نانومواد

نانومواد با توجه به اندازهٔ ابعادشان در راستای محورهای مختصات به سه گروه تقسیم می‌شوند:

• به‌طور کلی مواد دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع هستند. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس فناوری نانو (100-1 نانومتر) باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. مواد نانوساختار بر حسب اینکه چند بعد در مقیاس فناوری نانو داشته باشند، تقسیم‌بندی‌های مختلفی می‌شوند. یکی از این تقسیم‌بندی‌ها بر حسب تعداد ابعاد آزاد است. منظور از بعد آزاد، بعدی است که در مقیاس نانو نباشد و هر مقداری بتواند داشته باشد. بر این اساس مواد به چهار دسته نانوذرات (Nano Particles)، نانوسیم‌ها (Nano Wiers)، لایه‌های نازک (Thin Films) و نانومواد حجیم (Bulk Nanomaterials) تقسیم می‌شوند.

این مواد به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• نانو ذرات

نانوذرات از مدت‌ها قبل مورد استفاده بوده‌اند. شاید اولین موارد استفاده از آن‌ها در لعاب ظروف سفالی سلسله‌های اولیه چین باشد. نانوذرات در واقع ذراتی با قطر بین 1 تا 100 نانومتر هستند که مهم‌ترین آن‌ها شامل نانوذرات نیمه رسانا، نانوذرات سرامیکی، نانوذرات فلزات و غیره می‌باشد. این ذرات در شکل‌هایی مانند کروی-سوزنی، ورقه ای-شاخه ای، میله‌ای و صفحه‌ای یافت می‌شوند.

• نانوالیاف

الیاف نسبتاً کوتاهی که قطرشان در مقیاس نانومتری است و به گروه‌های بسیار متنوعی تقسیم می‌شوند که به مهم‌ترین آن‌ها، یعنی نانو الیاف کربنی، نانو الیاف پلیمری و نانو الیاف معدنی می‌توان اشاره کرد. نسبت سطح به حجم بالا و مقاومت زیاد در مقابل سایش از جمله خواص نانو الیاف است. از نانو الیاف‌ها برای تولید لباس‌های محافظ، تولید آینه‌های قابل استفاده در فضا، فیلتر هوا و ... استفاده می‌شود.

• نانوکپسول ها

نانوکپسول‌ها به نانوذره‌ای گفته می‌شود که دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد. نانو کپسول‌های پلیمری و نانوامولسیون‌ها از این جمله هستند.

• نانولوله ها

نانولوله‌ها به موادی گفته می‌شود که قطر آن‌ها تا حدود 100 نانومتر است. لغت نانولوله در حالت کلی در مورد نانولوله‌های کربنی به کار می‌رود. البته شکل‌های دیگری از نانولوله‌ها همچون نانولوله‌های بورنیترید نیز ساخته شده‌اند.

• نانوسیم ها

نانوسیم ها یک ساختار دو بعدی می باشند و به دلیل این که در این ابعاد، آثار کوانتومی دارای اهمیت می باشند، سیم‌های کوانتومی نیز نامیده می‌شوند و انواع نانوسیم‌های فلزی، نانوسیم‌های آلی، نانوسیم‌های پلیمری و نیمه هادی را در برمی‌گیرند.

• نانوروکش ها

روکش‌ها، لایه‌هایی هستند که روی ماده‌ای دیگر نشانده می‌شوند و ضخامتی کمتر از ماده دوم دارند. روکش‌ها کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف از خودروسازی گرفته تا صنایع لوازم خانگی دارند. دلیل استفاده از این روکش محافظت یا تزئین محصولاتی چون شیشه‌ها، فلزات، پلاستیک‌ها، عینک‌های آفتابی، لوازم ورزشی، مبلمان، وسایل آشپزی، وسایل پزشکی، الکترونیک، خودروها و ... است.

از این روکش‌ها برای محافظت از سطوح در برابر آسیب‌هایی مانند باران، برف، اشعه ی ماورای بنفش، نور آفتاب و رطوبت استفاده می‌شود.

نانوروکش‌ها در واقع لایه‌های نانومتری و روکش‌های نانوساختار هستند. نانوروکش‌ها دارای کاربردهای فراوانی هستند. فناوری نانو از خش برداشتن، تکه تکه شدن و خورده شدن روکش‌ها جلوگیری می‌کند. از جملهٔ نانوروکش‌ها می‌توان به روکش‌های ضد انعکاس در مصارف خودروسازی و روکش‌های محافظ (ضدخش، غیرقابل رنگ‌آمیزی و قابل شستشوی آسان) و روکش‌های زینتی اشاره کرد.

• موادنانوحفره ای

زئولیت ماده‌ای است که به عنوان کاتالیزگر استفاده می‌شود. ویژگی قابل توجه زئولیت‌ها حفره‌های بسیار ریز یا نانومتری موجود در آن هاست. نسبت سطح به حجم زیاد این ساختار نانو متخلخل سبب شده‌است از آن به عنوان کاتالیزگر استفاده شود. همچنین، تخلخل‌های موجود در این مواد برای رشد دادن نانو مواد یک بعدی (نانوسیم‌ها و نانولوله ها) مناسب است. مواد نانو حفره‌ای به‌طور گسترده در سیستم‌های زیستی موجود است. برای مثال بعضی از غشاهای نانوحفره ای موجود در طبیعت مانند دیوارهٔ سلول‌ها، قابلیت عبور دادن انتخابی مواد از خود را دارند. این مواد کاربردهای مختلف و فراوانی دارند. از این مواد برای ارسال داروها به قسمت‌های مورد نظر در بدن استفاده می‌شود.

کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها می‌شود. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:افزایش نسبت سطح به حجم(surface area)و ورود اندازه ذره به قلمرو آثار کوانتمی.

موارد زیر از کاربردهای نانو مواد هستند:

• صفحات خورشیدی و کیهانی:

دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در اندازه‌های نانو در صفحات خورشیدی برای جذب و یا انکسار پرتوهای ماورای بنفش که شفافیت لازم را برای عبور نور قابل رویت دارند، کاربرد بسیاری پیدا کرده‌است.

• ترکیبات پیچیده:

یکی از موارد مهم کاربرد نانوتکنولوژی ساخت ترکیبات پیچیده از چند ماده مختلف است. برای مثال با استفاده از لوله، سیم و ذرات نانو محصولات چند منظوره‌ای تولید می‌شود که هم دارای خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده است و هم ساختار جدیدی با کاربردهای پیشرفته دارد. این مواد در علوم پزشکی، در وسایل بصری، الکترونیک و مغناطیسی به کار می‌روند. همچنین کربن سیاه که اندازه آن به چند ده نانو می‌رسد برای تقویت لاستیک وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. از یک نوع خاک رس در ابعاد نانو نیز برای ساختن سپرهای مقاوم وسایط نقلیه استفاده می‌شود.

• پوشش سطوح:

استفاده از پوشش‌هایی در اندازه نانو و یا چند اتم، امکانات ویژه‌ای را به وجود آورده‌است. به تازگی شیشه‌هایی ساخته شده که با دی‌اکسید تیتانیم بسیار فعال پوشش داده شده‌است. این شیشه‌ها ضد باکتری، دفع‌کننده آب و از بین برنده مواد شیمیایی بوده و به‌طور خودکار خود را تمیز می‌کنند. کاربرد دیگر مواد نانو ساختن پوشش‌های بسیار مقاوم در مقابل خش، به صورت یک یا چند لایه بر روی لایه اصلی است. گروه بی‌شماری پارچه‌های قابل تنفس، ضد آب و لکه با کنترل منافذ و ناهمواری‌های سطح آن در حد اندازه‌های نانو از مواد پلیمری و غیرآلی ساخته شده‌اند.

• ابزار برشکاری بسیار سخت:

ابزار ساخته شده از کریستال‌های تنگستن، تانتانیم و تیتانیم در اندازه‌های نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسیار سخت تر در مقایسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگ تر شده‌است. کاربرد این ابزار در سوراخ کاری، برش فلزات در ماشین تراش، قالب سازی، سنگ بری و نظایر آن بسیار وسیع است.

کاربردهای فناوری نانو در میان مدت شامل موارد زیر می‌شود:

• رنگ‌ها و محلول ها:

استفاده از رنگ‌ها در اندازه نانو می‌تواند قابلیت‌ها و توانایی‌های بسیار خوبی را به رنگ بدهد. برای مثال ساختن رنگ‌های سبک می‌تواند وزن هواپیماها را کاهش داده و باعث صرفه جویی در سوخت آن‌ها شود. کاهش حلال‌ها مورد دیگری است که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می‌کند. محلول‌های ضد باکتری موارد استفاده بسیاری در تأسیسات تصفیه آب دارد و دیگر نیازی به استفاده از ضد باکتری مانند کلر نخواهد بود. نانو تکنولوژی در مبدل‌های حرارتی با جذب امواج قرمز باعث صرفه جویی در انرژی شده و با تغییرات دما و یا محیط شیمیایی اطراف آن، موجب تغییر رنگ می‌شود. عمده‌ترین هدف از اجرای این پژوهش‌ها در مورد رنگ‌ها اهداف زیست‌محیطی است.

• محیط زیست:

مطالعه و بررسی بر روی تأثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده‌کننده خاک و آب‌های زیرزمینی و خنثی کردن تأثیرات مخرب آنها، نمونه‌ای از پژوهش‌های میان مدت است. هم چنین تلاش برای ساخت موادی که سرب و جیوه موجود در محیط زیست را به صورت غیرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر این تحقیقات به صورت کامل انجام شود، می‌توان از آلودگی سرب هوا که از سوخت ماشین‌های درون سوز به وجود می‌آید جلوگیری کرد.

• سلول‌های سوختی:

سطح سلولی سوخت‌ها از نظر مهندسی تأثیر مستقیمی بر عملکرد درونی آن دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت میانی ممکن است با تغییرات بنیادی هیدروکربورها در کاتالیست‌های یک رآکتور به دست آید. استفاده از علوم نانو برای شدت بخشیدن به عملکرد کاتالیزورها می‌تواند به بازدهی بیشتر و تولید سوخت‌هایی با ذرات کوچک‌تر کمک کند. این عامل می‌تواند در افزایش تولید انرژی برق مؤثر باشد و در نتیجه برای تولید هیدروژن به جای استفاده از هیدروکربورها از مواد فراوان تر و سازگارتر با محیط زیست استفاده کرد. امروزه هیدروژن به عنوان جانشین سوخت هیدروکربورها در جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است.

• نمایشگرها:

درخواست بسیاری برای تولید نمایشگرهای بزرگ، شفاف و تخت در تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن وجود دارد. نانو کریستال‌های سلنیوم روی، سولفات روی و سولفور کادمیم با روش ژل به صورت تنها (تبدیل ژل مایع به جامد) از موادی است که برای ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین استفاده از CNTs نیز در ساخت این وسایل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژی و تشعشعات زیانبار کمتر و طول عمر بیشتر، نسل آینده نمایشگرهای پیشرفته را بوجود خواهد آورد.

• باتری ها:

توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه، دستگاه‌های ناوبری، کامپیوترهای کوچک و قابل حمل، سنسورهای کنترل از راه دور و نظایر آنها، نیاز به داشتن باتری‌های سبک تر با انرژی و دوام بیشتر را دو چندان ساخته است. مواد کریستالی نانو با استفاده از روش کاربرد ژل‌ها در صفحات جداکننده باتری‌ها می‌تواند انرژی بیشتری در مقایسه با باتری‌های متداول امروزی ذخیره کند. باتری‌های ساخته شده از نانو کریستال‌های نیکل نیاز به شارژ مجدد را کاهش و ذخیره انرژی در باتری‌ها را در حد قابل توجهی افزایش داده است.

• مواد افزودنی سوخت ها:

هم اکنون تحقیقات برای افزودن ذرات نانوی اکسید سدیم به سوخت‌های دیزل در دست اقدام است که باعث بالا رفتن بازدهی، صرفه جویی اقتصادی و کاهش میزان مصرف آن‌ها در بلند مدت خواهد شد.

کاربردهای بلند مدت فناوری نانو شامل موارد زیر می‌باشد:

• مواد مغناطیسی:

ساخت ابزارهای مغناطیسی از نانوکریستال‌های یوتریوم، ساماریوم و کبالت خواص بسیار منحصر بفردی را با توجه به کوچک بودن ذرات کریستال‌ها به وجود می‌آورد. این مواد در ساخت موتورها، ماشین‌های تحلیلی مانند MRI و همچنین در علوم پزشکی کاربرد وسیعی دارند. میکروپروسس‌ها، حافظه‌های کامپیوتر، دیسک‌های سخت، با استفاده از فناوری نانو می‌تواند اطلاعات بسیار زیادی را در خود جای دهند.

• وسایل پزشکی:

به‌طور معمول اعضا قابل کاشت در بدن، مانند دریچه‌های قلب، ساخت اندام‌های مورد نیاز در ترمیم‌های ارتوپدی ساخته شده از تیتانیوم و فولادهای ضد زنگ با سایر اعضای بدن سازگاری دارند ولی متأسفانه ممکن است در طول عمر بیماران دچار خوردگی شده و کارآیی خود را از دست بدهند. استفاده از نانو کریستال‌های اکسید زیرکانیوم، به عنوان یک عنصر بسیار سخت، غیرخورنده و مقاوم در مقابل واکنش‌های بدن و سازگاری با آن جایگزین بسیار خوبی برای روش‌های متداول است. نانو کریستال‌های «سیلیکون کربید» به علت وزن کم، مقاومت بسیار عالی و سازگاری با اعضای بدن برای ساخت دریچه‌های مصنوعی قلب در آینده به کار خواهد رفت. ساخت رباط‌هایی با کاربردهای بسیار متفاوت در بدن در اندازه‌های کوچک بخش مهمی از کاربردهای وسیع این‌گونه مواد را شامل می‌شود.

• سرامیک‌های ماشین آلات:

سرامیک‌ها بسیار سخت، شکننده و غیرقابل ماشین کاری بوده و کوچک شدن ذرات آن‌ها در حد نانو کریستال‌ها باعث شکنندگی بیشتر آن می‌شوند. امروزه نانوکریستال‌های نیترات و یا «کربید سیلیکون» در ساخت قطعات ماشین آلات مختلف مانند فنرهای بسیار مقاوم، بلبرینگ‌ها، سوپاپ‌های موتور، اجزای کوره‌ها و نظایر آن به علت آنکه به آسانی قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واکنش‌های شیمیایی مقاوم هستند کاربرد وسیعی دارند. درصورتی که این مواد توسط پرس فشرده شوند، مقاومت حرارتی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر سرامیک‌ها به دست می‌آورند.

• تصفیه آب:

فناوری نانو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برای تصفیه آب در سیستم‌های تقطیر می‌شود. همچنین این فناوری منجر به بالا بردن تکنولوژی مورد استفاده کنونی خواهد شد.

• لباس‌های جنگی:

به تازگی استفاده از فناوری نانو برای ساخت لباس‌های ویژه میدان‌های جنگ توسط گروه تحقیقات دانشگاه MIT انجام شده‌است. هم‌اکنون برنامه‌ای برای ساخت موادی که بتواند در کوتاه مدت جاذب انرژی شوک‌های امواج انفجاری و موادی که در بلند مدت بتواند در برابر مواد شیمیایی و بیولوژیکی از خود مقاومت نشان دهند به صورتی که در مقابل این مواد حساس بوده و پس از شناسایی مواد روزنه‌های لباس مسدود شوند در حال بررسی است. گونه‌ای دیگر از این مواد برای کشف آسیب‌های وارده به بدن به صورت خودکار عمل خواهد کرد. برای مثال به کمک این مواد شکستگی استخوان‌ها را به سرعت شناخته و گچ‌گیری متداول امروزه را انجام می‌دهند.

خواص مغناطیسی

همان‌طور که می‌دانید در طبیعت سه عنصر آهن، نیکل، کبالت و ترکیب سایر عناصر با این سه عنصر خواص مغناطیسی دارند. عناصر و یا ترکیبات دیگر به تنهایی خواص مغناطیسی ندارند. در دنیای اطراف ما آهن‌رباها و مواد مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی دارند. از کاربردهای ساده مانند شیشه بالابرها و برف پاک‌کن اتومبیل‌ها، پرینتر، اسکنر، موتورهای وسایل الکتریکی در آشپزخانه‌ها، بلندگو و غیره تا کاربردهای بسیار پیچیده مانند موتورهای ژنراتورها و غیره. اینکه تنها ترکیبات خاصی می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند، یک محدودیت به‌شمار می‌آید.

یکی از تغییر خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانو ایجاد می‌شود، این است که بسیاری از موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند اما زیر یک اندازه مشخص در محدود فناوری نانو می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند. برای مثال می‌توان به نانوذرات اکسید آلمینیوم، طلا و غیره اشاره کرد. این امر باعث می‌شود محدودیت ذکر شده در بالا برداشته شود و با توجه به محدود وسیع کاربرد مواد مغناطیسی، مواد جدیدی با خواص بهبود یافته تولید شود. برای مثال از خاصیت مغناطیسی بعضی نانوذرات در پزشکی در امر دارورسانی استفاده می‌شود.

دلیل ایجاد خواص مغناطیسی در موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند، افزایش بسیار زیاد سطح و ایجاد پیوندهای شکسته شده روی سطح است. هنگامی که یک پیوند برقرار می‌شود، دو الکترون در یک اوربیتال در دو جهت مخالف هم قرار می‌گیرند. این طرز قرار گرفتن باعث می‌شود تا میدان‌های مغناطیسی یکدیگر (الکترون‌ها ذرات باردار هستند. از حرکت ذرات باردار، اطراف آن‌ها میدان مغناطیسی تولید می‌شود. در اتم الکترون‌ها هم دارای دو نوع حرکت اسپینی (به دور خود) و مداری (به دور هسته) هستند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی اطراف آن‌ها می‌شود.) را خنثی کنند (همان‌طور که می‌دانید میدان مغناطیسی یک کمیت برداری است و جهت آن هم از اهمیت بالایی برخورد است). اما پیوند شکسته شده و یا ناقص به این مفهوم است که در اوربیتال یک تک الکترون موجود است و الکترون دیگری میدان مغناطیسی آن را خنثی نمی‌کند. در مقیاس نانو چون کسر اتم‌های روی سطح و پیوندهای شکسته شده خیلی زیاد است، باعث می‌شود اکثر مواد بتوانند خواص مغناطیسی داشته باشند.

برخی از نانوذرات مانند نقره و طلا دارای خواص ضدمیکروب و یا آنتی باکتریال هستند بدین معنی که میکروب‌ها نمی‌توانند روی آن‌ها رشد کنند. از این ذرات معمولاً در لوازم آرایشی، بهداشتی، نساجی و غیره استفاده می‌شود. از کاربردهای آن می‌توان به ساخت ژل‌های تمیزکننده دست بدون استفاده از آب، استفاده در صابون‌ها و شامپوها، استفاده در لباس‌ها و ساخت لباس‌های ضدمیکروب، استفاده در تجهیزات پزشکی و غیره اشاره کرد.

برخی دیگر از نانوذرات مانند اکسید روی و یا اکسید تیتانیم خواص فوتوکاتالیسی دارند. این نانوذرات نیمه رسانا بوده و دارای یک گاف انرژی هستند. از این مواد معمولاً برای تصفیه آب‌ها و آلاینده‌ها استفاده می‌شود. با برخورد نور به این ذرات الکترون موجود در نوار ظرفیت برانگیخته شده و به نوار هدایت می‌رود. در آنجا این الکترون به آلاینده منتقل شده و باعث از بین رفتن آن می‌شود. منظور از واژه فوتوکاتالیست این است که با برخورد نور، خواص کاتالیزگری آن‌ها فعال می‌شود.

خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به‌طور مستقل نمی‌توان آن‌ها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک کمیت شیمیایی در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهم‌ترین خواص شیمیایی است. حتماً صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌اید. همه اینها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند. تا آنجا که نمی‌توان آن‌ها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانومتر رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانومتر افزایش چشم‌گیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آن‌ها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را فراهم کرده‌است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوان با استفاده از نانوکاتالیزگرها واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کرد.

آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توان بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آن را از روی خواصش شناسایی کرد. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناوبی مندلیف اضافه شود. بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کرد، لازم است که معلوم شود خواص عنصر در چه ابعادی مورد نظر است.

تبیان

نانوساختارها، نانو مواد: سنتز، ویژگی‌ها و کاربردها/ تألیف جانگ کائو؛ مترجمین سیده‌الهام اسدالهی، الهه مقدم، اسماعیل صلاحی ؛ [برای] پژوهشگاه مواد و انرژی.

آدرینانو