گام به گام با نانوتکنولوژی

آشنایی با نانوذرات

نانوذرات ساختار کریستالی دارند و از در کنار هم قرار گرفتن آنها نانوکریستال ها ساخته می شوند. هنگامی که از میکروذرات به سمت نانوذرات می رویم، تعداد زیادی از خصوصیات فیزیکی آنها تغییر می کند. دوتا از دلایل چنین تغییراتی، یکی افزایش نسبت سطح به حجم و دیگری اندازه حرکت کننده در درون حوزه هایی است که اثرات کوانتومی در آن حاکم است. در واقع هرچه از مکانیک کلاسیک به سمت مکانیک کوانتومی حرکت می کنیم، ذرات کوچکتر شده و رفتارهای کوانتومی بیشتری نشان می دهند.
در واقع نسبت اتم های سطحی درونی افزایش می یابد و به تدریج خصوصیات اتم های سطحی به رفتار اتم های درونی غلبه می کند. این تغییرات روی خصوصیات منزوی بودن ذرات و اندرکش آنها با دیگر مواد تاثیر می گذارد. افزایش سطح عاملی تعیین و مهم در کارایی کاتلیست ها و ساختارهای همانند الکترودهاست و باعث افزایش کارایی و بهره وری باطری و پیل های سوختی است که از این الکترودها استفاده می کنند. همچنین افزایش سطح (رویه سطحی) نانوذرات، تاثیر زیادی بر روی اندرکنش بین مواد ترکیبی مانند نانو کامپوزیت ها دارد و موجب تغییر در خصوصیات شیمیایی، مکانیکی و الکتریکی این مواد می گردد. با توجه به اینکه ابعاد نانو ذرات از طول موج نور مرئی بیشتر است، می توان از آنها در کاربردهای بسته بندی از نظر زیبایی، فن آرایش و تزئین و روکش های رنگ استفاده کرد. با توجه به اثرات کوانتومی یا افزایش اتم های سطحی، برخی از خصوصیات نانوذرات ممکن است به راحتی قابل پیش بینی نباشد. برای مثال اخیرا نشان داده شده است که ساختار نانوذرات سیلیکون نانوکره هایی با قطر بین 100-40 نانومتر می باشد که نه تنها از سیلیکون سخت تر است، بلکه سختی بین الماس و یاقوت می باشد.
سال های زیادی از استفاده از نانوذرات می گذرد، اما احتمالا اولین جایی که از نانوذرات استفاده شده است مربوط به ظروف شیشه ای در سلسله های باستانی چین باشد. یک جام رومی به نام «جام لیکرگوس*» متعلق به قرن چهارم میلادی است و در موزه انگلستان نگهداری می شود و بر روی آن تصویری به صورت برجسته از شاه افسانه ای لیکرگوس نقش بسته است. ساختار جام عمدتاً از دی اکسید سیلسیم و مقداری اکسید سدیم و کلسیم تشکیل شده است که روکشی از نانوذرات طلا بر روی آن قرار گرفته است. وجود نانوذرات طلا باعث می شود تا هنگامی که نور از درون جام می تابد، جام به رنگ سبز و هنگامی که نور از بیرون می تابد، جام به رنگ قرمز درآید. البته در آن زمان علت این اثر شناخته شده نبود. اخیراً انواع بسیار گوناگونی از نانوذرات، از ماده های مختلف ساخته شده است که مهم ترین و متداول ترین نوع نانوذرات تولید شده جدید، سرامیک ها هستند که از بخش های مهم سرامیک های اکسید فلزی می باشند، همانند اکسیدهای تیتانیوم، آهن، آلومینیوم و...
همان طوری که می دانیم نانوذرات می بایست کوچکتر از 100 نانومتر باشند و برای ذراتی در این ابعاد نیز کاربردهای نوینی یافت شده است. استفاده از نانو ذرات در نانو پودرهای سرامیک فلزی و اکسید فلزی باعث افزایش سختی آنها نسبت به حالت قلبی در همان اندازه، در تمامی ابعاد دیگر است. کوچک شدن ابعاد ذرات تا این اندازه باعث تغییر خصوصیات الکترونیکی، فیزیکی، شیمیایی، مغناطیسی، اپتیکی و واکنش پذیری این مواد می گردد.
برای یک مثال از تغییر خصوصیات الکترونیکی، ممکن است مواد درگذر از میکروذرات به نانوذرات رسانا شوند و یا مواد رسانا می توانند رسانندگی خود را از دست بدهند. مثلاً نانوذرات مس در حضور میدان مغناطیسی خاصیت هدایت خود را از دست می دهند. از خصوصیات فیزیکی نیز می توان به دمای ذوب مواد اشاره کرد که با کاهش اندازه ذرات و گذر از حد100 نانومتر با تغییر در دمای ذوب مواجه می شویم. این تغییرات دمایی بسته به نوع ماده، گاهی با کوچک شدن اندازه رابطه مستقیم و گاهی رابطه معکوس دارد. برای مثال دمای ذوب نانوذرات طلا با کاهش اندازه آنها کاهش می یابد. از دیگر خصوصیات فیزیکی رنگ می باشد که این خاصیت نیز همانند دمای ذوب دستخوش تغییر می شود، برای مثال نانوذرات طلا به رنگ قرمز هستند. از خواص دیگری که دچار تغییرات می شود خواص شیمیایی و واکنش پذیری مواد است، برای مثال نانوذرات طلا با کاهش ابعاد، فعالیت کاتالیزوریشان در اکسیداسیون مونواکسید کربن به شدت افزایش می یابد. این در حالی است که در حالت عادی طلا خاصیت کاتالیزوری برای چنین واکنشی ندارد. خصوصیات مغناطیسی نانوذرات کبالت، آهن با کاهش ابعاد به شدت افزایش می یابد. به طوری که از نانو ذرات آهن برای تولید نانوفرومغناطیس استفاده می شود. این مواد، مایع هایی با خاصیت مغناطیسی هستند که کاربردهای فراوانی در الکترونیک دارند، حتی تغییر در خواص اپتیکی نیز در نانو ذرات اتفاق می افتد، به طوری که بعضی از میکروذرات پس از نانو
ذره شدن، خواص جذب و بازتاب نورشان به شدت تغییر می کند. برای نمونه نانو کادمیم از خود نور ساطع می کند و می توان از آن به عنوان منبع نور استفاده کرد.

کاربردهایی از نانوذرات

یکی از کاربردهای نانو ذرات در صنعت پزشکی، داروسازی است. ذرات در اندازه های نانومتر می توانند به مواد دارویی در ابعاد نانومتریک متصل شده و به صورت اختصاصی توسط سلول های سرطانی جذب شوند. با این روش، سلول های سالم در معرض مواد دارویی قرار نمی گیرند و عوارض جانبی دارو کمتر می شود. از کاربردهای دیگر نانوذرات تولید سنگ فرش ها و بتن های خودپاک شونده یا سریع پاک شونده است که این کار را با استفاده از محلولی از نانوذرات نقره، که بر روی سنگ فرش ها کشیده شده و با استفاده از اشعه فوق بنفش (uv) تثبیت می شود، انجام می دهند. همچنین شیشه های ضدلک و ضد آب نیز که با استفاده از این پوشش دهی، نیازی به نظافت ندارند، می توانند از نظر اقتصادی به صرفه باشند و در هزینه های نگهداری و نظافت صرفه جویی قابل ملاحظه ای داشته باشند. یکی از موادی که امروزه به وفور در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد، نانو ذرات نقره می باشند. این نانوذرات که دارای قابلیت از بین بردن میکروب ها و باکتری ها می باشند، در پزشکی برای استرلیزه کردن وسایل و از بین بردن عفونت های بیمارستانی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین در صنایع کنسروسازی برای جلوگیری از رشد باکتری ها کاربرد دارند. وسعت و دامنه استفاده از این محصول تا حدی پیش رفته که در ماشین های لباسشویی و یخچال های برخی از شرکت های سازنده لوازم خانگی نیز مورد استفاده قرار گرفته اند.

روش های تولید نانو مواد

همانطور که در مقاله قبلی به طور مفصل توضیح داده شده، به طور کلی دو روش برای ساخت مواد نانویی وجود دارد. یکی روش پایین به بالا و دیگری روش بالا به پایین.
در روش ساخت پایین به بالا، از چینش اتم به اتم و مولکول به مولکول از یک ماده کنار هم بطور دلخواه، جهت ایجاد و ساخت مواد جدید نانومتری استفاده می شود. در این روش که خود شامل شیوه های مختلف تولید است، مواد جدید با چینش اتمی خاص و منحصر به فرد می توانند ساخته شوند. اما در روش بالا به پایین برای رسیدن به نانو مواد، باید ذرات و ترکیبات بزرگتر ماده را با استفاده از روش های متداول مانند خرد کردن در چند مرحله به مواد در مقیاس نانومتری تبدیل کنیم. ساخت محصولات با نانوذرات نیز از این قاعده مستثنی نیست.
روش های بسیار متنوعی برای تولید نانوذرات وجود دارد. یکی از این روش ها، تولید نانوذرات با عمل آسیاب کردن است. در این روش مواد را به کمک گوی های بسیار سنگین فولادی آسیاب می کنند و این کار با توجه به نوع ماده و اندازه نانوذرات خواسته شده، در بازه های زمانی متفاوتی انجام می شود. طبیعی است که هرچه بخواهیم اندازه نانوذره نهایی کوچکتر باشد، عمل آسیاب کردن را در مدت زمان بیشتری ادامه خواهیم داد. آسیاب کردن از روش های ساخت بالا به پایین می باشد، چرا که ذرات بزرگتر به ذرات کوچکتر (نانوذرات) تبدیل می شوند. این روش به دلیل هزینه بالا مقرون به صرفه نمی باشد، بنابراین باید به دنبال روش هایی بود که بتوان با هزینه های بسیار کمتر، نانوذراتی با اندازه کوچکتر به دست آورد. یکی از این روش ها، تولید نانوذرات با روش های شیمیایی است که هزینه آن به مراتب از روش آسیاب کردن کمتر است. روش های شیمایی جزء روش پایین به بالا می باشند، چراکه در فرایند شیمیایی از کنار هم قرارگیری اتم ها و مولکول ها، نانوذرات تشکیل می شوند و با کنترل این فرایند می توان به راحتی به نانو ذراتی با اندازه های کوچک دست یافت، هرچند تکنیک های مختلفی وجود دارد اما مهمترین، به صرفه ترین و معمول ترین تکنیک در روش های شیمیایی، روش سل- ژل می باشد که امروزه از این روش در آزمایشگاه ها برای تولید نانوذرات به مقدار زیاد استفاده می شود. یکی دیگر از روش های تولید نانوذرات، استفاده از باکتری هاست. دانشمندان به وجود باکتری هایی پی بردند که می توانند با شکستن پیوند میکروذرات، آنها را به نانو ذرات تبدیل کنند، شاید این روش در تولید نانوذرات معمول نباشد اما به طور کلی در نوع خود روش جالبی است.
منبع: نشریه اطلاعات علمی شماره8