خلاصه :
در سالهای اخیر یک انقلاب کربنی در عرصه ی فناوری اتفاق افتاده است. اتم های کربن میتوانند در چندین توپولوژی هم محور شوند تا موادی با خواص بی نظیر ایجاد کنند. نانولوله ها طلایه دار این نوآوری هستند و در قله ی بهره برداری تجاری بعنوان اجزای چند منظوره ی نسل جدید مواد کامپوزیتی قرار دارند.

متن این خبر به صورت pdf قابل دریافت می باشد( )

تغییر رنگ فیزیکی در نانوکامپوزیت‌های هوشمند پلیمری

خلاصه :
امروزه فناوری نانو به‌دلیل برخورداری از مزایا و کاهش هزینه‌ها در صنایع مهم و کلیدی، توجه بسیاری از کشورهای پیشرفته را به خود معطوف داشته است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری با قابلیت تغییر رنگ بازگشت‌پذیر، از دسته مواد هوشمند هستند. نانوکامپوزیت‌های پلی‌آنیلین پرشده با نانوذرات آهن(???)، پلی‌دی‌استیلن پرشده با نانولوله‌های کربنی الکتروکرومیک (قابلیت تغییر رنگ به‌وسیله‌ی محرک الکتریکی)، نانوکامپوزیت‌های پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان پرشده با نانوذرات پلی‌استایرن و پلی‌اتیلن‌گلایکول پرشده با نانوذرات پلی‌استایرن از دسته مواد مکانوکرومیک (قابلیت تغییر رنگ تحت محرک مکانیکی) هستند.کاربرد این دسته از نانوکامپوزیت‌ها در حسگرها، به‌عنوان هشداردهنده برای افزایش ایمنی در کارگاه‌ها و نمایشگرها است.

متن این مقاله به صورت pdf قابل دریافت می باشد()

شناسایی مایعات؛ کامپوزیت های هوشمند پلیمر/نانولوله کربنی

خلاصه :
امروزه کامپوزیتهای پلیمر/نانولوله کربنی (CNT) در حوزه های مختلفی مانند تجهیزات ورزشی، اتومبیل و وسایل الکترونیکی کاربرد دارند. رشد بازارهای جدید و قدیم در این حوزه به پارامترهای زیادی از قبیل افزایش اطلاعات در زمینه روش های تولید و کاهش هزینه های مربوطه بستگی دارد به طور مثال کاهش قابل توجه قیمت انواع گریدهای نانولوله کربنی در رشد بازارهای موردنظر بسیار موثر است. کامپوزیتهای پلیمری رسانای الکتریکی بر پایه نانولوله کربنی (CPCs) شانس بیشتری برای به دست آوردن سهم بازار را دارند زیرا این کامپوزیتها خواص همگنی از خود نشان می دهند. سنگینی ویژه (چگالی ویژه) به همراه خواص مکانیکی و فرآیندپذیری خوب این کامپوزیتها از جمله خواص و ویژگیهای برتر آنها به شمار میآید. رسانایی الکتریکی کامپوزیتهای پلیمر/نانولوله کربنی ناشی از شبکه پیوسته افزودنی است و پارامترهای مختلفی چون تغییرات درجه حرارت، تغییر شکلهای مکانیکی، حضور گازها و بخارها وحلالها میتوانند رسانایی الکتریکی را تحت تأثیر قرار دهند. با توجه به توضیحات داده شده در بالا، به نظر میرسد که کامپوزیتهای پلیمری رسانای الکتریکی بر پایه نانولوله کربنی، کاندیدای مناسبی برای طراحی کامپوزیتهای هوشمند که برای مانیتورینگ مورد استفاده قرار می گیرند، باشند. این مقاله بر روی کاربرد این نوع کامپوزیتهای هوشمند به عنوان شناساگرهای نشتی برای حلالهای آلی، متمرکز شده است. در اولین فعالیت تحقیقاتی که در حوزه کامپوزیتهای هوشمند انجام شدهاست از کربن بلاک (CB) استفاده شده است و اهمیت این موضوع که کامپوزیتهای پلیمری رسانا به تغییرات خارجی حساس هستند، به خوبی شناخته شده است. پارامترهای مختلفی از قبیل حضور مایعات و بخارها به شدت حساسیت الکتریکی کامپوزیتهای پلیمری رسانای الکتریکی را تغییر میدهد. در سال 1990 جهت گیری تعداد زیادی از تحقیقات به سمت به کارگیری نانولوله های کربنی به عنوان ماده افزودنی در کامپوزیتهای پلیمری رسانای الکتریکی معطوف شد. یکی از فوائد به کارگیری نانولوله های کربنی در کامپوزیتها، آستانه نفوذ پایین آنها است که به نسبت بالای طول/قطر (نسبت صفحهای) آن مربوط می شود و این نسبت تا 1000 نیز می رسد. بنابراین کامپوزیتهای پلیمر/نانولوله کربنی، استحکام مکانیکی، سفتی بالا و رسانایی الکتریکی بالایی را در غلظتهای کم نانولوله های کربنی از خود نشان می دهند.

متن این مقاله به صورت pdf قابل دریافت می باشد()

متن این مقاله به صورت word قابل دریافت می باشد()

خلاصه :
آب، مایه حیات و فراوان‌ترین ماده مرکب بر روی سطح کره زمین و بستر اولیه حیات به‌شکلی است که امروزه مشاهده می‌کنیم. اهمیت آب و نقش حیاتى آن در زندگى انسان، حیوان، نبات و محیط زیست آنقدر روشن‌است که نیاز به دلیل و برهان ندارد. با وجود پیشرفت‌هاى شگفت‎آورى که در زمینه‌هاى مختلف حیات بشر صورت گرفته‌است، آب همچنان اهمیت خود را به‌عنوان منبع اصلى تامین انرژى و نیز تولید محصولات کشاورزى حفظ کرده‌است، به‌همین دلیل برخى از دانشمندان معتقدند که آب دلیل اصلى، اما پنهانى بسیارى از منازعات سیاسى یک منطقه محسوب می‌شود. تنها منبع آب شیرین، آب برف و باران سرازیرشده از کوه‌ها است که توسط نهرها و رودخانه‎هاى طبیعى به جریان مى‌افتد و در امور آبیارى زمین‌ها براى کشاورزى و آشامیدن بکار می‌رود. در کشورمان ایران، ‌مسئله آب به‌ویژه آب شیرین با توجه به وضعیت جغرافیایی و قرارگرفتن آن در منطقه خشک و نیمه‌خشک از حساسیت بیشتری برخوردار است. همچنین ذخایر آب کشور در حال کاهش و شور شدن‌است و آب‌های سطحی نیز با انواع آلودگی‌ها آلوده شده‌اند. بنابراین با نگاهی به مشکلات تامین آب در ایران و همچنین اهمیت تصفیه پساب‌های خانگی و صنعتی، استفاده از فناوری‌های نوین ضروری به نظر می‌رسد. با توسعه فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب،‌ می‌توان تحولی عظیم در تامین آب مصرفی و بخش‌های وابسته به آن به‌وجود آورد. کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب، گندزدایی، ‌استفاده بهینه از آب سفره‌های زیرزمینی و بهبود سازه‌های آبی از جمله ویژگی‌هایی است که صنعت آب و فاضلاب با استفاده از فناوری نانو به‌دنبال تحقق آن‌ها است. در ادامه به معرفی کاربردهای فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب، در چهار بخش فرآیند تصفیه، پاک‌سازی سفره‌های آب زیرزمینی و بهود سازه‌های آبی خواهیم پرداخت.

نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر

مقدمه :

نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر بهبود فوق‌العاده‌ای در بسیاری از خواص فیزیکی و مهندسی پلیمرهایی که در آنها از مقدار کمی پرکننده استفاده می‌شود، ایجاد می‌کند. این تکنولوژی که امروزه می‌تواند کاربرد تجاری نیز پیدا کند، توجه زیادی را طی سالهای اخیر به خود جلب کرده است. عمدة پیشرفت‌هایی که در این زمینه بوقوع پیوسته، طی پانزده سال اخیر بوده و در این مقاله به این پیشرفتها و همچنین مزیتها، محدودیتها و برخی مسایل و مشکلات آن خواهیم پرداخت.
هر چند اخیراً پیشرفتهای عمده‌ای در توسعة روشهای سنتزی و کاربرد آنها در پلیمرهای مهندسی صورت گرفته و تحقیقاتی نیز در مورد خیلی از خواص مهندسی آنها صورت گرفته، ولی با اینحال، برای فهمیدن مکانیزم‌هایی که باعث افزایش کارایی در نانوکامپوزیتهای مرسوم به الیاف تقویت می‌شوند، مزیتها و امتیازاتی دارد، ولی هنوز نتوانسته تاثیری در بازار کامپوزیتهایی که در آنها جزء الیافی درصد بالایی دارد، ایجاد کند.
موضوع فناوری نانو طی سالهای اخیر بطور فزاینده‌ای مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌ای بین ابعاد میکرو و ابعاد مولکولی است و این محدوده‌ای است که دانشمندان مواد و شیمیدان‌ها در آن به مطالعاتی پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نیز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولی تکنولوژی که توسط علوم مواد و شیمی توسعه یافته و به نانومقیاس معروف است، نباید به عنوان نانوتکنولوژی تلقی شود. هدف اصلی در نانوتکنولوژی ایجاد کاربردهای انقلابی و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهی و جنبش آنها و همچنین طراحی ابزار در مقیاس نانو می‌باشد.

تعریف

نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر یک مثال موردی از نانوتکنولوژی هستند. در این نوع مواد، از خاک رس‌های نوع اسمکتیت ( Smectite-type ) از قبیل هکتوریت، مونت موریلونیت و میکای سنتزی، به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتمهای سیلیسیم کوئورانیه شده بصورت چهار وجهی که به یک صفحه هشت وجهی با لبه‌های مشترک از Al(OH) 3 یا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتمها، انتظار می‌رود این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان دهند ولی خواص مکانیکی دقیق این لایه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخیراً با استفاده از روشهای مدل‌سازی تخمین زده شده که ضریب یانگ در راستای لایه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بیشتر از یک پلیمر عادی است. لایه‌ها نسبت صفحه‌ای ( aspect ratio ) بالایی دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت می‌باشد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها بوسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دراد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم.
در گذشته، عمدتاً به این شکل از دانه‌های رسی برای افزایش کارایی پلیمر استفاده می‌شود که آنها را در حد میکرونی خرد می‌کردند تا از آنها در تولید پلیمرهای تقویت شده بوسیله پرکننده‌های در اندازه میکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده.
می‌توان تصور کرد که خواص مکانیکی فوق‌العاده لایه‌های منفرد در اجزای خاک رس نتوانند در یک سیستم به طرز موثری عمل کنند و پیوندهای ضعیف بین دو لایه منشاء ایراد در این کار می‌باشد. معمول است که از میزان بالایی از خاک رس استفاده شود تا به بهبود کافی هر ضرایب دست یابیم، در حالیکه این کار باعث کاهش استحکام و سختی پلیمر می‌شود.

شکل 1: اصول کاربردی متفاوت در ساخت میکرو و نانوکامپوزیت‌های رایج

اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتیک نشان داده شده است) با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز بطور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت شده نیز بطور چشمگیری افزایش پیدا می‌کند، زیرا هر جزء رسی خود از صدها تا هزارات لایه تشکیل شده است.

ویژگی ها نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر

یکی از دستاوردهای تحقیقات این است که مشخص شده که بسیاری از خواص مهندسی هنگامیکه از میزان کمی معمولاً چیزی کمتر از 5% وزنی، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می‌یابد. در پلیمرهایی چون نایلون ( nylon-6) 6 هرگاه از چنین میزان کمی پرکننده استفاده شود، یک افزایش 103 درصدی در ضریب یانگ، 49 درصدی در قدرت کشسانی و 146 درصدی در مقاومت در برابر تغییر شکل بر اثر گرما، از خود نشان می‌دهد. سایر خواص فیزیکی بهبود یافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت باریر ( barrier resistance ) و هدایت یونی.
امتیاز دیگر نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که تاثیر قابل توجهی بر خواص اپتیکی پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است، بنابراین نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتیکی شفاف می‌باشد. میکرو نانوکامپوزیت‌هایی که تصویرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکیب خاک رس و پلی پروپیلن و با استفاده از روش سرد کردن سریع جهت به حداقل رساندن اثر کریستالیزاسیون، ساخته شده‌اند. میکروکامپوزیت‌های مرسوم، قهوه‌ای و مات به نظر می‌رسند، در حالیکه نانوکامپوزیت‌ها تقریباً شفاف و بیرنگند. با این دلایل، نتیجه می‌گیریم که نانوکامپوزیتهای خاک رس/ پلیمر نمایش خوبی از نانوتکنولوژی می‌باشد. با سازماندهی و چینش ساختار کلی در پلیمرها در مقیاس نانومتر، مواد جدید با خواص نو یافت شده‌اند. نکته دیگر در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این است که این تکنولوژی، فوراً می‌تواند کاربرد تجاری پیدا کند، در حالیکه بیشتر نانوتکنولوژی‌های دیگر، هنوز در مرحله مفاهیم و اثبات هستند.
کاربردهای نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر
اولین کاربرد تجاری این مواد با استفاده از نانوکامپوزیت خاک رس / نایلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج برای ماشینهای تویوتا در همکاری با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمی بعد از آن Unikita نانوکامپوزیت نایلون6 را بعنوان محافظ روی موتورهای GDI شرکت میتسوبیشی معرفی کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاری و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. این امر با کاربرد این نانوکامپوزیت‌ها در درب‌های شورلت ایمپالاز ( Impalas ) صورت گرفت.
اخیراً شرکت نوبل پلیمرز ( Noble/Polymers ) نانوکامپوزیت‌های خاک رس / پلی‌پروپیلن را برای استفاده در صندلی‌های هندا آکورد ساخته است و این در حالی است که Ube دارد نانوکامپوزیت‌های خاک رس / نایلون12 ( clay/nylon-12 ) را برای استفاده در اجزای سیستم سوخت‌رسانی، تولید می‌کند.
علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر، به صنایع نوشیدنی‌ها نیز راه یافته‌اند. Alcos CSZ نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر چندلایه را در کاربردهای جدید خود (بعنوان مواد خطی – سدی) ( barrier liner materials ) بکار می‌برد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزیت خاک رس - پلیمری Aegis TM NC resin را در بسته‌بندی نوشیدنی‌ها بکار می‌برد و اخیراً شرکت‌های Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزیتهای Nylon-MXD6 را برای ساخت بطری‌های چند لایه ( polyethylene terephtalate) PET ساخته است.

تاریخچه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر

اگرچه تحقیقات در مورد ترکیب خاک رس/ پلیمر به قبل از 1980 برمی‌گردد، ولی کارهایی که در آن زمان صورت گرفت را نباید در تاریخچه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر به حساب آورد، چرا که هیچگاه به نتیجه چشمگیری برای بهبود خواص فیزیکی و مهندس آنها ختم نشد. در حقیقت می‌توان منشاء نانوتکنولوژی خاک رس - پلیمر را کارهای شرکت تویوتا که تلاش برای لایه‌لایه کردن دانه‌های رسی در نایلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانسته‌اند بهبود قابل توجهی در خواص پلیمرها، با تقویتشان بوسیله خاک رس در مقیاس نانومتر، ایجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقیقات وسیعی در این زمینه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر این بهبودها به سایر پلیمرهای مهندسی از جمله پلی پروپیلن ( PP ) ، پلی اتیلن، پلی استایرن، پلی وینیل کلرید، آکریلونیتریل، پلیمرهای بوتا ای ان اسنایرن ( ABS ) ، پلی متیل متاکریلات، PET ، کوپلیمرهای اتیلن سوینیل استات، پلی اکریلونیتریل، پلی کربنات، پلی اتیلن اکسید ( PEO ) ، اپوکسی رزین، پلی امید، پلی لاکتید، پلی کاپرولاکتون، فنولیک رزین، پلی-پی فنیلن وینیلن، پلی پیرول، لاستیک، استارک (آهار)، پلی اوراتان، پلی وینیل پیریدین، سرایت کرده.

تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر

مرحله نهایی در ساخت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر، جدا جدا کردن لایه‌های رسی و پخش آن در پلیمر می‌باشد. استراتژی کار بستگی دارد به سازگاری و همگون بودن رس و پلیمری که استفاده می‌شود. این تعیین می‌کند که آیا نیاز به عملیات مقدماتی روی خاک رس یا پلیمر قبل از مخلوط کردن هست یا نه. اگر سطح لایه‌های سیلیکاتی با پلیمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقیم بین این دو می‌تواند اتفاق بیفتد، بدون اینکه نیاز به عملیات مقدماتی باشد. چنین مواردی بیشتر وقتی اتفاق می‌افتد که پلیمر قابل حل در آب، مانند PEO یا PVP استفاده کنیم، چرا که این پلیمرها و سطح لایه‌های سیلیکات، هر دو آبدوست هستند و نیروهای دوقطبی یا وان‌دروالسی بین لایه‌های سیلیکات، باعث سهولت جذب مولکولهای آبدوست و ایجاد فشارهای عمودی روی لایه می‌شود که در نتیجه باعث جداکردن تک‌تک لایه‌های رسی در این پلیمرها می‌گردد.
اما به هر حال، بیشتر پلیمرها آب گریز و در نتیجه با دانه‌های رسی آبدوست، ناسازگار هستند. در این موارد نیاز به یکسری عملیات مقدماتی روی خاک رس یا پلیمر داریم. پرکاربردترین روش‌های برای اصلاح دانه‌های رسی، استفاده از آمینواسیدها، نمکهای آمونیم آلی و یا فسفونیم تترا ارگانیک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گریز تبدیل کنیم. دانه‌های رسی که به این روش اصلاح می‌شوند، ارگانوکلی نامیده می‌شوند. در مورد پلیمرهایی که فاقد هرگونه گروه عاملی می‌باشند، مانند پلی پروپیلن ( PP ) ، معمولاً از تکنیک های افزودن گروه عاملی قطبی روی زنجیره پلیمری استفاده می‌شود و یا اینکه در طی فرآیند ساخت، پلیمرهای پیوند خورده را بصورت مستقیم وارد می‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزیت های رسی / پلی پروپیلن ( clay PP ) از مالئیک اسید پیوند خورده به پلی پروپیلن، بصورت مستقیم استفاده شده است. در طی پیشرفتهای اخیر، از مخلوطی که پلی پروپیلن، پروپیلن پیوند خورده با مالئیک ایندرید و ارگانوکلی استفاده شده است.
روشهای زیادی در تولید نانوکامپوزیتها استفاده شده، ولی سه روشی که از ابتدای کار توسعه بیشتری یافته‌اند عباراند از: پلیمریزاسیون in situ ، ترکیب محلول القاشدن و فرآیند ذوبی .
روش اینسیتو عبارت است از وارد نمودن یک پیش ماده پلیمری بین لایه‌های رسی و آنگاه پهن کردن و سپس پاشیدن لایه‌های رسی درون ماده زمینه ( matrix ) با پلیمریزاسیون. ابتکار این روش بوسیله گروه تحقیقاتی شرکت تویوتا بود و زمانی رخ داد که می‌خواستند نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر6 را بسازند. این روش قابلیت و توانایی تولید نانوکامپوزیتهایی با لایه لایه شدگی خوب را دارد و در محدوده وسیعی از سیستم های پلیمری، کاربرد دارد. این روش برای کارخانه‌های پلیمر خام مناسب است تا در فرآیندهای سنتزی پلیمر، نانوکامپوزیت‌های رسی - پلیمر بسازند و مخصوصاً برای پلیمرهای ترموستینگ (پلیمرهایی که در برابر گرما مستحکم‌تر می‌شوند) بسیار مفید است.
روش ترکیب محلول القا شده ( solution induced interceletion ) از یک حلال برای بارگیری و پخش رس‌ها در محلول پلیمری استفاده می‌شود. این روش هنوز مشکلات و موانع زیادی را در راه تولید تجاری نانوکامپوزیت‌ها پیش رو دارد. قیمت بالای حلالهای مورد نیاز و همچنین مشکل جداسازی فاز حلال از فاز محلول تولید شده، از جمله این موانع هستند. همینطور در این روش، نگرانیهایی از نظر امنیت و سلامتی وجود دارد . با این وجود این روش در مورد پلیمرهای محلول در آب قابل بعنوان حلال استفاده می‌شود و همچنین امنیت بیشتر و خطر اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قیمت پایین آب که کمتر آن برای سلامتی.
در روش فرآیند ذوبی، ترکیب خاک رس و پلیمر در حین ذوب شدن انجام می‌شود. بازده و کارآیی این روش به اندازه روش اینسیتو نیست و کامپوزیتهای تولید شده، ورقه‌ورقه شدگی کمی دارند. به هر حال این روش می‌تواند در صنایع تولید پلیمر قدیمی که در آنها از روشهای قدیمی مانند قالبگیری و تزریق ( Extrution and injection molding ) استفاده می‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمی در افزایش سرعت پیشرفت تولید تجاری نانوکامپوزیت‌های رس - پلیمر ایفا کرده است.
علاوه بر این سه روش با روش‌های دیگر نیز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکیب جامد، کوولکانیزاسیون و روش سل-ژل. این روشها بعضاً در مراحل ابتدایی توسعه هستند و هنوز کاربرد وسیع پیدا نکرده‌اند.

رقابت نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر با کامپوزیتهای الیافی

با پیدا شدن سروکله تکنولوژی نانوکامپوزیت، جهشی در زمینه تقویت پلیمرها بوجود آمده، و معقول به نظر می‌رسد که فکر کنیم نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر، بتوانند جای کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف مرسوم را بگیرند.
از نظر تئوری، تقویت پلیمرها در مقیاس نانویی، امتیازات برتری نسبت به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف دارند. ضعف کامپوزیت-های تقویت شده با الیاف، در واقع یک شکست در راه استفاده مفید از خواص ذاتی و طبیعی مواد است. مثلاً سعی می‌کنیم که با بکارگیری پیوندهای قوی کووالانسی و استفاده از صفحه‌های آروماتیک ساختار گرافیتی، مواد کربنی را مستحکم‌تر کنیم. در حالیکه الیاف کربنی که امروزه استفاده می‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظری صفحات آروماتیک را به دست می‌دهند. عدم اتصال داخلی بین صفحات آروماتیک در ساختار الیاف کربنی، مانع دستیابی به استحکام مطلوب مواد می‌شود، در حالیکه این مشکل در مورد نانوکامپوزیتهای تقویت شده با پرکننده‌های لایه‌ای وجود ندارد. هنگامیکه از پرکننده‌های لایه‌ای و ورقه‌ای در زمینه پلیمری استفاده می‌شود، اتصالات و پیوندهای داخلی بوجود آید و بنابراین حداکثر استفاده از خواص ذاتی و طبیعی لایه‌های منفرد می‌شود.
در حقیقت خواص مکانیکی بدست آمده، در بهترین نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر بسیار کمتر از کامپوزیتهایی است که از درصد بالایی الیاف، برای تقویت استفاده می‌کنند. در حال حاضر بیشترین پیشرفتها و بهبودها در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای خاک رس / نایلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزنی از خاک رس بارگذاری شده است. شکل 2 ضریب و قدرت کشسانی این نانوکامپوزیت را با نایلون 60 و نایلون 60 تقویت شده با 48 درصد وزنی، الیاف خرده شیشه‌ای نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که بهترین نانوکامپوزیت خاک رس - پلیمری، هنگامیکه حجم بالایی از جز را تقویت‌کننده الیافی مطرح باشد، نمی‌تواند با کامپوزیتهای الیافی همسانی و رقابت کند. به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بهتر عناصر تقویت‌کننده بیشتری در نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر مورد نیاز است، در حالیکه چنین کاری غیرممکن است. زیرا هنگامیکه عمل لایه لایه شدن اتفاق می‌افتد، سطح تماس لایه‌های رسی صدها و بلکه هزاران برابر می‌شود و این باعث می‌شود که مولکولهای پلیمر کانی، برای خیس کردن تمام سطح تقویت‌کننده‌های رسی نداشته باشیم.

شکل 2

در هر حال، هنگامیکه بحث استفاده از درصد پایین پرکننده مطرح باشد، در این حالت نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر را با کامپوزیتهای تقویت شده بوسیله الیاف، مقایسه کنیم، می‌بینیم که نانوکامپوزیتها تقویت بهتری را نسبت به کامپوزیتهای الیافی مرسوم، نشان می‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسیله تحقیقات Fornes و Panl در مورد ضریب یانگ نانوکامپوزیتهای خاک رس / نایلون6 و کامپوزیت های نایلون6 تقویت شده با الیاف شیشه‌ای در محدوده استفاده از 10 درصد وزنی پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. می‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزیتها کارآیی بیشتری را در بهبود ضریب یانگ نسبت به کامپوزیتهای الیافی نشان می‌دهند.

] شکل 3

از مقایسه بالا مشهود می‌گردد نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر در محدوده بارگذاری درصد پایین از الیاف، امتیازاتی نسبت به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف دارند و مطمئناً بازار کامپوزیتهای الیافی مرسوم با حجم پایین از جزء الیافی، با پیشرفت نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمری تحت تاثیر قرار خواهد گرفت، ولی فعلاً تابحال، پیشرفت در نانوکامپوزیت ها تاثیر کمی روی بازار کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف گذاشته است.

مشکلات توسعه نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر

علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پیش روی پیشرفت نانوتکنولوژی خاک رس - پلیمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانیزمهای موثر در افزایش کارایی، به کاربردی پلیمرهای ترموستینگ و عدم پایداری ارگانوکلی‌ها در برابر حرارت.
اگرچه مدل‌سازی‌های زیادی در جهت پیشبرد درک از مکانیزم افزایش کارایی عمده خواص فیزیکی و مهندسی در استفاده از نانوکامپوزیت‌های خاک رس - پلیمر انجام شده، ولی هنوز مسافت زیادی را پیش رو داریم. به عنوان مثال، هنوز خواص فیزیکی مهندسی لایه‌های منفرد سیلیکات، دقیقا شناخته نشده‌اند. از این رو مشکل است که یک مکانیزم تقویت‌کننده ایجاد کنیم، و از طرفی، ساختار ذغال باقیمانده ناشی از احتراق نانوکامپوزیت خاک رس - پلیمر هنوز روشن نیست. بدون آن ممکن نیست مکانیزمی برای ایجاد مقاومت در برابر آتش، برای آن طراحی کنیم. مدل‌سازیها و تحقیقات تجربی اساسی، باید در جهتی هدایت شود که در آینده این موانع برطرف شوند.
به کاربردن پلیمرهای ترموستینگ، مشکل عمده دیگری در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر می‌باشد. ترکیب خاک رس با یک پیش ماده پلیمر ترموستینگ می‌تواند عاملیت یک پلیمر را تغییر دهد. تغییر در عاملیت بر میزان اتصالات عرضی تاثیر می‌گذارد و بخوبی مشخص است که عمده خواص مهندسی پلیمر‌های ترموستینگ، تابعی از میزان تعداد اتصالات عرضی است. با این وجود گزارش‌هایی هم وجود داشته مبنی بر بهبود خواص مکانیکی سیستمهای پلیمری تروستینگی که میزان اتصالات عرضی آن پایین بوده است، از جمله اپوکسی رزین با T g پایین و پلی اوراتان‌ها. آخرین مسئله مستقیماً بر می‌گردد به نگرانی در مورد تجاری‌سازی نانوتکنولوژی خاک رس - پلیمر، کمبود ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما و نیز از نظر تجاری در دسترس، از موانع ثبت شده در این مسیر هستند. بیشتر ارگانوکلی‌های در دسترس، از جایگزینی کاتیون فلزی درون ساختار رس، با نمکهای آمونیاک آلی تهیه می‌شوند. این نمکهای آمونیم در مقابل گرما ناپایدارند و حتی در دماهای کمتر از 170 درجه سانتیگراد از بین می‌روند. مسلماً چنین مواد فعال سطعی (سورفکتنت) برای بیشتر پلاستیکهای مهندسی هنگامیکه از تکنولوژی فرآیند ذوب شدن برای ساختن نانوکامپوزیت‌ها استفاده شود، صاحب نیستند و ساخت نانوکامپوزیتهایی که در آن از ارگانوکلی‌های اصلاح شده بوسیله نمکهای آمونیم بکار رفته، با استفاده از تکنیک‌های دیگر، به یک معضل تبدیل شده است. اگرچه تعداد زیادی سورفکتنت پایدار در برابر گرما، مثل فسفونیم شناخته شده‌اند، ولی این سورفکتنت‌ها برای کاربرد تجاری، مقرون به صرفه نیستند. نوآوری‌هایی در جهت اصلاح رس‌های آبدوست با استفاده از پلیمرها و الیکومرهای چند عاملی انجام شده تا ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما برای تولید نانوکامپوزیتهای رس - پلیمر بسازند.

خلاصه و نتیجه‌گیری:

پیشرفت‌های عمده در توسعه نانوکامپوزیت های خاک رس - پلیمر به پانزده ساله اخیر بر می‌گردد و مزیتها و محدودیتهای این تکنولوژی روشن شده است. با این حال، تا شناخت مکانیزم‌های افزایش کارایی و بهبود خواص مهندسی آنها و اینکه بتوانیم ریزساختارهای آنها را سازماندهی و چینش کنیم تا به خواص مهندسی ویژه دست پیدای کنیم، راه طولانی در پیش رو داریم. در مواقعی که از درصد پایین پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزیتهای خاک رس - پلیمر این پتانسیل را دارند تا جایگزین کامپوزیتهای مرسوم تقویت شده با الیاف شوند.

رقابت نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر با کامپوزیتهای الیافی

با پیدا شدن سروکله تکنولوژی نانوکامپوزیت، جهشی در زمینه تقویت پلیمرها بوجود آمده، و معقول به نظر می‌رسد که فکر کنیم نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر، بتوانند جای کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف مرسوم را بگیرند.

از نظر تئوری، تقویت پلیمرها در مقیاس نانویی، امتیازات برتری نسبت به کامپوزیتهای تقویت­شده با الیاف دارند. ضعف کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف، در واقع یک شکست در راه استفاده مفید از خواص ذاتی و طبیعی مواد است. مثلاً سعی می‌کنیم که با بکارگیری پیوندهای قوی کووالانسی و استفاده از صفحه‌های آروماتیک ساختار گرافیتی، مواد کربنی را مستحکم‌تر کنیم. در حالیکه الیاف کربنی که امروزه استفاده می‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظری صفحات آروماتیک را به دست می‌دهند. عدم اتصال داخلی بین صفحات آروماتیک در ساختار الیاف کربنی، مانع دستیابی به استحکام مطلوب مواد می‌شود، در حالیکه این مشکل در مورد نانوکامپوزیتهای تقویت­شده با پرکننده‌های لایه‌ای وجود ندارد. هنگامیکه از پرکننده‌های لایه‌ای و ورقه‌ای در زمینه پلیمری استفاده می‌شود، اتصالات و پیوندهای داخلی بوجود آید و بنابراین حداکثر استفاده از خواص ذاتی و طبیعی لایه‌های منفرد می‌شود.

در حقیقت خواص مکانیکی بدست آمده، در بهترین نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر بسیار کمتر از کامپوزیتهایی است که از درصد بالایی الیاف، برای تقویت استفاده می‌کنند. در حال حاضر بیشترین پیشرفتها و بهبودها در خواص مکانیکی نانوکامپوزیتهای خاک­رس / نایلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزنی از خاک­رس بارگذاری شده است. شکل 2 ضریب و قدرت کشسانی این نانوکامپوزیت را با نایلون 60 و نایلون 60 تقویت شده با 48 درصد وزنی، الیاف خرده شیشه‌ای نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که بهترین نانوکامپوزیت خاک­رس / پلیمری، هنگامیکه حجم بالایی از جز را تقویت‌کننده الیافی مطرح باشد، نمی‌تواند با کامپوزیتهای الیافی همسانی و رقابت کند. به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بهتر عناصر تقویت‌کننده بیشتری در نانوکامپوزیتهای خاک­رس / پلیمر مورد نیاز است، در حالیکه چنین کاری غیرممکن است. زیرا هنگامیکه عمل لایه لایه شدن اتفاق می‌افتد، سطح تماس لایه‌های رسی صدها و بلکه هزاران برابر می‌شود و این باعث می‌شود که مولکولهای پلیمر کانی، برای خیس کردن تمام سطح تقویت‌کننده‌های رسی نداشته باشیم.

در هر حال، هنگامیکه بحث استفاده از درصد پایین پرکننده مطرح باشد، در این حالت نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر را با کامپوزیتهای تقویت شده بوسیله الیاف، مقایسه کنیم، می‌بینیم که نانوکامپوزیتها تقویت بهتری را نسبت به کامپوزیتهای الیافی مرسوم، نشان می‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسیله تحقیقات Fornes و Panl در مورد ضریب یانگ نانوکامپوزیتهای خاک­رس / نایلون6 و کامپوزیت­های نایلون6 تقویت شده با الیاف شیشه‌ای در محدوده استفاده از 10 درصد وزنی پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. می‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزیتها کارآیی بیشتری را در بهبود ضریب یانگ نسبت به کامپوزیتهای الیافی نشان می‌دهند.

از مقایسه بالا مشهود می‌گردد نانوکامپوزیتهای خاک­رس / پلیمر در محدوده بارگذاری درصد پایین از الیاف، امتیازاتی نسبت به کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف دارند و مطمئناً بازار کامپوزیتهای الیافی مرسوم با حجم پایین از جزء الیافی، با پیشرفت نانوکامپوزیتهای خاک­رس / پلیمری تحت تاثیر قرار خواهد گرفت، ولی فعلاً تابحال، پیشرفت در نانوکامپوزیت­ها تاثیر کمی روی بازار کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف گذاشته است.

مشکلات توسعه نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر

علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پیش­روی پیشرفت نانوتکنولوژی خاک­رس / پلیمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانیزمهای موثر در افزایش کارایی، به کاربردی پلیمرهای ترموستینگ و عدم پایداری ارگانوکلی‌ها در برابر حرارت.

اگرچه مدل‌سازی‌های زیادی در جهت پیشبرد درک از مکانیزم افزایش کارایی عمده خواص فیزیکی و مهندسی در استفاده از نانوکامپوزیت‌های خاک­رس / پلیمر انجام شده، ولی هنوز مسافت زیادی را پیش­رو داریم. به­عنوان مثال، هنوز خواص فیزیکی مهندسی لایه‌های منفرد سیلیکات، دقیقا شناخته نشده‌اند. از این رو مشکل است که یک مکانیزم تقویت‌کننده ایجاد کنیم، و از طرفی، ساختار ذغال باقیمانده ناشی از احتراق نانوکامپوزیت خاک­رس / پلیمر هنوز روشن نیست. بدون آن ممکن نیست مکانیزمی برای ایجاد مقاومت در برابر آتش، برای آن طراحی کنیم. مدل‌سازیها و تحقیقات تجربی اساسی، باید در جهتی هدایت شود که در آینده این موانع برطرف شوند.

به کاربردن پلیمرهای ترموستینگ، مشکل عمده دیگری در توسعه نانوکامپوزیتهای خاک­رس / پلیمر می‌باشد. ترکیب خاک­رس با یک پیش ماده پلیمر ترموستینگ می‌تواند عاملیت یک پلیمر را تغییر دهد. تغییر در عاملیت بر میزان اتصالات عرضی تاثیر می‌گذارد و بخوبی مشخص است که عمده خواص مهندسی پلیمر‌های ترموستینگ، تابعی از میزان تعداد اتصالات عرضی است. با این وجود گزارش‌هایی هم وجود داشته مبنی بر بهبود خواص مکانیکی سیستمهای پلیمری تروستینگی که میزان اتصالات عرضی آن پایین بوده است، از جمله اپوکسی رزین با T g پایین و پلی اوراتان‌ها.

آخرین مسئله مستقیماً بر می‌گردد به نگرانی در مورد تجاری‌سازی نانوتکنولوژی خاک­رس / پلیمر، کمبود ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما و نیز از نظر تجاری در دسترس، از موانع ثبت شده در این مسیر هستند. بیشتر ارگانوکلی‌های در دسترس، از جایگزینی کاتیون فلزی درون ساختار رس، با نمکهای آمونیاک آلی تهیه می‌شوند. این نمکهای آمونیم در مقابل گرما ناپایدارند و حتی در دماهای کمتر از 170 درجه سانتیگراد از بین می‌روند. مسلماً چنین مواد فعال سطعی (سورفکتنت) برای بیشتر پلاستیکهای مهندسی هنگامیکه از تکنولوژی فرآیند ذوب شدن برای ساختن نانوکامپوزیت‌ها استفاده شود، صاحب نیستند و ساخت نانوکامپوزیتهایی که در آن از ارگانوکلی‌های اصلاح شده بوسیله نمکهای آمونیم بکار رفته، با استفاده از تکنیک‌های دیگر، به یک معضل تبدیل شده است. اگرچه تعداد زیادی سورفکتنت پایدار در برابر گرما، مثل فسفونیم شناخته شده‌اند، ولی این سورفکتنت‌ها برای کاربرد تجاری، مقرون به صرفه نیستند. نوآوری‌هایی در جهت اصلاح رس‌های آبدوست با استفاده از پلیمرها و الیکومرهای چند عاملی انجام شده تا ارگانوکلی‌های پایدار در برابر گرما برای تولید نانوکامپوزیتهای رس / پلیمر بسازند.

خلاصه و نتیجه‌گیری:

پیشرفت‌های عمده در توسعه نانوکامپوزیت­های خاک­رس / پلیمر به پانزده ساله اخیر بر می‌گردد و مزیتها و محدودیتهای این تکنولوژی روشن شده است. با این حال، تا شناخت مکانیزم‌های افزایش کارایی و بهبود خواص مهندسی آنها و اینکه بتوانیم ریزساختارهای آنها را سازماندهی و چینش کنیم تا به خواص مهندسی ویژه دست پیدای کنیم، راه طولانی در پیش رو داریم.

در مواقعی که از درصد پایین پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزیتهای خاک­رس / پلیمر این پتانسیل را دارند تا جایگزین کامپوزیتهای مرسوم تقویت شده با الیاف شوند.

محققان سوئدی و ژاپنی موفق به ساخت نوع جدیدی کاغذ شده اند که در صورت کشیده شدن مقاومتی در حد ورق‌های آهن دارد. این ماده جدید که نانو کاغذ سلولزی نامیده شده است از ذرات بسیار ریز سلولز ساخته می‌شود و امکان افزایش کاربردهای کاغذ به‌عنوان ماده‌ای جهت ساخت و ساز و موارد دیگر را فراهم می کند.

در این مطالعه گزارش شده که سلولز به‌عنوان ماده‌ای که بطور گسترده از منابع گیاهی به دست می‌آید این قابلیت را دارا است که جهت استفاده در کامپوزیت‌ها و نیز سایر محصولات به‌عنوان ماده ای سبک ومحکم استفاده شود. اگر چه کامپوزیت‌های مبتنی بر سلولز دارای استحکام بالایی هستند اما محصولات موجود در صورت کشیدن، شکننده و قابل از هم گسیختن هستندکه با انجام این مطالعه راه حل مناسبی جهت رفع این شکل ارائه گردیده است.

جهت این منظور خمیر چوب بایستی در مجاورت مواد شیمیایی خاصی قرار گیرد تا نانو کاغذهای سلولزی تولید گردند. این مطالعه نشان داد که نیروی کشش این محصول جدید یا به‌عبارتی مقاومت آن در برابر پاره شدن از ورق آهن نیز بیشتر است. حتی امکان تنظیم قدرت کاغذ با تغییر ساختار درونی آن نیز وجود دارد.

نتایج این مطالعه در مجله ACS Biomacromoleculs منتشر شده است.

محققان آمریکایی روشی برای مطالعه نواقص سطح نانوذرات یافته‌اند؛ تصور بر این است که این نواقص برای فعالیت کاتالیزوری بسیار مهم هستند.

نانوذرات فلزی در بسیاری از فعالیت‌های کاتالیزوری، از جمله مبدل‌های مورد استفاده در خودرو اهمیت به سزایی دارند. برای توسعه این کاتالیزورها باید بدانیم در سطح اتمی آنها چه اتفاقی می‌افتد. میگل خوزه یاکامن و همکارانش در دانشگاه تگزاس در اوستین دریافته‌اند که با استفاده از روش‌های میکروسکوپی و مدلسازی رایانه‌ای می‌توانند نسبت به قبل، جزئیات بسیار بیشتری از نواقص سطح نانوذرات به دست آورند.

در این روش از TEM تصحیح شده عدم انطباق کانونی، که از یک نرم‌افزار برای تصحیح اعوجاج‌های ایجاد شده توسط لنز میکروسکوپ بهره می‌برد، استفاده می‌شود. این کار امکان تصویربرداری از اتم‌ها در شرایط غیرمعمول (مثلاً در نواقص سطحی) را فراهم می آورد که با استفاده از TEM معمولی امکان‌پذیر نیست.

این گروه پژوهشی از روش خود برای مطالعه نانوذره طلا-پالادیوم استفاده کرده و مشاهده نمودند که نه تنها این نانوذره یک تک‌بلور است، بلکه از سه لایه کروی مجزا با نسبت‌های متفاوت از این دو فلز تشکیل شده است. آنها همچنین دانسیته الکترونی را در طول محورهای مختلف اطراف این نانوذره به دست آوردند. این پژوهشگران با مقایسه این داده‌ها با مدلسازی رایانه‌ای دریافتند که این نانوذره دارای پستی و بلندی، گوشه، و پیچ و تاب روی سطح خود می‌باشد. خوزه می‌گوید مطالعات آنها نشان می‌دهد که «سطح این ذره در مقیاس اتمی نسبتاً ناهموار است». او می‌افزاید به احتمال زیاد سطح پله‌ای این ذره نقش بسیار مهمی در فعالیت کاتالیزوری آن ایفا می‌کند.

دیوید کوکاین استاد شیمی مواد در دانشگاه آکسفورد انگلیس درباره این پژوهش بسیار هیجان‌زده شده و می‌گوید : «این کار قابلیت بسیار بالای TEM تصحیح شده عدم انطباق کانونی را برای مطالعه ساختارهای نانوماده‌ای پیچیده و از نظر فنی، مهم را نشان می‌دهد».

لوئیس لیز مارتین، متخصص نانوذرات از دانشگاه ویگو در اسپانیا این نظر را تأیید کرده و می‌گوید: «این کار یک پیشرفت عمده در زمینه استفاده از میکروسکوپی الکترونی برای مطالعه نانوذرات به شمار می‌آید».

میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می شود تا از نمونه الکترونهایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون ها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد. SEM اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار میگذارد:
- توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح
- مورفولوژی: شکل ، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم
- ترکیب: اجزایی که نمونه را می سازند

چگونه SEM کار می کند؟
SEM وسیله ای است که به کمک آن می توان تصویر بزرگتر از نمونه را با کمک الکترون های (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود.

پرتوی الکترونی در خلاء به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند. سپس با عبور از میدان های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون ها و اشعه های ایکش از نمونه خارج می شوند.

سپس آشکارسازها پرتوهای ایکس، الکترونهای اولیه و الکترونهای ناشی از برخورد الکترونهای اولیه با جسم را جمع آوری می کنند و آنها را به سیگنال مبدل کرده به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می شود.

آماده سازی نمونه
قبل از هر کار باید آب از نمونه جدا شود چرا که آب در خلاء تبخیر می شود. تمامی فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که جزء دسته فلزات نیستند باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش دهنده انجام می شود که برای این کار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود. برای این کار نمونه در یک محفظه ای که خلاء قرار داده می شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب می شوند که الکترون از آرگون جدا شده و سبب شوند تا اتمها بار مثبت داشته باشند. یونهای آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب میشوند. یونهای آرگون به اتمهای طلا ی سطح فویل طلا برخورد می کنند. این اتمهای طلا روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند.

منابع:
1. کتاب فناوری نانو در علوم پزشکی و مهندسی
2. Encyclopedia.Com
3. Iowa State SEM Homepage
4. Lawrence Livermore Radiation Safety Regulation, App. B, Summary of Radiation Generating Devices, Radiation Safety Requirements
5. Virginia Tech Radiation Safety Pages