(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 ()
