اين تصور که فيزيک کوانتومي مساوي است با گسسته شدن کمّيت هاي فيزيکي، همه‌ي مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّيت هاي گسسته در فيزيک کلاسيک هم وجود دارند. بنابراين، هنوز با ايده‌ي تقسيم کردن و سعي براي تقسيم کردن چيزها مي‌توانيم لذت ببريم!
گام سوم: مولکول نور
خوب! تا اينجا داشتم سعي مي کردم توضيح دهم که مکانيک کوانتومي چه چيزي نيست. حالا مي رسيم به شروع ماجرا:
فرض کنيد به جاي رشته‌ي ماکاروني، بخواهيم يک باريکه‌ي نور را به طور مداوم تقسيم کنيم. آيا فکر مي کنيد که دست آخر به چيزي مثل «مولکول نور» (يا آنچه امروز فوتون مي‌ناميم) برسيم؟ چشمه هاي نور معمولاً از جنس ماده هستند. يعني تقريباً همه‌ي نورهايي که دور و بر ما هستند از ماده تابش مي‌کنند. ماده هم که ساختار ذره اي ـ اتمي دارد. بنابراين، بايد ببينيم اتم ها چگونه تابش مي کنند يا مي توانند تابش کنند؟
گام چهارم: تابش الکترون
در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتم ها، مثل ميوه‌ها، داراي هسته‌ي مرکزي هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون‌ها به دور هسته مي چرخند. اما الکترون هاي در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبناي اصول الکترومغناطيس، «ذره‌ي بادارِ شتابدار بايد تابش کند» و در نتيجه انرژي از دست بدهد و در يک مدار مارپيچي به سمت هسته سقوط کند. اين سرنوشتي بود که مکانيک کلاسيک براي تمام الکترون ها پيش‌بيني و توصيه(!)
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01/02.jpg (http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html)
شکل 2: طيف تابشي اتم‌ها، بر خلاف فرضيات فيزيک کلاسيک گسسته است. به عبارت ديگر، نوارهايي روشن و تاريک در طيف تابشي ديده مي‌شوند.
در اين تصوير، طيف تابشي کربن را مي‌بينيد. (http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/index.html)
مي کرد و اگر الکترون ها به اين توصيه عمل مي کردند، همه‌ي‌ مواد ــ از جمله ما انسان‌ها ــ بايد از خود اشعه تابش مي کردند (و همان‌طور که مي‌دانيد اشعه براي سلامتي بسيار خطرناک است)! ولي مي‌بينيم از تابشي که بايد با حرکت مارپيچي الکترون به دور هسته حاصل شود اثري نيست و طيف نوريِ تابش‌شده از اتم ها به جاي اينکه در اثر حرکت مارپيچي و سقوط الکترون پيوسته باشد، يک طيف خطي گسسته است؛ مثل برچسب هاي رمزينه‌اي (barcode) که روي اجناس فروشگاه ها مي زنند. يعني يک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش فرو نمي‌ريزد، بلکه نوري هم که از خود تابش مي‌کند، رنگ ها ــ يا فرکانس هاي ــ گسسته و معيني دارد. گسسته بودن طيف تابشي اتم ها از جمله علامت سؤال هاي ناجور در مقابل فيزيک کلاسيک و فيزيکدانان دهه‌‌ي 1890 بود.
گام پنجم: فاجعه‌ي فرابنفش
برگرديم سر تقسيم کردن نور.
ماکسول (1879-1831) نور را به صورت يک موج الکترومغناطيس در نظر گرفته بود. از اين رو، همه فکر مي کردند نور يک پديده‌ي موجي است و ايده‌ي «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، يک لطيفه‌ي اينترنتي يا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب مي شد. به هر حال، دست سرنوشت يک علامت سؤال ناجور هم براي ماهيت موجي نور در آستين داشت که به «فاجعه‌ي فرابنفش» مشهور شد:
يک محفظه‌ي بسته و تخليه‌شده را که روزنه‌ي کوچکي در ديواره‌ي آن وجود دارد، در کوره اي با دماي يکنواخت قرار دهيد و آن‌قدر صبر کنيد تا آنکه تمام اجزا به دماي يکسان (تعادل گرمايي) برسند.
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01//03.gif
شکل 3: جسم سياه
در دماي به اندازه‌ي کافي بالا، نور مرئي از روزنه‌ي محفظه خارج مي‌شود ــ مثل سرخ و سفيد شدن آهن گداخته در آتش آهنگري.
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01/04.gif
شکل 4: نمودار انرژي تابشي در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رايلي- جينز در فيزيک کلاسيک و رابطه پيشنهادي پلانک
در تعادل گرمايي، اين محفظه داراي انرژي تابشي‌اي است که آن را در تعادل تابشي ـ گرمايي با ديواره ها نگه مي‌دارد. به چنين محفظه‌اي «جسم سياه» مي‌گوييم. يعني اگر روزنه به اندازه‌ي كافي كوچك باشد و پرتو نوري وارد محفظه شود، گير مي‌افتد و نمي‌تواند بيرون بيايد.
فرض کنيد ميزان انرژي تابشي در واحد حجمِ محفظه (يا چگالي انرژي تابشي) در هر لحظه U باشد. سؤال: چه کسري از اين انرژي تابشي که به شکل امواج نوري است، طول موجي بين 546 (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند. جوابِ فيزيک کلاسيک به اين سؤال براي بعضي از طول موج‌ها بسيار بزرگ است! يعني در يک محفظه‌ي روزنه دار که حتماً انرژي محدودي وجود دارد، مقدار انرژي در برخي طول موج‌ها به سمت بي نهايت مي‌رود. اين حالت براي طول موج‌هاي فرابنفش شديدتر هم مي‌شود. (نمودار شکل 4 را ببينيد.)
گام ششم: رفتار موجي ـ ذره‌اي
در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولين گام را به سوي مولکول نور برداشت و با استفاده از ايده‌ي تقسيم نور، جواب جانانه‌اي به اين سؤال داد. او فرض کرد که انرژي تابشي در هر بسامدِ ν ــ بخوانيد نُو ــ به صورت مضرب صحيحي از νh است که در آن h يک ثابت طبيعي ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. يعني فرض کرد که انرژي تابشي در بسامد ν از «بسته هاي کوچکي با انرژي νh» تشکيل شده است. يعني اينکه انرژي نوراني، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژي به‌تنهايي در فيزيك كلاسيك حرفِ ناجوري نبود‌ (همان‌طور كه قبل‌تر در مورد امواج صوتي ديديم)، بلکه آنچه گيج‌كننده بود و آشفتگي را بيشتر مي‌کرد، ماهيتِ «موجي ـ ذره‌اي» نور بود. اين تصور كه چيزي ــ مثلاً همين نور ــ هم بتواند رفتاري مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاري مثل «ذره»، به طرز تفكر جديدي در علم محتاج بود.
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01/05.jpg
شکل 5: ماکس پلانک، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم
ذره چيست؟ ذره عبارت است از جرم (يا انرژيِ) متمركز با مكان و سرعتِ معلوم. موج چيست؟ موج يعني انرژي گسترده‌شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف مي‌توانند با هم برخورد كنند، اما امواج با هم برخورد نمي‌كنند، بلكه تداخل مي‌كنند (شکل 6). نور قرار است هم موج باشد هم ذره! يعني دو چيز كاملاً متفاوت.
http://www.nanoclub.ir/contents/quantum01/06.jpg (http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/)
شکل 6: تداخل امواج آب (http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/)
گام هفتم: نرسيدن!
در بخش بعدي اين مقاله مفاهيم فيزيک کوانتوم را بيشتر خواهيم شناخت و ارتباط آن را با نانوفناوري بررسي خواهيم کرد.
1.مقالاتي در مورد مکانيک کوانتومي (http://perlnet.umephy.maine.edu/classes/nmcinqm.htm)
2.لينک‌هاي مفيد در مورد مکانيک کوانتومي (http://www.compadre.org/psrc/search/search.cfm?gs=231&b=1)
3.جسم سياه و تابش مادون قرمز (http://www.electro-optical.com/bb_rad/bb_rad.htm)
4.تابش جسم سياه (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html)
5.ثابت پلانک (http://www.everything2.com/index.pl?node=Planck%27s%20constant)
6.ثابت پلانک و انرژي فوتون (http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/photoelectric2.html)
7.مکانيک کوانتومي (http://phys.educ.ksu.edu/)

m4material

2010/3/28, 01:54 PM

نقاط کوانتومی، روش‌های ساخت و کاربردها

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

http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/01.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/02.jpg
کارآيي نقاط کوانتومي به خاطر قابل تنظيم بودن طول موجي است که بيشترين شدت نور را تابش مي‌کند. وقتي نقاط کوانتومي را با محرک نور ماوراي بنفش وادار به تابش کنيم، اين طول موج، رنگ نقاط کوانتومي را مشخص مي‌کند (شکل). مقدار اين طول موج به جنس و اندازة نقاط کوانتومي بسيار حساس است و روش‌هاي جديد در فناوري نانو، به توليدکنندگان آنها توانايي زيادي در کنترل دقيق اين طول موج بخشيده است. اين خاصيت مهم نقاط کوانتومي، فقط با مکانيک کوانتومي قابل توصيف است که در ادامه به آن اشاره مي‌کنيم.
الکترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يک الکترون انرژي متفاوتي از الکترون ديگر دارد، گفته مي‌شود که در يک تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الکترون‌ها باعث مي‌شود که بيش از دو الکترون نتوانند در يک تراز انرژي قرار بگيرند. در يک تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديک هم هستند؛ آن‌قدر نزديک که به صورت يک بازة پيوسته توصيف مي ‌شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است که درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يک گپ (شکاف، فاصله) وجود دارد، يعني الکترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الکترون‌هايي که ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌کنند «الکترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الکترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الکترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار کمي از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الکترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري که آنها را تقريباً پر مي‌کنند. همين پديده باعث مي‌شود که موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الکتريکي باشند. اگر الکترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي کافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت کنند. تحريک با نور، ميدان الکتريکي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الکترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي که خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يک حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريکي که باعث جهش الکترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي گپ داشته باشد. انرژي پهناي گپ در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است که تنها به ترکيب آن مواد بستگي دارد. الکترون‌هايي که به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الکترون‌ها جهش‌هاي بسيار کوچکي مي‌کنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند که در نتيجه انرژي به پايين‌ترين تراز سطح در نوار رسانش مي‌رسد و سپس با تابش انرژي به صورت نور، به نوار ظرفيت منتقل مي‌شوند. از آنجا که گپ انرژي نيمه‌رسانا کاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.

http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/03.gif
در نقاط کوانتومي امکان تغيير اندازة گپ انرژي وجود دارد. مي‌توان با اين امکان، طول موج نور تابش‌شده را تنظيم کرد. نقاط کوانتومي هم از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومي بازه‌اي از انرژي‌ها را دارند. مفاهيم تراز انرژي، گپ انرژي، نوار رسانش و نوار ظرفيت هم هنوز معتبرند. با اين حال، يک تفاوت بارز وجود دارد: وقتي يک الکترون به نوار رسانش برانگيخته مي‌شود، بايد به طور حقيقي، مقداري هم در ماده جابه‌جا شود. اين فاصلة کوچک را به احترام نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي، «شعاع بور» مي‌نامند. در تودة ماده اين جابه‌جايي بسيار کوچکتر از ابعاد جسم است، به طوري که الکترون به‌راحتي مي‌تواند در ماده به اندازة لازم جابه‌جا شود. اما اگر کريستال نيمه‌رسانا در حدّ شعاع بور کوچک باشد، ديگر قواعد تودة ماده بر آن حاکم نيست. در اين حالت، ديگر نمي‌توان انرژي‌هاي مجاز را پيوسته در نظر گرفت و بين هر دو تراز انرژي فاصله مي‌افتد. تحت اين شرايط، مادة نيمه‌رسانا ديگر خاصيت‌هاي حالت توده‌اي خود را از دست مي‌دهد. اين اختلاف تأثير زيادي روي شرايط جذب يا تابش نور در نيمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهاي انرژي در نقاط کوانتومي ديگر پيوسته نيستند، کاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة کوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة کوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، که باز هم به دليل اندازة بسيار کوچک اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة کوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الکترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد کنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج کوتاه‌تري داشته باشد، يا به اصطلاح، انتقال به آبي يافته باشد. اين خاصيت باعث ايجاد قابليت تنظيم طول موج تابشي، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه براي نقاط کوانتومي مي‌گردد.
روش ساختن نقاط کوانتومي
براي ساختن نقاط کوانتومي مي‌توان هم از روش‌هاي بالا به پايين (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/25) و هم از روش‌هاي پايين به بالا (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/25) استفاده کرد. روش‌هاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد کرده‌اند. مزيت استفاده از روش‌هاي بالا به پايين، در امکان کنترل بيشتر محل نقاط کوانتومي و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش است.
يکي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز کولوئيدي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/32) است. در اين روش، نمک‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

سورفَکتنت‌ها موادي آلي هستند که يک سر قطبي (آب‌گريز) و يک سر غيرقطبي (آب‌دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولکول‌ها يک لاية نازکِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشکيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.
نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازک با استفاده از واکنش‌هاي الکتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/71) يا ليتوگرافي قلم آغشته (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/70) در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/04.jpg

http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/05.jpg
با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني مي‌توان نقاط کوانتومي را در محل مشخصي حک کرد و با طراحي مدارهاي مناسب اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.
کاربردهايي براي نقاط کوانتومي
http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/06.jpg1. نشانگرهاي بيولوژيکي
امکان تابش در فرکانس‌هاي مطلوب، نقاط کوانتومي را ابزاري کارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط کوانتومي را به انتهاي بيومولکول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل کرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط کوانتومي اين امکان را فراهم آورده است که همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به کار برد و از نحوه و ميزان برهمکنش آنها مطلع شد.
پيش از اين از مولکول‌هاي رنگي براي اين کار استفاده مي‌شد که تنوع کمتري از نقاط کوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌کارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند.
2. ديودهاي نوراني سفيد
قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط کوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد که آنها را به عنوان ديود نوراني به کار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازة بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با کارآيي بسيار بالا ايجاد کرد. همچنين با ترکيب نقاط کوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد کرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يک طريق برانگيخت.
مي‌دانيم که نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه کرد؛ مانند همان چيزي که در رنگين‌کمان مشاهده مي‌کنيم. معکوس اين حالت هم امکان‌پذير است، يعني مي‌توان با ترکيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد کرد که سفيد به نظر بيايد. با آنکه نقاط کوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌کنند، اما همة آنها را مي‌توان با يک پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌هاي رنگي) که همة محلول‌ها تحت تابش يک منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط کنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌کنند. چون طيف تابشي نقاط کوانتومي بسيار باريکتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، که در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.
http://www.nanoclub.ir/contents/Quatum_Dot/07.jpg3. اتم‌هاي مصنوعي
باردار کردن نقاط کوانتومي، به علت کوچکي، به سادگيِ باردار کردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه کردن هر الکترون به يک نقطة کوانتومي، بايد بر انرژي الکترواستاتيک بين الکترون‌هاي روي نقطة کوانتومي غلبه کرد. اين کار را با اِعمال ميدان الکتريکي انجام مي‌دهند. الکترون‌هايي که به نقاط کوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ کوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند که خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين کسي که اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.
4. عناصر مدارهاي نوري
يکي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط کوانتومي، مي‌تواند بر اين مشکل فائق آيد. نقاط کوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي کارآمدتر با اغتشاش کمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌کنند.
5. مولدهاي انرژي خورشيدي
در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يکي از منابع مهم توليد انرژي الکتريکي، تابش خورشيد است. مشکل اصليِ مولدهاي کنونيِ انرژي خورشيدي، هزينة بالا و کارآيي کمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند که با جذب نور خورشيد، الکترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌کنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محرکة الکتريکي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها که جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود. با طراحي نقاط کوانتومي که بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي مولدهاي انرژي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

m4material

2010/3/28, 01:55 PM

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها

نانوپودر توليد کنيم
به طور كلي نانوپودرها را نيز مانند ديگر موادّ نانومتري مي‌توان به دو روش پايين به بالا يا بالا به پايين (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/25) توليد كرد. در روش بالا به پايين قطعه را از اندازه‌هاي بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد مي‌كنيم تا به اندازه‌هاي نانومتري برسد. در روش پايين به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم مي‌چينيم تا يك ساختار نانومتري به وجود آيد. در زير، دو روش فوق توضيح داده مي‌شوند.

1. خُرد كردن قطعات بزرگ
يك استوانه‌ي توخالي را فرض كنيد كه گوي هاي فلزي يک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. يك قطعه‌ي بزرگ نيز يک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتيجه، يک‌سومِ حجم داخل استوانه خالي خواهد بود. اگر اين استوانه را بچرخانيم، گوي هاي فلزي به قطعه برخورد و آن را خُرد مي‌كنند.
در صورتي كه اندازه‌ي اضلاع قطعه‌ي اوليه 1 ميكرومتر باشد (اگر يك ميلي‌متر را هزار قسمت كنيم، طولي معادل يك ميكرومتر به وجود مي‌آيد)، با اولين برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ي اضلاع آن nm500 مي‌شود. در مرحله‌ي دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن 250 نانومتر مي‌شود و در مرحله‌ي سوم nm 125. تا اينكه در مرحله‌ي چهارم، ذره‌اي نانومتري به اندازه‌ي nm 5/62 به‌دست مي‌آيد.http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/01.jpg
در روش بالا به پايين، مهم اين است كه جسمِ خُردشونده بايد مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذيرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا اين‌حد نمي‌توان خُرد كرد. به طور كلي در اين روشِ توليد، بايد انرژي بسيار زيادي را صرف كرد تا ذرات محكم به يك ماده‌ي تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
چطور يک آسياب مکانيکي بسازيم؟ (http://www.unitednuclear.com/ballmill.htm)

http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/02.jpg
کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/Ball%20Mill%20L.wmv) کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/Ball%20Mill%20H.wmv)

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

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

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

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

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

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

4. شناسايي آلودگي ها
ذراتي كه نانوپودرها را تشکيل مي‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحي خود، وقتي به يك محلول حاوي آلودگي (مثل باكتري، سلول سرطان زا و...) اضافه مي‌شوند، روي آلودگي‌ها مي‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغيير رنگ مي‌دهند و باعث شناسايي آنها مي‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغيير رنگِ حاصل از آن ديده شود، اما تغيير رنگِ مجموعه‌ي اين ذرات، آلودگي‌ها را قابل تشخيص و شناسايي مي‌كند.
در فيلم زير كه به عنوان مثالي از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سيليكون در محلول، قطرات روغن را شناسايي مي‌كنند و با نفوذ مقداري از مايع به داخل حفره‌هاي آنها، تغيير رنگ مي‌دهند و هدف را قابل تشخيص مي‌نمايند.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/03.jpg
کيفيت پايين (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/NANOpowder%20movie%20L.wmv) کيفيت بالا (http://www.nanoclub.ir/contents/nanopowderpro/NANOpowder%20movie.AVI)

m4material

2010/3/28, 01:56 PM

متخصصان ايراني نانوسيد ساختند

گرچه حرف و حديث در مورد علوم و فناوري‌هاي نانو بسيار است، اما در عمل، محصولات بسيار کمي توليد شده‌اند. از اين رو، باخبر شدن از توليد چند محصول نانويي توسط يک شرکت ايراني مي‌تواند واقعة مهمي به شمار آيد.
به‌تازگي يک شرکت ايراني به نام نانو نصب پارس (http://www.nanocid.com/) موفق به توليد چند نوع فراوردة نانويي در کشور شده است. مهم‌ترين آنها «نانوسيد» ناميده مي‌شود. نانوسيد به کار ضد قارچ کردن محصولات کشاورزي مي‌آيد. اين محصول انواع آزمايش‌هاي کيفي، بهداشتي و صنعتي را با موفقيت پشت سر گذاشته و به بازار عرضه شده است. در مورد فعاليت‌هاي اين شرکت، خبرنگار باشگاه نانو، گفت‌وگويي با مهندس رحمانيان (مديرعامل شرکت) و مهندس الهي (کارشناس شرکت)، انجام داده است که در زير مي‌خوانيد:
http://www.nanoclub.ir/contents/nanocid/logo.gif
باشگاه نانو: شرکت نانونصب پارس چه نوع شرکتي است و در چه زمينه‌اي فعاليت مي‌کند؟
مهندس رحمانيان: شرکت نانونصب پارس از شرکت نصب نيروي ايران جدا شده است. اين شركت اولين توليدكنندة محصولات نانو در ايران به شمار مي‌رود. از آغاز به كار اين شرکت تا کنون سه اختراع در زمينة نانو توسط کارشناسان آن صورت گرفته و به ثبت رسيده است. در حال حاضر ما صاحب فناوري ساخت محصولات نانويي هستيم. محصولات اولية توليدي شركت سه نوع است که با حروفG ،P , L مشخص مي‌شود و با نام تجاري «نانوسيد» (Nanocid) ثبت و معرفي شده است. اين محصول هم به صورت كلوئيد و هم به صورت پودر براي مصارف خانگي و صنعتي عرضه مي‌شود.

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

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

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

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

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

m4material

2010/3/30, 09:32 PM

کاربردهای نقاط کوانتومی

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

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

m4material

2010/3/30, 09:32 PM

انتقال گرما به وسيله نانوسيالات

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

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

منابع و توضیحات:
- برگرفته از مجله فناوری نانو

m4material

2010/3/30, 09:33 PM

فناوری نانو و پدیده های فیزیکی

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

http://www.nanoclub.ir/contents/physicsandnano/image001.jpg
بیایید امتحان کنیم. یک لیوان را پر از آّب کنید و روی میز قرار دهید. حال یک تیله را به آرامی درون آب بیاندازید. ملاحظه می کنید که تیله در هنگام برخورد با سطح آب سبب می شود تا آب به اطراف پاشیده شود . به عبارتی تیله با ایجاد صدایی "پولوپ"، آب را می شکافد و وارد آن می شود. دوباره این کار را با جسمی دیگر امتحان کنید. خواهید دید که شکل پاشیده شدن آب به اطراف متفاوت خواهد بود و حتی اگر با یک دوربین حرفه ای از این صحنه ها فیلمبرداری کنید متوجه خواهید شد که حتی دو شیء یکسان، هم وزن و همجنس را نمی توانید پیدا کنید که به طور یکسان آب را به اطراف پراکنده سازند.

http://www.nanoclub.ir/contents/physicsandnano/image003.JPG
Lydéric Bocquet و همکارانش در دانشگاه کلودبرنارد لیئون در فرانسه در خصوص این پدیده پیچیده مطالعاتی انجام داده اند. آنها به دنبال یافتن پاسخ این سوال که چرا حتی در حالتی که دو گوی هم اندازه، هم شکل و هم جنس باشند باز هم شکل پاشیده شده آب متفاوت است تحقیقات وسیعی انجام دادند. آنها دریافتند که رفتار مولکولی سطح گوی ها – اینکه آنها آب را جذب می کنند یا دفع- متفاوت است.
این گروه تحقیقاتی آزمایش را با گوی هایی از جنس آلومینیوم، فولاد و شیشه تکرار کردند تا گویی را پیدا کنند که بیشترین خاصیت آبدوستی را داشته باشد. پس از انتخاب گوی مناسب (گوی شیشه ای)، گوی را با پراکسید ئیدروژن، اسید سولفوریک و الکل تمیز کردند و آزمایش را انجام دادند. در این حالت گلوله به آرامی درون آب افتاد
سپس گوی یکسان دیگری را با کمک یک نانولایه از ماده آب گریز به نام سیلان که تنها به اندازه یک مولکول ضحامت داشت، پوشش دادند و آزمایش را تکرار کردند. در این حالت گوی در هنگام برخورد، به شدت آب را به اطراف پاشید

http://www.nanoclub.ir/contents/physicsandnano/image005.jpg
مقایسه دو مرحله آزمایش: زمانی که گوی شیشه ای بدون پوشش است (شکل سمت چپ)،
زمانی که گوی شیشه ای با یک نانولایه پوشش داده شده است (شکل سمت راست).
Bocquet دلیل این اختلاف را اینگونه شرح می دهد: مولکول های آب گریز سبب می شوند تا هنگام بازشدن مولکول های آب از یکدیگر، حباب هوا ایجاد شود که سبب پاشیده شدن آب به اطراف (درست مانند شکل بالا) می شود در حالی که مولکول های آب دوست شیشه سبب می شوند تا حباب هوا بین سطح مولکولهای شیشه و مولکولهای آب ایجاد نشود. بنابراین گوی به آرامی و بدون پاشیدن آب به اطراف وارد آب می شود. بنابراین نانولایه از ایجاد حباب هوا جلوگیری می کند.
یافته های این گروه آزمایشی ثابت می کنند که برای کاهش شدت پاشیده شدن آب به اطراف عامل سرعت نیز می تواند موثر باشد به گونه ای که هر چه سرعت ورود جسم به آب بیشتر باشد فرصت کمتری برای ایجاد حباب هوا و در نتیجه پاشیده شدن آب به اطراف وجود خواهد داشت.
خوب حالا که دلیل آن را متوجه شدیم بیایید این کار را اجسام مختلف امتحان کنیم. فراموش نکنیم که هر چه مولکول های جسم آب گریزتر باشند آب بیشتر به اطراف پخش می شود پس مواظب باشید خیس نشوید.

منبع: برداشتی از مجله Nature Physics،

m4material

2012/3/16, 03:17 PM

بسم رب المهدي

با سلام به همه دوستان عزيز
چند وقتي هست كه تالار نانو و به خصوص تاپيكهاي مهمه اين تالار بيكار افتاده اند!
يه خونه تكاني هم اينجا بايد انجام بديم
با توجه به اينكه تمامي پستهاي قرار داده شده در اينجا، حجم زيادي دارند و بعضا باعث دير بالا آمدن ميشن و از طرف ديگه با توجه به زياد شدن پستها،‌تصميم گرفتيم كه از اين به بعد ( وبا توجه به نزديك شدن به مسابقه نانو در ارديبهشت ماه سال 91) نكات آموزشي رو به صورت تاپيكهاي جداگونه در تالار نانو قرار بديم و در تاپيك :!!: آرشيو مقالات نانوتكنولوژي :!!: (http://www.iran-eng.com/showthread.php/112751-%21%21-%D8%A2%D8%B1%D8%B4%D9%8A%D9%88-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D8%A7%D8%AA-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%AA%D9%83%D9%86%D9%88%D 9%84%D9%88%DA%98%D9%8A-%21%21) آرشيو بندي كنيم و در اين تاپيك هم نشاني اونا رو به صورت مرتب(بر اساس اولويت) دسته بندي كرده و قرار بديم
هر كدام از دوستان كه مايل به همكاري در اين زمينه هستن به بنده پيغام بدن
به اميد موفقيت تمام دوستان
ياحق

m4material

2012/5/14, 10:03 AM

بسم الله الرحمن الرحيم

با سلام به تمام دوستان

بالاخره زمان مورد نظر براي دسته بندي موضوعي تاپيكهاي نانو رسيد:gol:

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

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

m4material

2012/5/14, 10:14 AM

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

مقاله شماره 94: آشنایی با فناوری نانو (http://www.iran-eng.com/showthread.php/360535-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-94-%D8%A2%D8%B4%D9%86%D8%A7%DB%8C%DB%8C-%D8%A8%D8%A7-%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)

مقاله شماره 70: يک نانومتر چقدر کوچک است؟
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/356578-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-70-%D9%8A%DA%A9-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%85%D8%AA%D8%B1-%DA%86%D9%82%D8%AF%D8%B1-%DA%A9%D9%88%DA%86%DA%A9-%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%9F)
مقاله شماره73: دنیای رنگارنگ نانو
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/357118-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%8773-%D8%AF%D9%86%DB%8C%D8%A7%DB%8C-%D8%B1%D9%86%DA%AF%D8%A7%D8%B1%D9%86%DA%AF-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)
مقاله شماره 71: چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/356603-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-71-%DA%86%D8%B1%D8%A7-%D9%85%D9%82%DB%8C%D8%A7%D8%B3-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88-%D8%A7%D9%87%D9%85%DB%8C%D8%AA-%D8%AF%D8%A7%D8%B1%D8%AF%D8%9F)
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/363732-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-110-%D9%86%DA%AF%D8%B1%D8%B4%D9%8A-%D8%A8%D8%B1-%D8%A7%D8%B5%D9%88%D9%84-%D9%85%D9%88%D8%B2%D8%A8%D8%A7%D8%A6%D8%B1-%D9%88-%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%D 9%8A-%D8%A2%D9%86)مقاله شماره 57 : رویکرد نانوتکنولوژی

(http://www.iran-eng.com/showthread.php/252275-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-57-%D8%B1%D9%88%DB%8C%DA%A9%D8%B1%D8%AF-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%AA%DA%A9%D9%86%D9%88%D 9%84%D9%88%DA%98%DB%8C)مقاله شماره 58 : نانو تکنولوژی انقلاب صنعتی آینده (http://www.iran-eng.com/showthread.php/252276-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-58-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88-%D8%AA%DA%A9%D9%86%D9%88%D9%84%D9%88%DA%98%DB%8C-%D8%A7%D9%86%D9%82%D9%84%D8%A7%D8%A8-%D8%B5%D9%86%D8%B9%D8%AA%DB%8C-%D8%A2%DB%8C%D9%86%D8%AF%D9%87)

مقاله شماره 44 : نانو تکنولوژی چیست؟
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/220160-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-44-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88-%D8%AA%DA%A9%D9%86%D9%88%D9%84%D9%88%DA%98%DB%8C-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D8%9F)
مقاله شماره 81: ساختن از بالا به پايين و از پايين به بالا
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/358342-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-81-%D8%B3%D8%A7%D8%AE%D8%AA%D9%86-%D8%A7%D8%B2-%D8%A8%D8%A7%D9%84%D8%A7-%D8%A8%D9%87-%D9%BE%D8%A7%D9%8A%D9%8A%D9%86-%D9%88-%D8%A7%D8%B2-%D9%BE%D8%A7%D9%8A%D9%8A%D9%86-%D8%A8%D9%87-%D8%A8%D8%A7%D9%84%D8%A7)
مقاله شماره 82: روشهاي ساخت در مقیاس نانو

(http://www.iran-eng.com/showthread.php/358354-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-82-%D8%B1%D9%88%D8%B4%D9%87%D8%A7%D9%8A-%D8%B3%D8%A7%D8%AE%D8%AA-%D8%AF%D8%B1-%D9%85%D9%82%DB%8C%D8%A7%D8%B3-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)مقاله شماره 97: ماکرو - میکرو - نانو ساختار

(http://www.iran-eng.com/showthread.php/361089-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-97-%D9%85%D8%A7%DA%A9%D8%B1%D9%88-%D9%85%DB%8C%DA%A9%D8%B1%D9%88-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88-%D8%B3%D8%A7%D8%AE%D8%AA%D8%A7%D8%B1)مقاله شماره 107: کاربردهای فناوری نانو

(http://www.iran-eng.com/showthread.php/362799-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-107-%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%D B%8C-%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)مقاله شماره 109: مزایای نهفته در ابعاد نانو

(http://www.iran-eng.com/showthread.php/363730-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-109-%D9%85%D8%B2%D8%A7%DB%8C%D8%A7%DB%8C-%D9%86%D9%87%D9%81%D8%AA%D9%87-%D8%AF%D8%B1-%D8%A7%D8%A8%D8%B9%D8%A7%D8%AF-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)مقاله شماره 32 : محصولات نانوفناوري (http://www.iran-eng.com/showthread.php/104738-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-32-%D9%85%D8%AD%D8%B5%D9%88%D9%84%D8%A7%D8%AA-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D 8%B1%D9%8A)

مقاله شماره 21 : نانو
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/107446-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-21-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88)
مقاله شماره 24 : ***مشاهیر نانو***
(http://www.iran-eng.com/showthread.php/110048-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-24-***%D9%85%D8%B4%D8%A7%D9%87%DB%8C%D8%B1-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88***)
مقاله ی شماره ی 1 : نانو مواد و دسته بندی آن ها (http://www.iran-eng.com/showthread.php/112763-%D9%85%D9%82%D8%A7%D9%84%D9%87-%DB%8C-%D8%B4%D9%85%D8%A7%D8%B1%D9%87-%DB%8C-1-%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88-%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF-%D9%88-%D8%AF%D8%B3%D8%AA%D9%87-%D8%A8%D9%86%D8%AF%DB%8C-%D8%A2%D9%86-%D9%87%D8%A7)