معرفی نانو مواد
در منابع برای نانومواد تعاریف متفاوتی ارائه شده اما دو مشخصه در اغلب این تعاریف می گنجد. اول اینکه مواد نانوساختار یا به اصطلاح نانومواد، حداقل در یک بعد اندازه کمتر از 100 نانومتر دارند. یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر (9-10متر) می باشد، این اندازه 18000 بار کوچکتر از قطر یک تار موی انسان است .
شکل1-درک ابعاد نانو از طریق مقایسه ابعاد بعضی اشیاء و موجودات
در وهله دوم نانوساختارها باید خواص مرتبط با اندازه و متفاوت از حالت معمول یا اصطلاحاً حالت بالک داشته باشند. یعنی با تغییر اندازه به ابعاد نانو تغییر خواص مواد را شاهد باشیم. عموماً خواص جدید حاصل از یک یا چند پدیده زیر می باشد.
الف) ازدیاد سطح:
در هر فرایند شیمیایی یکی از واکنش دهندها در آن جامد باشد سطح اهمیت پیدا می کند. زیرا از دیدگاه سینیتیک واکنش، ابتدا باید اتمهای سطح واکنش داده تا بقیه اتمها در معرض واکنش دهنده قرار گرفته و واکنش ادامه پیدا کند. برای روشن شدن مطلب به مقایسه واکنش زنگ زدن یا خوردگی آهن آلومینیم می پردازیم. در فلز آهن پس از اینکه سطح آن زنگ می زند اکسید آهن متخلخل ایجاد می شود. آب و اکسیژن می توانند به داخل این لایه متخلخل نفوذ کرده و با آهن واکنش داده مجدداً اکسید آهن تشکیل می شود و تکرار این فرایند باعث می شود تمامی آهن به اکسید آهن مبدل شود. اما اکسید آلومینیم روی سطح را طوری می پوشاند که به اکسیژن اجازه ورود نداده و باعث توقف خوردگی می شود.
پس از ذکر اهمیت سطح به چگونگی ازدیاد آن در مقیاس نانو می پردازیم. از شکل زیر به سادگی می توان دریافت با کوچک شدن اجزا، سطح و نسبت سطح به حجم افزایش می یابد. در مثال ساده زیر با تقسیم مکعب اولیه به 8 قسمت سطوح آن 2 برابر می شود. اما این افزایش سطح یا نسبت سطح به حجم چه تاثیری دارد؟
شکل2-اثر ریز شدن مواد در افزایش سطح آنها
بطور کلی خواص سطح از درون ماده متفاوت است و این پدیده باعث پیدایش علومی چون فیزیک، شیمی و مهندسی سطح گریده. اما به بیان ساده اتمها و مولکولهایی که در مجاورت سطح ماده قرار می گیرند نسبت به اتمهای درون ماده پیوندهای کمتری داشته و به تعبیر ترمودینامیکی ناپایدارتر هستند این ناپایداری که موجب افزایش انرژی ماده می شود و انرژی یا کشش سطحی نامیده می شود. بعلاوه تراز های انرژی در سطح بصورت مجزا هستند درحالیکه درون ماده این ترازها به هم فشرده و ساختار نواری انرژی ایجاد می کنند. از نقطه نظر آماری، در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش یافته بنابراین خواص میانگین از سطح پیروی می کنند و خواص جدیدی بارز می شوند.
شکل3-تفاوت انرژی اتمهای سطح با استفاده از طیف سنجی دامنه نوسان
ب) کوانتیزه شدن ترازهای انرژی:
به تبدیل مقادیر پیوسته به یکسری حالات گسسته کوانتیزه شدن گفته می شود. به تعبیر ساده دریک جامد بالک، ترازهای انرژی در هم فشرده و به صورت یک نوار در می آیند (شکل زیر). از دیدگاه عملی یک الکترون می تواند انرژیهای متفاوتی دریافت و به تراز انرژی بالاتر برود. اما در یک نانوساختار الکترون باید دقیقاً مقدار مشخصی انرژی دریافت کند تا به تراز بالاتر صعود کند.
شکل4-تغییر ترازهای انرژی به نوار های انرژی از اتم منفرد تا حالت بالک
شکل زیر نانوذرات طلا را نمایش می دهد که بصورت کلوئیدی در اندازه متفاوت رنگهای متفاوتی ایجاد می کنند.
شکل5-ذرات کلوئیدی طلا با اندازه های متفاوت که تغییر اندازه ذرات تغییر رنگ محلول را به دنبال دارد.
مثال عملی دیگری که از پدیده وجود دارد کرمهای ضد آفتاب است. این کرمها حاوی ذرات TiO2 و ZnO هستند و امواج فرا بنفش را جذب می کنند اما به دلیل بزرگ بودن اندازه ذرات (میکرومتر) نور مرئی را جذب و به همان شکل بازتاب می دهند که باعث می شود سفید رنگ به نظر برسند. رنگی که ما از اجسام می بینیم در حقیقت طول موجی است که جسم قادر به جذب آن نیست یعنی یک جسم قرمز رنگ تمام طول موجهای نور مرئی را جذب اما نور قرمز را بازتابش می کند. با کوچکتر شدن اندازه ذرات در حدود نانومتر تنها امواج فرابنفش جذب شده و نور مرئی از آنها عبور می کند لذا کرم حاوی نانو ذرات بی رنگ به نظر می رسد.
پ) اهمیت یافتن نیروهای واندروالس:
نیروهای واندروالس در اثر دوقطبی های لحظه ای درشت مولکولها پدید آمده و به دلیلی ضعیف بودن این نیرو غالباً از آن چشمپوشی می شود. اما چندی پیش دانشمندان دریافتند تقریباً روی همه چیز در کره زمین با آب پوشانده شده این امر را مرتبط با نیروی واندر والس دانستند. از دیدگاه نانو لایه آب به قدری نازک است که می تواند حتی روی سطوح قائم قرار بگیرد بدون اینکه نیروی وزن آنرا سرازیر کند. مورد جالب دیگر تحقیقاتی بروی مارمولک بود که با عنوان نانو مکانیک عرضه شد. دانشمندان دریافتند زیر پاهای مامولک با نانو الیافی پوشانده شده که در نوک این نانو الیاف یک پرچم قرار دارد (شکل زیر). این پرچمها در حقیقت یک لایه با ضخامت نانومتری بوده و زمانی که این پرچمها کاملاً روی سطح پخش می شوند (درست مثل مولکول های آب) می توانند وزن مارمولک را تحمل کنند و این حیوان قادر است حتی روی شیشه های صیقلی در حالت قائم راه برود. نتایج این تحقیقات به ساخت نوعی چسب منتهی شد که 200 بار از نوع غیر نانویی آن قویتر است.
شکل6-نانو الیاف دست پای مارمولک به آن ایجازه می دهد تا روی سطوح عمودی بایستد.
بنابراین گستره نانومواد تمام مواد شناخته شده حال حاضر را با دو شرط مذکور یعنی اندازه و خواص جدید شامل می شود.
تقسیم بندی نانومواد
باتوجه به هندسه نانومواد همچنین محدودیت کوانتمی (Quantom confinment) دسته بندی ذیل برای نانومواد ارائه می شود.
1- صفر بعدی مثل فولرین، نانوذرات و کلاسترهای اتمی
شکل7-(راست) نانو ذرات نانوذرات اکسید آهن و (چپ) شمای فولرین (C60)
2-تک بعدی مانند نانو تیوب، نانو وایر و نانو بند
شکل8-(راست) نانو وایر اکسید روی (چپ) دسته ناتیوب کربن
3- دو بعدی همچون گرافن، پوشش و لایه نازک
شکل9-(راست) نانو فیلم آرسناید بروی کوارتز (چپ) نانو فیلم YBCO
4- سه بعدی نظیر نانوکامپوزیت، نانو غشا و مواد نانوکریستالین
شکل10-(راست) آلومینیم نانوکریستالین (چپ) نانو غشای اکسید تیتانیوم
در تقسیم بندی هندسی ابعادی که بیش 100 نانومتر دارند مدنظر است. لذا نانوذرات صفر بعدی، نانو سیم ها یک بعدی و به همین ترتیب ساختارهای ماکرو حاوی نانوساختارها سه بعدی هستند. اما تقسیم بندی هندسی گویای خواص متمایز این ساختارها نیست لذا برای شرح تفاوتهای این ساختارها به محدودیت کوانتمی اشاره می کنیم.
محدودیت کوانتمی
محدودیت کوانتمی یعنی بعد نانوساختار کوچکتر از حد فاصل اکسایتون (فاصله الکترون- حفره) شعاع بور باشد. بیان ساده تری هم برای محدودیت کوانتمی وجود دارد. با مساوی قراردادن دو رابطه انرژی جنبشی می توان برای یک دمای مشخص تکانه را بدست آورد.
E=(3/2) kT=P^2/2m
در تساوی بالا P تکانه، m جرم الکترون (حفره)، k ثابت بولتزمن و T دمای مطلق هستند. با قرار دادن تکانه در رابطه دوبروی طول موج الکترون بدست می آید.
λ=h/P
که در رابطه بالا λ طول موج و h ثابت پلانک است. مثلاً در دمای 300 کلوین طول موج الکترون آزاد حدود 6 نانومتر خواهد بود. این یعنی اگر بعد نانوساختار کمتر از این مقدار باشد، بسته موج فرمیون (الکترون یا حفره) در فضای کوچکتری فشرده و در نتیجه فرمیون در تراز انرژی بالاتری نسبت به حالت بالک قرار می گیرد.
اما محدودیت کوانتمی یا همان شعاع بور بسته به جنس ماده (جرم موثر الکترون) از چند نانومتر تا چند مایکرومتر تغییر می کند، لذا بعضی اوقات شرط اولیه ذکر شده برای نانوساختار را ارضا نمی کند. گاهی هم دانشمندان فیزیک حالت جامد، نانوساختار را کوچکتر از شعاع بور می دانند و 100 نانومتر را نمی پذیرند.
بررسی چگالی حالات (DOS) نانوساختارها
بطور خلاصه در مکانیک کوانتم تمامی امواج یا ذراتی که رفتار موجی دارند ممکن نیست و این امر توسط فاصله بین اتمی و بار اتمها محدود می شود. مثلاً یک ماده خاص تنها اجازه می دهد الکترون با طول موج معینی حضور داشته باشد و یا در ماده ای دیگر اشاعه موج تنها در یک جهت امکان پذیر است و سایر جهات محدود می باشد. برای روشن شدن مطلب به مسئله ذره در جعبه باز می گردیم. در شکل ساده زیر موج یا ذره شبه موج قرمز رنگ امکان حضور ندارد زیرا تنها امواجی مجاز هستند که در رابطه l=nλ/2 صادق باشند، که در آن n عددی طبیعی است.
شکل11-شمای ذره در جعبه یک بعدی
در یک بردار موج یا انرژی خاص، به تعداد حالاتی که الکترون قادر است در آن جای بگیرد چگالی حالات گفته می شود. چگالی حالات بیشتر نشان می دهد حالات بیشتری وجود دارد که الکترون قادر است در آن جای بگیرد. چگالی حالات بر حسب انرژی به شکل زیر تعریف می شود.
D(E)=(dN(E))/dE
که در آن N(E) تعداد حالاتی است در حجم معین کره فرمی به شعاع k_f (بردار موج) قرار می گیرند.
