نانو پودر ها
نانوپودر چیست؟
پودرها
ذرات ریزی هستند که از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، یا ته‌نشین شدن ذرات
جامدِ معلق در محلول‌ها به دست میآیند. بنابراین، نانوپودرها را میتوان
مجموعه‌ی از ذرات دانست که اندازه‌ی آنها کمتر از 100 نانومتر است. (اگر
یک متر را یک میلیارد قسمت کنیم، به یک نانومتر میرسیم. طبق تعریف، ساختار
نانومتری ساختاری است که اندازه‌ی آن کمتر از 100 نانومتر باشد.)
چه پودری را میتوان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار میآیند:
حالت اول: ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.
یعنی
اگر ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشکال منظم
هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین 1 تا 100 نانومتر
باشد. مهمترین اشکال هندسی، کُره و مکعب‌اند. اگر ساختار ذرات
تشکیل‌دهنده‌ی پودر را کُره فرض کنیم، باید قطر کُره کمتر از 100 نانومتر
باشد و چنانچه ساختار آنها مکعب فرض شود، میانگین اضلاع مکعب باید در
محدوده‌ی 1 تا 100 نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابیتر، میانگین اضلاع
مکعب باید در این رابطه صدق کند:
برای مثال، بلورهای نمک طعام ساختاری مکعب‌شکل دارند. (شکل شماره‌ی 1)
اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندة پودر، ابعادی میان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب میشود.
حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.
در
حالتی که اندازه‌ی ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد،
کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار
آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون
سلول‌هایی که آنها را "دانه" مینامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری
جامد نیز از سلول‌های ریزی تشکیل شده‌اند که به آنها دانه می‌گویند. درون
هر دانه، اتمها در یک جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو
دانة مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست.
در دانه‌ی 1 (شکل 3)، اتمها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی 45
درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی 2 (شکل 4) اتمها با زاویه‌ی 90
درجه و در دانه‌ی 3 (شکل 5) اتمها با زاویه‌ی 120 درجه نسبت به افق چیده
شده‌اند. وقتی این سه دانه در کنار یکدیگر قرار بگیرند، یک ذره تشکیل
میشود. (شکل 6) به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه
محلی است که جهت چیده شدن اتمها عوض میشود.
همچنین دانه‌ها را
میتوان مانند آجرهای یک دیوار فرض کرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات
بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل
تشکیل نانوپودر می‌دهند.
هر چه قطر دانه‌های یک ذره کمتر باشد
(البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود
(واضح است که هر چه آجرهای تشکیل‌دهنده‌ی یک دیوار 1 متر در 1 متر کوچکتر
باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود،
مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محکمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین
استحکام محصول بیشتر خواهد بود.
اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب میشود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.
در
این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» مینامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی
انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است.
ملموس‌ترین مثال برای کامپوزیت، کاه‌گل است. در کاه‌گل رشته‌های کاه در
زمینه‌ی گِل پراکنده شده‌اند. در نانوپودرهای کامپوزیتی نیز ذرات نانومتری
در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراکنده شده‌اند (شکل 7).
علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت
معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب میشود.
در این صورت، هنگامی که به ماده نیرو وارد میشود، زمینه نیرو را به رشته
یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌کند تا بتواند در برابر نیروی واردشده مقاومت
بیشتری داشته باشد. (شکل شماره‌ی 8)
نانو الماس، جادوی هزاره اخیر
پودر نانومتری الماس نوع جدیدی از پودرهای سنتزی نانومتری بسیار سخت (Super Hard) محسوب میشود. از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده بر روی پودر نانومتری الماس مشخص شده است که ذرات پودر نانومتری الماس به صورت یک مجموعه (Cluster) بوده و شکل ذرات نانو الماس کروی است . در واقع، یک ذره الماس از یک هسته فشرده بلورین از جنس الماس و یک لایه سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن - کربن و Heterobonds تشکیل شده است. 30 درصد نانو اتم‌های الماس روی سطح آن قرار گرفته اند و همین مسئله خواص ویژه‌ای به آن داده است
نحوه مصرف و عملکرد نانوالماس در این کاربرد به این صورت است که پودر نانو الماس، به روغن موتور افزوده میشود و سوسپانسیون پایداری ایجاد می‌کند. نانوالماس موجود در روغن بر روی سطوح در تماس با روغن، لایه‌ای تشکیل می‌دهد و دانه‌های فوق‌العاده ریز آن در خلل و فرج سطح جای می‌گیرند و سطح کاملاً صافی را تشکیل می‌دهند. همچنین نانوالماس به شکل ذرات کروی شکلی است که فوق‌العاده سخت بوده و می‌توانند در قسمت‌های تحت سایش، اصطکاک لغزشی را به غلطشی تبدیل کنند . ذرات ریز و پراکنده نانوالماس، اطراف خود گلبول‌های روغن با ابعاد حدود 6 میکرون را جمع کرده و موجب افزایش ویسکوزیته ماده روانکار شده، به صورت لایه نازکی بر سطح دارای اصطکاک می‌نشینند. این امر افزایش استحکام دینامیک لایه روانکار و کاهش چکه روغن از خلال فواصل را نیز موجب میشود. در دماهای پایین، این افزودنی از طریق کاهش دمای انجماد روغن تا 10 درجه سانتی گراد موجب کاهش ویسکوزیته روغن موتور میشود. معمولاً اثرات استفاده از این افزودنی بعد از حدود 600 تا 700 کیلومتر رانندگی کاملاً محسوس خواهد شد.
- افزایش طول عمر موتور خودرو (فاصله زمانی نیاز به تعمیرات اساسی موتور را حداقل دو برابر می‌کند
- افزایش بازده موتور خودرو
- پس از هر بار استفاده از این افزودنی تا 20 هزار کیلومتر قطعات تحت سایش در موتور محافظت می‌شوند (به عبارت دیگر اثرات مثبت این افزودنی حتی پس از تعویض روغن، تا 20 هزار کیلومتر تا حدی باقی می‌ماند
- حفاظت موتور در شرایط سخت کارکرد از قبیل فشار کاری شدید، فقدان مایع خنک‌کننده موتور و فقدان روغن موتور
- صرفه‌جویی در مصرف سوخت % 15- 5
- کاهش گشتاور اصطکاک در حد % 40- 20
- کاهش سایش سطوح تحت سایش تا حدود 1/1 الی 3 برابر
- سرعت کارکرد بالا در قسمت‌های تحت سایش
- تسهیل در روشن شدن موتور در هوای سرد
- کاهش ارتعاش و سروصدای اتومبیل حین کارکرد
- افزایش فشار روغن
ساخت نخستین نانوبلور غیر چشمک‌زن
 با توجه به بستگی بسیار زیاد خواص نانوبلورهای نیمه‌رسانا به اندازه، این مواد همواره مورد توجه دانشمندان بوده‌اند؛ مثلاً برای تغییر رنگ آبی ساطع‌شده از یک نانوبلور، تنها کافی است تا اندازه‌ی آن را تغییر داده، آن را تا چند برابر بلند‌تر رشد داد. با این حال، مشکل اساسی این نانوبلورها کم و زیاد شدن شدت تابش آنها و ایجاد نوعی حالت چشمک‌زن در نور ساطع‌شده از آنهاست که به باور دانشمندان شاید ناشی تجمع حامل‌های آزاد بار در محل نواقص بلور است؛ به‌طوری که این بارهای آزاد با جذب انرژی جفت الکترون حفرات تحریک شده، مانع از نشر نور به‌وسیله‌ی آنها می‌شوند. تادکراس و همکاران وی در دانشگاه روچستر آمریکا با یافتن روشی برای رفع این مشکل برای نخستین بار موفق به ساخت اولین نانوبلور نیمه‌رسانای غیر چشمک‌زن شدند و امیدوارند این دستاورد زمینه‌ای برای پیدایش نسل جدیدی از نانوبلورها با کاربردهای متنوع (از تصویر‌برداری‌های زیستی تا لیزرهای با آستانه‌‌ی پایین) باشد. آنها به این منظور از نانوبلورهایی استفاده کردندکه گذار در فاصله‌ی بین هسته و مواد پوسته‌ی آن برخلاف دیگر بلورها به‌آرامی صورت می‌گرفت. آنها در آزمایش خود پوسته‌ای از سلنیوم- روی را به هسته‌ی کادمیوم- سلنیوم اضافه کرده، حرارت دادند و سپس آن را به‌آرامی سرد کردند. این کار موجب می‌شد تا روی موجود در این ترکیب تدریجاً ذوب و به داخل این ساختار پراکنده شود. در مرحله‌ی بعد هم این ساختار با پوسته‌ی خالص دیگری از روی – سلنیوم پوشانده شد. در این آزمایش‌ها تادکراس و همکارانش دریافتند که تک‌نانوبلورهای CdZnSe برخلاف نانوبلورهای معمولی کادمیوم- سلنیوم/ سولفید روی (که تابشی چشمک‌زن داشت) می‌توانند بین چند میلی‌ثانیه تا ساعت‌ها درخشش نوری پیوسته‌ای داشته باشند. به باور این محققان نکته‌ی اصلی در این روش وجود گذار آرام بین هسته و پوسته در این نانوبلورهای جدید است که مانع از جذب انرژی جفت الکترون حفره‌ها به‌وسیله‌ی حامل‌های بار آزاد میشود؛ زیرا در چنین حالتی شرایط فیزیکی این جذب انرژی (عواملی از قبیل بقای انرژی و اندازه‌ی حرکت) فراهم نیست و این فرایندها آنقدر ضعیف هستند که توان چنین کاری را ندارند. منبع |
ایجاد ساختارهای مکعبی ساده از نانوذرات
| اغلب برای استفاده از ویژگی‌های منحصر به فرد
نانومواد باید نانوذرات در یک معماری خاصی آرایش یابند. برهمکنش میان نانوذرات یا
تأثیرات حاصل از گرد هم آمدن آنها در ساختارهای بزرگتر، می‌تواند به ویژگی‌های
نوری، مغناطیسی یا کاتالیستی جالب توجهی منجر شود که در نهایت دانشمندان و مهندسان
می‌توانند از این ویژگی‌ها در مواد و کاربردهای جدید بهره ببرند. در سال‌های اخیر علاقه زیادی به بلورهای کلوئیدی که نوعی آرایش تناوبی از نانوذرات هستند، جهت استفاده به عنوان بلورهای فتونیکی، الگوهایی برای بلورهای فتونیکی، حسگرها، ابزارهای اپتیکی و الکترواپتیکی، و به عنوان سیستم‌های مدل برای مطالعه فرایندهای بلوری شدن ایجاد شده است. در حال حاضر موفقیت بسیاری از این کاربردهای بالقوه محدود به توانایی دانشمندان در کنترل ساختار این بلورهای کلوئیدی می‌باشد. به طور معمول تبلور کلوئیدهای یکپارچه منجر به ایجاد ساختارهای مکعبی وجوه مرکزپُر یا شش‌وجهی‌های فشرده می‌گردد. چند ساختار بلوری کلوئیدی دیگر نیز اخیراً گزارش شده‌اند، اما آنها یا نیاز به تعادل دقیق برهمکنش‌های الکتروستاتیک بین ذرات کلوئید داشته و یا اینکه مبتنی بر هدایت نانوذرات روی الگوهای لیتوگرافی می‌باشند که سپس هندسه چند لایه در یک فیلم نازک را دیکته می‌کنند. تحقیق جدیدی که به تازگی انجام شده است منجر به راهکار کاملاً متفاوتی برای بلوری کردن کلوئیدها شده است که در نتیجه آن بلورهای کلوئیدی مکعبی حاصل می‌شوند که در آن سلول‌های واحد در هر سه بعد گسترش یافته‌اند. ساختار مکعبی ساده حتی در ساختارهای اتمی نیز به ندرت دیده میشود. در این راهکار جدید، بلورهای مکعبی ساده از یک فرایند ترکیبی متشکل از جداشدن (disassemble) و خودآرایی ساختار هدایت شده توسط یک بستر در یک واکنش تک‌مرحله‌ای ایجاد می‌شوند. شکل مکعب ساده‌ترین و معمول‌ترین شکل در بلورها می‌باشد. دانشمندان سه حالت برای شکل مکعبی تعریف کرده‌اند: مکعبی ساده، مکعبی مرکزپُر( BCC ، و مکعبی وجوه مرکزپُر( FCC . دکتر آندریاس استین استاد شیمی دانشگاه مینسوتا و یکی از محققان این پژوهش می‌گوید: «راهکار ما برای ایجاد ساختارهای متناوب از نانوذرات هم‌شکل مبتنی بر مفهوم جدیدی از ترکیب سنتزهای جداکردن (بالا به پایین) و خودآرائی (پایین به بالا) می‌باشد. در بلورهای کلوئیدی که مجدداً آرایش یافته‌اند، سیستم مکعبی ساده (که حتی در ساختارهای اتمی نیز به ندرت دیده میشود) در سه بعد گسترش می‌یابد». وی اضافه می‌کند: «زمانی که ما سنتز نانوذرات شکل‌یافته را با دیگر ترکیبات بررسی می‌کردیم، مکانیسم خودآرائی جدیدی کشف کردیم. زمانی که سنتز جداکردنی برای ترکیبی از اکسید تیتانیوم-اکسید فسفر اجرا شد، نانومکعب‌هایی تشکیل شده و در نهایت شگفتی، این مکعب‌ها به یک آرایه منظم با تقارن مکعبی ساده خودآرایی کردند». سایت نانو |
فیزیک حالت جامد
فیزیک حالت جامد جزو پرکاربردترین گرایشهای فیزیک به حساب می آید و در آن گستره وسیعی از مفاهیم فیزیک جاگرفته است مانند مکانیک اماری و مکانیک کوانتوم.در حقیقت فیزیک حالت جامد به خواص بنیادین مواد و رفتار آنها در شرایط گوناگون می پردازد. این گرایش مواد را از پایه مورد بررسی قرار می دهد. ما این گرایش را از طرز قرار اتمها در کنار یکدیگر و روابطی که از یک سری فرضهای منطقی بدست می آید تا تشکیل یک بلور، شروع می کنیم.بنابراین بلور شناسی از ارکان اصلی این گرایش به حساب می آید. کاربردهای این گرایش نیز فراوان است مانند ساخت انواع قطعات نیمه رسانا و لایه های نازک که اساس آنها در فیزیک حالت جامد بیان می شود.