نانو مواد

امروزه علوم و فناوري هاي نانو از اهميت بسيار بالايي برخوردار شده است لذا همانطور كه در شكل در زير مشاهده مي فرمائيد تمركز اين فناوري جديد در فناوري اطلاعات ونيمه هادي به ۳۷ درصد رسيده است كه البته پيش بيني مي گردد پس از مدت كوتاهي با افزايش دخالت نانو در مواد هيبريدي، اين درصد افزايش يافته و تغييرات بسيار بنيادي را در ساخت سخت افزارها و نگرش مديريتي فناوري اطلاعات ايجاد نمايد بنابراين لازم است تا بصورت فرا رشته اي به تكميل اطلاعات در اين باب پرداخت تا با بروز تغييرات اساسي در صنعت، از قافله رشد و پيشرفت جهاني باز نماند لذا براي درك بهتر نحوه ورود فناوري نانو به علوم مختلف من جمله فناوري اطلاعات، لازم است تا با تقسيم بندي هاي مختلف نانو مواد آشنا شويم.

می‌توان موردهای زیر را شاخه‌های بنیادین دانش نانوفناوری دانست:

• نانو روکش‌ها
• نانو مواد
  • نانو پودرها
  • نانو لوله‌ها – نانو تیوب‌ها
  • نانو کامپوزیت‌ها
• مهندسی مولکولی
  • موتورهای مولکولی- نانو ماشین‌ها
• نانو الکترونیک
  • نانو سیم‌ها
    • DNA  نانو سیم‌ها
  • نانو حسگرها
  • نانو ترانزیستورها

 

اصولا دو روش كلي یا رویکرد برای ساخت مواد در اندازه  نانو متری وجود دارد:

 رویکرد از بالا به پایین:

در رویکرد از بالا به پایین از یک جسم بزرگتر شروع می کنیم و با برداشتن قسمت های اضافی و در مواردی با اضافه کردن قطعا دیگر به هدف خود که درست کردن شیء مورد نظر است می رسیم

لذا مي توان در يك جمله چنين گفت كه روش از بالا به پایین :

کوچک کردن ابعاد یک ماده بزرگ وشکل دادن آن تا رسیدن به یک محصول با اندازه ی نانومتری مي باشد

رویکرد از پایین به بالا:

در رویکرد از پایین به بالابا استفاده از ذرات کوچک تر به دنبال ساخت مواد در اندازه ی نانو هستیم در طبیعت اغلب مواد با روش از پایین به بالا هستیم : بدن انسان ، جانوران ،گیاهان بلور ها و کانی ها و بسیاری از موارد دیگر با همین روش از پایین به بالا ساخته شده اند

بنابراين روش از پایین به بالا به این طور معنا میشود:

قرار دادن یا چیدن اتم ها و ملکول ها با اندازه کوچکتر از نانو متر در کنار یکدیگر و ساخت یک محصول نانو متری

  تقسیم بندی نانو مواد

۱- 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 ۱۰۰ 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.

۱-۱  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.

۱-۲ 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 ۱۰۰ 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 ۱۰۰ نانومتر باشد.)

۱-۳ 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.

 ۱-۴  نانو نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومي، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين ۲ تا ۱۰ نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن ۱۰ تا ۵۰ 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.

   ۱-۵  نانو ذرات 

یک نانوذره ،ذره‌ای است که ابعاد آن در حدود۰ 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.

۲-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 (۱۰۰ 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.

۲-۱ نانو سیم

نانوسیم نانوساختاری با قطری در مقیاس نانومتر )۹-۱۰ 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.

۲-۲ 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.

۳-  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 ۱۰۰ 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.

۳-۱ 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.

۳-۲ صفحات گرافن

صفحات گرافن (با ضخانتی به اندازه قطر یک اتم کربن و کمتر از ۱ 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 ۲۰۰۷ 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.

۴- نانو مواد سه بعدی

دسته ای دیگر از مواد وجود دارند که در هر سه بعد اندازه هایی بیش از ۱۰۰ 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.

۴-۱ 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 .

۴-۲ نانو حفره ها

        مواد نانوحفره اي ساختارهاي متخلخلي هستند كه اندازه حفرات آنها كمتر از ۱۰۰ 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

۱- 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

۲- 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

۵- 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 ۹۹ 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 ۶۵۰ 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.

 ۵-۱ خصوصیات نانو ذرات نقره:

 ۱-تاثیر بسیار زیاد

۲-تاثیر سریع

۳- غیر سمی

۴-غیر محرک برای بدن

– غیر حساسیت زا

۶- قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)

۷- آب دوست بودن

۸- سازگاری با محیط زیست

۹- مقاوم در برابر حرارت

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

۵-۱-۱ دو مکانیسم عمده نانو نقره ها

۱- 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.

۲- 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 -SAg تبدیل می کنند، که نتیجه ای واکنش تلف شدن میکروارگانیسم است .

۵-۱-۲ سنتز نانو ذرات نقره

•  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.

•  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.

•   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.

•  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 ۵۰ تا ۲۰۰ نانومتر و هيدروسل هايي با ذرات ۲۰تا۰ نانومتر مي باشد.

 

نویسنده: دکتر امین گلستانی، مشاور و مدرس استراتژی های فناوری و امنیت اطلاعات