مرتبط با : نانوتكنولوژي
واسه نانو ذرات گفتیم که رايج ترين آنها نانوذرات نيمه رسانا ، نانوذرات سراميكي ،پليمري و فلزي هستند.
نانوذرات نيمه رسانا(نقاط كوانتمي)
نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور نيمه رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون ناميده مي شوند) را درسه بعد در برمي گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي شود.
در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم تراز هاي مختلف انرژي را اشغال مي كنند، به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي شود. در مقايسه با سيم كوانتمي كه در یک بعد و لايه هاي كوانتومي كه در دو بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند.
اين تركيبات به دليل بازده كوانتومي بالا در زمينه هاي اپتيكي كاربرد زيادي دارند.
سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، يكي از روشها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واكنش است. در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيمه هادي يا در نزديك آن پديد مي آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري كه در دو بعد نانو باشد) استفاده مي شود، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذكور حكاكي صورت مي گيرد.
در روش سوم، با رسوبدهي يك ماده نيمه رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيمه هادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش) نقاط « خودآراشده » رشد داده مي شوند.
نقاط كوانتومي نيمه هادي با تحريك الكتريكي يا تابش طول موج هاي مختلف فلورسانس مي كنند. اين ذرات همچنين مي توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي باعث شده است كه اين تركيبات در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي دهند) و پيل هاي خورشيدي كاربرد داشته باشند.
علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از:
- ليزرهاي داراي طول موج هاي بسيار دقيق
- كامپيوترهاي كوانتومي
- نشانگرهاي زيستي
نانوذرات سراميكي
رايج ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات ها يا اكسيد هاي سيليكون نيز سراميك هستند)كه عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس هستند، تقسيم مي شوند. نانوذرات اكسيد فلزي داراي اندازه ی يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر هستند و به وسيله ی نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي كنند. نانوذرات سراميكي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست مي آيند.نانوذرات سيليكاتي ذراتي با ضخامت تقريباً يك نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول ترين نوع نانوذرات سيليكاتي مونت موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه اي مي باشند. اين نوع نانوذرات با پليمريزاسيون يا به وسيله ی آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب توجهي را حاصل مي آورند.
وقتي اندازه ی نانوذرات كاهش مي يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي برتري يافته و خاصيت كاتاليستي افزايش مي يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان كاتاليزور در زمينه هايي نظير باتري ها، پيل هاي سوختي و انواع فرآيند هاي صنعتي كاربرد دارند. بيشتر بودن سهم اتم ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را تغيير مي دهد، مثلا سراميك هايي كه به طور عادي شكننده اند، نرم تر مي شوند . سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر حلاليت را افزايش مي دهد.
اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در كارايي و كاربرد آنها دارد. ايجاد خواص آبدوستي و آبگريزي جزء روش هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي شوند. نانوذرات سيليكاتي براي بدست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي توان با استفاده از يونهاي آمونيوم يا مولكول هاي بزرگتري نظير سيلسزكيوكسان هاي اليگومريك چند وجهي( POSS)كه هم براي روكشدهي نانوذرات سيليكاتي و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد.
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي سراميكي
در نانو كامپوزيت نانوذره اي سراميكي نانوذرات سراميكي داخل يك شبكه پليمري توزيع شده اند . استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزيتي مي تواند استحكام مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را افزايش و وزن آنها را كاهش دهد، و خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بيافزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگر تشعشعات را تغيير دهد . يكي از خواص نانوكامپوزيت هاي نانوذره اي سراميكي در صنعت بسته بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است . اين خاصيت ناشي از شكل دانهه اي نانوذرات است كه مولكول ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم هاي ماده مي نمايند. پركننده هاي سيليكاتي نيز مي توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن يك بعدي به دو بعد تغيير دهند.
هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك رس) به عنوان پركننده در پلاستيك ها مورد استفاده قرار مي گيرند، با پراكنده سازي تنش ها استحكام فوق العاده اي را به وجود مي آورند. همچنين آب رفتگي ، تاب برداشتگي (در كامپوزيت هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي يابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شيميايي افزايش يافته، بازيافت اين مواد نيز آسانتر مي شود. پركننده هاي خاك رس با مقدار پركننده كمتري نسبت به پركننده هاي معمولي، استحكام را افزايش مي دهد. مثلاً با افزايش 5درصد از پركننده هاي نانورس به كامپوزيتها همان نتيجه اي حاصل مي شود كه با افزايش 20 درصد از پركننده هايي همچون الياف شيشه اي بدست مي آيد. همچنين ميزان پركننده را مي توان بدون تغيير در خاصيت چكش خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با پركننده هاي متعارف ممكن نيست.
نانوذرات فلزي
نانوذرات فلزي با استفاده از روشهاي چگالش بخار و سيم انفجاري توليد مي شوند. اين نانوذرات ميتوانند بدون اينكه ذوب شوند (تحت نام پخت ) در دماهاي پائين تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار منجر به سهل تر شدن فرآيند توليد روكش ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن ها مي گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماي كمتر از دماي ذرات فلزي بزرگتر غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده اي تبديل مي شوند و هزينه ی ساخت را كاهش مي دهند.
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي با پليمرها بدست مي آيند. اين نانوكامپوزيت ها ، به دليل ممانعت خوبي كه در مقابل تداخل الكترومغناطيسي به وجود مي آورند، مي توانند در رايانه و تجهيزات الكترونيكي به كار روند. نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي قابليت هاي ويژه اي در هدايت گرمايي و الكتريكي دارند كه كارايي آن ها را افزايش مي دهد.
آئروژل ها
آئروژل ها دسته اي از مواد با سطوح ويژه خيلي بالا و دانسيته بسيار كم (گاهي فقط چهار برابر سنگين تر از هوا) هستند.
اين تركيبات از طريق فرآيندهاي سل ژل ساخته مي شوند. هنگامي كه سل (محلول) در يك قالب ريخته شود، ژلي مرطوب شكل مي گيرد. با خشك كردن و فرآورش حرارتي ، ژل حاصله به ذرات شيشه اي يا سراميكي متراكم تبديل مي شود. اگر در شرايط فوق بحراني مايع موجود در ژل مرطوب خارج شود، آئروژل بدست مي آيد.
استفاده از آئروژل ها به عنوان غشا در فرآيندهاي جداسازي و فيلتراسيون تحت بررسي است . همچنين آئروژل ها در فضا پيماها براي به جمع آوري غبار بين ستاره اي بكار مي روند. اين تركيبات براي استفاده در شيشه هاي دوجداره به عنوان لايه پركن به جاي هوا مورد آزمايش قرار گرفته اند.
نانوروكش ها و نانولايه ها
نانوروكش ها، سطوحي تك لايه يا چند لايه با ضخامت 1 تا 100 نانومتر هستند . روكش هاي مبتني بر نانوذرات خواص مختلفي را از خود بروز مي دهند. استحكام و مقاومت سايشي جزء خواصي هستند كه بيشترين مزيت را در نانوروكش ها داشته و شفافيت نيز در مورد آنها حائز اهميت است . خصوصا در حالتي كه افزايش سختي بدون كدر شدن سطح نياز باشد. استفاده از روكش ها روي سطوح سراميكي ، باعث ضدخش شدن و تميز شدن راحت تر سطوح مذكور مي گردد. همچنين مي توان از نانوروكش هاي سخت و ضد خش براي روكش دهي شيشه هاي عينك استفاده كرد . نوعي از پيل هاي خورشيدي عرضه شده اند كه به منظور افزايش استحكام شان از نانوذرات ساخته شده اند. روكش هاي پاشش حرارتي مبتني بر نانوذرات اكسيد فلزي در تعمير بخش هاي فلزي فرسوده يا خورده شده مورد استفاده قرار مي گيرند . امروزه نانوذرات فلزي در صنعت الكترونيك براي پوشاندن سطوح خازن ها نيز استفاده مي شوند. نانوروكش اكسيدتيتانيوم نانوبلوري ، امكان توليد پنجره هاي فتوكروميك (تغيير رنگ در اثر نور ) يا الكتروكروميك (تغيير رنگ در اثر اعمال پتانسيل الكتريكي) ارزان قيمت را بوجود مي آورد. همچنين مي توان سطوحي را روي پنجره ها به وجود آورد كه با كمترين بارش اتفاقي باران خود به خود پاكيزه شوند . روكش ها مي توانند ضد الكتريسيته ساكن، ضد مه و ضدبازتاب باشند و در عين حال كه اجازه عبور نور مرئي را مي دهند، مانع عبور طول موج هاي كوچك نور نظير اشعه ماوراء بنفش شوند. تعدادي از روكش هاي سراميكي حاوي نانوذرات يك نوع كامپوزيت را به وجود آورده اند كه به خاطر خواصي چون مقاومت سايشي و شيميايي و عايق حرارتي كاربردهاي زيادي دارند . به طور مشابه رو كش هاي مبتني بر سولفيد موليبدن كه حاوي نانوخوشه ها هستند مقاومت بيشتري را در برابر اصطكاك ، سايش و خوردگي شيميايي حاصل از اصطكاك تحت شرايط مرطوب نشان داده اند . روش هاي سل ژل و خودآرايي، نيز براي توليد روكش ها كاربرد دارند كه براي آينده بسيار نويدبخش هستند.
روكش ها به طور اجتناب ناپذيري كاربردهايي همچون حفاظت وسايل الكترونيكي سفينه هاي فضايي در برابر تشعشع و حفاظت حرارتي براي ورود مجدد به جو را خواهند داشت.
روكش هاي سراميكي نانوذره اي ، موجب پايداري حرارتي و مقاومت فرسايشي در قطعات موتور مي شوند.
روكش هاي حاوي نانوذرات فلزي كه كاربردهاي مشخصي در كامپيوترها و تجهيزات الكترونيكي دارند، در مقابل تداخل الكترومغناطيسي ممانعت خوبي نشان مي دهند.
نانوپوسته ها
با روكش دهي نانوذرات ساختارهايي بوجود مي آيند كه نانوپوسته ناميده مي شوند. با حل كردن يا تجزيه نانوذره كره هاي توخالي بوجود مي آيند كه در رسانش دارو و معالجه بيماريها، كاربرد دارند . ساختار شيميايي نانوپوسته ها مي تواند آلي يا معدني باشد. |