تدریس خصوصی دروس دانشگاه 88826009

نوشته شده در موضوع تدریس خصوصی در 05 فوریه 2015

tadris تدریس خصوصی دروس دانشگاه 88826009

 نانو

از نگاه لغوی ، کلمه نانو به معنای یک میلیاردم (9-10 ) است و در اصل از یک واژه یونانی به معنای کوتوله گرفته شده است.

مقدمه
علم نانو (Nano – science) و فناوری متکی بر آن یا به اختصار ، فناوری نانو (Nano – technology) در کنار علوم و فناوریهای مرتبط با زیست شناسی و ژنتیک مولکولی ، علوم و فناوری اطلاعات ، مولفه‌های انقلاب سوم علمی – صنعتی عصر جدید را تشکیل می‌دهند. این انقلاب ادامه منطقی انقلابهای علمی اول و دوم است که منجر به پیدایش علوم و فناوریهای مقیاسهای ماکرو و میکرو گشتند.

انقلاب سوم و بویژه مولفه‌های علوم و فناوری مقیاس نانو در آن برای اولین بار در تاریخ جوامع بشری امکان دستکاری و دخالت عمدی و اختیاری در خواص و سازماندهی ماده فیزیکی و اساسی‌ترین سطوح آن ، یعنی مقیاسهای زیر اتمی و مولکولی را فراهم خواهد آورد.

1-2 تاریخچه ی نانو

در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي‌دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا كه در حدود 400 سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژة اتم را كه به معني تقسيم‌نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد. با تحقيقات و آزمايش‌هاي بسيار، دانشمندان تاكنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم‌ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكيل شده‌اند. با اين حال اين كشف‌ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست.

نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست‌ها شيشه‌گران قرون وسطايي بوده‌اند كه از قالب‌هاي قديمي(Medieal forges) براي شكل‌دادن شيشه‌هايشان استفاده مي‌كرده‌اند. البته اين شيشه‌گران نمي‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي‌كند. در آن زمان براي ساخت شيشه‌هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي‌‌شده است و با اين كار شيشه‌هاي رنگي بسيار جذابي بدست مي‌آمده است. اين قبيل شيشه‌ها هم‌اكنون در بين شيشه‌هاي بسيار قديمي يافت مي‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در اين شيشه‌ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي‌باشند. در واقع يافتن مثالهايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست.رنگدانه‌هاي تزييني جام مشهور ليكرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه‌اي از آنهاست. اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگ هاي متفاوتي دارد. نور انعكاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي‌شود. آناليز اين شيشه حكايت از وجود مقادير بسيار اندكي از بلورهاي فلزي ريز700 (nm) دارد ، كه حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا 14 به 1 است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليكرگوس گشته است.

در سال1959 ريچارد فاينمن مقاله‌اي را دربارة قابليت‌هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت‌هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب‌شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي‌شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد درآن سال در يك مهماني شام كه توسط انجمن فيزيك آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت. عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بود. سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي‌توان تمام دايره‌المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد.يعني ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي‌كردن اتم‌ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچك تر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش‌بيني نمود.

نقش نانو ساختارها در فناوری نانو علم نانو ایجاد دانشهای بنیادی برای اعمال کنترل کامل بر ساختار و عملکرد ماده فیزیکی در مقاسهای اتمی و مولکولی را هدف خود برای اعمال کنترل کامل بر ساختار و عملکرد ماده فیزیکی در مقیاسهای اتمی و مولکولی را قرار داده است و فناوری نانو نوید می‌دهد که این دانشها در آینده‌ای نه چندان دور در قالب مهندسی در آیند.

از طریق فناوری نانو خواهیم توانست با جایگذاری تک اتمها و تک مولکولها در کنار یکدیگر از پایین به بالا ساختارهای نوینی را که به نانو ساختارها (nano – structures) موسوم‌اند. و دارای خواص و عملکردهای کاملا نوین می‌باشند بوجود آوریم. با استفاده از این ساختارها دستگاهها ، ادوات و قطعات فوق ریزی که در مقیاسهای طولی و زمانی بسیار تقلیل یافته فعالیت می‌کنند، تولید نماییم. نانو ساختارها سنگ بنای فناوری نانو هستند.

از نظر اندازه در فاصله بین ساختارهای مولکولی و ساختارهای میکرونی قرار دارند. از تعداد قابل شمارشی از اتمها تشکیل می‌شوند و نسبت سطح به حجم آنها بسیار بالاست. شکل جدیدی از ماده فیزیکی‌اند که برای درک خواص آنها بویژه خواص الکترونی و مقیاسی آنها باید به مفاهیم بسیار پیشرفته مکانیک کوانتومی دستگاههای بس ذره‌ای متوسل شد. از آنجایی که خواص مواد قویا به اندازه اجزا تشکیل دهنده آنها یا ریز دانه‌های آنها وابسته است. موادی که ریز دانه‌های آنها در مقیاس نانو طراحی می‌شوند از کیفیتهای نوینی برخورد دارند که در مواد معمولی موجود نیستند.

نانو ساختارها در همه زمینه‌ها به چشم می‌خورند. چه در دستگاههای زنده و چه غیر زنده. وجود نانو ساختارهای زیستی از قبیل آنزیمها ، گواه بر این واقعیت است که طبیعت خود بهترین شکل فناوری مقیاس نانو را بوجود آورده است. علوم سنتی یعنی فیزیک ، شیمی ، ریاضیات ، ژنتیک ، علم مواد ، مهندسی پزشکی ، که در مقیاسهای ماکرو و میکرو حوزه‌های فعالیت مجزا و مستقلی هستند، در مقیاس نانو به سمت اصول ، ساختارها و ابزارهای واحدی گرایش می‌یابند.

انواع رویکردهای نانو تکنولوژِی
در نتیجه ، علوم فناوری نانو عمیقا میان رشته‌ای بوده و دستاوردهای بس شگرفی برای بشریت خواهند داشت و افقهای کاملا جدیدی را برای پیشرفت و بهروزی جوامع و مبارزه موثر با بیماریها و گرسنگی خواهند گشود. رسیدن به مقیاس نانو از طریق رویکرد از پایین به بالا یکی از گزینه‌های علم و فناوری نانو است. رویکرد دیگر در علم فناوری نانو ، رویکرد از بالا یه پایین ، یا بیرون کشیدن نانو ساختارها از درون ساختارهای بزرگتر است. این رویکرد به نام برنامه کوچک سازی (miniaturization program) مشهور گشته است و همراه با رویکرد اول ، بسترهای اساسی برای پیشرفت برنامه عظیم جهانی علوم فناوری نانو هستند.

علوم فناوری نانو ، همراه با فناوری زیسی متکی بر ژنتیک مولکولی که در برنامه بزرگ ژنوم انسانی متجلی گشته است. و فناوری اطلاعات که با پیشرفت عظیم قدرت محاسباتی رایانه‌ها ، در شکل ابر رایانه‌ها سکوهای گرافیک محاسباتی و رایانه‌های فردی ، جهش‌وار به پیش می‌رود. مبانی علم و فناوری قرن بیست و یکم را تشکیل می‌دهند و سیمای پیشرفت جوامع بشری را تا حداقل پنجاه سال آینده ترسیم می‌کنند.

فناوری نانو در آینده نه چندان دور واقعیت این است که بشر در آستانه بزرگترین تحول و دگرگونی تاریخ خود قرار دارد و این تحول همه چیز را در همه عرصه‌های زندگی بشر ، بطور انقلابی دگرگون خواهد ساخت. فناوری نانو ، جهان را در آستانه بزرگترین انقلاب تاریخ قرار داده است. در سایه انقلاب فناوری نانو توانمندیهای تازه‌ای در تولید و کاربرد ابزار میکرو الکترونیک یکی پس از دیگری پدیدار خواهد شد. با استفاده از این فناوری ابزار و وسایل لازم با بهره گیری از روشهای ساخت مولکولی مشابه با آنچه در اندام انسانی روی می‌دهد تولید می‌شوند.

پیامدهای فناوری نانو با توجه به این نکته که این فناوری می‌تواند در نقطه تلاقی دانش اطلاعات و دانش زیستی عمل نماید کاملا حیرت انگیز خواهد بود. رایانه‌های مولکولی با اجزا ارگانیک و زنده در تماس و ارتباط خواهند بود. انسانها در 25 سال آینده وسایل اطلاع رسانی شخص خود را در حالی با خود حمل خواهند کرد که آن را به نوعی پوشیده‌اند و نیروی لازم برای آن را از انرژی جنبشی ناشی از راه رفتن خود تامین می‌کنند.

محط کار ما بطور مجازی و مطابق نیاز و سلیقه ما همه جا همراه خواهد بود و مردم همه دنیا با حجم زیادی از اطلاعات در هر زمان و مکان قابل دسترسی خواهند بود. هنگام سفر نیز خودروهای رایانه‌ای و هوشمند خود راننده در ارتباط شبکه‌ای با پایگاههای مرکزی بوده و دسترسی دائمی به آخرین اطلاعات مورد نیاز امکان پذیر خواهند نمود و قبل از رسیدن به خانه و لوازم منزل و محیط خانه را با برنامه ریزی و ارتباط با یکدیگر مطابق دلخواه ما آماده خواهند کرد.

در زمینه فناوری میکرو الکترومکانیکها (MEMS) ما به وسایلی دست پیدا خواهیم کرد که در آنها حسگرها و فرستنده‌ها و گیرنده‌ها در حداقل اندازه خود بوده و با چنین وسایلی زندگی ما به شدت متحول خواهد شد. به عنوان نمونه هنگام بیماری پزشکان همزمان با ما و یا حتی زودتر از ما از آن آگاه خواهند شد. در زمینه فناوری زیستی امکان همانند سازی انسان و سایر موجودات زنده گزینش جنسیت و حتی صفات خاص در نوزادان فراهم شده و امکان درمان بسیاری از بیماریهای حاد و مزمن حسی عصبی با فناوری کشت سلولی مقدور خواهد شد.

نانو تکنولوژی در ایران
برای کشور در حال توسعه ایستایی نظیر کشور ما نیز گزینش استراتژی فرا صنعتی علاوه بر حیاتی و اجتناب ناپذیر بودن آن ، این حسن را نیز دارد که توجه جامعه را از مسائلی انحرافی و مشکلات کاذبی نظیر منازعه کهنه و نخ نما شده 250 ساله طرفداران سنتگرایی و مدرنیسم ، آن هم از نوع سطحی و عوامانه و کپی برداری شده‌اش که مربوط به مناسبات سپری شده سرمایه داری تا جز (نه تجاری) و صنعتی هستند.

به یک هدف مشترک سرنوشت ساز و حیاتی ملی معطوف خواهد کرد که می‌تواند و باید همه مردم را در داخل و خارج کشور حول یک محور مشترک گرد آورد و عزم ملی برای پیشرفت و توسعه پایدار را شکل دهد، زیرا در دنیای امروزی بویژه در کشور با سابقه‌ای مثل ایران با پشتوانه یک تمدن ده هزار ساله و با آن سوبق درخشان علمی هیچکس حداقل در حرف ، مخالف علم و فناوری و ترقی و پیشرفت نیست و یا جرات ابراز آن را ندارد.

کمتر کشوری در جهان است که نیروی انسانی مستعد و شرایط و امکانات مناسب برای پیشرفت و توسعه را همانند کشور ما به یکجا داشته باشد. شاید با قرار دادن هدف شفاف و روشنی در برابر جامعه ، مردم انگیزه کافی برای جنبش و حرکت پیدا کند و اقتصاد بیمار مبتنی بر دلالی جای خود را به یک اقتصاد دانش‌ محور بدهد، مردمی که در پیدایش تمدن کشاورزی نقش برجسته‌ای داشتند و دستاوردهای آن را در سیاهترین دوره تاریخی غرب (قرون وسطی) در زیر سم ستوران قبایل وحشی مهاجم حفظ کردند و آنرا به تمدن صنعتی تحویل دادند.

اینکه این شایستگی را دارند که در ایجاد و پی ریزی یک دوره تاریخی جدید نقش برجسته‌ای ایفا کنند و از مردم هوشمند ایران غیر از این نیز انتظار نمی‌رود و تنها در اینصورت است که می‌توان انتظار داشت. نه فقط در عرصه علم بلکه در همه جنبه‌های تمدن و فرهنگ همانند دوره میترائیسم تا قرنهای اول تمدن اسلامی که سراسر مناطق شناخته شده زمین از ژاپن و چین تا انگلستان و از زنگبار تا اسکاندیناوی از تمدن ما تاثیر پذیرفتند و این بار نیز به جای انفعال و تاثیر پذیری در سراسر جهان تاثیر گذار باشیم و مهر خود را بر پای تمدن فراصنعتی بکوبیم.

چشم انداز علم نانو تکنولوژی
انقلاب جهانی تکونولوژی با تغییرات اجتماعی ، اقتصادی ، سیاسی و فردی در سراسر جهان همراه است. همچون انقلابهای کشاورزی و صنعتی در گذشته ، این انقلاب تکنولوژی نیز از پتانسیل دگرگون سازی کیفیت زندگی و طول عمر ، متحول سازی کار و صنعت ، تغییر و تبدیل ثروت ، جابجایی قدرت در سطح ملتها و در درون ملتها و افزایش تنش و تعارض برخوردار است.

پیامدهای انقلاب یاد شده بر سلامی بشر شاید شگفت آورترین آنها باشد. چرا که خط شکنیهای علمی کیفیت و طول زندگی انسان را به مراتب بهتر خواهند کرد. بیوتکنولوژی نیز ما را قادر خواهد ساخت ارگانیزمهای زنده از جمله خودمان را شناسایی نموده ، چگونگی فعالیتشان را درک کنیم، آنها را دستکاری کرده ، بهبود بخشیده و تحت کنترل در آوریم. تکنولوژی اطلاعات امروزه بویژه در کشورهای توسعه یافته تحولات انقلابی برای زندگی ما به ارمغان آورده و خود عامل توان آفرین عمده‌ای برای سایر روندها به شمار می‌رود.

تکنولوژی مواد ، تولید محصولات ، قطعات و سیستمهای ارزانتر ، هوشمندتر ، چند منظوره سازگار با محیط زیست ، ماندگارتر و سفارشی‌تر از مسیر خواهد ساخت. علاوه بر این مواد هوشمند ، ساخت و تولید چالاک و نانو تکنولوژی ، تولید وسایل را متحول ساخته و توانمندیهای آنها را بهبود بخشید. انقلاب تکنولوژی از حیث اثرات جهانی یکسان عمل نخواهد کرد و بسته به میزان استقبال از آن سرمایه گذاری و مسائل متعددی همچون بیواخلاق ، حریم خصوصی ، نابرابری اقتصادی ، تهاجم فرهنگی و واکنشهای اجتماعی تنشهای متفاوتی ایفا خواهد نمود.

اما راه بازگشتی وجود ندارد، چون برخی جوامع فرصت را غنیمت شمرده ، از انقلاب یاد شده سود برده و محیط زندگی همه جوامع را دستخوش تغییر خواهد کرد.

برخي از رويدادهاي مهم تاريخي در شكل گيري فناوري و علوم نانو:

تاريخ رويدادهاي مهم در زمينه فناوري نانو :
1857 مايكل فارادي محلول كلوئيدي طلا را كشف كرد.
1905 تشريح رفتار محلول‌هاي كلوئيدي توسط آلبرت انيشتين
1932 ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يك مولكول توسط لنگموير (Langmuir)
1959 فاينمن ايده ” فضاي زياد در سطوح پايين ” را براي كار با مواد در مقياس نانو مطرح كرد. 1974 براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد
1981 IBM دستگاهي اختراع كرد كه به كمك آن مي‌توان اتم‌ها را تك تك جا‌به‌جا كرد.
1985 كشف ساختار جديدي از كربن C60

1990 شركت IBM توانايي كنترل نحوه قرارگيري اتم‌ها را نمايش گذاشت.
1991 كشف نانو لوله‌هاي كربني
1993 توليد اولين نقاط كوانتومي با كيفيت بالا
1997 ساخت اولين نانو ترانزيستور
2000 ساخت اولين موتور DNA
2001 ساخت يك مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله
2002 شلوارهاي ضدلك به بازار آمد
2003 توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي نانوسلول‌هاي خورشيدي
2004 تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد.]2[

1-3 فناوری نانو

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق مي‌شود. معمولاً منظور از مقياس نانوابعادي در حدود 1 تا 100نانو متر مي‌باشد (1نانومتر يك ميليارديم متر است)

اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مستقيم دستكاري كنيم.
واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در كتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو» بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در كتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد. تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري‌هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلكه زماني كه اندازه مواد دراين مقياس قرار مي‌گيرد، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي و … تغيير مي‌يابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود “عناصر پايه” را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص‌شان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند.

1-4 نانو تكنولوژي

نانوتکنولوژی مجموعه‌ای است از فناوری هایی که به صورت انفرادی یا با هم در جهت بکارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نانو تكنولوژي= علوم طبیعت فیزیک فیزیک نوین مکانیک کوانتومی
مهندسی و فن‌آوری
علوم طبیعت شیمی شیمی آلی شیمی پلیمر

فناوری نانو ، چنانکه از نام آن برمی‌آید با اجسامی به ابعاد نانومتر سروکار دارد. فناوری نانو در سه سطح قابل بررسی است: مواد ، ابزارها و سیستمها. در حال حاضر در سطح مواد ، پیشرفتهای بیشتری نسبت به دو سطح دیگر حاصل شده است. موادی را که در فناوری نانو بکار می‌روند، نانو ذره نیز می‌نامند. برای آنکه تصوری از ریزی نانو ذره‌ها داشته باشیم بهتر است آن را با ابعاد سلول مقایسه کنیم. اندازه متوسط سلول یوکاریوتی 10 میکرومتر است. اندازه متوسط یک پروتئین 5 نانومتر است که با ابعاد ریزترین جسم ساخت بشر قابل مقایسه است. بنابراین می‌توان با بکارگیری نانو ذره‌ها نوعی مامور مخفی به درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضی رازهای نهفته در سلول پرده برداری کرد.

این ذرات آنقدر ریزند که تداخل عمده‌ای در کار سلول بوجود نمی‌آورند. پیشرفت در زمینه نانو فناوری نیازمند درک وقایع زیستی در سطح نانوهاست. از میان خواص فیزیکی وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوری (Optical) و مغناطیسی این ذرات ، بیشترین کاربردهای زیستی را دارند. استفاده از فناوری نانو در علوم زیستی به تولد گرایش جدیدی از این فناوری منجر شده است یعنی نانوبیوتکنولوژی. کاربردهای نانو ذره‌ها در زیست شناسی و پزشکی عبارتند از: نشانگرهای زیستی فلورسنت ، ترابری دارو و ژن ، تشخیص زیستی پاتوژنها ، تشخیص پروتئینها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسی بافت ، تخریب تومور از طریق گرمادهی به آن و بهبود تباین (کنتراست).

1-5 تقسیم بندی نانو مواد

1-5-1 نانو مواد صفر بعدی

در تعاریف متداول ، برای نقطه ، بعدی در نظر نمی گیرند؛زیرا طول و پهنا و ضخامت ندارد.در مورد یک نانو ماده نیز در صورتی که بتوان آن را درون مکعب گفته شده قرار داد و نوع که تمام ابعاد ماده اندازه ی کمتر از 100 نانو متر داشته باشد،آن را نانو ماده صفر بعدی
می نامیم.این نانو مواد به شکل های مختلفی همچون کروی،خوشه ای نامنظم و کپسولی وجود دارند.از نانو مواد صفر بعدی می توان فولرن ها ، نانوپودرها ، درخت سان ها و نانو نقاط کوانتومی را نام برد.

1-5-1-1 فولرن

فولرن یکی از دگرشکل‌های مصنوعی عنصر کربن است.که از گرما دادن به گرافیت ساخته می‌شود. به جهت شباهت شکل آن به توپ فوتبال، به آن باکی بال (BuckyBall) نیز می‌گویند. فولرن خود انواع گوناگون و متعددی دارد و می‌تواند به صورت کره، بیضی‌گون، یا استوانه باشد. «کروتو» و «کرل» را به عنوان کاشفان فولرن می‌شناسند. در سال ۱۹۹۰ ولفگانک و دانوالد هافمن و همکارانش توصیفی از نخستین روش عملیC60 ارائه دادند. واژهٔ فولرن از نام «باکمینستر فولر» که طراح گنبدهای ژئودزیک بود گرفته‌شده‌است.

1-5-1-2 نانو پودر

پودر‌ها ذرات ريزي هستند كه از خُرد كردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را ميتوان مجموعه‌ي از ذرات دانست كه اندازه‌ي آنها كمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يك نانومتر ميرسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است كه اندازه‌ي آن كمتر از 100 نانومتر باشد.)

1-5-1-3 درخت سان ها

درخت‌سان‌ها مولكول‌هايي بزرگ و پيچيده‌اند، كه ساختار شيميايي كاملاً تعريف‌شد‌ه‌اي دارند. از نقطه نظر شيمي، درخت‌سان‌ها ماكرومولكول‌هاي نسبتاً كامل و يكنواختي (هم‌اندازه و هم‌شكل) هستند كه داراي معماري سه‌بعدي منظم و به‌شدت شاخه‌شاخه مي‌باشند. آنها از سه بخش اصلي هسته، شاخه‌ها و گروه‌هاي انتهايي تشكيل شده‌اند.

درخت‌سان‌ها در يك روال تكراري از مراحل واكنشي به دست مي‌آيند و هربار تكرار، منجر به توليد درخت‌سان‌ نسل بعدي مي‌شود. خلق درخت‌سان‌ها با استفاده از واكنش‌هاي شيميايي به‌دقت طراحي‌شده، يكي از بهترين مثال‌ها براي سنتز سلسله‌ مراتبي كنترل‌شده – راهكاري براي خلق «پايين‌به بالا» سيستم‌هاي پيچيده- به شمار مي‌رود. در هر لايه جديد، «نسل» جديدي پديد مي‌آيد و تعداد مكان هاي فعال (موسوم به گروه‌هاي انتهايي) دو برابر مي‌شود. وزن مولكولي درخت‌سان‌ نيز تقريباً دو برابر مي‌شود. يكي از جذاب‌ترين جنبه‌هاي فناوري‌هاي مبتني بر درخت‌سان‌ها اين است كه مي‌توان به راحتي و به دقت اندازه، تركيب و فعاليت شيميايي آن ها را كنترل كرد.

1-5-1-4 نانو نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومي، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در کاربردهاي علمي و فني به نقاط کوانتومي مي‌بخشد.

1-5-1-5 نانو ذرات

یک نانوذره ،ذره‌ای است که ابعاد آن در حدود0 ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. نانوذرات علاوه ‌بر نوع فلزی، عایقها و نیمه هادی‌ها، نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته ‌لایه را نیز در بر می‌گیرند. همچنین نانوکره‌ها، نانومیله‌ها، و نانوفنجان‌ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته می‌شوند.

1-5-2 نانو مواد یک بعدی

برخی از اجسامی که در اطراف ماقرار دارند همچون یک خط راست یا خمیده هستند.این مواد در یک بعد،اندازه ای بیشتر از دو بعد دیگر دارند.ابعاد برخی از نانومواد نیز به گونه ای است که تنها در یک راستا اندازه ای بزرگ تر از اندازه ضلع مکعب گفته شده (100 نانو متر ) دارند.این نانو مواد را با عنوان نانومواد یک بعدی می شناسیم. می توان از نانو مواد یک بعدی نانو سیم ها ، نانو لوله ها را نام برد.

1-5-2-1 نانو سیم

نانوسیم نانوساختاری با قطری در مقیاس نانومتر )۹۱۰ متر) است. همچنین می‌توان نانوسیم‌ها را به‌عنوان ساختارهایی با ضخامت یا قطری در اندازهٔ ده‌ها نانومتر یا کم‌تر، و طولی نامشخص تعریف کرد. اثرات مکانیک کوانتومی، در این مقیاس‌ها اهمیت می‌یابد – و همین منجر به ابداع واژهٔ سیم کوانتومی شده است. انواع بسیار مختلفی از نانوسیم‌ها وجود دارند، شامل فلزی (مثل نیکل، پلاتین، طلا)، نیمه‌رسانا (مثل سیلیسیم، ایندیوم فسفاید، نیترید گالیوم و …)، و نارسانا (مثل سیلیس، تیتانیا). نانوسیم‌های مولکولی از واحدهای مولکولی تکرارشوندهٔ آلی (مثل دی‌ان‌ای( یا معدنی (مثل( Mo6S9-xIx تشکیل شده‌اند.

1-5-2-2 نانو لوله

نانو لوله ها از کنار هم قرار گرفتن اتم ها در یک ساختار استوانه ای شکل تو خالی پدید می آیند. این ساختارها می توانند از کنار هم قرار گرفتن اتم های یک نوع عنصر و گاهی نیز چند نوع عنصر تشکیل شوند؛مانند نانولوله های کربن .نانو لوله ها خواص منحصر به فردی دارند و از نظر رفتار الکتریکی ،فیزیکی،شیمیایی،نوری و مکانیکی بسیار متفاوت از دیگر مواد هستند و کاربردهای بالقوی بسیاری برای آنها در نظر گرفته شده است.

1-5-3 نانو مواد دو بعدی

گروهی از نانو مواد مانند صفحاتی گسترده با ضخامت حدود چند نانو متر هستند و در دو راستا اندازه های بزرگتر از 100 نانومتر دارند که آنها را در دسته نانو مواد دو بعدی قرار می دهیم . نانو روکش ها و نانولایه ها و صفحات گرافن در این دسته قرار دارند.

1-5-3-1 نانو روکش ها

پوششی با ضخامت نانو متری یا پوششی که از مواد نانومتری در آن استفاده شود .نانو روکش به مادهای گفته میشود که در مقیاس نانو ساخته شده و به عنوان روکش، پوشاننده یا محافظ برای دیگر مواد به کار می رود. زمینه هایی که از نانو روکش ها استفاده میشود: الکترونیک ، مواد غذایی ، وسایل نقلیه و غیره.

1-5-3-2 صفحات گرافن

صفحات گرافن (با ضخانتی به اندازه قطر یک اتم کربن و کمتر از 1 نانو متر) نیز که به تازگی تولید شده اند ، نوعی دیگر از نانو مواد دوبعدی هستند.البته صفحات گرافن قبل از این نیز شناخته شده بودند و می دانستیم که گرافیت (کربن) از کنار هم قرار گرفتن صفحات گرافن تشکیل شده است.اما تولید تک صفحات گرافن به تازگی و در سال 2007 صورت گرفته است.اتم های کربن در این ساختار با پیوند بسیار محکم کوالانسی به یکدیگر چسبیده اند.از این رو ، این ماده استحکام بسیار بالایی دارد.

1-5-4 نانو مواد سه بعدی

دسته ای دیگر از مواد وجود دارند که در هر سه بعد اندازه هایی بیش از 100 نانو متر دارند این نانو مواد در هر سه راستا بزرگ تر از ابعاد مکعب گفته شده هستند.از نانو مواد سه بعدی می توان نانو کامپوزیت و مواد نانو حفره ای را نام برد.

1-5-4-1 نانو کامپوزیت

مواد نانوکامپوزیتی به آن دسته از موادی اطلاق می‌شود که فاز تقویت‌کننده آن دارای ابعادی در مقیاس یک تا صد نانومتر باشد که شامل نانوکامپوزیت‌های پلیمرـ سرامیک، پلیمرـفلز، سرامیک ـفلز و سرامیک ـ سرامیک هستند. تقویت‌کننده نانومتری به‌دلیل داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح بسیار بالا در مقایسه با تقویت‌کننده‌های معمولی در سطح بارگذاری کمتر باعث بهبود خواص مورد نظر شده و جایگزین خوبی برای کامپوزیت‌های معمولی هستند؛ چراکه کارآیی بهتر و وزن کمتری ‌دارند. محصولات تهیه‌شده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری قابلیت استفاده در صنایع شیمیایی، خودروسازی، ساختمان، نظامی، پزشکی، لوازم خانگی، ورزشی، کشاورزی و الکترونیکی را داشته و استفاده از آن‌ها در این صنایع، کاهش مصرف سوخت و انرژی، افزایش مقاومت و ایمنی در برابر زلزله و آتش‌سوزی، افزایش عمر سازه‌ها، کاهش خسارات ناشی از زمان نگهداری مواد غذایی و محصولات کشاورزی‌،‌ کاهش خسارات ناشی از خوردگی و به‌طور خلاصه، استفاده بهینه از منابع موجود را می‌تواند به‌همراه داشته‌باشد .

1-5-4-2 نانو حفره ها

مواد نانوحفره اي ساختارهاي متخلخلي هستند كه اندازه حفرات آنها كمتر از 100 نانومتر مي با شد. اين تركيبات درمنابع طبيعي و سيستم هاي بيولوژيكي به فراواني يافت مي شوند. اندازه و نظم حفرات كنترل كننده خواص مواد نانوحفره اي است . در سال هاي اخيرسعي شده است تا با كنترل و دقت بالا مواد نانوحفره اي با اندازه حفرات مشخص توليد شود . مواد نانوحفره اي به دودسته عمده مواد نانوحفره اي توده اي و غشاهاي نانوحفره اي تقسيم مي شوند

1- مواد نانوحفره اي توده اي: با افزايش سطح اين مواد خواص كاتاليستي ، جذب و جذب سطحي بهبود مي يابد . زئوليت ها يك نوع ماده ي نانوحفره اي توده اي به حساب مي آيند. سطح اين مواد در حدود صدها متر مربع بر گرم است

.2- غشاهاي نانوحفره اي: يكي از كاربردهاي اين مواد استفاده از آنها به عنوان غربال هاي مولكولي است. كنترل حفرات اين تركيبات يكي از چالشهايي است كه كارايي اين مواد را تعيين مي كند. راه هاي زيادي براي ساخت مواد نانوحفره اي وجود دارد؛ در يكي از روش ها به طور انتخابي موادي را از يك جامد استخراج كرده، كه در اثر آن حفراتي در ابعاد نانو ايجاد مي گردد، در روش ديگر مخلوطي از پليمر ها را با حرارت دادن جامد نانوحفره اي تبديل مي كنند، در اين فرايند يكي از پليمرها تجزيه شده و خارج مي شود

1-6 نانو ذرات نقره

نانو سیلور یا همان نانو ذرات نقره ، یکی از پر کاربرد ترین ذرات در حوزه نانو پس از نانو لوله های کربن است، که هر روزه بر کاربرد آن در دنیای نانو افزوده می شود.
نانوذرات نقره عمدتاً، به‌دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای که از خود نشان می‌دهند در مصارف الکترونیکی، نوری، دارویی و بهداشتی و کاتالیتیکی کاربرد فراوان دارند. یکی از دلایل کاربرد گسترده این ذرات ، به دلیل خاصیت آنتی باکتریال این ذرات است و در واقع نانوذرات نقره برای عوامل بیماری‌زا یک سم تلقی می‌شوند و ‌برای بدن انسان، غذاها و بافت‌ها بی‌ضررند. این در حالی است که نقره به خودی خود فاقد و یا خیلی کمتر این خاصیت است. این خاصیت دوگانه ذرات نانو در مقایسه با ذرات ماکروی نقره به دلیل اثر افزایش سطح در نتیجه افزایش واکنش پذیری ماده و پیروی ماده از فیزیک و شیمی کوانتم در حالت نانو است.

نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم می باشد، ولی زمانی که به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل می شود خاصیت میکروب کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می یابد، به حدی که می توان از آن جهت بهبود جراحات و عفونت ها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل میکروارگانیسم اثر می گذارد. تاکنون بیش از 650 نوع باکتری شناخته شده را از بین برده است.

هر چند این فناوری به تازگی مورد توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا کرده ، اما از آن در طب قدیم استفاده می شده بدون آنکه دلیل تاثیر آن شناخته شود و حتی در جنگ برای کنترل عفونت زخم سربازان از سکه های نقره استفاده می شده است .

دانشمندان مکانیسم های متفاوتی را برای تبیین اثرگذاری نقره بر میکروب ها یافته اند. به دلیل همین تعداد مکانیسم ها است که میکروب ها نمی توانند نسبت به نقره سازگار شوند و یا مقاومت پیدا کنند.امروزه به مدد فناوری نانو ساخت ذرات نقره در ابعاد نانو میسر گشته است ذرات نانو نقره به ما این امکان را می دهند که با کمترین غلظت خاصیت ضد میکروبی بسیار قوی را از فلز نقره شاهد باشیم.در میان مکانیسم های متعددی که از فلز نانو نقره شناخته شده است ، دو مکانیسم بصورت بارز در نظر گرفته می شود که به شرح زیر است.

1-6-1 خصوصیات نانو ذرات نقره

1-تاثیر بسیار زیاد

2-تاثیر سریع

3- غیر سمی

4-غیر محرک برای بدن

– غیر حساسیت زا

6- قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)

7- آب دوست بودن

8- سازگاری با محیط زیست

9- مقاوم در برابر حرارت

10-عدم ایجاد و افزایش مقاومت و سازگاری در میکروارگانیسم.

1-6-2 دو مکانیسم عمده نانو نقره ها

1- مکانیسم کاتالیستی : تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر درمورد کامپوزیت های نانو نقره ای صدق می کند که روی پایه های نیمه هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرار گرفته می شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی عمل می کند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH را تولید می کند که هر دو از بنیان های فعال و از قوی ترین عاملین ضد میکربی نیز می باشند.

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

1-6-3 سنتز نانو ذرات نقره

1-6-3-1 سنتز نانو ذرات نقره توسط احياكننده هاي شيميايي

رايج ترين روش سنت نانو ذرات نقره احياي شيميايي محلول نمك هاي نقره توسط عوامل احياكننده نظير NABH4 ،سيترات و آسكوربات است.

تصوير TEM نقره سنتز شده با روش احياي شيميايي

1-6-3-2 سنتز نوري نانو ذرات نقره

از روش سنتز نوري ،اغلب براي نشاندن يون نقره بر روي ماده اي ديگر و ايجاد كامپوزيت استفاده مي شود. با اين روش ، بيشتر تاثير نقره بر روي خواص كامپوزيت تهيه شده مطالعه مي شود.

تصوير TEM نقره سنتز شده با روش سنتز نوري

1-6-3-3 سنتز اكسيد نقره

روش جالبي كه آقايان ديويد و چمانوف به كار بردند ، احياي نقره از اكسيد نقره توسط دمش گاز هيدروژن است. از مزاياي اين روش قابليت صنعتي شدن و همين طور قدرت بالاي كنترل اندازه ذرات به هر مقدار دلخواه مي باشد.

1-6-3-4 سنتز نقره به روش تولن

در سالهاي اخير استفاده از روش تولن براي سنتز نانو ذرات نقره به خاطر ك مرحله اي بودن و همين طور قابليت كنترل اندازه ذرات افزايش يافته است.اساس روش تولن احياي محلول آمونياكي نمك نقره توسط گلوكز است . روش تولن ،قادر به تهيه فيلمي از نانوذرات نقره با برد 50 تا 200 نانومتر و هيدروسل هايي با ذرات 20تا0 نانومتر مي باشد.

1-6-4 كاربرد نانو ذرات نقره

1-در ظروف غذا براي افزايش طول عمر مواد داخل آن

2-در جورابهاي ضدبو

3-در تجهيزات پزشكي

4-براي دستمال هاي تميز كننده و … . .

4 تجهیزات

2-4-1 میکروسکوپ الكتروني روبشيSEM

در ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مانند ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)، يك پرتو الكتروني به نمونه مي‌تابد. منبع الكتروني (تفنگ الكتروني) معمولاً از نوع انتشار ترمويونيكي فيلامان يا رشته تنگستني است اما استفاده از منابع گسيل ميدان براي قدرت تفكيك بالاتر، افزايش يافته است.

منبع الكتروني (تفنگ الكتروني) معمولاً از نوع انتشار ترمويونيكي فيلامان يا رشته تنگستني است اما استفاده از منابع گسیل ميدان براي قدرت تفكيك بالاتر، افزايش يافته است معمولاً الكترون‌ها بينKeV1-30 شتاب داده مي‌شوند. سپس دو يا سه عدسي متمركزكننده پرتو الكتروني را كوچك مي‌كنند، تا حدي كه در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بين 10- 2 نانومتر است.

2-4-1-1 استفاده‌‌هاي عمومي

1- تصويرگرفتن از سطوح در بزرگنمايي 10 تا 100،000 برابر با قدرت تفكيك در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نمونه)
2- در صورت تجهيز به آشكارساز behind Scattered ميكروسكوپ‌ها قادر به انجام امور زير خواهند بود:

a) مشاهده مرزدانه، در نمونه‌هاي حكاكي ‌نشده،

b) مشاهده حوزه‌ها (domains) در مواد فرومغناطيس،

c) ارزيابي جهت كريستالوگرافي دانه‌ها با قطرهايي به كوچكي 2 تا 10 ميكرومتر، d) تصويرنمودن فاز دوم روي سطوح حكاكي‌نشده (در صورتي كه متوسط عدد اتمي فاز دوم، متفاوت از زمينه باشد.)

با اصلاح مناسب ميكروسكوپ مي‌توان از آن براي كنترل كيفيت و بررسي عيوب قطعات نيمه‌هادي استفاده نمود.

2-4-2 دستگاه اسپکتوفوتومتر UV-VIS

از دستگاه اسپکتروفتومتر uv – vis برای انجام تجزیه های کیفی و کمی یک یا چند گونه خاص در یک مخلوط و همچنین برای تعیین نقطه هم ارزی تیتراسیونها و اندازه گیری ثابت های تعادل واکنش ها بکار می رود . یکی از خصوصیات سیالات است که میزان مقاومت آنها در مقابل جاری شدن می باشد.

 

2-5-2 دستگاه XRD

ناحیه پرتو x در طیف الکترومغاطیس در محدوده بین پرتوγ و پرتو فرابنفش قرار دارد.با استفاده از این ناحیه طیفی می توان اطلاعاتی در خصوص ساختار,جنس ماده ونیز تعیین مقادیر عناصر به دست آورد.از این رو روش های پرتوx در شیمی تجزیه کاربرد زیادی دارد.

اگر یک دسته الکترون سریع و پر انرژی به یک هدف فلزی در یک لوله تخلیه برخورد کند,الکترون ها در این برخورد سرعت خود را از دست داده و قسمتی از انرژی جنبشی آنها به پرتو x تبدیل می گردد.÷رتو حاصل که به صورت یک طیف پیوسته ظاهر می شود دارای حداقل طول موج و یا حداکثر فرکانس است که به حداکثر انرژی الکترون ها وابسته بوده و از رابطه زیر پیروی می کند:

که در آن V ولتاژ سرعت دهنده در طول لوله,e بار الکترون,h ثابت پلانک,v فرکانس و C سرعت نور است.طول موج ماگزیمم در طیف پیوسته 5/1 برابر طول موج مینیمم است و طول موج ها بر حسب Ao هستند .

2-5-2-1 تولیدخطوط طیفی پرتو X :

با افزایش پتانسیل می توان انرژی الکترون ها را به حدی رساند که قادر باشد یک الکترون را از تراز انرزی k اتم هدف خارج کند.در نتیجه الکترون تراز L جای خالی این الکترون را پر می کند و یک فوتون پرتو X خارج می گردد.بدین ترتیب طیف پیوسته پرتو X شامل یک خط طیفی یا خط ویژه عنصر مربوطه خواهد بود که آن را Kaمی نامند.انرژی این خط ویژه توسط معادله زیر تعیین می گردد:

EKa =EL – EK

سایر جهش های الکترونی از تراز بالاتر,مانند جهش M به K,موجب پیدایش خط طیفی دیگری مانند Kβ می شود.

2-5-2-2 پراش پرتو X :

با روش پراش پرتو X طول موج های مختلف را می توان جدا ساخته و اندازه گیری نمود.چون طول موجهای پرتو X با فواصل بین اتم ها در موارد بلوری برابر است,بنابراین مواد بلوری برای پرتو X می توانند نقش توری پراش را ایفا کنند.در شکل زیر بخشی ازتابش پرتو X به سطح بلور توسط اتم های اولین لایه پخش شده است و قسمت دیگر آن توسط لایه دوم پخش شده است و قسمت دیگر آن توسط لایه دوم ÷خش می گردد و الی آخر.

شکل پراش پرتو Xتوسط یک بلور

طبق رابطه براگ پدیده بازتابش و پخش تداخل سازنده طول موج ها به شرح زیر بیان می شود:

رابطه اصلی براگ گویای این مطلب است که تقویت پرتو بازتابش شده از دو سطح مختلف بلورها زمانی حاصل می شود که اختلاف دو مسیر برای دو تابش نورانی برابر مضرب کاملی از طول موج باشد.

2-5-2-3 روش های پراش پرتو X


Article source: http://irandabir32.blogfa.com/

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

code