.png)
نویسنده رضیه برجیان
مقدمه
از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع‌رسانی به‌عنوان سه قلمرو علمی نام می‌برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند. نانوتکنولوژی کاربردهای گسترده‌ای در تمام حیطه‌های زندگی دارد و ازاین‌رو توسعه آن می‌تواند به بهبود و تسهیل زندگی کمک فراوان کند. نانو مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آن‌هاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانو در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده میشود. در نیم‌قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم که باعث پیشرفت عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه‌گذار شد.
استفاده از فناوری نانو در صنایع نظامی می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها گردد. در این مقاله مروری خواهیم داشت بر برخی از تولیدات نانو که می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها در صنایع نظامی گردد.
استفاده از فناوری نانو در صنایع نظامی می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها گردد. در این مقاله مروری خواهیم داشت بر برخی از تولیدات نانو که می‌تواند باعث کاهش هزینه‌ها در صنایع نظامی گردد.
سوخت جدید برای موشک
آلومینیوم در صورت واکنش با اکسیژن، چهار برابر هیدرازین انرژی آزاد میکند، ولی واکنش گرمایی پودر به دلیل کمبود سطح مؤثر، احتراق شدیدی ندارد اما نانوپودرهای جدید آلومینیوم کاملاً می‌سوزند و انرژی بالای خود را آزاد می‌کنند و میتوان در هر دو نوع سوخت جامد و مایع موشک، از آنها استفاده کرد. با توجه به‌سرعت واکنش احتراق، به نظر میرسد به اکسیدکننده کمتری نیاز باشد. همچنین از نانوپودرهای فلزی میتوان به‌عنوان نسل بعد مواد انفجاری نیز یاد کرد.[1] افزودنی‌های سوخت راکت، شامل ذرات اکسید آهن 3 نانومتری می‌توانند به‌عنوان کاتالیزور برای تبدیل پیشران جامد به گاز مورداستفاده قرار بگیرند. این گازها سپس مشتعل شده و نیروی پیشران موشک را تأمین می‌نمایند. این نانو کاتالیزورها سریع‌تر از کاتالیزورهای اکسید آهن معمولی عمل می‌نمایند و درنتیجه سرعت و برد بیشتری برای موشک‌هایی که از این نوع کاتالیزور استفاده می‌نمایند، قابل‌دسترسی هست. آزمایش‌های احتراق ماده «آر پی ـ 1» ژل‌مانند به همراه ذرات «الکس» که در یک موتور موشک آزمایشگاهی انجام شد، نشان داد که اضافه نمودن ذرات آلومینیوم به این ماده موجب افزایش قابل‌توجهی در آزاد کردن حرارت توسط «آر پی ـ 1» به دلیل آزادسازی انرژی با حجم بالا توسط آلومینیوم بوده است. مطالعات قبلی این ماده ژل‌مانند با پودرهای آلومینیومی معمولی نتایج خیلی پایین‌تری در بازدهی احتراق داشته است که این ممکن است به دلیل احتراق ناقص ناشی از بزرگ بودن ذرات آلومینیوم باشد. استفاده از این نانو ذرات می‌تواند از نظر تئوری منجر به احتراق کامل‌تر گردد که این به‌نوبه خود می‌تواند سبب افزایش مواردی نظیر دمای اشتعال بالاتر و نیروی پیشرانه بالاتر گردد.[2]
کاهش مصرف سوخت
استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری که توسط نانولوله‌های کربنی تقویت‌شده‌اند (CNRP) یکی از کاربردهای نانولوله‌های کربنی خواهد بود. این مواد جدید به علت استحکام بیشتر و سبکی قادر خواهند بود به‌صورت بهتری شکل موردنظر طراحان ایروفویل را تأمین کنند به‌این‌ترتیب با کاهش نیروی پسآی هواپیما، هواپیما راندمان بهتری خواهد داشت، مصرف سوخت کاهش‌یافته و برد افزایش می‌یابد. هواپیما در زمان کوتاه‌تری از زمین بلند میشود و هزینه تعمیر نگهداری نیز کاهش می‌یابد.
کاهش هزینه بازرسی با اشعه x
استفاده از اشعه ایکس در فرودگاه‌ها امری متداول است. هم‌اکنون دستگاه اشعه ایکس جدیدی تولیدشده است که به دمای بالا برای تولید الکترون‌های با انرژی زیاد نیاز ندارد، از این الکترون‌های پرانرژی برای تولید اشعه ایکس استفاده میشود. این دستگاه از لایه نازکی از نانولوله‌های کربنی در دمای معمولی اتاق استفاده می‌نماید درحالی‌که در دستگاه‌های فعلی از الیاف فلزی در درون اتاق‌های خلأ با حرارت بالا استفاده میشود که این کاربرد ضمن کوچک کردن حجم این دستگاه‌ها، عمر بیشتری را هم برای این دستگاه‌ها فراهم می‌کنند که به‌این‌ترتیب امکان تولید دستگاه‌های قابل‌حمل اشعه ایکس فراهم میشود این دستگاه‌ها قابلیت استفاده در فرودگاه‌ها و آمبولانس‌های هوایی و تحقیقات فضایی را خواهند داشت.[3]
استفاده از نانوپودرها در منورها
ذرات با اندازه‌های مختلف طول‌موج‌های متفاوتی از نور را می‌پراکنند. رنگ و واکنش‌پذیری ذرات به اندازه آنها وابسته است.[4] به دلیل هم‌اندازه بودن اندازه برخی نانو پودرها با طول‌موج نور مرئی، این طول‌موج را با تلألؤ بسیار زیادی منتشر می‌کنند؛ مثلاً فلورسانس فلز طلا در حالت نانوپودر بیش از ده برابر حالت معمولی آن است. در منورها یا موادی که نیاز به پراش شدید طیف خاصی از نور مرئی یا مادون‌قرمز است، میتوان از نانو پودرهای فلزی ازجمله طلا استفاده کرد. به‌علاوه میتوان رنگ‌های متکی بر نانو پودر را به‌جای رنگ‌های آلی به کاربرد و هواپیماهایی را که با فرسایش در سرمای شدید ارتفاعات مواجه هستند، رنگ‌آمیزی خاص نمود.[5]
استفاده از نانو ذرات در منورها می‌تواند باعث کاهش هزینه تولید آنها گردد؛ چراکه بازتاب از سطح صورت می‌گیرد و بنابراین یک گرم از نانوپودر نسبت به یک گرم ماده معمولی بازتاب بیشتری دارد.
استفاده از نانو ذرات در منورها می‌تواند باعث کاهش هزینه تولید آنها گردد؛ چراکه بازتاب از سطح صورت می‌گیرد و بنابراین یک گرم از نانوپودر نسبت به یک گرم ماده معمولی بازتاب بیشتری دارد.
تحول در فناوری پیل سوختی
پیل سوختی در شناورها به‌خصوص شناورهای زیرسطحی و زیردریایی‌ها، کاربردهای وسیعی دارد. امروزه روشهای مختلفی برای ذخیره‌سازی هیدروژن موردنیاز در پیل سوختی استفاده میشود؛ ازجمله ذخیره‌سازی به‌صورت مایع که برای آن به دمای بسیار پایین یا فشار بسیار بالایی نیاز است. با استفاده از نانولوله‌های کربنی برای ذخیره هیدروژن دیگر نیازی به دمای پایین، فشار بسیار بالا و تحمل وزن سنگین نخواهد بود. کاهش وزن سرعت بیشتر و مصرف سوخت کمتر را در پی خواهد داشت.
باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا
امروزه انواع مختلفی از باتری‌های قابل شارژ وجود دارند که دارای وزن زیاد و ذخیره انرژی اندکی هستند. این باتری‌ها در شناورها به‌خصوص در قایق‌های تفریحی، زیردریایی‌ها و کشتی‌ها به‌عنوان منبع برق اضطراری کاربرد دارند، امّا انرژی اندکی که ذخیره می‌کنند زمان ماندن زیردریایی‌های دیزل الکتریک در زیر آب را محدود می‌کنند. تنها در موقع حرکت سطحی دیزل قادر به فعالیت است و انرژی الکتریکی تولیدشده دیزل در باتری‌ها ذخیره میشود. در موقع حرکت در زیر سطح آب که به علت دسترسی نداشتن به هوا امکان کار برای دیزل وجود ندارد، از این انرژی الکتریکی استفاده میشود. فناوری نانو با ارائه باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا، زیردریایی‌های دیزل الکتریک را قادر میکند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلی خود در زیر آب بمانند. علاوه بر آن فناوری نانو با کاهش وزن بسته‌های باطری، کاربردهای ارزنده‌ای در فناوری هوافضا، هواپیماهای بدون سرنشین، اتومبیل و شناورهای تفریحی کوچک پدید می‌آورد.
جاذب‌ها
استفاده از جاذبهای انرژی موج دریا، نور خورشید، امواج صوتی و جاذبهای ارتعاشی با جذب انرژی‌های محیطی می‌تواند باعث کاهش هزینه برای تولید انرژی گردند. البته برای چنین استفاده‌ای لازم است از مکملی که بتواند این انرژی‌ها را تبدیل به انرژی الکتریکی کند استفاده کرد. استفاده زیردریایی‌ها و پهبادها از انرژی‌های محیطی باعث میشود مدت زمان مانور آنها افزایش یابد که برای عملیات‌های اطلاعاتی اهمیت بسزایی دارد.
جاذبهای انرژی موج دریا و نور خورشید
فناوری نانو نسل جدیدی از مواد را ارائه میکند که همانند سلولهای فتوالکتریک انرژی موج دریا و نور آفتاب را جذب می‌کنند و به‌مثابه منبع تأمین انرژی خواهند بود. ویژگی منحصربه‌فرد این مواد این است که همانند پوشش‌های معمولی دریایی قابل اتصال به بدنه شناور هستند که می‌تواند مدت دوام شناور در دریا را چندین برابر نماید و از انرژی‌های محیط استفاده کند. استفاده از این منابع انرژی مزیت‌های زیست‌محیطی نیز دارد.
جاذبهای صوتی
این جاذب‌ها نیز مانند جاذبهای ارتعاشی، علیرغم سبک و نازک بودن، انرژی صوت را به‌طور کامل میرا می‌کنند. جاذبهای صوتی امروزی باوجود سنگین و حجیم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردی، بازدهی متفاوتی دارند. فناوری نانو انواعی از جاذبهای صوتی را ارائه میکند که ساختار مولکولی آنها با جهت برخورد صوت و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به‌گونه‌ای که بتوانند بیشترین مقدار انرژی صوت را جذب کنند. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و قسمت داخلی یا خارجی بدنه از این مواد پوشیده میشود.
جاذبهای ارتعاشی
جاذبهای ارتعاشی امروزی، موادی حجیم و سنگین هستند. فناوری نانو با ارائه جاذبهای ارتعاشی جدید، تحول عمیقی را در این زمینه ایجاد خواهد کرد. این نانومواد، انرژی ارتعاشی را به مقدار بسیار بالایی در بین شبکه مولکولی خود ذخیره می‌کنند و ساختارهای مولکولی ویژه آنها تا حد زیادی از انتقال انرژی ارتعاشی به مولکول‌های جانبی جلوگیری میکند؛ بدین ترتیب ارتعاش به‌خوبی مهار میشود. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و اغلب در زیر موتورها و اجزای دوار شناورها نصب می‌گردند.[6]
کاهش هزینه‌های تولید صنعتی
فناوری نانو در کاهش هزینه‌های تولید صنایع نظامی نیز مؤثر است. محققان کشورمان در این زمینه دستاوردهای خوبی داشته‌اند که در زیر به برخی از آنها اشاره میشود.
سنتز مواد نوین مهندسی کاربردی در هوا فضا و صنایع نظامی
تهیه مواد مهندسی با کاربردهای هوافضا و صنایع نظامی، صنایع خودروسازی، صنایع نیروگاهی و توربین‌های گازی و صنایع دما بالا در شرایط خورندگی بالا صورت می‌گیرد. یکی از نیازهای اساسی فناوریهای روزآمد، دستیابی به مواد اولیه با ویژگی‌های مطلوب از قبیل خلوص بالا، فازهای مطلوب، مورفولوژی دلخواه است. از میان روشهای پیشنهادی در جهت دستیابی به مواد اولیه با خواص موردنظر اخیراً روش سنتز احتراقی خودگستر (SHS) توجه بسیاری از محققان را جلب کرده است. صرفه‌جویی در انرژی، سادگی پروسه، سرعت بالای سنتز و زمان پایین واکنش، خلوص بالای محصول و بالاتر از مواد اولیه و سنتز پذیری بالای محصول ازجمله عواملی است که این روش را از فرایندهای متداول سنتز متمایز میکند.
از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع‌رسانی به‌عنوان سه قلمرو علمی نام می‌برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند.فرآیند SHS به‌طور خلاصه، بهره‌گیری از واکنش گرمازای بین اجزای مواد اولیه در جهت گسترش واکنش به کل نمونه پس‌ازاینکه منبع گرمایش اولیه خاموش شد، است. با توجه به اینکه اکثر مواد نوین مهندسی از قبیل سرامیک‌های غیر اکسیدی و اینترمتالیک‌ها ترکیبات به مراتب پایدارتر از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان هستند، لذا کاندیداهای مناسبی برای واکنش SHS محسوب میشوند. از طرف دیگر افزایش دمای نمونه حین سنتز احتراقی حتی تا بالای 0111 درجه سانتی‌گراد سبب تصعید بسیاری از ناخالصی‌ها میشود. با توجه به شرایط غیرتعاملی واکنش، مواد سنتز شده حاوی عیوب ساختاری بسیاری هستند که همین مسئله سبب بهبود سنتز پذیری پودر تهیه‌شده میشود. تلفیق این روش با فعال‌سازی مکانیکی، سنتز ترکیبات نانو ساختار و نانو کامپوزیت‌ها را می‌تواند به ارمغان آورد. تجهیزات موردنظر این روش نسبتاً ساده و در دسترس است و با توجه به انعطاف‌پذیری آن با حداقل امکانات میتوان محصول مورد نظر را با خلوص قابل‌قبول سنتز کرد.
از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع‌رسانی به‌عنوان سه قلمرو علمی نام می‌برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند.فرآیند SHS به‌طور خلاصه، بهره‌گیری از واکنش گرمازای بین اجزای مواد اولیه در جهت گسترش واکنش به کل نمونه پس‌ازاینکه منبع گرمایش اولیه خاموش شد، است. با توجه به اینکه اکثر مواد نوین مهندسی از قبیل سرامیک‌های غیر اکسیدی و اینترمتالیک‌ها ترکیبات به مراتب پایدارتر از عناصر تشکیل‌دهنده‌شان هستند، لذا کاندیداهای مناسبی برای واکنش SHS محسوب میشوند. از طرف دیگر افزایش دمای نمونه حین سنتز احتراقی حتی تا بالای 0111 درجه سانتی‌گراد سبب تصعید بسیاری از ناخالصی‌ها میشود. با توجه به شرایط غیرتعاملی واکنش، مواد سنتز شده حاوی عیوب ساختاری بسیاری هستند که همین مسئله سبب بهبود سنتز پذیری پودر تهیه‌شده میشود. تلفیق این روش با فعال‌سازی مکانیکی، سنتز ترکیبات نانو ساختار و نانو کامپوزیت‌ها را می‌تواند به ارمغان آورد. تجهیزات موردنظر این روش نسبتاً ساده و در دسترس است و با توجه به انعطاف‌پذیری آن با حداقل امکانات میتوان محصول مورد نظر را با خلوص قابل‌قبول سنتز کرد.
ساخت پوشش پیشرفته 10 لایه‌ای با کاربرد نظامی و انرژی هسته‌ای
محققان یکی از شرکت‌های دانش‌بنیان مستقر در شهرک علمی و تحقیقاتی اصفهان برای اولین بار در کشور موفق به ایجاد پوشش 01 لایه تشکیل‌شده از لایههای کریستالی TiN و TiCN و لایههای نانو کامپوزیت TiAlCrSiN و TiAlCrSiCN به روش Evaporation Arc Cathodic-PVD شدند. این پوشش در مقیاس صنعتی ارائه‌شده است. این پوشش کاربرد وسیعی در کنترل سایش قطعات صنعتی اعم از انواع ابزار برشی، انواع قالب‌های گرم کار و سرد کار و دیگر قطعات صنعتی که تحت سایش شدید قرار دارند، دارد.[7]
سنتز نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش خود احتراقی
محققان پژوهشگاه مواد و انرژی ایران موفق به سنتز نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش خود احتراقی فعال‌شده مکانیکی شدند. این نانو کامپوزیت در صنایع دفاعی و هسته‌ای، ابزار برش و مواد ساینده کاربرد دارد. نانو کامپوزیت B4C-SiC به روش سنتز خود احتراقی فعال‌شده مکانیکی ساخته میشود که این سنتز یا کاربید بور به خاطر داشتن ترکیب مناسبی از ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی، مانند سختی بالا، مقاومت به سایش، دمای ذوب بالا، چگالی پایین، جاذب نوترون و پایداری شیمیایی بالا، در انواع ابزار برش، صنعت هسته‌ای، ابزار جنگی و ترمودینامیک به‌کاربرده میشود[8].
پی نوشت
[1] بنی طبای کوپایی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، ص 6.
[2] http://hupaa.com
[3] http://hupaa.com
[4] مقدمه ای برنانو تکنولوژی، ص 155.
[5] بنی طبای کوپایی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، ص 6.
[6] http://hupaa.com
[7]. http://iranetavana.ir/?p=1345
[8]. http://iranetavana.ir/?p=1348
منابع
بنی طبای کوپایی، سیدحسین و جوادصفری و شیوا دهقان خلیلی، مقاله فناوری نانو در عرصه دفاعی و امنیتی، فضای نانو، شماره نوزدهم.
مقدمه‌ای بر نانو تکنولوژی، پوول، چارلز و جی. اون، فرانک؛ موسسه انتشارات یزد،1385.
http://hupaa.com
http://iranetavana.ir
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:24 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
(3).jpg)
رضیه برجیان
نانو ذرات و ویژگی‌های آنها
یکی از عرصه‌های مهم نانوتکنولوژی تولید نانو ذرات است. اصولاً ذرات در مقیاس نانومتری دو ویژگی مهم دارند کـه عبارت‌اند از:
1- قـوانین فیزیـک کلاسـیک در مـورد آنها دیگر کارایی لازم را ندارند؛ و برای تحلیل خواص آنها از قوانین و مبانی مکانیک کوانتومی استفاده میشود.
2- با کاهش اندازه این‌گونه ذرات، نسبت سطح به حجم سیستم زیاد میشود که این ویژگی باعث افـزایش سطح مؤثر و نتیجتاً بهبود بازده فرایندهای فیزیکی و شیمیایی در سطح به‌ویژه واکنش‌های کاتالیستی و نیز افزایش حلالیـت آنها می‌گردد. این خواص جدید کارایی و کاربردهای نانو ذرات را در زمینه‌های پیشرفته فناوری و صنعت ممکن می‌سازد.[1]
هنگامی‌که اندازه ذرات به یک مقدار بحرانی برسد، خواصی نظیر خواص ترمودینامیکی، مغناطیسی، مکانیکی، ساختاری، نوری و الکتریکی آنها دچار تغییر و تابع اندازه‌شان میشود. برای مثال نقطه ذوب ذرات طلا با کوچک شدن اندازه کاهش می‌یابد.[2]
خواص الاستیکی و پلاستیکی نانو ذرات نیز به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، در مقایسه باحالت حجیم بهبود می‌یابد و همچنین سختی‌شان افزایش پیدا میکند. خواص مغناطیسی نانو ذرات نیز تابع اندازه‌شان هست.[3]
یکی از خواص نانو ذرات بالا بودن نسبت سطح به حجم است. به حداکثر رساندن میزان تماس برای افزایش کارایی کاتالیست‌ها ضرورت دارد. بیشترین تأثیر نانو ذرات در کاتالیست و واکنش‌گرها است.
وابستگی خواص نوری نانو ذرات نیمه‌رسانا به اندازه‌شان، موضوع تحقیقات گسترده محققان از دو دهه پیش تاکنون بوده است. ذرات نیم رسانایی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت باحالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می دهند.
آزمایش‌های فراوان ثابت کرده است که طول‌موج شاخه طیف جذبی نانو ذرات نیمه‌رسانا با کاهش اندازه، به‌طرف طول‌موج‌های کوچکتر جابجا میشود. به‌عبارت‌دیگر با کاهش اندازه نانو ذرات نیمه‌رسانا، گاف انرژی آنها افزایش می‌یابد.[4] همچنین طول‌موج بیشینه طیف گسیلی نانو ذرات نیز تابع اندازه هست. این حقیقت (وابستگی خواص نوری به اندازه)، نانو ذرات نیمه‌رسانا را کاندیدای کاربرد در فوتوکاتالیست‌ها، حسگرها، نمایشگرهای تخت، قطعات اپتوالکترونیک، کامپیوترهای کوانتومی، سلولهای خورشیدی و... کرده است.[5] بهره‌گیری از این خواص منحصربه‌فرد نانو ذرات در دیودهای نوری و برچسب‌گزاری‌های بیوتکنولوژیکی، ازجمله موفقیت‌های پژوهشگران این عرصه است.
صفحات آفتابی بهره‌مند از نانو ذرات، کارایی بسیار زیادی در جذب نور به‌ویژه طیف ماورای بنفش آن دارند. به علت اندازه کوچک این ذرات، پراکنش آنها ساده‌تر، قابلیت روکش شدن آنها بهتر و هزینه آنها (به علت مصرف کمتر) پایین‌تر است. همچنین برخلاف صفحات سفید مرسوم، صفحات حاصل از نانو ذرات، شفاف‌اند. این صفحات آفتابی چنان موفق بودند، که 60% بازار صفحات آفتابی استرالیا در سال 2001 را تصاحب کردند.[6]
ذرات نیم رسانایی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت باحالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می دهند.
نانو ذرات فلزی از قبیل طلا، نقره و مس علاوه بر داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بی‌نظیر، دارای خاصیت ضد میکروبی بالایی نیز می‌باشند و در صنایع داروسازی، پزشکی، زیست‌شناسی و حتی الکترونیک و اپتیک از اهمیت زیادی برخوردارند.
یکی از عرصه‌های مهم نانوتکنولوژی تولید نانو ذرات است. اصولاً ذرات در مقیاس نانومتری دو ویژگی مهم دارند کـه عبارت‌اند از:
1- قـوانین فیزیـک کلاسـیک در مـورد آنها دیگر کارایی لازم را ندارند؛ و برای تحلیل خواص آنها از قوانین و مبانی مکانیک کوانتومی استفاده میشود.
2- با کاهش اندازه این‌گونه ذرات، نسبت سطح به حجم سیستم زیاد میشود که این ویژگی باعث افـزایش سطح مؤثر و نتیجتاً بهبود بازده فرایندهای فیزیکی و شیمیایی در سطح به‌ویژه واکنش‌های کاتالیستی و نیز افزایش حلالیـت آنها می‌گردد. این خواص جدید کارایی و کاربردهای نانو ذرات را در زمینه‌های پیشرفته فناوری و صنعت ممکن می‌سازد.[1]
هنگامی‌که اندازه ذرات به یک مقدار بحرانی برسد، خواصی نظیر خواص ترمودینامیکی، مغناطیسی، مکانیکی، ساختاری، نوری و الکتریکی آنها دچار تغییر و تابع اندازه‌شان میشود. برای مثال نقطه ذوب ذرات طلا با کوچک شدن اندازه کاهش می‌یابد.[2]
خواص الاستیکی و پلاستیکی نانو ذرات نیز به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، در مقایسه باحالت حجیم بهبود می‌یابد و همچنین سختی‌شان افزایش پیدا میکند. خواص مغناطیسی نانو ذرات نیز تابع اندازه‌شان هست.[3]
یکی از خواص نانو ذرات بالا بودن نسبت سطح به حجم است. به حداکثر رساندن میزان تماس برای افزایش کارایی کاتالیست‌ها ضرورت دارد. بیشترین تأثیر نانو ذرات در کاتالیست و واکنش‌گرها است.
وابستگی خواص نوری نانو ذرات نیمه‌رسانا به اندازه‌شان، موضوع تحقیقات گسترده محققان از دو دهه پیش تاکنون بوده است. ذرات نیم رسانایی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت باحالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می دهند.
آزمایش‌های فراوان ثابت کرده است که طول‌موج شاخه طیف جذبی نانو ذرات نیمه‌رسانا با کاهش اندازه، به‌طرف طول‌موج‌های کوچکتر جابجا میشود. به‌عبارت‌دیگر با کاهش اندازه نانو ذرات نیمه‌رسانا، گاف انرژی آنها افزایش می‌یابد.[4] همچنین طول‌موج بیشینه طیف گسیلی نانو ذرات نیز تابع اندازه هست. این حقیقت (وابستگی خواص نوری به اندازه)، نانو ذرات نیمه‌رسانا را کاندیدای کاربرد در فوتوکاتالیست‌ها، حسگرها، نمایشگرهای تخت، قطعات اپتوالکترونیک، کامپیوترهای کوانتومی، سلولهای خورشیدی و... کرده است.[5] بهره‌گیری از این خواص منحصربه‌فرد نانو ذرات در دیودهای نوری و برچسب‌گزاری‌های بیوتکنولوژیکی، ازجمله موفقیت‌های پژوهشگران این عرصه است.
صفحات آفتابی بهره‌مند از نانو ذرات، کارایی بسیار زیادی در جذب نور به‌ویژه طیف ماورای بنفش آن دارند. به علت اندازه کوچک این ذرات، پراکنش آنها ساده‌تر، قابلیت روکش شدن آنها بهتر و هزینه آنها (به علت مصرف کمتر) پایین‌تر است. همچنین برخلاف صفحات سفید مرسوم، صفحات حاصل از نانو ذرات، شفاف‌اند. این صفحات آفتابی چنان موفق بودند، که 60% بازار صفحات آفتابی استرالیا در سال 2001 را تصاحب کردند.[6]
ذرات نیم رسانایی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت باحالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می دهند.
نانو ذرات فلزی از قبیل طلا، نقره و مس علاوه بر داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بی‌نظیر، دارای خاصیت ضد میکروبی بالایی نیز می‌باشند و در صنایع داروسازی، پزشکی، زیست‌شناسی و حتی الکترونیک و اپتیک از اهمیت زیادی برخوردارند.
نانو ذرات طلا
یک اتم طلا، باندهای انرژی مستقل دارد اما در Bulk یا توده طلا باندهای انرژی درهم‌فرورفته است. نانو ذرات طلا یک حالت میانی بین اتم‌های مستقل طلا و اتم‌های مجتمع طلا است سایز این ذرات بین 1 تا 100 نانومتر است؛ و باندهای انرژی آن نه کاملاً مستقل است و نه خیلی درهم‌فرورفته است. به‌طورکلی مزیت ذرات نانو این است که برخلاف اتم قابل‌دسترسی است؛ و درعین‌حال خواص آن به خواص کوانتومی اتم نزدیک است. طلا معمولاً به‌عنوان یک فلز بی‌اثر شناخته میشود ولی هنگامی‌که اندازه آن در حد نانومتری میشود خواص آن کاملاً متفاوت میشود.
خرده ذرات نانویی طلا و نقره سال‌ها پیش در قرن دهم به پیگمنت‌هایی رنگی در شیشه‌های رنگی افزوده‌شده است. رنگ به ابعاد این ذرات بستگی دارد. نانو ذرات فلزی به‌ویژه نانو ذرات طلا عوامل حرارتی هدفمندی هستند که کاربردهای فراوان در درمان‌های پزشکی و دارورسانی دارند و با دقت بسیار بالایی اثرات حرارتی در ابعاد زیرسلولی دارد. رسانایی حرارتی نانو ذرات طلای روکش داده‌شده به‌وسیله پلیمرها بررسی‌شده و معلوم شده که افزایش یک حلال به‌طور غیرمنتظره‌ای میزان رسانایی حرارتی لایه روکش را افزایش می‌دهد. نانو ذرات طلا می‌توانند به‌عنوان کاتالیست عمل کنند و مونوکسید کربن را به دی‌اکسید کربن تبدیل کنند.
مواد کامپوزیتی با آرایش یک یا دوبعدی نانو ذرات طلا برای ساخت ابزار نانومقیاس جذاب می‌باشند.
نانو ذرات طلا دارای خاصیت آشکارسازی نیز می‌باشند. در حال حاضر سلولهای زنده را با استفاده از روش طیف‌سنجی رامان مطالعه می‌کنند در طیف‌سنجی رامان با تاباندن نور لیزر بر برخی مواد به طول‌موج اغلب امواج برگشتی از آنها با طول‌موج نور تابیده‌شده مولکول‌های ماده تغییر می‌یابد. ورود نانو ذرات طلا به سلول‌ها، سیگنال‌های رامان را به میزان 5 برابر تقویت میکند، زیرا الکترون‌های سطحی نانو ذرات با نور متفرق شده از سلول تداخل کرده و باعث تقویت آن میشوند.
نانو ذرات طلا می‌توانند به‌عنوان کاتالیست عمل کنند و مونوکسید کربن را به دی‌اکسید کربن تبدیل کنند. نانو ذرات طلا به‌عنوان نانوکاتالیست در حذف آلایندهها با تمیز کردن گازهای خروجی خودروها شدت واکنش‌های شیمیایی مطلوب را افزایش می‌دهند. ذرات طلا، در اندازه‌های نانو، کوچک، نرم‌تر و انعطاف‌پذیر میشوند، لذا موادی که با این نانو ذرات واکنش داده‌اند اجازه حرکت و برهمکنش را خواهند داشت همین امر سبب میشود که طلا در مقیاس نانو خیلی فعال باشد.
به کمک نانو ذرات طلا حتی میتوان سلولهای سرطانی را نابود کرد. این ذرات می‌توانند از طریق یک پوشش مولکولی سازگار زیستی، خود را به سلولهای سرطانی متصل کنند. به کمک لیزر میتوان به این ذرات حرارت داد و این کار را تا آنجا ادامه داد که سلولهای سرطانی مذکور بمیرند، همچنین در هنگام مشاهده مولکول‌های زیستی با یک میکروسکوپ الکترونی، این ذرات می‌توانند به‌عنوان یک ردیاب عمل کنند. در نانو الکترونیک نیز میتوان از نانو ذرات طلا به‌عنوان اجزای مدارهای الکتریکی استفاده کرد.
به کمک نانو ذرات طلا میتوان سلولهای سرطانی را نابود کرد.
نانو ذرات طلا بر روی دی‌اکسید تیتانیوم یا دی‌اکسید سدیم، می‌تواند واکنش‌های لازم برای تولید آزوبنزن‌ها را کاتالیز نماید و این فرایند تحت شرایط ملایم، بیشتر از 98 درصد بازدهی دارد. این روش می‌تواند باعث تولید ارزان‌تر و ایمن‌تر رنگ‌ها برای استفاده در رنگ‌دانه‌ها، افزودنی‌های غذایی و دارو‌ها شود. نانوذرات طلا می‌توانند جاهای خالی (vacancies) در تیتانیا را پایدار کرده، مولکول‌های واکنش‌دهنده آنیلین را فعال نماید و اکسیژن را که به‌عنوان یک واکنش‌دهنده عمل می‌نماید، نیز فعال کنند. آنیلین با دادن یک الکترون به جاهای خالی موجود در تیتانیا یا به اتم‌های طلای کاتیونی، می‌تواند یک کاتیون رادیکالی را تشکیل دهد. در این هنگام واکنش آغاز می‌گردد. اکسیژن هم بر روی جاهای خالی موجود در 2TiO یا CeO2 و یا روی نانو خوشه‌های طلا، فعال میشود. این کار می‌تواند برای استفاده تولیدکنندگان رنگ به‌منظور تولید ترکیبات آزو در مقیاس صنعتی، یک روش زیست سازگار را فراهم نماید.[7]
پی نوشت
[1] علیرضا مشفق، نانو ذرات فلزات نجیب: ساخت، مشخصه یابی و کاربردها.
[2] P. Vargas and D.Laroze, Thermodynamics of three-dimentional magnetic nanoparticles.
[3] Mingfu Zhang, Template-controlled synthesis of magnetic semiconducting nanoparticles within amphiphilic core-shell cylindrical polymer Brushes.
[4] Y. Wang, Non-linear optical properties of nanometer-sized semiconductor clusters.
[5] Singha RK, Ranarib VK, sanagapallias, …2004 solar energy materials.
[6] خبرنامه نانوتکنولوژی، سال سوم، شماره 62، نیمه دوم خرداد، صفحه 14 و 15، 1383.
[7] http://nanotechwed.org/cws/article/tech/37115
خرده ذرات نانویی طلا و نقره سال‌ها پیش در قرن دهم به پیگمنت‌هایی رنگی در شیشه‌های رنگی افزوده‌شده است. رنگ به ابعاد این ذرات بستگی دارد. نانو ذرات فلزی به‌ویژه نانو ذرات طلا عوامل حرارتی هدفمندی هستند که کاربردهای فراوان در درمان‌های پزشکی و دارورسانی دارند و با دقت بسیار بالایی اثرات حرارتی در ابعاد زیرسلولی دارد. رسانایی حرارتی نانو ذرات طلای روکش داده‌شده به‌وسیله پلیمرها بررسی‌شده و معلوم شده که افزایش یک حلال به‌طور غیرمنتظره‌ای میزان رسانایی حرارتی لایه روکش را افزایش می‌دهد. نانو ذرات طلا می‌توانند به‌عنوان کاتالیست عمل کنند و مونوکسید کربن را به دی‌اکسید کربن تبدیل کنند.
مواد کامپوزیتی با آرایش یک یا دوبعدی نانو ذرات طلا برای ساخت ابزار نانومقیاس جذاب می‌باشند.
نانو ذرات طلا دارای خاصیت آشکارسازی نیز می‌باشند. در حال حاضر سلولهای زنده را با استفاده از روش طیف‌سنجی رامان مطالعه می‌کنند در طیف‌سنجی رامان با تاباندن نور لیزر بر برخی مواد به طول‌موج اغلب امواج برگشتی از آنها با طول‌موج نور تابیده‌شده مولکول‌های ماده تغییر می‌یابد. ورود نانو ذرات طلا به سلول‌ها، سیگنال‌های رامان را به میزان 5 برابر تقویت میکند، زیرا الکترون‌های سطحی نانو ذرات با نور متفرق شده از سلول تداخل کرده و باعث تقویت آن میشوند.
نانو ذرات طلا می‌توانند به‌عنوان کاتالیست عمل کنند و مونوکسید کربن را به دی‌اکسید کربن تبدیل کنند. نانو ذرات طلا به‌عنوان نانوکاتالیست در حذف آلایندهها با تمیز کردن گازهای خروجی خودروها شدت واکنش‌های شیمیایی مطلوب را افزایش می‌دهند. ذرات طلا، در اندازه‌های نانو، کوچک، نرم‌تر و انعطاف‌پذیر میشوند، لذا موادی که با این نانو ذرات واکنش داده‌اند اجازه حرکت و برهمکنش را خواهند داشت همین امر سبب میشود که طلا در مقیاس نانو خیلی فعال باشد.
به کمک نانو ذرات طلا حتی میتوان سلولهای سرطانی را نابود کرد. این ذرات می‌توانند از طریق یک پوشش مولکولی سازگار زیستی، خود را به سلولهای سرطانی متصل کنند. به کمک لیزر میتوان به این ذرات حرارت داد و این کار را تا آنجا ادامه داد که سلولهای سرطانی مذکور بمیرند، همچنین در هنگام مشاهده مولکول‌های زیستی با یک میکروسکوپ الکترونی، این ذرات می‌توانند به‌عنوان یک ردیاب عمل کنند. در نانو الکترونیک نیز میتوان از نانو ذرات طلا به‌عنوان اجزای مدارهای الکتریکی استفاده کرد.
به کمک نانو ذرات طلا میتوان سلولهای سرطانی را نابود کرد.
نانو ذرات طلا بر روی دی‌اکسید تیتانیوم یا دی‌اکسید سدیم، می‌تواند واکنش‌های لازم برای تولید آزوبنزن‌ها را کاتالیز نماید و این فرایند تحت شرایط ملایم، بیشتر از 98 درصد بازدهی دارد. این روش می‌تواند باعث تولید ارزان‌تر و ایمن‌تر رنگ‌ها برای استفاده در رنگ‌دانه‌ها، افزودنی‌های غذایی و دارو‌ها شود. نانوذرات طلا می‌توانند جاهای خالی (vacancies) در تیتانیا را پایدار کرده، مولکول‌های واکنش‌دهنده آنیلین را فعال نماید و اکسیژن را که به‌عنوان یک واکنش‌دهنده عمل می‌نماید، نیز فعال کنند. آنیلین با دادن یک الکترون به جاهای خالی موجود در تیتانیا یا به اتم‌های طلای کاتیونی، می‌تواند یک کاتیون رادیکالی را تشکیل دهد. در این هنگام واکنش آغاز می‌گردد. اکسیژن هم بر روی جاهای خالی موجود در 2TiO یا CeO2 و یا روی نانو خوشه‌های طلا، فعال میشود. این کار می‌تواند برای استفاده تولیدکنندگان رنگ به‌منظور تولید ترکیبات آزو در مقیاس صنعتی، یک روش زیست سازگار را فراهم نماید.[7]
پی نوشت
[1] علیرضا مشفق، نانو ذرات فلزات نجیب: ساخت، مشخصه یابی و کاربردها.
[2] P. Vargas and D.Laroze, Thermodynamics of three-dimentional magnetic nanoparticles.
[3] Mingfu Zhang, Template-controlled synthesis of magnetic semiconducting nanoparticles within amphiphilic core-shell cylindrical polymer Brushes.
[4] Y. Wang, Non-linear optical properties of nanometer-sized semiconductor clusters.
[5] Singha RK, Ranarib VK, sanagapallias, …2004 solar energy materials.
[6] خبرنامه نانوتکنولوژی، سال سوم، شماره 62، نیمه دوم خرداد، صفحه 14 و 15، 1383.
[7] http://nanotechwed.org/cws/article/tech/37115
منابع
علیرضا مشفق، نانو ذرات فلزات نجیب: ساخت، مشخصه یابی و کاربردها، کنفرانس فیزیک ایران، 1386.
P. Vargas and D.Laroze, Thermodynamics of three-dimentional magnetic nanoparticles, Journal of magnetism and magnetic Voumes 272-27, pages 1343-1346, 2004.
Mingfu Zhang, Template-controlled synthesis of magnetic semiconducting nanoparticles within amphiphilic core-shell cylindrical polymer Brushes, PHD Thesis, Gedoren in Anhui China, Bayreuth,2004
Y. Wang, Non-linear optical properties of nanometer-sized semiconductor clusters, Acc.Chem.Res.24,1991,133-139.
Singha RK, Ranarib VK, sanagapallias, …2004 solar energy materials, solar cells 82, 315-330.
خبرنامه نانوتکنولوژی، سال سوم، شماره 62، نیمه دوم خرداد، صفحه 14 و 15، 1383.
http://nanotechwed.org
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:24 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
(4).jpg)
رضیه برجیان
نانو ذرات و ویژگی‌های آنها
می‌دانیم آنگاه که در رابطه با خواص مواد حجیم بحث میشود نیازی به مشخص کردن تعداد اتم‌های ماده نیست و همه خصوصیات شیمیایی و فیزیکی ماده بدون در نظر گرفتن اندازه جامد بیان میشود. علت این امر آن است که در یک جسم جامد تعداد اتم‌ها به‌قدری زیاد است که نیازی به این نیست که مشخص کنیم چه تعداد از اتم‌ها بر روی سطح قرار می‌گیرند. از طرفی آزمایش‌های مختلف ثابت کرده‌اند که اتم‌های سطحی خواصی کاملاً متفاوت با اتم‌های درون حجم جامد دارند. گرچه همان‌گونه که گفته شد در یک ماده حجیم از سهم اتم‌های سطحی میتوان صرف‌نظر کرد ولی با کاهش اندازه از یک اندازه بحرانی که به نوع ماده بستگی دارد دیگر نمی‌توان سهم اتم‌های سطحی را نادیده گرفت.[1] طبق تعریف جوامع علمی مرتبط با نانوفنّاوری، یک نانوذره به ذره‌ای گفته میشود که ابعادی بین یک تا 100 نانومتر داشته باشد. نانوذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته میشوند.
مطالعه و تحقیق در مورد نانو ذرات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش‌یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار میآید از موضوعات جالب و موردعلاقه محققان از دو دهه پیش تاکنون بوده است.[2] مباحث نظری نانو ذرات ابتدا در سال 1982 توسط ایفورز[3] مطرح گردید.[4] برخی از مهم‌ترین کاربردهای این نوع ذرات عبارت‌اند از: کاربرد در داروسازی و ژن‌درمانی، تهیه مارکرهای فلورسانس بیولوژیک، ردیابی بیولوژیک عوامل بیماری‌زا، ردیابی پروتئین‌ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسی بافت، نابود کردن تومورها از طریق گرمایش سلولی (lyrer thermia)، جداسازی و خالص نمودن مولکول‌های زیستی و سلول‌ها، ازدیاد کنترست (زمینه‌سازی) در تصویربرداری پزشکی (MRI) و نهایتاً مطالعه سرعت رفتارهای سلولی و phago-kinetic.
همان‌طور که اشاره شد تولید ذرات نانو در ابعاد پروتئین‌های سلولی سبب شده است تا از آنها به‌عنوان مارکرهای زیستی استفاده شود. البته اندازه ذره برای موادی که می‌بایست در سیستم‌های بیولوژیک وارد و تأثیرگذار باشند شرط اول مطالعه است. یکی از خواص نانو ذرات بالا بودن نسبت سطح به حجم است. به حداکثر رساندن میزان تماس برای افزایش کارآیی کاتالیست‌ها ضرورت دارد. بیشترین تأثیر نانوذرات در کاتالیست و واکنش‌گرها است.[5] نانوذرات فلزی از قبیل طلا، نقره و مس علاوه بر داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بی‌نظیر، خاصیت ضد میکروبی بالایی نیز دارند و در صنایع داروسازی، پزشکی، زیست‌شناسی و حتی الکترونیک و اپتیک از اهمیت زیادی دارند.
مطالعه و تحقیق در مورد نانو ذرات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش‌یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار میآید از موضوعات جالب و موردعلاقه محققان از دو دهه پیش تاکنون بوده است.[2] مباحث نظری نانو ذرات ابتدا در سال 1982 توسط ایفورز[3] مطرح گردید.[4] برخی از مهم‌ترین کاربردهای این نوع ذرات عبارت‌اند از: کاربرد در داروسازی و ژن‌درمانی، تهیه مارکرهای فلورسانس بیولوژیک، ردیابی بیولوژیک عوامل بیماری‌زا، ردیابی پروتئین‌ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسی بافت، نابود کردن تومورها از طریق گرمایش سلولی (lyrer thermia)، جداسازی و خالص نمودن مولکول‌های زیستی و سلول‌ها، ازدیاد کنترست (زمینه‌سازی) در تصویربرداری پزشکی (MRI) و نهایتاً مطالعه سرعت رفتارهای سلولی و phago-kinetic.
همان‌طور که اشاره شد تولید ذرات نانو در ابعاد پروتئین‌های سلولی سبب شده است تا از آنها به‌عنوان مارکرهای زیستی استفاده شود. البته اندازه ذره برای موادی که می‌بایست در سیستم‌های بیولوژیک وارد و تأثیرگذار باشند شرط اول مطالعه است. یکی از خواص نانو ذرات بالا بودن نسبت سطح به حجم است. به حداکثر رساندن میزان تماس برای افزایش کارآیی کاتالیست‌ها ضرورت دارد. بیشترین تأثیر نانوذرات در کاتالیست و واکنش‌گرها است.[5] نانوذرات فلزی از قبیل طلا، نقره و مس علاوه بر داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بی‌نظیر، خاصیت ضد میکروبی بالایی نیز دارند و در صنایع داروسازی، پزشکی، زیست‌شناسی و حتی الکترونیک و اپتیک از اهمیت زیادی دارند.
نانو ذرات نقره
نقره درواقع یکی از قدیمی‌ترین فلزات مورداستفاده بشر بوده است و بر اساس مستندات تاریخی از مدت‌ها پیش مردم کشورهای مختلف جهان از خواص میکروب‌کشی نقره استفاده می‌کردند. برای مثال در جنگ‌ها روی زخم سربازان سکه‌ای از جنس نقره قرار می‌دادند و سپس محل زخم را می‌بستند یا برای نگهداری مواد غذایی از ظروف نقره‌ای استفاده می‌کردند. داستان خاصیت ضد میکروبی نقره، داستان معاصری نیست، بلکه این خاصیت از دیرباز شناخته‌شده و به کار می‌رفته است. تاکنون دانشمندان مکانیسم‌های متفاوتی را برای تبیین اثرگذاری نقره بر میکروب‌ها یافته‌اند و درواقع به دلیل همین تعدد مکانیسم‌هاست که میکروب‌ها نمی‌توانند نسبت به نقره سازگار شوند یا مقاومت پیدا کنند. امروزه به مدد فناوری نانو ساخت ذرات نقره در ابعاد نانو میسر شده است. در این ابعاد، ذرات نانو نقره به ما این امکان را می‌دهند که با کمترین غلظت، خاصیت ضد میکروبی بسیار قوی را از فلز نقره شاهد باشیم.
هم‌اکنون با وجود رشد فناوری نانو و اطلاع از خواص نانو ذرات و مقایسه آن با مواد توده‌ای، توجه زیادی به سنتز نانو ذرات نقره شده است که به نظر میرسد این توجه ویژه به دلیل خواص منحصربه‌فرد نقره از جمله خاصیت ضدمیکروبی این فلز در مقیاس نانو باشد. تحقیقات متنوعی روی انواع میکروب‌ها از نظر اثرگذاری ذرات نانو نقره صورت گرفته است و تاکنون بیش از 600 نوع میکروب اثرپذیر شناخته‌شده‌اند که از آن جمله میتوان حتی به ویروس ایدز نیز اشاره کرد.[6]
در آینده از نانوساختارهای فلزی خصوصاً نانوذرات نقره میتوان در ابزارهای لیزری استفاده کرد. تشدید پلاسمون سطحی نانوساختارهای فلزی، کاربردهای بسیار زیادی دارند. حضور نانوذرات نقره حتی در طول‌های پراکندگی بسیار ضعیف به خروجی‌ای با غلظت بالا منجر میشود. پلاسمون سطحی نقشی مهم در عملکرد لیزر ایفا میکند. در ساخت این‌گونه لیزرها نانوذرات نقره دو مزیت دارد: اولاً اینکه مدهای نوری جای گزیده در نزدیکی سطح نانوذرات نقره، منجر به ایجاد خروجی بالا برای لیزر میشود، دیگر اینکه خصوصیات پراکندگی، به شکل انعطاف‌پذیر، از طریق اندازه و شکل نانوذرات کنترل میشوند و در قیاس با نانوذرات دی الکتریکی، به شکل قابل‌توجهی در انتقال نور در سیستم‌های تصادفی سهیم هستند.[7]
تحقیقات متنوعی روی انواع میکروب‌ها از نظر اثرگذاری ذرات نانو نقره صورت گرفته است و تاکنون بیش از 600 نوع میکروب اثرپذیر شناخته‌شده‌اند که از آن جمله میتوان حتی به ویروس ایدز نیز اشاره کرد.
دانشمندان اخیراً کشف کردند که شکل، رنگ و خواص نوری نانوذرات نقره را میتوان ظرف چند دقیقه با روشی آسان و ارزان کنترل کرد. با تطبیق pH نانوذرات معلق در محلول، میتوان به‌آسانی نانومنشورهای نقره را به نانوصفحه (Nanodisc) تبدیل کرد. این امر می‌تواند خواص پراش نور ذرات را برای کاربردهای ممکن افزایش دهد. یکی از کاربردهای کنترل شکل و رنگ در اندازه نانو که دانشمندان بیان کرده‌اند، افزایش اثرات SERS است؛ از آنجا که SERS قادر به پراکندگی نور در طول‌موج‌های مختلف را دارد، در کاربردهایی مثل تجزیه مواد و تقویت ارتباطات تلفنی استفاده میشود.[8]
در کل دو مکانیسم عمده نانو نقره‌ها عبارت‌اند از:
1- مکانیسم کاتالیستی: تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر در مورد کامپوزیت‌های نانو نقره‌ای صدق میکند که روی پایه‌های نیمه‌هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرارگرفته میشود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید میکند که هر دو از بنیان‌های فعال و از قوی‌ترین عاملین ضد میکربی نیز می‌باشند.
2- مکانیسم یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به‌وسیله تبدیل پیوندهای SH- به Sag-
در این مکانیسم ذرات نانو نقره فلزی به‌مرورزمان یون‌های نقره از خود ساطع می‌کنند. این یون‌ها طی واکنش جانشینی، باندهای SH- را در جداره میکروارگانیسم به باندهای Sag- تبدیل می‌کنند که نتیجه آن واکنش تلف شدن میکروارگانیسم است.
هم‌اکنون با وجود رشد فناوری نانو و اطلاع از خواص نانو ذرات و مقایسه آن با مواد توده‌ای، توجه زیادی به سنتز نانو ذرات نقره شده است که به نظر میرسد این توجه ویژه به دلیل خواص منحصربه‌فرد نقره از جمله خاصیت ضدمیکروبی این فلز در مقیاس نانو باشد. تحقیقات متنوعی روی انواع میکروب‌ها از نظر اثرگذاری ذرات نانو نقره صورت گرفته است و تاکنون بیش از 600 نوع میکروب اثرپذیر شناخته‌شده‌اند که از آن جمله میتوان حتی به ویروس ایدز نیز اشاره کرد.[6]
در آینده از نانوساختارهای فلزی خصوصاً نانوذرات نقره میتوان در ابزارهای لیزری استفاده کرد. تشدید پلاسمون سطحی نانوساختارهای فلزی، کاربردهای بسیار زیادی دارند. حضور نانوذرات نقره حتی در طول‌های پراکندگی بسیار ضعیف به خروجی‌ای با غلظت بالا منجر میشود. پلاسمون سطحی نقشی مهم در عملکرد لیزر ایفا میکند. در ساخت این‌گونه لیزرها نانوذرات نقره دو مزیت دارد: اولاً اینکه مدهای نوری جای گزیده در نزدیکی سطح نانوذرات نقره، منجر به ایجاد خروجی بالا برای لیزر میشود، دیگر اینکه خصوصیات پراکندگی، به شکل انعطاف‌پذیر، از طریق اندازه و شکل نانوذرات کنترل میشوند و در قیاس با نانوذرات دی الکتریکی، به شکل قابل‌توجهی در انتقال نور در سیستم‌های تصادفی سهیم هستند.[7]
تحقیقات متنوعی روی انواع میکروب‌ها از نظر اثرگذاری ذرات نانو نقره صورت گرفته است و تاکنون بیش از 600 نوع میکروب اثرپذیر شناخته‌شده‌اند که از آن جمله میتوان حتی به ویروس ایدز نیز اشاره کرد.
دانشمندان اخیراً کشف کردند که شکل، رنگ و خواص نوری نانوذرات نقره را میتوان ظرف چند دقیقه با روشی آسان و ارزان کنترل کرد. با تطبیق pH نانوذرات معلق در محلول، میتوان به‌آسانی نانومنشورهای نقره را به نانوصفحه (Nanodisc) تبدیل کرد. این امر می‌تواند خواص پراش نور ذرات را برای کاربردهای ممکن افزایش دهد. یکی از کاربردهای کنترل شکل و رنگ در اندازه نانو که دانشمندان بیان کرده‌اند، افزایش اثرات SERS است؛ از آنجا که SERS قادر به پراکندگی نور در طول‌موج‌های مختلف را دارد، در کاربردهایی مثل تجزیه مواد و تقویت ارتباطات تلفنی استفاده میشود.[8]
در کل دو مکانیسم عمده نانو نقره‌ها عبارت‌اند از:
1- مکانیسم کاتالیستی: تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر در مورد کامپوزیت‌های نانو نقره‌ای صدق میکند که روی پایه‌های نیمه‌هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرارگرفته میشود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید میکند که هر دو از بنیان‌های فعال و از قوی‌ترین عاملین ضد میکربی نیز می‌باشند.
2- مکانیسم یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به‌وسیله تبدیل پیوندهای SH- به Sag-
در این مکانیسم ذرات نانو نقره فلزی به‌مرورزمان یون‌های نقره از خود ساطع می‌کنند. این یون‌ها طی واکنش جانشینی، باندهای SH- را در جداره میکروارگانیسم به باندهای Sag- تبدیل می‌کنند که نتیجه آن واکنش تلف شدن میکروارگانیسم است.
برخی از خصوصیات نانوذرات نقره
1-تأثیر بسیار زیاد
2-تأثیر سریع
3-غیر سمی
4-غیر محرک برای بدن
5-غیر حساسیت‌زا
6-قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)
7- آبدوست بودن
8-سازگاری با محیط‌زیست
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.
2-تأثیر سریع
3-غیر سمی
4-غیر محرک برای بدن
5-غیر حساسیت‌زا
6-قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)
7- آبدوست بودن
8-سازگاری با محیط‌زیست
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.
پی نوشت
[1] M.Kundu, A.A.Khosravi, S.K.Kul karni, P.singh, synthesis and study of organically capped ultra small clusters of cadmium sulphid, journal of materials sience 32, 245D258, 1997.
[2] S.V Gaponenko, Optical properties of semiconductor nanocrystals, Cambridge uni, Press, 1998.
[3] AL.Efors
[4] AL. Efors and A.L Efors, Interband Absorption of light in a semicond.16,772,1982.
[5] Y. Wang, Non-linear optical properties of nanometer-sized semiconductor clusters, Acc.Chem.Res.24,1991,133-139.
[6] صفوی، بهاره، معجزه ذرات نقره در صنعت بسته‌بندی، روزنامه جام جم، شماره 2386، 36/6/87، صفحه 12.
[7] http://www.physorg.com/news132230400.html.1
[8] مجله nanotechnology، شماره ماه جولای، 2007.
منابع
M.Kundu, A.A.Khosravi, S.K.Kul karni, P.singh, synthesis and study of organically capped ultra small clusters of cadmium sulphid, journal of materials sience 32, 245D258, 1997.
S.V Gaponenko, Optical properties of semiconductor nanocrystals, Cambridge uni, Press, 1998.
AL.Efors
AL. Efors and A.L Efors, Interband Absorption of light in a semicond.16,772,1982.
Y. Wang, Non-linear optical properties of nanometer-sized semiconductor clusters, Acc.Chem.Res.24,1991,133-139.
صفوی، بهاره، معجزه ذرات نقره در صنعت بسته‌بندی، روزنامه جام جم، شماره 2386، 36/6/87، صفحه 12.
http://www.physorg.com/news132230400.html.1
مجله nanotechnology، شماره ماه جولای، 2007.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:23 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
.jpg)
رضیه برجیان
نانوذرات نقره و روشهای تولید آنها
نانوتکنولوژی عبارت است از دستکاری دقیق و کنترل‌شده ساختار اتمی یا مولکولی مواد در مقیاس نانو به‌منظور تهیه ریز ذراتی با خصوصیات نوظهور و کاربردهای خاص. نانوذرات عبارت‌اند از ذرات اولیه‌ای که حداقل یک بعد از آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. ذرات در این مقیاس دارای خواص جدیدی هستند که اگر به‌درستی سنتز شوند می‌توانند درزمینه‌های علوم پزشکی، صنایع الکترونیک، انرژی، بیوتکنولوژی و زیست‌محیطی به کار گرفته شوند. نانو ذرات فلزی ازجمله طلا، نقره و پلاتین به‌طور گسترده‌ای در تحقیقات دارویی به‌کاربرده شده‌اند. در این میان نانو ذرات نقره به به‌عنوان ماده‌ای با خاصیت ضدمیکروبی قوی اهمیتی دوچندان یافته است.[1]
نانوذرات نقره کاربردهای فراوانی در علوم مختلـف ماننـد پزشکی، داروسـازی، فیزیـک و شـیمی دارنـد. نـانوذرات نقـره بـه دلیـل رسانایی خوب، پایـداری شیمیایی، خـواص فتونیـکی و اپتوالکترونیک بسیار مـورد توجـه محققـان هسـتند. در زمینـه تحقیقات مرتبط با علوم زیست‌شناسی نانوذرات نقره به‌عنوان عامـل باکتری‌کش استفاده‌شده‌اند و در ردیابی DNA نیـز کـاربرد پیداکرده‌اند. برای سنتزنانوذرات، روشهای فیزیکی، زیستی و شـیمیایی متفـاوتی عرضـه شده‌اند. از جملـه روشهای فیزیکـی و شیمیایی میتوان به روشهای تابش الکترونی، فرسایش لیزری، امــــواج میکروویــــو، روش احیــــا شــــیمیایی، احیــــا الکتروشیمیایی و لیتوگرافی اشاره کـرد.[2] اکثر روشهای تولید نانوذرات گرانقیمت بوده و در مراحل کار از مواد سمی استفاده میشود. متعاقباً مواد مذکور در ساختار نانوذرات حضورداشته و همین امر سبب عدم استفاده آنها در کاربردهای زیستی میشود.[3] چراکه بـرای سلامتی انسان مضر هستند و محیط‌زیست را آلوده می کنند و از سـوی دیگر در تولید در مقیاس صنعتی هزینه‌بر هسـتند و توجیه اقتصادی ندارند. [4] به همین علت نیاز است نانوذرات با موادی سنتز شوند که تولیدمواد سمی نکنند و علاوه بر سازگاری با محیط‌زیست با هزینه‌ای کمتر و بازدهی بالاتر اهداف موردنظر را محقق کنند. یکی از روشهای تولید نانوذرات، روش سنتز زیستی است. در این روش از مواد طبیعی مانند گیاهان و همچنین میکروارگانیسم‌ها به‌منظور سنتز نانو ذرات استفاده می‌کنند.[5]
روشهای زیستی سـنتز نانوذرات توسعه یافته‌اند تـا نـانوذراتی سـازگار بـا محیط‌زیست و ارزان‌قیمت تولید گردد. بیوسـنتز نـانوذرات توسـط میکروب‌ها به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای روشهای رایج شیمیایی به‌منظور تولیـد نـانوذرات موردتوجه قرارگرفته اسـت. همین طور هم سـنتز سـبز نانوذرات نقره توسط باکتری‌ها و قارچ‌های مختلف قبلاً موردمطالعه قرارگرفته است.[6]
در روشهای سنتز بیولوژیک میتوان از سنتز خارج سلولی میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها یا عصاره‌های گیاهی برای تولید نانوذرات استفاده کرد. به‌تازگی، فرآیندهای سبز برای سنتز نانوذرات در حال تبدیل شدن به یک شاخه مهم از نانوتکنولوژی هستند. سنتز نانوذرات با روشهای بیولوژیکی یک روش پاک، غیرسمی سازگار با محیط‌زیست است که سنتز نانوذرات با طیف گسترده‌ای از اندازه، شکل، ترکیب و خواص فیزیکوشیمیایی را پیشنهاد میکند.[7] امروزه به علت وجود مقاومت دارویی، درمان بسیاری از بیماری‌های باکتریایی دچار مشکل شده است. بر همین اساس کشف راه‌های جدید برای مبارزه با این پاتوژنها حائز اهمیت است. آنتی‌بیوتیک‌های جدید شناسایی‌شده که دارای فعالیت مناسبی علیه باکتریهای مقاوم باشند، بسیار کم بوده است. به همین دلیل مطالعات اخیردرزمینه? بررسی اثرات ضدمیکروبی با منشأ گیاهی و منابع غذایی طبیعی متمرکزشده است. در این شرایط گیاهان به علت سازگاری که با بدن و محیط‌زیست دارند گزینه‌ی مناسبی می‌باشند.[8]
نانوذرات نقره کاربردهای فراوانی در علوم مختلـف ماننـد پزشکی، داروسـازی، فیزیـک و شـیمی دارنـد. نـانوذرات نقـره بـه دلیـل رسانایی خوب، پایـداری شیمیایی، خـواص فتونیـکی و اپتوالکترونیک بسیار مـورد توجـه محققـان هسـتند. در زمینـه تحقیقات مرتبط با علوم زیست‌شناسی نانوذرات نقره به‌عنوان عامـل باکتری‌کش استفاده‌شده‌اند و در ردیابی DNA نیـز کـاربرد پیداکرده‌اند. برای سنتزنانوذرات، روشهای فیزیکی، زیستی و شـیمیایی متفـاوتی عرضـه شده‌اند. از جملـه روشهای فیزیکـی و شیمیایی میتوان به روشهای تابش الکترونی، فرسایش لیزری، امــــواج میکروویــــو، روش احیــــا شــــیمیایی، احیــــا الکتروشیمیایی و لیتوگرافی اشاره کـرد.[2] اکثر روشهای تولید نانوذرات گرانقیمت بوده و در مراحل کار از مواد سمی استفاده میشود. متعاقباً مواد مذکور در ساختار نانوذرات حضورداشته و همین امر سبب عدم استفاده آنها در کاربردهای زیستی میشود.[3] چراکه بـرای سلامتی انسان مضر هستند و محیط‌زیست را آلوده می کنند و از سـوی دیگر در تولید در مقیاس صنعتی هزینه‌بر هسـتند و توجیه اقتصادی ندارند. [4] به همین علت نیاز است نانوذرات با موادی سنتز شوند که تولیدمواد سمی نکنند و علاوه بر سازگاری با محیط‌زیست با هزینه‌ای کمتر و بازدهی بالاتر اهداف موردنظر را محقق کنند. یکی از روشهای تولید نانوذرات، روش سنتز زیستی است. در این روش از مواد طبیعی مانند گیاهان و همچنین میکروارگانیسم‌ها به‌منظور سنتز نانو ذرات استفاده می‌کنند.[5]
روشهای زیستی سـنتز نانوذرات توسعه یافته‌اند تـا نـانوذراتی سـازگار بـا محیط‌زیست و ارزان‌قیمت تولید گردد. بیوسـنتز نـانوذرات توسـط میکروب‌ها به‌عنوان یک جایگزین مناسب برای روشهای رایج شیمیایی به‌منظور تولیـد نـانوذرات موردتوجه قرارگرفته اسـت. همین طور هم سـنتز سـبز نانوذرات نقره توسط باکتری‌ها و قارچ‌های مختلف قبلاً موردمطالعه قرارگرفته است.[6]
در روشهای سنتز بیولوژیک میتوان از سنتز خارج سلولی میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها یا عصاره‌های گیاهی برای تولید نانوذرات استفاده کرد. به‌تازگی، فرآیندهای سبز برای سنتز نانوذرات در حال تبدیل شدن به یک شاخه مهم از نانوتکنولوژی هستند. سنتز نانوذرات با روشهای بیولوژیکی یک روش پاک، غیرسمی سازگار با محیط‌زیست است که سنتز نانوذرات با طیف گسترده‌ای از اندازه، شکل، ترکیب و خواص فیزیکوشیمیایی را پیشنهاد میکند.[7] امروزه به علت وجود مقاومت دارویی، درمان بسیاری از بیماری‌های باکتریایی دچار مشکل شده است. بر همین اساس کشف راه‌های جدید برای مبارزه با این پاتوژنها حائز اهمیت است. آنتی‌بیوتیک‌های جدید شناسایی‌شده که دارای فعالیت مناسبی علیه باکتریهای مقاوم باشند، بسیار کم بوده است. به همین دلیل مطالعات اخیردرزمینه? بررسی اثرات ضدمیکروبی با منشأ گیاهی و منابع غذایی طبیعی متمرکزشده است. در این شرایط گیاهان به علت سازگاری که با بدن و محیط‌زیست دارند گزینه‌ی مناسبی می‌باشند.[8]
نمونه هایی از بیوسنتز
از مـایع رویـی کشـت قـارچ فوزاریـوم مونیلیفـورم برای تولید نانوذرات نقره در مقیاس آزمایشگاهی استفاده شده است. Klaus و همکارانش تولید نانوذرات نقره شش ضلعی ونیـز کـروی را توسـط بـاکتری سـودوموناس اسـتوتزری AG259 ثابـت کرده‌اند. سنتز سـبز بـا اسـتفاده از گیاهـان نیز انجام‌شده است. در سال 2010 سنتزنانوذرات نقـره بـا اسـتفاده از پوسـت مـوز گزارش شد.[9]
چای با نام علمی بعد از آب محبوب‌ترین نوشیدنی جهان به شمار می‌رود. چای دارای خواص درمانی زیادی ازجمله محافظت در برابر بیماری‌های قلبی و عروقی، سرطان، کلسترول و تصلب شرایین است. چای سبز یکی از انواع گونه‌های چای است که در طول فرآیند آماده‌سازی کمترین فرآیند اکسیداسیون بر روی آن انجام‌شده است. به علت تنوع در شرایط رشد و مراحل آماده‌سازی و زمان برداشت، گونه‌های چای سبز متفاوتی وجود دارد. تاکنون تحقیقات زیادی درزمینه سنتز نانوذرات فلزات توسط عصاره‌ی گیاهان انجام‌شده است. برخی محققان از عصاره گیاهان کاج، خرمالو، جینگو، ماگنولیا و چنار برای تهیه نانوذرات نقره توسط محلول آبی AgNO3 استفاده کرده‌اند. چندرن و همکاران توسط عصاره گیاه آلوئه ورا نانوذرات نقره را با اندازه 4/2 تا 15/2 نانومتر سنتز کرده‌اند. گروه تحقیقاتی جین از عصاره گیاه پاپایا به‌منظور سنتز نانو ذرات نقره استفاده کرده و اندازه آنها را 15 نانومتر گزارش کرده‌اند. درجایی دیگر توسط عصاره چای و قهوه نانوذرات نقره و پالادیم با اندازه تقریبی 20 تا 60 نانومتر تهیه شد.[10] نانوذرات نقره از عصاره گلهای کاتارانتوس روزئوس، زیزیفوس اسپینا کرسیتی، اکالیپتوس کاملیا سیننسی، عصاره پودر دانه کومینوم سیمیموم و غیره به دست آمده است.[11]
روشهای زیستی سـنتز نانوذرات توسعه یافته‌اند تـا نـانوذراتی سـازگار بـا محیط‌زیست و ارزان‌قیمت تولید گردد.
یکی از خصوصیات بارز نانوذرات نقره خاصیت ضدمیکروبی آن است، به همین علت محققان پژوهشهای زیادی را در این زمینه انجام داده‌اند. نانو ذرات نقره ایجادشده توسط عصاره سیب با اندازه تقریبی 5/26 تا 30/25 نانومتر می‌تواند باکتری-های اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس و پسودوموناس آئروژینوزا و استافیلوکوکوس مقاوم به پنی سیلین را مهار کند.
محققان ایرانی نیز با بهینه‌سازی و مشخصه یابی و بررسی فعالیت ضدباکتریایی نانوذرات طلای بیوسنتز شده توسط عصاره آبی گیاه آقطی دریافتند نانوذرات کروی طلا با اندازه متوسط 11 تا 17 نانومتر از فعالیت ضدباکتریایی نسبتاً خوبی علیه باکتریهای استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس، اشرشیاکلی و سالمونال اینتریتیدیس برخوردارند. گروهی دیگر از محققان کشورمان پس از بررسی خاصیت ضدباکتریایی عصاره‌های اتانولی، متانولی و آبی برگ گیاه چای سبز در برابر باکتریهای استافیلوکوکوس اورئوس و اشرشیاکلی و تعیین حداقل غلظت مهارکنندگی آن، به سنتز نانوذرات نقره توسط عصاره آبی چای سبز پرداخته و قدرت ضدباکتریایی آن با سه عصاره مذکور را بررسی و مقایسه کردند.[12]
گروهی دیگر نیز با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس به عنوان عامل احیاکننده در بیوسنتز سازگار با محیط زیست نانوذرات نقره را تولید کردند.[13]
چای با نام علمی بعد از آب محبوب‌ترین نوشیدنی جهان به شمار می‌رود. چای دارای خواص درمانی زیادی ازجمله محافظت در برابر بیماری‌های قلبی و عروقی، سرطان، کلسترول و تصلب شرایین است. چای سبز یکی از انواع گونه‌های چای است که در طول فرآیند آماده‌سازی کمترین فرآیند اکسیداسیون بر روی آن انجام‌شده است. به علت تنوع در شرایط رشد و مراحل آماده‌سازی و زمان برداشت، گونه‌های چای سبز متفاوتی وجود دارد. تاکنون تحقیقات زیادی درزمینه سنتز نانوذرات فلزات توسط عصاره‌ی گیاهان انجام‌شده است. برخی محققان از عصاره گیاهان کاج، خرمالو، جینگو، ماگنولیا و چنار برای تهیه نانوذرات نقره توسط محلول آبی AgNO3 استفاده کرده‌اند. چندرن و همکاران توسط عصاره گیاه آلوئه ورا نانوذرات نقره را با اندازه 4/2 تا 15/2 نانومتر سنتز کرده‌اند. گروه تحقیقاتی جین از عصاره گیاه پاپایا به‌منظور سنتز نانو ذرات نقره استفاده کرده و اندازه آنها را 15 نانومتر گزارش کرده‌اند. درجایی دیگر توسط عصاره چای و قهوه نانوذرات نقره و پالادیم با اندازه تقریبی 20 تا 60 نانومتر تهیه شد.[10] نانوذرات نقره از عصاره گلهای کاتارانتوس روزئوس، زیزیفوس اسپینا کرسیتی، اکالیپتوس کاملیا سیننسی، عصاره پودر دانه کومینوم سیمیموم و غیره به دست آمده است.[11]
روشهای زیستی سـنتز نانوذرات توسعه یافته‌اند تـا نـانوذراتی سـازگار بـا محیط‌زیست و ارزان‌قیمت تولید گردد.
یکی از خصوصیات بارز نانوذرات نقره خاصیت ضدمیکروبی آن است، به همین علت محققان پژوهشهای زیادی را در این زمینه انجام داده‌اند. نانو ذرات نقره ایجادشده توسط عصاره سیب با اندازه تقریبی 5/26 تا 30/25 نانومتر می‌تواند باکتری-های اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس و پسودوموناس آئروژینوزا و استافیلوکوکوس مقاوم به پنی سیلین را مهار کند.
محققان ایرانی نیز با بهینه‌سازی و مشخصه یابی و بررسی فعالیت ضدباکتریایی نانوذرات طلای بیوسنتز شده توسط عصاره آبی گیاه آقطی دریافتند نانوذرات کروی طلا با اندازه متوسط 11 تا 17 نانومتر از فعالیت ضدباکتریایی نسبتاً خوبی علیه باکتریهای استافیلوکوکوس اورئوس، باسیلوس سوبتیلیس، اشرشیاکلی و سالمونال اینتریتیدیس برخوردارند. گروهی دیگر از محققان کشورمان پس از بررسی خاصیت ضدباکتریایی عصاره‌های اتانولی، متانولی و آبی برگ گیاه چای سبز در برابر باکتریهای استافیلوکوکوس اورئوس و اشرشیاکلی و تعیین حداقل غلظت مهارکنندگی آن، به سنتز نانوذرات نقره توسط عصاره آبی چای سبز پرداخته و قدرت ضدباکتریایی آن با سه عصاره مذکور را بررسی و مقایسه کردند.[12]
گروهی دیگر نیز با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس به عنوان عامل احیاکننده در بیوسنتز سازگار با محیط زیست نانوذرات نقره را تولید کردند.[13]
پی نوشت
[1] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها، ص39.
[2] اثر ضدباکتریایی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سنتز زیستی با استفاده از تراواشهای بذر گیاه کهورک روی دو سویه استاندارد اشریشیاکلی با نامهای K12 و 25922، ص119.
[3] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها،ص39.
[4] اثر ضدباکتریایی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سنتز زیستی با استفاده از تراواشهای بذر گیاه کهورک روی دو سویه استاندارد اشریشیاکلی با نامهای K12 و 25922، ص120.
[5] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها،ص39.
[6] اثر ضدباکتریایی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سنتز زیستی با استفاده از تراواشهای بذر گیاه کهورک روی دو سویه استاندارد اشریشیاکلی با نامهای K12 و 25922، ص120.
[7] سنتز سبز نانوذرات نقره با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس و بررسی اثرات ضدباکتریایی آن ،شکوفه عمرانی ،ص75.
[8] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها،ص40.
[9] اثر ضدباکتریایی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سنتز زیستی با استفاده از تراواشهای بذر گیاه کهورک روی دو سویه استاندارد اشریشیاکلی با نامهای K12 و 25922، ص119.
[10] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها،ص40.
[11] سنتز سبز نانوذرات نقره با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس و بررسی اثرات ضدباکتریایی آن ،ص76.
[12] فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها،ص40.
[13] سنتز سبز نانوذرات نقره با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس و بررسی اثرات ضدباکتریایی آن ص76.
منابع
فیتوسنتز نانوذرات نقره با استفاده از عصاره آبی گیاه چای سبز و بررسی فعالیت ضدباکتریایی آنها، معصومه اعتمادی، داود محبی کلهری، امید عزیزیان شرمه، علی قاسمی،مجله دانشگاه علوم پزشکی فسا، سال هفتم، شماره 1، بهار 1396.
اثر ضدباکتریایی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سنتز زیستی با استفاده از تراواشهای بذر گیاه کهورک روی دو سویه استاندارد اشریشیاکلی با نامهای K12 و 25922، مهرداد خاتمی، زهرا عزیزی، دکتر شهرام پورسیدی، دکتر امید نجاریون، مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی گرگان، زمستان 1394 ، دوره 17 ، شماره 4.
سنتز سبز نانوذرات نقره با استفاده از اکالیپتوس کامالدولنسیس و بررسی اثرات ضدباکتریایی آن ،شکوفه عمرانی ،سمانه دولت آبادی ،راحله ژیانی، الناز مهرافروز، مجله دانشکده علوم پزشکی نیشابور، دوره 5 ،شماره 3 ،پیاپی 16 ،پاییز 96.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:22 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
.png)
رضیه برجیان
مقدمه
نانو ساختارها را میتوان به چند دسته عمده تقسیم کرد: نانو ذرات، نانو ساختارهای متخلخل، نانو خوشه‌ها، نانو ساختارهای آلی، نانو الیاف، نانو کامپوزیت‌ها، لایههای نازک، نانوساختارهای مغناطیسی. برای بررسی نانو ساختارها از روشهای متفاوتی استفاده میشود. برای آنالیز و بررسی خواص لایههای نازک تکنیک‌های زیادی وجود دارد که میتوان آنها را به سه دسته کلی تقسیم نمود:
1. تکنیک‌هایی که از باریکه الکترون برای آنالیز استفاده می‌کنند.
2. روش‌هایی که در آن از باریکه یون استفاده میشود.
3. روش‌هایی که از فوتون‌ها برای آنالیز استفاده می‌کنند.
درهرحال برخورد الکترون، یون و یا نوترون با ماده ترکیبی از الکترون های-ثانویه، یون‌ها و یا فوتون‌ها را برانگیخته میکند که با خود اطلاعاتی راجع به ساختار و ترکیب شیمیایی ماده حمل می‌کنند. برخی از این تکنیک‌ها تنها اطلاعاتی در مورد لایههای اتمی سطح می‌دهند و برخی عمق بیشتری را می-کاوند. اما در هیچ‌کدام از آنها عمق بیشتر از چند میکرون قابل‌دسترسی نیست.[1] یکی از خواصی که اهمیت ویژه‌ای دارد خواص کریستالی لایههای نازک است. ما در این مقاله به بررسی این روش خواهیم پرداخت.
1. تکنیک‌هایی که از باریکه الکترون برای آنالیز استفاده می‌کنند.
2. روش‌هایی که در آن از باریکه یون استفاده میشود.
3. روش‌هایی که از فوتون‌ها برای آنالیز استفاده می‌کنند.
درهرحال برخورد الکترون، یون و یا نوترون با ماده ترکیبی از الکترون های-ثانویه، یون‌ها و یا فوتون‌ها را برانگیخته میکند که با خود اطلاعاتی راجع به ساختار و ترکیب شیمیایی ماده حمل می‌کنند. برخی از این تکنیک‌ها تنها اطلاعاتی در مورد لایههای اتمی سطح می‌دهند و برخی عمق بیشتری را می-کاوند. اما در هیچ‌کدام از آنها عمق بیشتر از چند میکرون قابل‌دسترسی نیست.[1] یکی از خواصی که اهمیت ویژه‌ای دارد خواص کریستالی لایههای نازک است. ما در این مقاله به بررسی این روش خواهیم پرداخت.
خواص کریستالی
در ابتدا اشعه X در یک‌جهت تابانده شده و کریستال در بازه‌ای از زوایا چرخانده میشود تا طیف حاصل از بازتاب اشعه X توسط وسیله‌ای به نام دستگاه پویش‌گر پراش اشعه X[2] ثبت شود.[3] این روش که اساس آن رابطه ساده nλ =2dsinθ هست، توسط فیزیکدان انگلیسی W.H.Braggو پسرش W.L.Bragg برای توضیح اینکه چرا سطوح شکسته بلور‌ها پرتو را فقط در زوایای معینی از تابش ورودی (θ) بازتاب می‌کنند، معرفی شد. در رابطه فوقd فاصله بین لایههای اتمی در بلور و λ طول‌موج پرتو X ورودی به بلور می‌باشد. n نیز یک عدد صحیح است. مشاهده براگ که مثالی از تداخل موج‌های پرتو X می‌باشد، شاهدی بر ساختار اتمی - تناوبی بلور‌ها بود که برای چند دهه به‌عنوان یک فرضیه مطرح بود. براگ (پدر و پسر) جایزه نوبل سال 1915 در رشته‌ی فیزیک را برای تحقیقاتشان روی تعیین ساختارهای بلوری از جمله NaCl ، ZnSو الماس دریافت کردند.از این روش میتوان برای اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها یا سری‌های اتم، تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها، فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته، تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک، تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آنها استفاده کرد.
برای تعیین ساختار یک کریستال و تعیین موقعیت اتم‌های آن در چنین شبکه‌ای، یک باریکه موازی از اشعه X، الکترون‌ها یا نوترون‌ها به کریستال تابانده میشود و زوایایی که اشعه تابانده شده تحت آنها از کریستال پراشیده میشوند، بررسی میشود. ما به طور مفصل به روشهای مرتبط با اشعه X خواهیم پرداخت ولی اغلب آنچه بحث میشود، در مورد اشعه‌ی الکترونی و نوترونی نیز صادق است. طول‌موج اشعه X یعنی λ برحسب نانومتر بیان می‌گردد و با انرژی اشعه X در ارتباط است که برحسب کیلو الکترون ولت (KeV) به‌صورت عبارت زیر نمایش داده میشود:
.png)
شکل(2-1) نمایی از پرتو Xورودی و بازتاب شده از دو لایه یک بلور فرضی را نشان می‌دهد. پرتوهای پراشیده شده توسط دو لایه این بلور فقط در زاویه معینی با هم تداخل سازنده انجام می‌دهند و بنابراین آشکار‌ساز فقط در همان زاویه بیشترین شدت را به‌صورت یک قله (پیک) ثبت میکند.
.png)
شکل (2-1): پرتوهای X ورودی و بازتاب شده از دو لایه یک بلور فرضی و رابطه براگ متناظر با این پراش.
.png)
شکل (2-2) الگوی پراش پرتو X حاصل از بلور اکسید آلومینیوم (فاز α). نمودار شدت (برحسب شمارش) نسبت به دو برابر زاویه پرتو X پراش‌یافته (برحسب درجه).
شکل (2-2) الگوی پراش پرتو X حاصل از بلور اکسید آلومینیوم (فاز α). نمودار شدت (برحسب شمارش) نسبت به دو برابر زاویه پرتو X پراش‌یافته (برحسب درجه).
نمونه‌ای از الگوی حاصل از پراش پرتو X در بلور اکسید آلومینیوم در شکل (2-2) نشان داده‌شده است.[4] از تک‌بلورهای با ساختار هندسی مشخص میتوان به‌عنوان تکفام ساز در طیف‌سنج‌های پرتو X استفاده نمود. طرح پراش ایجادشده توسط یک جسم بلوری برای شناسایی آن جسم به کار می‌رود. در بلورشناسی، طرح‌های حاصل از تعداد زیادی اتم در جهت‌های مختلف، می‌تواند جزئیات طرح ساختمانی اتم‌ها در بلور را نشان دهد و بنابراین میتوان اطلاعات دقیقی در مورد شکل ساختمانی ترکیب به دست آورد.
یک دستگاه پراش که با شبکه پراش بلوری با فواصل مشخص و معلوم کار میکند و تحت عنوان طیف‌سنج پرتو X نامیده میشود، دقیقاً مشابه طیف‌سنج شبکه‌ای نور مرئی است. غالباً، برای پوشش تمام ناحیه طول‌موجی، چندین بلور تجزیهگر موردنیاز است و باید بتوان آنها را با دقت فراوان بر پایه‌ای سوار و تعویض نمود. مؤثر بودن یک بلور در جدا کردن تابش‌های عناصر، توسط نمودار پراش تعیین می‌گردد. در مواد کریستالی، پهنای پیک تفرق اشعه ایکس با کاهش ضخامت صفحات کریستالی افزایش می‌یابد.
کاربردها
1. اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها یا سری‌های اتمی.
2. تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها.
3. فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته.
4. تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک.[5]
5. در روش XRD با استفاده از رابطه شرر[6] میتوان در شرایط خاص اندازه دانه‌های نانومتری را تعیین کرد.
6. تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آنها.
7.اندازه‌گیری ضخامت فیلم‌های نازک و چند لایه [7]
پی نوشت
2. تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترتیب اتم‌ها.
3. فهمیدن ساختار کریستالی مواد ناشناخته.
4. تعیین مشخصات ساختاری شامل: پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، کرنش، ترکیب فاز و تنش داخلی مناطق کریستالی کوچک.[5]
5. در روش XRD با استفاده از رابطه شرر[6] میتوان در شرایط خاص اندازه دانه‌های نانومتری را تعیین کرد.
6. تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آنها.
7.اندازه‌گیری ضخامت فیلم‌های نازک و چند لایه [7]
پی نوشت
[1] Milton ohring, The materials seinces of thin film
[2] X-ray-diffraction scan
[3] چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی
[4] http://research.ui.ac.ir/mainpage/research/Cent_Lab/dastgah/index.html
[5] دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی
[6] Scherrer
[7] دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی.
منابع
Milton ohring, The materials seinces of thin film, academic press, (1992)
چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرح بخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیرجواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی، موسسه انتشارات یزد،1385.
http://research.ui.ac.ir/mainpage/research/Cent_Lab/dastgah/index.html
دکتر علی معصومی، شیمی دستگاهی، دانشگاه آزاد اسلامی تهران شمال، 1374.
دکتر پرویز مرعشی، میکروسکوپ های الکترونی و روشهای نوین آنالیز ابزارشناسی دنیای نانو، دانشگاه علم و صنعت ایران،1383.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:21 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
رضیه برجیان
نانوساختارهای متخلخل
در طی دهه‌های گذشته، تلاش‌های زیادی برای گسترش مواد جدید به‌ویژه نانو ساختار انجام‌گرفته است. نانو ذرات به دلیل اندازه کوچک و سطح ویژه‌ای که دارند ویژگی‌های منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند. مواد نانو ساختار بر اساس محدودیت‌های هندسی گروه‌بندی میشوند. در این گروه‌بندی مواد نانو ساختار به صفر بعدی مانند نانو ذرات فلزی، پلیمری و سرامیکی، یک‌بعدی مانند نانولوله‌های کربنی، نانوسیمهای فلزی و نانو الیاف دوبعدی مانند نانوپوششها، سه‌بعدی مانند نانو چندسازه‌ها، فولرن، گرافن و نانوساختارهای کربنی تقسیم‌شده‌اند [1]. مواد نانومتخلخل (Nanoporous Materials) دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو بوده و بسیار متنوع می‌باشند. سطح ویژه‌ی بالا، گزینش پذیری شکل و اندازه (Size and Shape Selectivity) از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد است. پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است. زئولیت ها (Zeolites)، کربن و سیلیکای نانومتخلخل، از مهم‌ترین ساختارهای نانومتخلخل هستند. رایج‌ترین روش سنتز این مواد نانومتخلخل، روشهای بر پایه الگوست (Templated Synthesis). روشهای مشخصه یابی، اندازه و شکل حفره‌ها را مشخص کرده و در بهینه‌سازی ساختار کمک میکند. استفاده از تخلخل‌های این مواد برای ساخت نانوکامپوزیت ها بسیار مهم و کاربردی است. مواد نانومتخلخل معدنی بسیار متنوع‌تر از مواد نانومتخلخل آلی هستند.
مواد نانومتخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آنها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی (Permeability) زیاد، گزینش پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آنها هست. با توجه به ویژگی‌های ساختاری، این مواد به‌عنوان تبادل‌گر یونی (Ion Exchanger)، جداکننده (Separator)، کاتالیزور، حس گر، غشا (Membrane) و مواد عایق استفاده میشوند. و به سبب کاربردهای فراوان، روزبه‌روز نقش آنها در نانوفناوری پررنگ‌تر شده است. مواد متخلخل با توجه قطر حفرات به سه دسته میکرو متخلخل( اندازه حفره بزرگ‌تر از دو نانومتر) ماکرو متخلخل( اندازه حفره بین 2تا50 نانومتر) و مزو متخلخل(اندازه حفره کمتر از دو نانومتر) طبقه‌بندی میشوند. اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مانند تیتانیم دی‌اکسید ، روی اکسید، آلومینا و منیزیم اکسید فعالیت بیشتری از حالت معمولی خود دارند. نانوذرات اکسید فلزی، با سطح ویژه و نقص‌های ساختاری بالا، قابلیت و ویژگی‌های بسیاری دارند. برای مثال، به نانوذرات متخلخل فلزی منیزیم اکسید میتوان اشاره کرد.[2] از دیگر ساختارهای متخلخل غشاهای نانوحفره زئولیتی هستند که از آنها برای تخلیص دی متیل آمین می توان استفاده کرد. همین طور از این نانو غشاها در تصفیه آب و فاضلاب ، صنعت نفت و پتروشیمی نیز می توان استفاده نمود.[3]
مواد نانومتخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آنها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی (Permeability) زیاد، گزینش پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آنها هست. با توجه به ویژگی‌های ساختاری، این مواد به‌عنوان تبادل‌گر یونی (Ion Exchanger)، جداکننده (Separator)، کاتالیزور، حس گر، غشا (Membrane) و مواد عایق استفاده میشوند. و به سبب کاربردهای فراوان، روزبه‌روز نقش آنها در نانوفناوری پررنگ‌تر شده است. مواد متخلخل با توجه قطر حفرات به سه دسته میکرو متخلخل( اندازه حفره بزرگ‌تر از دو نانومتر) ماکرو متخلخل( اندازه حفره بین 2تا50 نانومتر) و مزو متخلخل(اندازه حفره کمتر از دو نانومتر) طبقه‌بندی میشوند. اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مانند تیتانیم دی‌اکسید ، روی اکسید، آلومینا و منیزیم اکسید فعالیت بیشتری از حالت معمولی خود دارند. نانوذرات اکسید فلزی، با سطح ویژه و نقص‌های ساختاری بالا، قابلیت و ویژگی‌های بسیاری دارند. برای مثال، به نانوذرات متخلخل فلزی منیزیم اکسید میتوان اشاره کرد.[2] از دیگر ساختارهای متخلخل غشاهای نانوحفره زئولیتی هستند که از آنها برای تخلیص دی متیل آمین می توان استفاده کرد. همین طور از این نانو غشاها در تصفیه آب و فاضلاب ، صنعت نفت و پتروشیمی نیز می توان استفاده نمود.[3]
تعریف تخلخل
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده تخلخل (Porosity) نامیده میشود. به موادی که تخلخل آنها بین 0.2 تا 0.95 باشد نیز مواد متخلخل (Porous) می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز (Open Pore) نام دارد که برای صاف کردن (Filteration)، غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آنها :Chromatography) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته (Closed Pore) می‌گویند که وجود آن تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانه‌ای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش‌گوش (Hexagonal) هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند[4]
کاربردهای ساختارهای متخلخل
در دنیای نانو ، دیوارها و فضاهایی در ابعاد بسیار کوچک وجود دارند که از اتم‌ها و مولکول‌ها ساخته‌شده است. وقتی آرایه‌ای از مولکول‌ها در یک فضای محدود جای می‌گیرند، دچار فشار (Stress) میشوند که درنتیجه آن از ساختارهای پایدار سینتیکی و ترمودینامیکی خود منحرف‌شده و انرژی تبدیلات و واکنش‌های شیمیایی آنها دگرگون میشود. زمانی که یک مولکول خارجی (مولکول میهمان) وارد چنین فضاهایی میشود، با مولکول‌های سازنده فضا برهمکنش نموده و همین امر می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر جهت‌گیری (Orientation)، برهمکنش (Interaction) و انباشتگی (Assembly) آنها بگذارد. درنتیجه می‌توانیم با ایجاد تغییر در شکل و مواد به‌کاررفته در دیواره فضاهای نانوساختار ، رفتار و واکنش‌پذیری مولکول‌های میهمان را کنترل کنیم. فضاهای تقسیم‌شده توسط اتم‌ها و مولکول‌ها می‌توانند نقش جدیدی بر اساس شکل و خواص دینامیکی دنیای نانو ایجاد کنند. در پایان قرن گذشته شیمیدانان بر روی چهارچوب‌های ابر مولکولی ساخته‌شده از مولکول‌ها تمرکز کرده بودند ، اما در قرن بیست و یکم با خلق فضاهایی متنوع ، بخش جدیدی از شیمی فضای نانو را معرفی کردند.[5]
سیلیکای متخلخل
اولین بار در سال 1992 ،پژوهشگران شرکت موبیل آمریکا روش تهیه مستقیم سیلیکای میان متخلخل با ساختار منظم را ارائه کردند. کاربردهای زیاد و متنوع این مواد منجر به گسترش و توسعه ساختارهای مختلفی از آنها شد . به‌طورکلی، برای ساخت ذرات متخلخل سیلیکا از قالب یا هدایت‌کننده ساختار استفاده میشود. مولکول‌های این مواد در حلال، با غلظتی بیش از غلظت بحرانی میسل در کنار یکدیگر اجتماع کرده و میسل تشکیل می‌دهند . در فرایند ساخت ذرات متخلخل سیلیکا، انتخاب قالب مناسب بیشترین اثر را بر شکل و اندازه مسیل‌های نهایی می‌گذارد. این مواد سطحی فعال دارند و سیلیکا می‌تواند روی سطح آنها جذب‌شده و شکل بگیرد . در ذرات میان متخلخل سیلیکا، اندازه حفره‌ها به‌طور عمومی به‌اندازه زنجیر آبگریز عامل سطح فعال بستگی دارد. عامل سطح فعال ممکن است از نوع یونی یا غیریونی باشد. کوپلیمرهای قطعه‌ای از جمله مواد غیریونی )خنثی( هستند که می‌توانند به‌عنوان قالب عمل کنند. همچنین، میتوان از کوپلیمرهای قطعه‌ای سه‌تایی محلول در آب نیز استفاده کرد که در این حالت اندازه حفره‌های ذرات میان متخلخل تا nm 30 نیز قابل‌افزایش است. بنابراین، از مزایای اصلی استفاده از کوپلیمرها به‌عنوان قالب میتوان به ایجاد حفره‌های بزرگ‌تر و دیواره‌های ضخیم‌تر نسبت به سایر قالب‌ها اشاره کرد. پلی‌اتیلن اکسید، پلی متیل آکریالت و پلی استیرن پلیمرهایی هستند که به شکل دو قطعه‌ای و سه قطعه‌ای ممکن است، استفاده شوند.[6] با استفاده از سیلیکای متخلخل محققان کشورمان موفق شدند تجزیه آلاینده نیتروفنل را بهبود بخشند. این ماده در فاضلاب برخی از صنایع وجود دارد.[7]
پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است.
پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است.
منیزیم دی اکسید
منیزیم اکسید در طبیعت به شکل کانی پریکلاس متعلق به گروه فضایی Fm3m )مشابه نمک NaCl )است که آنیون‌های اکسیژن به‌صورت بسته‌های مکعبی با فشردگی شدید قرارگرفته‌اند و کاتیون‌های منیزیم تمام فضای بین شبکه‌ای هشت‌وجهی را پرکرده‌اند و عدد همسایگی برای کاتیون‌ها و آنیون‌ها 6 است. منیزیم اکسید کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های گوناگون دارد. ازاین‌رو، به‌تازگی کارهای متعددی در مورد سنتز ساختارهای جدید نمک‌های منیزیم و منیزیم اکسید ازجمله نانوذره‌ها ،نانو میله‌ها ،نانولوله‌ها ،نانو صفحه‌ها ،نانو مکعب‌ها ،نانوشبه‌گل‌ها و غیره انجام‌شده است. ساختارهای منیزیم اکسید به‌عنوان کاتالیست ،بستر کاتالیست، جاذب، حسگر ،فوتو لومینسانس ،عامل ضد باکتری، قالب برای سنتز سایر نانومواد، بهبوددهنده ویژگی‌های چندسازه‌ها ،دارو رسان و بهبوددهنده ویژگی‌های الکتریکی تابلوهای نمایشگر پلاسمای جریان متناوب مورداستفاده قرار می‌گیرند. روشهای متفاوتی مانند سل-ژل ،آبگرمایی ،رسوبدهی، روش صوت شیمی، استفاده از ماده فعال در سطح نرم،ماده فعال در سطح سخت و غیره برای تولید منیزیم اکسید وجود دارند.[8]
دی‌اکسید تیتانیوم
نانو تیتانیم اکسید فعالیت فتوکاتالیزوری پردامنه‌ای را بروز می‌دهد. به دلیل وجود نسبت بسیار بالای سطح به حجم نانوذرات آن ممکن است نحوه آرایش کاملاً با توده تفاوت داشته باشد
افزون بر روشهای سل- ژل اصلاح‌شده مانند قالب‌سازی با بسپار،اصلاح سطح ژل‌های مرطوب به کمک مواد آلی]3-1 ،]روش نوینی نیز برای سنتز نانو ذرات متخلخل بر مبنای فرایند متورم سازی قالب‌های بسپاری، از روشهای سنتز این نانو ساختارهای متخلخل به شمار می‌آیند.[9] واضح است که با افزایش تخلخل، سطح مخصوص افزایش می‌یابد و فعالیت فوتوکاتالیست با افزایش سطحی که این عمل را انجام می‌دهد، بیشتر میشود.[10]
افزون بر روشهای سل- ژل اصلاح‌شده مانند قالب‌سازی با بسپار،اصلاح سطح ژل‌های مرطوب به کمک مواد آلی]3-1 ،]روش نوینی نیز برای سنتز نانو ذرات متخلخل بر مبنای فرایند متورم سازی قالب‌های بسپاری، از روشهای سنتز این نانو ساختارهای متخلخل به شمار می‌آیند.[9] واضح است که با افزایش تخلخل، سطح مخصوص افزایش می‌یابد و فعالیت فوتوکاتالیست با افزایش سطحی که این عمل را انجام می‌دهد، بیشتر میشود.[10]
پی نوشت
[1] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص29.
[2] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص30.
[3] «ساخت آزمایشگاهی غشاهای نانو حفره زئولیتی»، فضای نانو،شماره19،ص44.
[4] http://edu.nano.ir/paper/63
[5] http://edu.nano.ir/paper/64
[6] سنتز ذرات میان متخلخل جدید سیلیکای SPB1 و SPB1,2 و بررسی ریزساختار و خواص فیزیکی آنها،محمد علی سمسارزاده،میلاد فردی،ص163
[7] ماهنامه فناوری نانو،آذر ماه 92،شماره9،ص8
[8] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص30.
[9] مروری بر روشهای سنتز و مشخصهیابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل،48-49
[10] مروری بر روشهای سنتز و مشخصهیابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل،)ص50.
منابع
سنتز ذرات میان متخلخل جدید سیلیکای SPB1 و SPB1,2 و بررسی ریزساختار و خواص فیزیکی آنها،محمدعلی سمسارزاده،میلاد فردی، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، سال بیست و هفتم، شماره 2، صفحه 171-161 ،1393.
سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین، بیتا عابدی راد ،علی اکبر طرلانی،سعید جامه بزرگی،علی نیازی ، نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره 4 ،زمستان 96.
http://edu.nano.ir/paper/63
http://edu.nano.ir/paper/64
مروری بر روشهای سنتز و مشخصه یابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل، مریم ذکریاپور نائینی، سارا حاجیزاده، سعید خداپرست، محمد شمسی ، سارا خادم پیر، ایمان فرحبخش، نشریه مهندسی شیمی ایران ـ سال پانزدهم ـ شماره هشتاد و هفتم ،1395 .
«ساخت آزمایشگاهی غشاهای نانو حفره زئولیتی»، فضای نانو،شماره19،ص44.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:20 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
رضیه برجیان
مقدمه
نانوتکنولوژی عنوانی است که برای اولین بار دکتر اریک درکسلر در سال 1986 در کتاب موتورهای آفرینش به کار برد.نانوتکنولوژی به مجموعه اقداماتی اطلاق میشود که طی آن بشر قادر است ساختار و خواص مواد را به‌دقت کنترل کند. [1]
یکی از جنبه‌های اصلی نانوفنّاوری ماهیت میان‌رشته‌ای آن است. نانو فناوری می‌تواند در عرصه‌های مختلفی به کمک صنعت بیاید. یکی از این عرصه‌ها صنعت ساختمان است. در این مقاله ما به دو بخش مهمی که فناوری نانو می‌تواند در صنعت ساختمان نقش ایفا کند ، می‌پردازیم.
یکی از جنبه‌های اصلی نانوفنّاوری ماهیت میان‌رشته‌ای آن است. نانو فناوری می‌تواند در عرصه‌های مختلفی به کمک صنعت بیاید. یکی از این عرصه‌ها صنعت ساختمان است. در این مقاله ما به دو بخش مهمی که فناوری نانو می‌تواند در صنعت ساختمان نقش ایفا کند ، می‌پردازیم.
کاربرد نانو فناوری در صنعت بتن
تعامل این علم با صنعت تولید بتن می‌تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت‌وساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد‌های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است. بتن از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد. ثابت‌شده که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن شده است.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به‌کارگیری نانو پودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی میشود.
از جمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو میتوان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که به صورت تجاری تولید میشوند، اشاره نمود. با استفاده از دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به‌طورمعمول در محدوده 5 تا 30 نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد.
با استفاده از نانوسیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط‌زیست منسوخ خواهد شد و بتن با کیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تأیید است. هم‌اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم‌به‌اسید برای بر‌ج‌های خنک‌کننده نیروگاه نیز به کار گرفته‌شده که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم‌به‌اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارنده آلی تولید شوند.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد.
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، ساز‌ه‌های پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیرساخت‌های ساز‌ه‌ای امکان می‌یابد.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به‌کارگیری نانو پودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی میشود.
از جمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو میتوان به اکسیدهای فلزی نانومقیاس (برای مثال دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که به صورت تجاری تولید میشوند، اشاره نمود. با استفاده از دی‌اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به‌طورمعمول در محدوده 5 تا 30 نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد.
با استفاده از نانوسیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط‌زیست منسوخ خواهد شد و بتن با کیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تأیید است. هم‌اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم‌به‌اسید برای بر‌ج‌های خنک‌کننده نیروگاه نیز به کار گرفته‌شده که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم‌به‌اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارنده آلی تولید شوند.
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به‌عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد.
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، ساز‌ه‌های پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیرساخت‌های ساز‌ه‌ای امکان می‌یابد.
مشکلات توسعه استفاده از نانو ذرات در ساخت بتن
در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آنها در صنعت میشود، برای همین بهره‌برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل‌عرضه در بازار محدودشده است.
مشکل دیگر درزمینه? استفاده از نانو مواد توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به‌صورت کلوخه انباشته میشوند و در مخلوط به‌خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل میتوان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد.
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و این ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد.[2]
مشکل دیگر درزمینه? استفاده از نانو مواد توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به‌صورت کلوخه انباشته میشوند و در مخلوط به‌خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل میتوان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد.
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و این ممکن است بر کارایی بتن تأثیرگذار باشد.[2]
نمای بیرونی و بام ساختمان
فناوری نانو روشهای زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه از نظر عملکرد و چه زیبایی عرضه میکند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گردوخاک (ذرات کثیف) با تنوع نسبتاً زیاد و به‌صورت دلخواه قابل تنظیم است، که از آن جمله میتوان به سطوح آبدوست (Hydrophilic)، سطوح آبگریز (Hydrophobic) یا سطوح مقاوم در برابر روغن (Oleophobic) اشاره کرد.
یکی از عوامل تعیین‌کننده در میزان تر شوندگی یک سطح، زاویه تماسی مایع با آن است. زاویه تماس برای یک مایع (قطره) در فصل مشترک فاز جامد و مایع، در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل میشود. هر چه زاویه تماس به صفر نزدیک‌تر باشد تر شوندگی بیشتر میشود و با افزایش زاویه تماس میزان تر شوندگی سطح کاهش می‌یابد.
زمانی که یک سطح دارای بافت زبری در مقیاس نانومتری باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرارگرفته است، افزایش‌یافته و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیداً کم میشود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و امکان ایستایی ذرات آب روی سطح را از بین می‌برد. به‌طورکلی برای دستیابی به خاصیت آب‌گریزی در یک سطح، میتوان از رنگ‌ها و پوشش‌های آبگریز استفاده کرد. در استفاده از رنگ‌ها و پوشش‌ها، شرایط یکسانی برای دستیابی به آب‌گریزی سطح وجود دارد.
برخلاف سطوح آبگریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می‌کنند، در سطوح آبدوست، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که روی پوشش قرار دارد به‌وسیله جذب نور شکسته شده و به همراه آب از روی سطح جدا میشوند. یکی از مواردی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خودتمیزشونده آبدوست دارد، دی‌اکسید تیتانیوم است. با کاهش ابعاد ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی ذرات افزایش پیدا میکند. به همین دلیل، معمولاً از نانو ذرات اکسید تیتانیوم به‌عنوان سطوح ابر آبدوست استفاده میشود.
قبل از تابش نور UV، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از 90 درجه است. با تابش نور، تجزیه و زدایش آلودگی از روی سطح به دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی اتفاق می‌افتد. این زاویه به‌تدریج کم میشود (صفر درجه) و آب به همراه آلودگی‌های روی سطح به پایین ریخته میشود.
در مقایسه‌ای بین دو کاشی معمولی و فوق آبدوست کاشی باروکش آبدوست بیش از 3000 ساعت بدون هیچ تغییری سالم باقی ماند و توانایی خود تمیز شوندگی خود را حفظ کرد، به‌عبارت‌دیگر خاصیت خود تمیز شوندگی این کاشی در شرایط محیطی معمول بیش از 10 سال دوام دارد. [3]همچنین تعدادی از ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون که به‌منظور آب‌بندی پنلهای آلومینیوم و پنجره ها استفاده میشود، با آب باران شسته شده و موجب کثیف شدن دیوارها میشوند اما ایجاد پوشش‌های فوق آبدوست مانع از کثیف شدن دیوارها به‌وسیله ترکیبات موجود در درزگیر سیلیکون میشوند.
علاوه بر جلوه زیبای سطحی، محیط‌زیست از نظر گازهای سمی تصفیه‌شده و همچنین نمای بیرون ساختمان همواره تمیز باقی می‌ماند.
پی نوشت
[1] چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه‌ای بر نانوتکنولوژی، ص6.
[2] nanoproduct.ir
[3] مجموعه گزارش های صنعتی فناوری نانو.
منابع
چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه‌ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرحبخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیر جواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی، موسسه انتشارات یزد،1385.
nanoproduct.ir
مجموعه گزارش های صنعتی فناوری نانو.
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:20 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
رضیه برجیان
مقدمه
در این مقاله به بحث مدیریت انرژی در ساختمان می‌پردازیم. مصرف روزافزون انرژی در جهان و افزایش مصرف سوخت‌های فسیلی باعث نگرانی‌های جدی شده است. گرم‌تر شدن زمین تا جایی که امکان زیستن را از موجودات زنده سلب کند [1]و سوراخ شدن لایه اوزون[2] از مهم‌ترین این نگرانی‌هاست. فناوری نانو به شیوه‌های متفاوتی می‌تواند به رفع این نگرانی‌ها کمک کند.
گرمایش خانه
داشتن خانه گرم و داشتن آب گرم در خانه مشکلی است که نیازمند چاره‌اندیشی جدی است. آلودگی شدید زمین و استفاده از سوخت‌های فسیلی از جمله مشکلات جدی در این زمینه هستند. ما باید به دنبال راهکارهای جایگزین برای بریدن درختان و نابود کردن اکوسیستم طبیعی به منظور تأمین گرمای خانه‌هایمان باشیم.
کاشی‌های مولد برق
کاشی‌های سقفی خورشیدی اختراع جدیدی هستند که می‌توانند تا حد زیادی به کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های برق کمک کنند.[3] انرژی خورشیدی می‌تواند با هزینه بسیار اندکی، گرمای منزل شما را تأمین کند. اگرچه انرژی‌های جایگزین دیگری نیز وجود دارند که ممکن است جذاب‌تر باشند؛ اما انرژی خورشیدی، انرژی بی‌پایان و احتمالاً بدون زحمت‌ترین آن‌هاست.
درگذشته این سیستم‌های خورشیدی آن‌چنان گران بودند که هرکسی نمی‌توانست از عهده خرید و نصب آنها برای منزلش برآید؛ اما امروزه قیمت این سیستم‌ها تا حدی کاهش‌یافته که مردم می‌توانند آنها را در خانه خود نصب‌کرده و در فصول مختلف سال استفاده نمایند. اگرچه وجود روزهای آفتابی برای داغ کردن آب و گرم کردن خانه خیلی مهم است؛ ولی اگر آفتاب کافی وجود نداشته باشد باید از راهکارهای دیگر برای گرم کردن آب یا خانه استفاده کرد.
کاشی‌های خورشیدی فتوولتائیک به تناسب پانل‌های خورشیدی معمولی نصب شده در سقف منازل، زیباتر بوده و عملکرد بهتری دارند. با توجه به نوآوری موجود در این کاشی‌های خورشیدی جدید، پانل‌های خورشیدی فعلی می‌توانند برای همیشه بازنشسته شوند. این کاشیها از خاک رس ساخته‌شده‌اند که پانل‌های خورشیدی کوچکی درون آنها جاسازی شده که باید در معرض نور خورشید قرار گیرند. با توجه به شکل این کاشیها، نصب آنها بسیار ساده است. اگرچه این کاشیها بسیار کوچک هستند اما بازده انرژی بسیار بالایی دارند.
علاوه بر این، کاشی‌های خورشیدی شفافی نیز طراحی‌شده‌اند که ازلحاظ زیبایی‌شناسی ساختمان در حد اعلای خود هستند. اگرچه این کاشیها از پلکسی‌گلس یا پی‌ام‌ام‌ای ساخته شده‌اند اما در برابر تمامی شرایط آب و هوایی مقاوم هستند. این مواد اجازه می‌دهند تا 90 درصد نور طبیعی خورشید مستقیماً به داخل منزل بتابد.
درگذشته این سیستم‌های خورشیدی آن‌چنان گران بودند که هرکسی نمی‌توانست از عهده خرید و نصب آنها برای منزلش برآید؛ اما امروزه قیمت این سیستم‌ها تا حدی کاهش‌یافته که مردم می‌توانند آنها را در خانه خود نصب‌کرده و در فصول مختلف سال استفاده نمایند. اگرچه وجود روزهای آفتابی برای داغ کردن آب و گرم کردن خانه خیلی مهم است؛ ولی اگر آفتاب کافی وجود نداشته باشد باید از راهکارهای دیگر برای گرم کردن آب یا خانه استفاده کرد.
کاشی‌های خورشیدی فتوولتائیک به تناسب پانل‌های خورشیدی معمولی نصب شده در سقف منازل، زیباتر بوده و عملکرد بهتری دارند. با توجه به نوآوری موجود در این کاشی‌های خورشیدی جدید، پانل‌های خورشیدی فعلی می‌توانند برای همیشه بازنشسته شوند. این کاشیها از خاک رس ساخته‌شده‌اند که پانل‌های خورشیدی کوچکی درون آنها جاسازی شده که باید در معرض نور خورشید قرار گیرند. با توجه به شکل این کاشیها، نصب آنها بسیار ساده است. اگرچه این کاشیها بسیار کوچک هستند اما بازده انرژی بسیار بالایی دارند.
علاوه بر این، کاشی‌های خورشیدی شفافی نیز طراحی‌شده‌اند که ازلحاظ زیبایی‌شناسی ساختمان در حد اعلای خود هستند. اگرچه این کاشیها از پلکسی‌گلس یا پی‌ام‌ام‌ای ساخته شده‌اند اما در برابر تمامی شرایط آب و هوایی مقاوم هستند. این مواد اجازه می‌دهند تا 90 درصد نور طبیعی خورشید مستقیماً به داخل منزل بتابد.
کاهش اسراف در انرژی
یکی از راه‌های مؤثر به جای تولید انرژی پاک و ارزان ، کاهش هدر رفت انرژی است. نانوفناوری در این عرصه نیز حضور جدی دارد.
پوشش‌های ضد انعکاس که بر روی شیشه‌های مسطح لایه نشانی شده در جداره شیشه‌های ساختمان کاربرد دارند. انتظار می‌رود که با این روش اتلاف انعکاسی نور (نوری که به وسیله بازتابش به بیرون منعکس میشود) در پانل‌های شیشه‌ای به‌طورمعمول از 8درصد به 2درصد کاهش یابد. دو پدیده تولید رنگ و ویژگی ضد انعکاس سطح با یکدیگر رابطه تنگاتنگی دارند. مثلاً در بیشتر ساختارهای غیر متحرک (non-motion) شیء سبز درنتیجه ویژگی ضد انعکاسش نسبت به بقیه طول‌موج نور تابیده‌شده پدیدار میشود، یعنی این شیء در مقابل تابش نور تمام طول‌موج‌ها به جز آن بخشی که منجر به تولید رنگ سبز میشود را جذب میکند. مثالی دیگر از این نوع سیستم‌ها پر طاووس هست، یعنی پر طاووس تنها آن بخش از طول‌موج‌هایی را منعکس میکند که وقتی با هم تداخل پیدا می‌کنند رنگ سبز تولید می‌کنند و بقیه طول‌موج‌ها را جذب میکند یا به عبارتی در مقابل بقیه طول‌موج‌ها از خود خاصیت ضد بازتاب نشان می‌دهد.از این نوع رنگ‌ها که رنگ‌های فیزیکی نامیده میشود در محیط اطراف بسیار زیاد است مثل رنگ بال‌های پروانه، رنگ پوست مار و... . ساختارهای محرک آن دسته از ساختارهایی هستند که به‌طور طبیعی در درون خود دارای رنگ‌دانه‌هایی هستند که در تولید رنگی که به چشم می‌خورد نقش اساسی دارند که این‌گونه ساختارها موردبحث ما نمی‌باشند.
کاشی‌های خورشیدی فتوولتائیک به تناسب پانل‌های خورشیدی معمولی نصب شده در سقف منازل، زیباتر بوده و عملکرد بهتری دارند.
چنانچه ما طبیعت تولید رنگ را بیشتر موردبررسی قرار دهیم یک وجه اشتراکی بین انواعی که در بالا مطرح شد وجود دارد و آن این است که اغلب آنها (سطوح رنگی) به‌صورت میکرو و یا حتی نانو ساختار می‌باشند و یک سطح صاف و مسطح نیستند. همان‌طور که می‌دانیم سطوح صاف و صیقلی نسبت به سطوحی که زبرتر و ناهموارتر هستند درخشان‌تر می‌باشند. شاید اولین و اساسی‌ترین دلیلی که برای این پدیده طبیعی به ذهن میرسد این باشد که این امر به خاطر کاهش بازتاب از سطوح ناهموار نسبت به سطوح هموار است. این پوشش‌های ضد انعکاس به‌صورت تک لایه، دولایه و چندلایه طراحی میشوند . در آنها از موادی چون MgF2 استفاده میشود.[4]
پوشش‌های ضد انعکاس که بر روی شیشه‌های مسطح لایه نشانی شده در جداره شیشه‌های ساختمان کاربرد دارند. انتظار می‌رود که با این روش اتلاف انعکاسی نور (نوری که به وسیله بازتابش به بیرون منعکس میشود) در پانل‌های شیشه‌ای به‌طورمعمول از 8درصد به 2درصد کاهش یابد. دو پدیده تولید رنگ و ویژگی ضد انعکاس سطح با یکدیگر رابطه تنگاتنگی دارند. مثلاً در بیشتر ساختارهای غیر متحرک (non-motion) شیء سبز درنتیجه ویژگی ضد انعکاسش نسبت به بقیه طول‌موج نور تابیده‌شده پدیدار میشود، یعنی این شیء در مقابل تابش نور تمام طول‌موج‌ها به جز آن بخشی که منجر به تولید رنگ سبز میشود را جذب میکند. مثالی دیگر از این نوع سیستم‌ها پر طاووس هست، یعنی پر طاووس تنها آن بخش از طول‌موج‌هایی را منعکس میکند که وقتی با هم تداخل پیدا می‌کنند رنگ سبز تولید می‌کنند و بقیه طول‌موج‌ها را جذب میکند یا به عبارتی در مقابل بقیه طول‌موج‌ها از خود خاصیت ضد بازتاب نشان می‌دهد.از این نوع رنگ‌ها که رنگ‌های فیزیکی نامیده میشود در محیط اطراف بسیار زیاد است مثل رنگ بال‌های پروانه، رنگ پوست مار و... . ساختارهای محرک آن دسته از ساختارهایی هستند که به‌طور طبیعی در درون خود دارای رنگ‌دانه‌هایی هستند که در تولید رنگی که به چشم می‌خورد نقش اساسی دارند که این‌گونه ساختارها موردبحث ما نمی‌باشند.
کاشی‌های خورشیدی فتوولتائیک به تناسب پانل‌های خورشیدی معمولی نصب شده در سقف منازل، زیباتر بوده و عملکرد بهتری دارند.
چنانچه ما طبیعت تولید رنگ را بیشتر موردبررسی قرار دهیم یک وجه اشتراکی بین انواعی که در بالا مطرح شد وجود دارد و آن این است که اغلب آنها (سطوح رنگی) به‌صورت میکرو و یا حتی نانو ساختار می‌باشند و یک سطح صاف و مسطح نیستند. همان‌طور که می‌دانیم سطوح صاف و صیقلی نسبت به سطوحی که زبرتر و ناهموارتر هستند درخشان‌تر می‌باشند. شاید اولین و اساسی‌ترین دلیلی که برای این پدیده طبیعی به ذهن میرسد این باشد که این امر به خاطر کاهش بازتاب از سطوح ناهموار نسبت به سطوح هموار است. این پوشش‌های ضد انعکاس به‌صورت تک لایه، دولایه و چندلایه طراحی میشوند . در آنها از موادی چون MgF2 استفاده میشود.[4]
پنجر‌ه‌های هوشمند
واژ‌ه‌ی پنجره هوشمند به پانل شیشه‌ای اطلاق میشود که بسته به نوع تأثیرات محیطی، خواص خود را خصوصاً در مورد انتقال نور می‌تواند تغییر دهد. بدین منظور از مواد کروموژنیک استفاده میشود که رنگ یا شفافیت خود را می‌تواند با توجه به محر‌ک‌های (عوامل) برگشت‌پذیر فیزیکی یا شیمیایی تغییر دهد.
این‌گونه شیشه‌ها می‌توانند به‌عنوان جایگزین برای انواع سیستم‌های سایه از قبیل سیستم‌های ضد تابش و پرد‌ه‌ها در نظر گرفته شود. شیشه‌های هوشمند از طریق فناوریهای مختلفی تولید میشوند که این فناور‌ی‌ها تا حد زیادی مبتنی بر استفاده از نانو مواد و سیستم‌های پوششی نانومقیاس است.
این‌گونه شیشه‌ها می‌توانند به‌عنوان جایگزین برای انواع سیستم‌های سایه از قبیل سیستم‌های ضد تابش و پرد‌ه‌ها در نظر گرفته شود. شیشه‌های هوشمند از طریق فناوریهای مختلفی تولید میشوند که این فناور‌ی‌ها تا حد زیادی مبتنی بر استفاده از نانو مواد و سیستم‌های پوششی نانومقیاس است.
انرژی و تکنیک‌های نورپردازی
فناوری نانو گزینه‌های متعددی برای افزایش بهره‌وری و توسعه روشهای جدید تولید انرژی و تکنیک‌های نور پردازی در ساختمان ارائه میکند که برخی از این نمونه‌ها به شرح زیر است:
- دیودهای نوری به عنوان تکنیک نور پردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان (نور پردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی).
- مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیرلایه‌های انعطاف پذیر.
- سلولهای خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی (تزیینی)، برای مثال در نماهای شیشه‌ای به عنوان جایگزینی برای سلولهای خورشیدی پایه سیلیکون.
- پوسته‌های (غشا) نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازدهی بیشتر پیل‌های سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی.
- با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک LED (که مبتنی بر پوشش‌های نیمه‌هادی در مقیاس نانو است)، معماران قادرند هنر خود را در نور پردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند.[5]
پی نوشت
[1] https://digiato.com/article/2017/08/06
[2] rasekhoon.net/article/show/1346783
[3] http://www.baaax.ir/fa/article/382
[4] http://www.iust.ac.ir/content/20218
[5] .nanoproduct.ir
منابع
https://digiato.com/
rasekhoon.net
http://www.baaax.ir/
http://www.iust.ac.ir
.nanoproduct.ir
- دیودهای نوری به عنوان تکنیک نور پردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان (نور پردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی).
- مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیرلایه‌های انعطاف پذیر.
- سلولهای خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی (تزیینی)، برای مثال در نماهای شیشه‌ای به عنوان جایگزینی برای سلولهای خورشیدی پایه سیلیکون.
- پوسته‌های (غشا) نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازدهی بیشتر پیل‌های سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی.
- با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک LED (که مبتنی بر پوشش‌های نیمه‌هادی در مقیاس نانو است)، معماران قادرند هنر خود را در نور پردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند.[5]
پی نوشت
[1] https://digiato.com/article/2017/08/06
[2] rasekhoon.net/article/show/1346783
[3] http://www.baaax.ir/fa/article/382
[4] http://www.iust.ac.ir/content/20218
[5] .nanoproduct.ir
منابع
https://digiato.com/
rasekhoon.net
http://www.baaax.ir/
http://www.iust.ac.ir
.nanoproduct.ir
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:19 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
توضیح تصویر: نانوسیمهای طلای رشد داده شده در آزمایشگاه دانشگاه رایس از شیمیدان یوجین زباروف نوید بخش این هستند که خواص پلاسمونیک قابل تنظیم برای کاربردهای اپتیکی و الکترونیکی را ارائه دهند. سیم‌ها را می توان به نحوی کنترل شده از نانو ذره‌ها رشد داد یا تعدیل کرد.
گزارش کامل
یک افزایش ویتامین C به دانشمندان دانشگاه رایس کمک کرد نانو میله‌های کوچک طلا را به نانوسیمهای ظریف طلا تبدیل کنند.
اسید آسکوربیک رایج و خفیف، سس نه چندان محرمانه‌ای است که به آزمایشگاه رایس شیمیدان یوجین زباروف کمک کرد تا دسته‌های خالصی از نانو سیم‌ها را از نانو میله‌های کُنده‌ای رشد دهد بدون این که اشکالات تکنیک‌های پیشین وجود داشته باشد.
زباروف گفت: "در مورد استفاده از ویتامین C برای ساختن نانو ساختارهای طلایی، به دلیل وجود چندین نمونه قبلی، هیچ چیز جدیدی وجود ندارد." "اما کاهش آهسته و کنترل شده به دست آمده از ویتامین C برای این نوع شیمی در تولید طولانی مدت نانوسیم‌ها شگفت آور است."
جزئیات کار در مجله ACC Nano، مجله شیمی آمریکا، منتشر شده است. دانشمندان روشی را برای تبدیل میله‌های طلایی کُنده‌ای به نانو سیمهای طلایی دارای طول چشمگیر کشف کرده‌اند.
نانو میله‌های آزمایشگاه رایس در ابتدای فرآیند تقریبا به اندازه 25 نانومتر ضخامت دارند و در این فرایند می‌مانند در حالی که طول آنها رشد میکند تا آنها تبدیل به نانوسیم‌هایی طولانی شوند. در بالای 1000 نانومتر طول، آنها به عنوان نانو سیم مورد توجه قرار می‌گیرند و این مهم است. نسبت ابعادی سیم - طول به پهنا - تعیین میکند که چگونه آنها نور را جذب یا منتشر می‌کنند و چگونه الکترون‌ها (یا جریان برق) را هدایت می‌کنند. این خواص، در ترکیب با ویژگی‌های ذاتی فلز طلا، می‌تواند ارزش آنها را برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و برنامه‌های درمانی افزایش دهد.
زبارف و مؤلف راهنما، بیشنو خانال، دانش آموخته شیمی رایس، موفق شدند که ذرات خود را وادارند که خیلی فراتر از تغییر حالت صرف از نانو میله به نانو سیم بروند و از لحاظ نظری دارای طول‌های نامحدود شوند.
محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند کاملاً قابل کنترل و برگشت پذیر است. این باعث میشود که نانوسیم‌هایی با هر طول دلخواه ولذا پیکربندی دلخواه تولید شود برای کاربردهای الکترونیکی یا کنترل با نور، به خصوص آنهایی که شامل پلاسمون‌ها می‌باشند، که نوسان‌های الکترون‌ها روی یک سطح فلزی هستند که با نور راه اندازی میشوند. (در فیزیک به نوسانات الکترون‌های آزاد یک محیط پلاسمایی، پلاسمون می‌گویند. اگر این الکترون‌ها درون حجم یک فلز قرار داشته باشد به آنها پلاسمون‌های حجمی گفته میشود.)
پاسخ پلاسمونیک نانوسیم‌ها می‌تواند تبدیل شود به انتشار نور از طیف مرئی تا مادون قرمز و از لحاظ نظری خیلی فراتر از آن که بستگی دارد به نسبت‌های طول به پهنای نانو سیم‌ها.
فرآیند آهسته است، بنابراین ساعت‌ها طول می‌کشد که یک نانو سیم به طول یک میکرون رشد کند. زباروف گفت: "در این مقاله، ما فقط ساختارهای 4 تا 5 میکرونی در طول را بیان کردیم." "اما ما در تلاش هستیم تا نانو سیمهای طولانی‌تری تولید کنیم."
فرایند رشد تنها به نظر می‌رسید که با نانومیله‌های طلای جفت شده‌ی پنج وجهی، که دارای پنج کریستال لینک شده هستند، کار می کند. زباروف گفت: این میله‌های پنج طرفه - "در مورد مداد، اما با پنج طرف به جای شش وجه، فکر کنید" - در امتداد سطوح مسطح پایدار هستند، اما نه در رأس‌ها.
وی گفت: " رأس‌ها نیز دارای پنج وجه هستند، اما آنها دارای ساختار متفاوتی از اتم‌ها هستند." "انرژی این اتم‌ها کمی پایین‌تر است، و وقتی که اتم‌های جدید در آن جا نشسته میشود، آنها هیچ جای دیگری مهاجرت نمی‌کنند."
این مانع می شود که سیم‌ها از طرف محیط رشد کنند. هر اتم اضافه شده طول سیم را افزایش می‌دهد و بنا بر این نسبت ابعادی افزایش می‌یابد.
رئوس انفعالی نانو میله‌ها از یک سورفاکتانت به نام CTAB که سطوح مسطح نانو میله‌ها را پوشش می‌دهد کمک می‌گیرند. زوبارف گفت: "سورفاکتانت یک دو لایه‌ای بسیار متراکم و سفت را بر روی وجه‌ها تشکیل می‌دهد، اما نمی‌تواند به طور مؤثر رئوس را پوشش دهد." (سورفاکتانت ماده‌ای است که تمایل دارد کشش سطحی مایعی که در آن حل شده است را کم کند.) این سیمهای فلزی می‌توانند برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و کاربردهای درمانی مفید باشند.
این امر، رئوس را برای واکنش‌های اکسایش و کاهش باز می‌گذارد. اسید آسکوربیک الکترون‌هایی را فراهم میکند که با یون‌های طلا ترکیب میشوند و به صورت اتم‌های طلا روی رئوس می‌نشینند. و بر خلاف نانو لوله‌های کربنی که در یک محلول به راحتی توده میشوند، نانو سیم‌ها فاصله خود را از یک دیگر حفظ می‌کنند.
زباروف گفت: "ارزشمندترین ویژگی این است که واقعا دراز شدگی نانو میله‌ها به نانو سیم‌ها به صورت یک بعدی است." "قطر را تغییر نمی‌دهد، بنابراین ما می‌توانیم میله‌های کوچک با مثلاً نسبت ابعادی دو یا سه را بگیریم و آنها را تا 100 بار طول خود دراز کنیم."
وی گفت که این روند باید قاعدتاً در مورد سایر نانو ذرات فلزی، از جمله نقره، قابل اعمال شود. نانوسیم‌ها را میتوان از مس، نقره و طلا ساخت. نانوسیمهای مسی به دست آمده از رسوب / ته‌نشین شدن بخار شیمیایی با ساختار جفت / دوقلو پنج برابری جهت ادغام در دستگاه‌ها مناسب هستند. محدودیت افزایش شناسه، از اثرناپذیری دیواره‌های کناری سیم‌ها با لیگاند فسفات که از ترکیب پیش ماده به دست آمده است، نشأت می‌گیرد.
نانوسیم‌ها را میتوان از فلزات، مواد نیمه هادی، مولکول‌های آلی و غیره تهیه کرد و نیز میتوان آنها را در علوم مکانیک، الکترونیک، اپتیک یا پزشکی به کار برد. نانوسیم‌ها می‌توانند در آینده? نزدیک برای پیوند قطعات ریز به مدارهای بسیار کوچک مورد استفاده قرار گیرند. این گونه قطعات را میتوان با بهره گیری از فناوری نانو، از ترکیبات شیمیایی تهیه کرد.
بنیاد ملی علوم و بنیاد ولز حمایت از این تحقیق را به عهده داشتند.
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.
برگرفته از مجله مجله:
Bishnu P. Khanal، یوجین R. Zubarev. تبدیل شیمیایی Nanorods به Nanowires: رشد غیرمستقیم و تجزیه نانوساختارهای طلا. ACS نانو، 2019؛ DOI: 10.1021 / acsnano.8b09203
مترجم: علی رضایی میر قائد
اسید آسکوربیک رایج و خفیف، سس نه چندان محرمانه‌ای است که به آزمایشگاه رایس شیمیدان یوجین زباروف کمک کرد تا دسته‌های خالصی از نانو سیم‌ها را از نانو میله‌های کُنده‌ای رشد دهد بدون این که اشکالات تکنیک‌های پیشین وجود داشته باشد.
زباروف گفت: "در مورد استفاده از ویتامین C برای ساختن نانو ساختارهای طلایی، به دلیل وجود چندین نمونه قبلی، هیچ چیز جدیدی وجود ندارد." "اما کاهش آهسته و کنترل شده به دست آمده از ویتامین C برای این نوع شیمی در تولید طولانی مدت نانوسیم‌ها شگفت آور است."
جزئیات کار در مجله ACC Nano، مجله شیمی آمریکا، منتشر شده است. دانشمندان روشی را برای تبدیل میله‌های طلایی کُنده‌ای به نانو سیمهای طلایی دارای طول چشمگیر کشف کرده‌اند.
نانو میله‌های آزمایشگاه رایس در ابتدای فرآیند تقریبا به اندازه 25 نانومتر ضخامت دارند و در این فرایند می‌مانند در حالی که طول آنها رشد میکند تا آنها تبدیل به نانوسیم‌هایی طولانی شوند. در بالای 1000 نانومتر طول، آنها به عنوان نانو سیم مورد توجه قرار می‌گیرند و این مهم است. نسبت ابعادی سیم - طول به پهنا - تعیین میکند که چگونه آنها نور را جذب یا منتشر می‌کنند و چگونه الکترون‌ها (یا جریان برق) را هدایت می‌کنند. این خواص، در ترکیب با ویژگی‌های ذاتی فلز طلا، می‌تواند ارزش آنها را برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و برنامه‌های درمانی افزایش دهد.
زبارف و مؤلف راهنما، بیشنو خانال، دانش آموخته شیمی رایس، موفق شدند که ذرات خود را وادارند که خیلی فراتر از تغییر حالت صرف از نانو میله به نانو سیم بروند و از لحاظ نظری دارای طول‌های نامحدود شوند.
محققان همچنین نشان دادند که این فرآیند کاملاً قابل کنترل و برگشت پذیر است. این باعث میشود که نانوسیم‌هایی با هر طول دلخواه ولذا پیکربندی دلخواه تولید شود برای کاربردهای الکترونیکی یا کنترل با نور، به خصوص آنهایی که شامل پلاسمون‌ها می‌باشند، که نوسان‌های الکترون‌ها روی یک سطح فلزی هستند که با نور راه اندازی میشوند. (در فیزیک به نوسانات الکترون‌های آزاد یک محیط پلاسمایی، پلاسمون می‌گویند. اگر این الکترون‌ها درون حجم یک فلز قرار داشته باشد به آنها پلاسمون‌های حجمی گفته میشود.)
پاسخ پلاسمونیک نانوسیم‌ها می‌تواند تبدیل شود به انتشار نور از طیف مرئی تا مادون قرمز و از لحاظ نظری خیلی فراتر از آن که بستگی دارد به نسبت‌های طول به پهنای نانو سیم‌ها.
فرآیند آهسته است، بنابراین ساعت‌ها طول می‌کشد که یک نانو سیم به طول یک میکرون رشد کند. زباروف گفت: "در این مقاله، ما فقط ساختارهای 4 تا 5 میکرونی در طول را بیان کردیم." "اما ما در تلاش هستیم تا نانو سیمهای طولانی‌تری تولید کنیم."
فرایند رشد تنها به نظر می‌رسید که با نانومیله‌های طلای جفت شده‌ی پنج وجهی، که دارای پنج کریستال لینک شده هستند، کار می کند. زباروف گفت: این میله‌های پنج طرفه - "در مورد مداد، اما با پنج طرف به جای شش وجه، فکر کنید" - در امتداد سطوح مسطح پایدار هستند، اما نه در رأس‌ها.
وی گفت: " رأس‌ها نیز دارای پنج وجه هستند، اما آنها دارای ساختار متفاوتی از اتم‌ها هستند." "انرژی این اتم‌ها کمی پایین‌تر است، و وقتی که اتم‌های جدید در آن جا نشسته میشود، آنها هیچ جای دیگری مهاجرت نمی‌کنند."
این مانع می شود که سیم‌ها از طرف محیط رشد کنند. هر اتم اضافه شده طول سیم را افزایش می‌دهد و بنا بر این نسبت ابعادی افزایش می‌یابد.
رئوس انفعالی نانو میله‌ها از یک سورفاکتانت به نام CTAB که سطوح مسطح نانو میله‌ها را پوشش می‌دهد کمک می‌گیرند. زوبارف گفت: "سورفاکتانت یک دو لایه‌ای بسیار متراکم و سفت را بر روی وجه‌ها تشکیل می‌دهد، اما نمی‌تواند به طور مؤثر رئوس را پوشش دهد." (سورفاکتانت ماده‌ای است که تمایل دارد کشش سطحی مایعی که در آن حل شده است را کم کند.) این سیمهای فلزی می‌توانند برای حسگری، تشخیص، تصویر سازی و کاربردهای درمانی مفید باشند.
این امر، رئوس را برای واکنش‌های اکسایش و کاهش باز می‌گذارد. اسید آسکوربیک الکترون‌هایی را فراهم میکند که با یون‌های طلا ترکیب میشوند و به صورت اتم‌های طلا روی رئوس می‌نشینند. و بر خلاف نانو لوله‌های کربنی که در یک محلول به راحتی توده میشوند، نانو سیم‌ها فاصله خود را از یک دیگر حفظ می‌کنند.
زباروف گفت: "ارزشمندترین ویژگی این است که واقعا دراز شدگی نانو میله‌ها به نانو سیم‌ها به صورت یک بعدی است." "قطر را تغییر نمی‌دهد، بنابراین ما می‌توانیم میله‌های کوچک با مثلاً نسبت ابعادی دو یا سه را بگیریم و آنها را تا 100 بار طول خود دراز کنیم."
وی گفت که این روند باید قاعدتاً در مورد سایر نانو ذرات فلزی، از جمله نقره، قابل اعمال شود. نانوسیم‌ها را میتوان از مس، نقره و طلا ساخت. نانوسیمهای مسی به دست آمده از رسوب / ته‌نشین شدن بخار شیمیایی با ساختار جفت / دوقلو پنج برابری جهت ادغام در دستگاه‌ها مناسب هستند. محدودیت افزایش شناسه، از اثرناپذیری دیواره‌های کناری سیم‌ها با لیگاند فسفات که از ترکیب پیش ماده به دست آمده است، نشأت می‌گیرد.
نانوسیم‌ها را میتوان از فلزات، مواد نیمه هادی، مولکول‌های آلی و غیره تهیه کرد و نیز میتوان آنها را در علوم مکانیک، الکترونیک، اپتیک یا پزشکی به کار برد. نانوسیم‌ها می‌توانند در آینده? نزدیک برای پیوند قطعات ریز به مدارهای بسیار کوچک مورد استفاده قرار گیرند. این گونه قطعات را میتوان با بهره گیری از فناوری نانو، از ترکیبات شیمیایی تهیه کرد.
بنیاد ملی علوم و بنیاد ولز حمایت از این تحقیق را به عهده داشتند.
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.
برگرفته از مجله مجله:
Bishnu P. Khanal، یوجین R. Zubarev. تبدیل شیمیایی Nanorods به Nanowires: رشد غیرمستقیم و تجزیه نانوساختارهای طلا. ACS نانو، 2019؛ DOI: 10.1021 / acsnano.8b09203
مترجم: علی رضایی میر قائد
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:17 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
توضیح تصویر: نقشه‌های تنشی آزمایشی (سمت چپ) و شبیه سازی شده (راست) در اطراف یک سوراخ ایجاد شده در یک شمش آلومینیوم نشان می‌دهد که "پوست هوشمند" ساخته شده توسط نانو لوله‌ها در دانشگاه رایس می‌تواند به طور موثر تنش را در مواد ارزیابی کند. این تکنیک می‌تواند برای هوا پیما، فضا پیما و زیرساخت‌های حیاتی‌ای مورد استفاده قرار گیرد که در آنها لازم است فشار مکانیکی مورد بررسی قرار گیرد.
گزارش کامل
به لطف یک ویژگی خاص از نانو لوله‌های کربنی، مهندسین به زودی قادر خواهند بود که فشار انباشته شده را در یک هواپیما، یک پل یا یک خط لوله - و یا تقریبا در مورد هر چیزی - اندازه گیری کنند چه در سطح کل یا در سطح میکروسکوپی باشد. پوست هوشمند از ویژگی‌های منحصر به فرد تابندگی نانو لوله‌های کربن به منظور بررسی سریع تنش در مواد استفاده میکند. این روش برای هواپیماها، فضاپیماها و زیرساخت‌های حیاتی‌ای در نظر گرفته شده است که در آنها فشار مکانیکی باید مورد بررسی قرار گیرد.
آنها این کار را با تاباندن نور به ساختارهای پوشش داده شده با یک فیلم دو لایه نانو لوله و پلیمر محافظ انجام می‌دهند. فشار در سطح به صورت تغییراتی در طول موج‌های نور نزدیک مادون قرمز منتشر شده از فیلم نشان داده خواهد شد و توسط یک ریدر کوچک گرفته شده و ضبط میشود. نتایج به مهندسان و کارکنان تعمیر و نگهداری نشان می‌دهد که آیا ساختارهایی مانند پل‌ها یا هواپیماها با وقایع ناشی از استرس یا سایش و پارگی معمولی تغییر کرده‌اند یا نه.
شبیه یک پیراهن سفید تحت یک نور ماوراء بنفش، نانو لوله‌های کربنی تک دیواره تابان میشوند، و این خاصیتی است که شیمی دان بروز وِیزمن آن را در آزمایشگاه رایس در سال 2002 کشف کرد. چند سال بعد در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن میشود.
هنگامی که نتایج وِیزمن به مهندس شهرداری و محیط زیست رایس رسید، ساتیس نگارجیا - که به طور مستقل در ایده‌های مشابه با استفاده از طیف سنجی رامان اما در مقیاس بزرگ از سال 2003 کار می‌کرد، پیشنهاد داد که همکاری کند تا این پدیده علمی را به یک مفهوم فن آورانه برای سنجش فشار تبدیل کند.
در حال حاضر، نگارجیا و ویزمن دو مقاله مهم در مورد کار خود روی پروژه "پوست هوشمند" منتشر کرده‌اند. در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن میشود.
این روش، یک راه نشست دادن یک فیلم حسگر نانو لوله میکروسکوپی جدا از لایه فوقانی محافظ را توصیف میکند. تغییر رنگ در انتشار نور نانو لوله‌ها نشان دهنده میزان فشار در ساختار زیر لایه است. محققان می‌گویند این امر امکان نقشه برداری دو بعدی از تنش انباشته را فراهم میکند که نمی‌توان با استفاده از روشهای غیر تماسی دیگر به دست آورد.
مقاله دوم، در مجله مهندسی سازه، جزئیات نتایج آزمایش پوست هوشمند بر روی نمونه‌های فلزی دارای بی نظمی‌هایی است که اغلب محل فشار یا کشیدگی هستند.
وِیزمن گفت: "این پروژه به عنوان علم محض در زمینه طیف سنجی نانو لوله آغاز شد و منجر به کار مشترک اثبات اصل شد که نشان داد ما می‌توانیم تنش زیر لایه را با بررسی طیف فیلم در یک مکان اندازه گیری کنیم." "این پیشنهاد کرد که این روش می‌تواند برای اندازه گیری کلیه سطوح گسترش یابد. آنچه که اکنون نشان داده‌ایم بسیار نزدیک به حالت کاربردی آن است."
از زمان گزارش اولیه، محققان ترکیب و تهیه فیلم و برنامه کاربردی آن را به صورت فوری طراحی کرده‌اند و همچنین دستگاه‌های اسکنری را ایجاد کرده‌اند که به طور خودکار اطلاعات را از نقاط برنامه ریزی شده ضبط می‌کنند. بر خلاف سنسورهای معمولی که تنها در یک نقطه در یک محور اندازه گیری می‌کنند، فیلم هوشمند می‌تواند به طور انتخابی مورد بررسی قرار گیرد تا فشار در هر جهت و مکان مشخص شود.
این فیلم دو لایه تنها چند میکرون ضخیم است، که به اندازه کسری از عرض یک موی انسان است و به سختی در سطح شفاف قابل مشاهده است. نگارجیا گفت: "در فیلم های اولیه ما، سنسورهای نانو لوله در پلیمر مخلوط شده‌اند." "اکنون که ما حسگرها و لایههای محافظ را از هم جدا کرده‌ایم، تابندگی نانو لوله‌ها واضح‌تر شده و ما می‌توانیم با وضوح بسیار بیشتری اسکن کنیم. این به ما امکان می‌دهد تا مقدار قابل توجهی اطلاعات را به سرعت جمع آوری کنیم."
محققان پوست هوشمند را بر روی شمش‌های آلومینیومی تحت تنش با یک سوراخ یا یک شکاف آزمایش کرده‌اند تا مکان‌هایی را که در آن فشارها متمایل به ساخت هستند را نشان دهند. اندازه گیری این نقاط ضعف بالقوه در حالت بدون فشار و سپس پس از اعمال تنش نشان داد تغییرات قابل توجهی در الگوهای فشار وجود دارد که با نقشه برداری از نقطه به نقطه و سپس کنار هم قرار دادن آنها به دست میآید.
نگارجیا گفت: "ما آن مناطق با استرس زیاد از ساختار را به عنوان نقاط بالقوه شکست می‌شناسیم." "ما می توانیم این مناطق را با فیلم پوشش دهیم و آنها را در حالت سالم تماشا کنیم و سپس پس از یک رویداد مانند زلزله، به عقب برگردیم و دوباره بررسی کنیم تا ببینیم آیا توزیع کرنش تغییر کرده و ساختار در معرض خطر است یا نه."
محققان در آزمایش‌های خود گفتند که نتایج اندازه گیری شده نزدیک به الگوهای شبیه سازی شده حاصل از شبیه سازی‌های پیشرفته محاسباتی است. نگارجیا گفت که خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند. آنها همچنین توانستند مرزهای روشن بین مناطق کششی و فشرده را ببینند.
ویزمن گفت: "ما نقطه‌ها را در فاصله‌های 1 میلیمتری از هم اندازه گیری کردیم، اما ما می توانیم در صورت لزوم بدون آسیب رساندن به حساسیت فشار، فاصله‌های جدایی را 20 برابر کوچکتر کنیم." وی گفت که این یک جهش فراسوی سنسورهای فشار استاندارد است که فقط قرائت را به طور متوسط ??روی بیش از چند میلی متر ارائه می‌دهند. خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند.
محققان، تکنولوژی خود را در امر درگیر شدن در برنامه‌های کاربردی کوچک مانند تست توربین‌ها در موتورهای جت یا عناصر ساختاری در مراحل تکامل خود می‌دانند. ویزمن گفت: "این روش در حال حاضر قصد جایگزینی فوری تمام فن آوری‌های موجود برای اندازه گیری فشار را ندارد." "فن آوری‌ها بسیار تثبیت شده هستند و اینرسی بسیار زیادی دارند."
او گفت: "اما این روش مزایایی دارد که وقتی روشهای دیگر نمی‌توانند کار را انجام دهند مفید خواهد بود." "من انتظار دارم که در برنامه های تحقیقی مهندسی، و در طراحی و آزمایش ساختارها قبل از این که در این زمینه مستقر شوند، استفاده شود."
با پالودن پوست هوشمند خود، محققان در حال کار روی توسعه نسل بعدی خواننده فشار هستند که یک دستگاه دوربین مانند است که می‌تواند الگوهای تنش را روی یک سطح بزرگ به صورت بلافاصله عکس بگیرد.
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.
بر گرفته از سایت ساینس دِیلی
آنها این کار را با تاباندن نور به ساختارهای پوشش داده شده با یک فیلم دو لایه نانو لوله و پلیمر محافظ انجام می‌دهند. فشار در سطح به صورت تغییراتی در طول موج‌های نور نزدیک مادون قرمز منتشر شده از فیلم نشان داده خواهد شد و توسط یک ریدر کوچک گرفته شده و ضبط میشود. نتایج به مهندسان و کارکنان تعمیر و نگهداری نشان می‌دهد که آیا ساختارهایی مانند پل‌ها یا هواپیماها با وقایع ناشی از استرس یا سایش و پارگی معمولی تغییر کرده‌اند یا نه.
شبیه یک پیراهن سفید تحت یک نور ماوراء بنفش، نانو لوله‌های کربنی تک دیواره تابان میشوند، و این خاصیتی است که شیمی دان بروز وِیزمن آن را در آزمایشگاه رایس در سال 2002 کشف کرد. چند سال بعد در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن میشود.
هنگامی که نتایج وِیزمن به مهندس شهرداری و محیط زیست رایس رسید، ساتیس نگارجیا - که به طور مستقل در ایده‌های مشابه با استفاده از طیف سنجی رامان اما در مقیاس بزرگ از سال 2003 کار می‌کرد، پیشنهاد داد که همکاری کند تا این پدیده علمی را به یک مفهوم فن آورانه برای سنجش فشار تبدیل کند.
در حال حاضر، نگارجیا و ویزمن دو مقاله مهم در مورد کار خود روی پروژه "پوست هوشمند" منتشر کرده‌اند. در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن میشود.
این روش، یک راه نشست دادن یک فیلم حسگر نانو لوله میکروسکوپی جدا از لایه فوقانی محافظ را توصیف میکند. تغییر رنگ در انتشار نور نانو لوله‌ها نشان دهنده میزان فشار در ساختار زیر لایه است. محققان می‌گویند این امر امکان نقشه برداری دو بعدی از تنش انباشته را فراهم میکند که نمی‌توان با استفاده از روشهای غیر تماسی دیگر به دست آورد.
مقاله دوم، در مجله مهندسی سازه، جزئیات نتایج آزمایش پوست هوشمند بر روی نمونه‌های فلزی دارای بی نظمی‌هایی است که اغلب محل فشار یا کشیدگی هستند.
وِیزمن گفت: "این پروژه به عنوان علم محض در زمینه طیف سنجی نانو لوله آغاز شد و منجر به کار مشترک اثبات اصل شد که نشان داد ما می‌توانیم تنش زیر لایه را با بررسی طیف فیلم در یک مکان اندازه گیری کنیم." "این پیشنهاد کرد که این روش می‌تواند برای اندازه گیری کلیه سطوح گسترش یابد. آنچه که اکنون نشان داده‌ایم بسیار نزدیک به حالت کاربردی آن است."
از زمان گزارش اولیه، محققان ترکیب و تهیه فیلم و برنامه کاربردی آن را به صورت فوری طراحی کرده‌اند و همچنین دستگاه‌های اسکنری را ایجاد کرده‌اند که به طور خودکار اطلاعات را از نقاط برنامه ریزی شده ضبط می‌کنند. بر خلاف سنسورهای معمولی که تنها در یک نقطه در یک محور اندازه گیری می‌کنند، فیلم هوشمند می‌تواند به طور انتخابی مورد بررسی قرار گیرد تا فشار در هر جهت و مکان مشخص شود.
این فیلم دو لایه تنها چند میکرون ضخیم است، که به اندازه کسری از عرض یک موی انسان است و به سختی در سطح شفاف قابل مشاهده است. نگارجیا گفت: "در فیلم های اولیه ما، سنسورهای نانو لوله در پلیمر مخلوط شده‌اند." "اکنون که ما حسگرها و لایههای محافظ را از هم جدا کرده‌ایم، تابندگی نانو لوله‌ها واضح‌تر شده و ما می‌توانیم با وضوح بسیار بیشتری اسکن کنیم. این به ما امکان می‌دهد تا مقدار قابل توجهی اطلاعات را به سرعت جمع آوری کنیم."
محققان پوست هوشمند را بر روی شمش‌های آلومینیومی تحت تنش با یک سوراخ یا یک شکاف آزمایش کرده‌اند تا مکان‌هایی را که در آن فشارها متمایل به ساخت هستند را نشان دهند. اندازه گیری این نقاط ضعف بالقوه در حالت بدون فشار و سپس پس از اعمال تنش نشان داد تغییرات قابل توجهی در الگوهای فشار وجود دارد که با نقشه برداری از نقطه به نقطه و سپس کنار هم قرار دادن آنها به دست میآید.
نگارجیا گفت: "ما آن مناطق با استرس زیاد از ساختار را به عنوان نقاط بالقوه شکست می‌شناسیم." "ما می توانیم این مناطق را با فیلم پوشش دهیم و آنها را در حالت سالم تماشا کنیم و سپس پس از یک رویداد مانند زلزله، به عقب برگردیم و دوباره بررسی کنیم تا ببینیم آیا توزیع کرنش تغییر کرده و ساختار در معرض خطر است یا نه."
محققان در آزمایش‌های خود گفتند که نتایج اندازه گیری شده نزدیک به الگوهای شبیه سازی شده حاصل از شبیه سازی‌های پیشرفته محاسباتی است. نگارجیا گفت که خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند. آنها همچنین توانستند مرزهای روشن بین مناطق کششی و فشرده را ببینند.
ویزمن گفت: "ما نقطه‌ها را در فاصله‌های 1 میلیمتری از هم اندازه گیری کردیم، اما ما می توانیم در صورت لزوم بدون آسیب رساندن به حساسیت فشار، فاصله‌های جدایی را 20 برابر کوچکتر کنیم." وی گفت که این یک جهش فراسوی سنسورهای فشار استاندارد است که فقط قرائت را به طور متوسط ??روی بیش از چند میلی متر ارائه می‌دهند. خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند.
محققان، تکنولوژی خود را در امر درگیر شدن در برنامه‌های کاربردی کوچک مانند تست توربین‌ها در موتورهای جت یا عناصر ساختاری در مراحل تکامل خود می‌دانند. ویزمن گفت: "این روش در حال حاضر قصد جایگزینی فوری تمام فن آوری‌های موجود برای اندازه گیری فشار را ندارد." "فن آوری‌ها بسیار تثبیت شده هستند و اینرسی بسیار زیادی دارند."
او گفت: "اما این روش مزایایی دارد که وقتی روشهای دیگر نمی‌توانند کار را انجام دهند مفید خواهد بود." "من انتظار دارم که در برنامه های تحقیقی مهندسی، و در طراحی و آزمایش ساختارها قبل از این که در این زمینه مستقر شوند، استفاده شود."
با پالودن پوست هوشمند خود، محققان در حال کار روی توسعه نسل بعدی خواننده فشار هستند که یک دستگاه دوربین مانند است که می‌تواند الگوهای تنش را روی یک سطح بزرگ به صورت بلافاصله عکس بگیرد.
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.
بر گرفته از سایت ساینس دِیلی
مترجم: علی رضایی میر قائد
تاریخ : شنبه 98/2/14 | 6:16 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
