نانو چیست؟

فهرست مطالب

مفاهیم نانو

بسیار کوچک که در علوم مختلف شیمی، زیست، فیزیک و مهندسی کاربرد دارد؛ علم نانو یا نانوتکنولوژی گویند. از این علم برای طراحی،  طبقه بندی و تولید مواد و دستگاه ها در علوم مذکور استفاده می شود. تکنولوژی نانو به اشکال مختلف در یک جامعه تاثیرگذار است.  خواص مطلوبی که مواد در مقیاس نانو از خود نشان می دهند؛ علاوه بر تاثیر بر کیفیت فرایند، از مصرف انرژی کاسته و در زمان نیز صرفه جویی می کند.

اولین بار در سال 1959 ریچارد فاینمن، در  کنفرانسی که در دانشگاه کالیفرنیا (CalTech) انجام شد؛ از عنوان “در لایه های زیرین فضای بسیار زیادی وجود دارد” رو نمایی کرد. منظور فاینمن از این جمله، امکان دستکاری و کنترل هر اتم  و ملکول به تنهایی است. سال 1981 با طراحی میکروسکوپ هایی که اتم ها را تشخیص می دادند، علم نانو با آن دیدی که امروز مشاهده می کنیم بوجود آمد.

همان طور که گفته شد این شاخه نوین از علم مکملی برای سایر علوم است. مثال برخی کاربردها به اختصار عبارتند از؛

  • فیلم های نازکی که در صنایع کاتالیست و الکترونیک بکار می روند.
  • نانولوله های (nanotube) دو بعدی و نانوسیم ها (nanowire) در سامانه های نوری و مغناطیسی
  • نانوذرات در صنایع آرایشی و بهداشتی، دارویی و پوشش دهی ها

در قسمت های بعدی این کاربردها با دسته بندی شرح داده شدند.

نانو یک میلیارد برابر کوچک تر از متر است. این که اندازه نانو و ذراتی که در این محدوده قرار می گیرند چقدر است با چند مثال می­توان روشن کرد.

  • ضخامت یک ورق روزنامه 100000 نانومتر است.
  • اگر یک نانو متر را معادل قطر یک تیله فرض کنیم، آنگاه یک متر معادل قطر کره زمین است.
  • قطر یک تار مو بین 40000 تا 50000 نانومتر است.
  • قطر گلبول های قرمز خون 6000 تا 10000 نانومتر است.

روش های شناسایی نانومواد

علم نانو به توانایی کنترل اندازه ذرات با اصلاح قرار گیری محل ملکول ها و اتم ها مربوط می شود. با این وجود، امکان مشاهده اتم ها با چشم غیر مسلح وجود ندارد. امروزه امکان مشاده اتم ها با میکروسکوپ اتمی AFM و میکروسکوپ تونلی روبشی STM وجود دارد.

شناسایی و شناخت این علم در قرن اخیر صورت گرفته است. با این وجود، استفاده از تکنولوژی نانو در قرن های گذشته و پیش از شناخت اتم و علم نانو رایج بوده است. مثلا در قرون وسطی از نانو ذرات طلا و نقره با اندازه های مختلف برای رنگ آمیزی شیشه های کلیسا استفاده می شد. هنرمندان آن دوره علت تغییر رنگ این ذرات را با تغییر اندازه هنگام رنگ آمیزی نمی دانستند. اما همچنان از آن مزیت برای زیباسازی استفاده می کردند.

ویژگی های نانو مواد

ذره با اندازه بین یک تا 100 نانومتر و با جداقل یک بعد در مقیاس نانو، نانوماده شناخته می شود. هنگامی که ذرات به مقیاس نانو می رسند؛ ویژگی های نوینی پیدا می کنند. این ویژگی ها باعث بهبود و افزایش کاربرد مواد می شوند. همچنین در موارد خاص ارزش مادی یک ماده کم ارزش را به شدت افزایش می دهند. به طور خلاصه برخی از این ویژگی  ها را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد.

  1. وزن سبک
  2. مقاومت بالاتر
  3. واکنش پذیری به شدت بالا
  4. امکان کنترل محدوده طیف نوری
  5. متقارن بودن هر ساختار در این مقیاس
  6. ایجاد ویژگی های کوانتومی

معایب و مزایای نانو

در حالی که که این تکنولوژی مسیری رو به آینده فراهم کرده است و بیش تر مردم بر مزایای آن تاکید دارند، مشابه هر فناوری دیگر معایبی در کنار مزایا دارد.

مزایای نانوتکنولوژی

  • الکترونیک: تکنولوژی نانو یک انقلاب اساسی در صنعت الکترونیک محسوب می شود. نانو دیودها، نانو ترانزیستورها، نمایشگرهای پلاسما، کامپیوترهای کوانتومی برخی از این مثال ها هستند.
  • انرژی: پیشرفت های صورت گرفته در بخ انرژی عبارتند از تولیدف جذب و ذخیره بسیار موثر انرژی در دستگاه های کوچک تر که از طریق این تکنولوژی فراهم شده است.
  • بخش های تولیدی: برای کاربردهای یکسان، مواد نانو مقاوم تر، با دوام تر و سبک تر از نوع معمولی خود هستند. بنابراین استفاده از نانولوله، آئروژل و نانوذرات نتایج بهتری را به همراه دارد.
  • دارو: از زمان عرضه این شاخه از علم، پزشکی و دارویی بیش ترین تاثیر را پذیرفته است. داروهایی که از این روش تولید می شوند با عنوان داروهای هوشمند شناخته شده اند. زیرا با عوارض جانبی به شدت کم و تاثیر گذاری بالا نسبت به نوع معمولی خود زمان درمان را کاهش می دهند.

معایب نانوتکنولوژی

  • کاهش اشتغال زایی در بخش های تولید.
  • کاهش ارزش نفت و الماس: با توجه به این که منابع جایگزین انرژی با کمک تکنولوژی نانو به صرفه تر از مصرف نفت است، بازارهای مربوط به آن به شدت افول می کند. از طرف دیگر چون امکان اصلاح ملکولی در مقیاس نانو وجود خواهد داشت، می توان شی ارزشمندی مثل الماس را در مقیاس بالا تولید کرد.
  • سلاح های اتمی دسترس پذیرتر، قدرتمندتر و ساده تر از قبل هستند و امکان تولید آن برای هر جامعه فراهم می شود.
  • از آن جایی که این ذرات بسیار کوچک هستند، استنشاق کردن آن ها ساده است. بسیاری از این مواد به علت واکنش پذیری بالا به راحتی منجر به بیماری می شوند.
  • به علت روش های تولید دشوار، تا به امروز استفاده از تکنولوژی نانو بسیار هزینه بر بوده و به سرمایه گذاری های اولیه بالا برای پیشبرد آن نیاز است.

کاربرد نانو

کاربرد علم نانو به طور کلی به سه بخش دارویی، صنعتی و محیط زیست تقسیم بندی می شود. در بخش صنعتی تکنولوژی نانو بیش تر شامل الکترونیک، صنایع غذایی و انرژی است. قسمت دارویی آن شامل سامانه های انتقال دارو و دارو، تشخیص و دستگاه های پزشکی است که بیش تر با عناوین نانوبیوتکنولوژی و نانودارو شناخته می شوند. برخلاف سایر تکنولوژی ها که آلاینده های جدید تولید می کنند، نانوتکنولوژی به راحتی با بسیاری از چالش های زیست محیطی مقابله می کند.

الکترونیک:

نانوتیوب های کربنی با جایگزینی مواد سیلیکونی، میکروچیپ های سریع تر، کوچک تر، سبک تر،  و با کارایی و رسانش بهتر عرضه می کنند.

انرژی:

نیمه هادی هایی که اخیرا ارائه شدند قادرند مقدار انرژی خورشیدی در پنل های نوری را دو برابر میزان قبلی به الکتریسیته تبدیل کنند. همچنین با کاهش هزینه ها، توربین های قوی تر و سبک تری تولید می شود که بازدهی سوخت را افزایش می دهد. از طریق عایق کردن حرارتی برخی از ترکیبات نانو می توان انرژی را ذخیره کرد و از هدر رفت آن جلوگیری نمود.

دارو:

ویژگی های خاص این مواد  امکان تشخیص سریع و درمان بیماری های اعصاب و سرطان را فراهم کرده است. آن ها به طور انتخابی و بدون آسیب به سلول های سالم می توانند سلول های سرطانی را از بین ببرند. برخی از نانو ذرات برای بهبود عملکرد داروهای عکس برداری (مثل MRI ) استفاده می شوند.

محیط زیست:

تمیز کردن هوا با یون ها و حذف فلزات سنگین آب با نانوفیلترها برخی کاربردهای زیست سازگار این دسته از مواد است. همچنین استفاده از نانوکاتالیست ها علاوه بر پیشبرد بهتر فرایندها به کاهش آلودگی نیز کمک می کند. زیرا نانوکاتالیست ها مواد را به سمت تولید محصول مورد نظر که معمولا عاری از آلاینده است هدایت کرده و از تولید محصولات جانبی جلوگیری می کند.

غذا:

استفاده از بیوسنسورها برای شناسایی حضور پاتوژن هایی مثل باکتری ها در غذا یکی از مهم ترین کاربردهای نانو است. همچنین با کاربرد ذرات نانو در بسته بندی های خوراکی می توان نانوکامپوزیت هایی تشکیل داد که کاملا از ورود اکسیژن جلوگیری می کند و دوام محصول را افزایش می دهد.

منسوجات و پوشاک:

امکان تولید  پارچه های هوشمند که آلودگی و آب را جذب نمی کنند در چند سال اخیر به کمک این تکنولوژی فراهم شده است. دستیابی با الیاف قوی تر، با دوام تر و سبک تر بویژه برای پوشش هایی مثل کلاه های ایمنی از کاربردهای دیگر در زمینه منسوجات است. این شاخه از علم نانو با عنوان منسوجات فنی نیز شناخته می شود.

روش های تولید نانو مواد

دو روش بالا به پایین و پایین به بلا برای تولید نانو ذرات وجود دارند.

بالا به پایین: این روش شامل کوچک کردن ماده با خرد کردن، سمباده کشیدن، کند و پاش، انفجار الکتریکی و فرسایش لیزری است. برخی از این روش ها به اختصار در زیر توضیح داده می شوند.

  • روش پلاسما: پلاسما با فرکانس رادیویی که از حرارت سیم پیچ ها ایجاد میشود، بوجود آمده می آید. با اعمال ولتاژ فرکانس رادیویی، فلزی که می خواهیم نانوذره از آن بگیریم به دمایی بالاتر از دمای بخار خود می رسد. بخارات فلزی بر روی سطح سرد هسته گذاری می کنند. گازی که این فضا را پوشانده است، گازی بی اثر مثل آرگون یا هیلیوم است.
  • آسیاب مکانیکی: پس از ورود پودر فلزی به یک محفظه بسته که حاوی چند گوی است، فرایند آسیاب آغاز می شود. این ذستگاه مشابه سانتریفیوژ عمل می کند. هر چه شدت نیروی وارده بیشتر باشد، ذرات با اندازه کم تر تهیه می شوند. از مزایای اینن روش ساده بودن آن است.
  • ترسیب بخار مواد: این فرایند عمدتا برای تولید نیمه رساناها و ایجاد فیلم های نازک از مواد مختلف استفاده می شود. این فرایند شامل یک یا چند ماده فرار است که بر روی یک سوبسترا ته نشین می شود. مواد فرار پس از قرار گیری در دمای بالا رسوب می کنند. برخی محصولات جانبی گازی پس از ایجاد ذرات، باید از روی فیلم حذف شوند.
  • پیرولیز با استفاده از لیزر و دما: پالس های متناوب لیزر روشی ست که عمدتا برای تولید ناموذرات نقره با نرخ بالای نقره بکار می رود.
  • تابش ماکرویو: این روش برای سنتز ذرات آلی، غیرآلی و هیبریدهای آلی-غیرآلی بکار می رود.

پایین به بالا: اتصال اتم های یک ماده برای ایجاد ذرات نانو را گویند. این فرایندها غبارتند از سنتز سبز، واکنش شیمیایی، تراکم ملکولی، پیرولیز لیزری و فرایند سل ژل.

  • سل-ژل: این روش برای سنتز نانو ساختارهای مختلفی بویژه نوع فلزی کار برد دارند. پس از انحلال آلکوکسید فلزی در آب یا الکل، با اعمال حرار و هم زدن هیدرولیز را انجام می دهند.
  • میکروامولسیون: انتشار مایع در مایع یک امولسیون ایجاد می کند. ترکیب پلیمرها در فاز مایع می توانند امولسیون ایجاد کنند. بر اساس اندازه امولسیون ها به سه دسته ماکروامولسیون، مینی امولسیون و میکروامولسیون تقسیم بندی می شوند.

روش سنتز میکروامولسیونی به طور عمده برای سنتز نانوذرات غیر آلی استفاده می شود. وقتی آب و روغن ترکیب شوند، دو فاز غیر امتزاج پذیر ایجاد می کنند. به منظور ترکیب دو فاز به انرژی نیاز داریم. بهترین روش برای این کار جلوگیری از تماس مستقیم آب و روغن است. اگر از یک سورفکتانت استفاده شود می توان از تماس مستقیم جلوگیری کرد. سورفکتانت ها موادی با یک سر آب دوست و یک سر آبگریز هستند. اگر ملکول های سور فکتانت در یک محیط به اندازه کافی باشد، تنش بین سطحی بین ملکلول های آب دوست (آّب) و ملکول های آبگریز (حلال های آلی ابگریز) کاهش میابد و آن ها می توانند کنار هم قرار گیرند.

فرایند ایجاد نانوذرات فلزی از روش میکروامولسیونی شامل اختلاط نمک فلز و عامل کاهش دهنده است. این فرایند شامل برخورد، رشد و ایجاد ذرات است.

  • بازآرایی حرارتی: بازآرایی گرمایی با اعمال نیروی حرارتی انجام می شود. در این واکنش از گرما بری شکستن پیوندهای شیمیایی و تغییر شکل استفاده می شود.
  • سنتز پلی یول: در این روش از یک حلال آلی به عنوان عامل کاهنده استفاده می شود. علت استفاده از حلال آلی کاهش اکسید شدن سطح و انباشتگی مواد روی هم است. این روش برای کنترل اندازه، ساختار و شکل نانوذره منعطف است. این روش برای تولید در مقیاس بالا مناسب است. فرایند پلیول اگر در دمای متوسط انجام شود، یک روش سل ژل در سنتز اکسید است. تولید برخی از نانو ذرات مثل ZnO،  TiO2 ، PbO، SnO2 و …. با این روش صورت می گیرد.

در سنتز اکسید نانوذرات فلزی از حلال اتیلن گلیکول استفاده می شود. زیرا علاوه بر ظرفیت کاهشی بالا، دی الکتریک است و دمای جوش بالایی دارد. پس از واکنش حلال با فلز، اولیگومرهای فلزی گلیکولات ایجاد می شوند. سپس در حضور هوا کلسینه شده و بدون تغییر مورفولوژی و ساختار به شکل نانوذره فلزی در می آیند.

  • سنتز الکتروشیمیایی: به سنتز مواد شیمیایی در یک سل الکتروشیمیایی گویند. مزیت اصلی این روش کاهش زمان واکنش به نصف است. در سال های اخیر سنتز نانو ذرات نقره از طریق این روش مطالعه شده است. این روش بر مبنای قرار گیری آنود فلزی در محلول آپروتیک است.

انواع نانو مواد

نانوذرات دارای انواع مختلفی اند که مهم ترین آن ها عبارتند از نانوذرات دو بعدی، کوانتوم دات ها، نانوسیم، نانوفیلم، نانو لوله های کربن و نانومواد زیستی. در این بخش به طور خلاصه هر یک از موارد مذکور شرح داده می شوند.

نانوذرات دو بعدی:

یکی از مهم ترین نانو ذرات دو بعدی، گرافین است. بسیار از مطالعات از جمله تبدیل و ذخیره انرژی، در مقیاس دو بعد نانو ویژگی های خاصی از خود را نشان می دهند. مثلا لایه های فلزی نقشی اساسی در کارایی بصری بسیاری از دستگاه ها دارند. برای مثال دیگر می توان به نانو کریستال های تیتانیوم اکسید اشاره کرد. این ماده ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مطلوبی را برای جای گزین شدن در بافت ها دارند. مونولایه های خود آرا، از جذب سطحی ملکول های آلی بدست می آیند که در بیوسنسورها کاربرد دارند.

کوانتوم دات ها:

کریستال های نیمه رسانای مصنوعی در مقیاس نانو هستند که الکترون ها را انتقال می دهند. وقتی نور فرابنفش  به این ذرات برخورد کنند، نور را با رنگ های مختلف ساطع می کنند. روش معمول برای تولید اسن مواد، سنتز کلوئیدی با ماکرویو است. آن ها در سلول های خورشیدی، نمایشگرهای LED، فوتوکاتالیست ها، شناساگرهای نوری و سسنسورها بکار می روند.

نانوفیلم و نانوسیم:

این مواد با دو بعد از طریق سنتز شیمیایی بدست می آیند. از نانوسیم ها در تولید سنسورها، لیزرها و…. استفاده می شوند. نانوفیلم ها الیافی هستند که در مهندسی بافت، انتقال دارو، تشخیص سرطان، سنسورهای نوری، فیلتر هوا و… بکار می روند.

نانولوله های کربن:

به آلوتروپ های کربنی با ساختار استوانه ای در مقیاس نانو، نانو لوله می گویند. آن ها ممکن است یک یا چند دیواره داشته باشند که حول یک مرکز کروی واحد پیچیده شده اند. این لایه های کربن ساختار گرافیتی دارند. ابعاد هسته و دیواره هر دو باید در حد نانو باشند. آن ها در علوم الکترونیک و نوری کاربردی هستند.

نانو مواد زیستی:

این دسته از ذرات به اشکال مختلف مثل اگزوزوم ها و لیپوزوم ها وجود دارند. عمده کاربرد آ« ها در صنایع دارویی و درمان است. استفاده از پوشش های پلیمری دارویی یکی از نوین ترین راهکارها برای بهبود خواص نانومواد است.

تجربه مشتریان
TESTIMONIAL
سوالات متداول
FAQ

آیا برای خرید سوال دارید ؟
مشاوران ما در خدمت شما هستند

دیدگاه ها
COMMENTS

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.