نانو مواد چیست؟

نانومواد و خواص آن ها

موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ها (طول، عرض یا ضخامت) بین 1 تا 100 نانومتر باشد، نانومواد نامیده می شوند. این مواد بر اساس ابعاد یا نوع ساختار ظاهری دسته بندی می گردند.

طبقه بندی نانومواد براساس ابعاد آن ها

نانومواد با توجه به اندازه ی ابعادشان در راستای محورهای مختصات به سه گروه تقسیم می شوند:

  1. نانومواد تک بعدی: این گروه شامل موادی هستند که یک بعد آن ها بین 1 تا 100 نانومتر است. نمونه ای از این مواد، نانو لایه ها و فیلم های نازک هستند که ضخامت آن ها در مقیاس نانومتری است.
  2. نانومواد دوبعدی: موادی که دو بعد آن ها بین 1 تا 100 نانومتر است. نانومواد دوبعدی نامیده می شوند. نانولوله های کربنی از جمله نانومواد دو بعدی هستند که سطح مقطع آن ها در ابعاد نانومتری است.
  3. نانومواد سه بعدی: این مواد در سه بعد، ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر دارند. نانو ذرات از جمله موادی هستند که در این گروه قرار می گیرند.

طبقه بندی نانومواد براساس ساختار ظاهری آن ها

این مواد به گروه های مختلفی تقسیم بندی می شوند که مهم ترین آن ها عبارتند از:

نانو ذرات

نانوذرات از مدتها قبل مورد استفاده بوده اند. شاید اولین موارد استفاده از آن ها در لعاب ظروف سفالی سلسله های اولیه چین باشد. نانوذرات در واقع ذراتی با قطر بین 1 تا 100 نانومتر هستند که مهم ترین آن ها شامل نانوذرات نیمه رسانا، نانوذرات سرامیکی، نانوذرات فلزات و غیره می باشد. این ذرات در شکل هایی مانند کروی-سوزنی، ورقه ای-شاخه ای، میله ای و صفحه ای یافت می شوند.

نانو الیاف

الیاف نسبتاً کوتاهی که قطرشان در مقیاس نانومتری است و به گروه های بسیار متنوعی تقسیم می شوند که به مهم ترین آن ها، یعنی نانو الیاف کربنی، نانو الیاف پلیمری و نانو الیاف معدنی می توان اشاره کرد. نسبت سطح به حجم بالا و مقاومت زیاد در مقابل سایش از جمله خواص نانو الیاف است. از نانو الیاف ها برای تولید لباس های محافظ، تولید آینه های قابل استفاده در فضا، فیلتر هوا و ... استفاده می شود.

نانو کپسول ها

نانوکپسول ها به نانوذره ای گفته می شود که دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد. نانو کپسول های پلیمری و نانوامولسیون ها از این جمله هستند.

نانو لوله ها

نانولوله ها به موادی گفته می شود که قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر است. لغت نانولوله در حالت کلی در مورد نانولوله های کربنی به کار می رود. البته شکل های دیگری از نانولوله ها همچون نانولوله های بورنیترید نیز ساخته شده اند.

نانو سیم ها

نانوسیم یک ساختار دو بعدی است و به دلیل این که در این ابعاد آثار کوانتومی مهم هستند، سیم های کوانتومی نیز نامیده می شوند و انواع نانوسیم های فلزی، نانوسیم های آلی، نانوسیم های پلیمری و نیمه هادی را در برمی گیرند.

نانو روکش ها

روکش ها، لایه هایی هستند که روی ماده ای دیگر نشانده می شوند و ضخامتی کمتر از ماده دوم دارند. روکش ها کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف از خودروسازی گرفته تا صنایع لوازم خانگی دارند. دلیل استفاده از این روکش محافظت یا تزئین محصولاتی چون شیشه ها، فلزات، پلاستیک ها، عینک های آفتابی، لوازم ورزشی، مبلمان، وسایل آشپزی، وسایل پزشکی، الکترونیک، خودروها و ... است.

از این روکش ها برای محافظت از سطوح در برابر آسیب هایی مانند باران، برف، اشعه ی ماورای بنفش، نور آفتاب و رطوبت استفاده می شود.

نانوروکش ها در واقع لایه های نانومتری و روکش های نانوساختار هستند. نانوروکش ها دارای کاربردهای فراوانی هستند. فناوری نانو از خش برداشتن، تکه تکه شدن و خورده شدن روکش ها جلوگیری می کند. از جمله ی نانوروکش ها می توان به روکش های ضد انعکاس در مصارف خودروسازی و روکش های محافظ (ضدخش، غیرقابل رنگ آمیزی و قابل شستشوی آسان) و روکش های زینتی اشاره کرد.

مواد نانو حفره ای

زئولیت ماده ای است که به عنوان کاتالیزگر استفاده می شود. ویژگی قابل توجه زئولیت ها حفره های بسیار ریز یا نانومتری موجود در آن هاست. نسبت سطح به حجم زیاد این ساختار نانو متخلخل سبب شده است از آن به عنوان کاتالیزگر استفاده شود. همچنین، تخلخل های موجود در این مواد برای رشد دادن نانو مواد یک بعدی (نانوسیم ها و نانولوله ها) مناسب است. مواد نانو حفره ای به طور گسترده در سیستم های زیستی موجود است. برای مثال بعضی از غشاهای نانوحفره ای موجود در طبیعت مانند دیواره ی سلول ها، قابلیت عبور دادن انتخابی مواد از خود را دارند. این مواد کاربردهای مختلف و فراوانی دارند. از این مواد برای ارسال داروها به قسمت های مورد نظر در بدن استفاده می شود.

شگفتی هایی در مقیاس نانو

در دنیایی که در آن زندگی می کنیم، مواد با توجه به خواصی که دارند برای انجام کارهای مختلف انتخاب و استفاده می شوند. مثلاً برای استفاده از نور طبیعی خورشید، در ساختن پنجره ها از شیشه استفاده می کنیم، زیرا به دلیل شفافیت می تواند مقداری از نور را از خود عبور دهد. هم چنین برای انتقال برق از رشته های مسی استفاده می کنیم، چرا که پس از طلا و نقره، مس بیش ترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد و از طلا و نقره نیز ارزان تر است.

خواص مواد را می توان به دو بخش خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم کرد. رنگ، شفافیت، خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی و ... ویژگی هایی هستند که آن ها را با نام خواص فیزیکی می شناسیم و سرعت واکنش، واکنش پذیری و ... از جمله خواص شیمیایی هستند.

در شرایط عادی خواص یک ماده خالص تا حد قابل قبولی ثابت است و به این دلیل است که می توانیم مواد را از روی خواصشان شناسایی کنیم. اما آن چه باعث شگفتی در دنیای نانو می شود این است که خواص مواد در مقیاس نانو بسیار متفاوت از خواص آن ها در مقیاس ماکرو است.

اگر ذرات یک ماده خاص را در حد چند نانومتر (1 تا 100 نانومتر) کوچک کنیم، این ذرات ویژگی های متفاوتی با ذرات بزرگ اولیه خواهند داشت. این در حالی است که کوچک کردن ذرات یک تغییر فیزیکی است و ما انتظار نداریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی های اصلی ماده تغییر کند. این امر سبب شده که مقیاس نانو بیش تر از سایر مقیاس ها مورد توجه قرار گیرد.

1. تغییر رنگ

شیشه جسمی است شفاف. ذرات حاصل از شکستن شیشه هر قدر هم کوچک باشند، باز هم به اندازه ی شیشه ی اولیه بی رنگ و شفاف هستند. اما این قانون در دنیای نانو حاکم نیست. مثلاً رنگ ذرات طلا و نقره در مقیاس نانو، با رنگ این مواد در ابعاد بزرگ تر کاملاً متفاوت است. نکته ی جالب دیگر است که رنگ نانو ذرات طلا و نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر می کند.

2. تغییر شفافیت

بزرگ ترین شکل کرم های ضد آفتاب متداول، تأثیر مستقیم این کرم ها بر رنگ پوست است. این کرم ها به دلیل رنگ سفیدشان، ظاهر ناخوشایندی به وجود می آورند و بسیاری از افرادی که از این کرم ها استفاده می کنند، از این موضوع ناراحت هستند. دلیل این سفیدی پخش نور به وسیله ذرات اکسیدتیتانیوم یا اکسیدروی موجود در این کرم هاست. اکسیدتینانیوم و اکسیدروی در این کرم ها نور ماورای بنفش خورشید را کاملاً جذب می کنند و نور مرئی را باز می تابانند و به این ترتیب از پوست در برابر اشعه ی فرابنفش خورشید محافظت می کنند.

امروزه برای حل مشکل رنگ سفید این کرم ها دانشمندان از اکسید تیتانیوم و اکسید روی نانویی بهره می گیرند، یعنی با کوچک کردن اندازه ی ذرات این مواد، مشکل را حل می کنند. راز این موضوع هم این است که اندازه ی ذرات اکسیدروی و اکسیدتییتانیوم کوچک تر از طول موج نور مرئی (nm780-400) است و از این رو ذرات توانایی باز تابش نور مرئی را ندارند. این هم یکی از شگفتی های دنیای نانوست که فقط به وسیله ی کوچک کردن اندازه ی ذرات نانو شفافیت ماده تغییر می کند.

3. تغییر واکنش پذیری

مواد در مقیاس نانو نسبت به مواد معمولی واکنش پذیرتر هستند، زیرا در نانومواد درصد زیادی از اتم ها در سطح ذرات تشکیل دهنده ی این مواد قرار دارند که در نتیجه احتمال برخورد اتم ها و میزان حلالیت و واکنش پذیری مواد افزایش می یابد. مثلاً نانو ذرات طلا نه تنها واکنش پذیری بالایی دارند، بلکه باعث افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) می شوند. افزایش واکنش پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی تری را برای ما فراهم می کند. هم چنین از نانو ذرات آلمینیوم که در هوا آتش می گیرند، می توان به عنوان سوخت موشک استفاده کرد.

علاوه بر موارد بیان شده، اندازه ی ذرات در فضای نانو باعث تغییر در خواص حرارتی، مکانیکی و مغناطیسی می شود. در واقع باید به این نکته توجه داشت که برای بررسی خواص مواد باید به اندازه ی ذرات آن ها توجه داشته باشیم، زیرا در دنیای نانو خواص مواد دچار تغییر می شود.

جام لیکورگوس

استفاده از فناوری نانو سابقه ای طولانی در تاریخ دارد. باستان شناسان کشف کرده اند که در دوران قبل از میلاد مسیح از فناوری نانو استفاده شده است. یکی از نمونه های معروف که از آن دوران به جا مانده و در کاوش های اخیر به دست آمده است، جام لیکورگوس نام دارد، این جام اکنون در موزه ی بریتانیا نگه داری می شود.

دانشمندان با مطالعات میکروسکپی دریافته اند که آن چیزی که این جام را بی همتا می سازد وجود ذرات نانومتری بلورهای فلزی حاوی نقره و طلا در آن است. وجود این نانوبلورها باعث ایجاد رنگ ویژه ای در این جام شده است و متناسب با جهت نورهایی که به این جام تاییده می شود، رنگ های متفاوتی را از خود ساطع می کند.

منابع


دنیای نو در ابعاد نانو (فناوری نانو)/ نویسنده: نگار زاده ختمی مآب و رضا ایجادی؛ انتشارات کانون پرورش فکری کودکان و نوجوانان، تهران