تکنولوژی نانو پودر طلا و نقره
نگاه به فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی از دید نانومتری یعنی در ابعاد اتمی اطلاعاتی به دست میدهد که بسیار راحتتر میتوان مسیر حرکتی آن را مشخص و خواستهها و نظرهای شخصی را در آن اعمال کرد. آنچه که امروز تحت عنوان نانوتکنولوژی مطرح است آشنا شدن و کنترل کردن بسیاری از پدیدهها در ابعاد اتمی و آنگسترومی است.
پیشرفتهای اخیر در ساخت کربن تیوب، موتورهای بیومولکولی، سنسورهای با ابعاد باکتری، فیلترهای میکرونی و دیگر موارد موجبات تغییر و تحول در علوم مختلف از جمله کامپیوتر، الکترونیک، هوافضا، بیوشیمی، محیطزیست، شیمی و دیگر علوم را فراهم آورده است. در این زمینه، علم شیمی نیز بیبهره نبوده و با حضور روشهای میکروسکوپی و الکترودهایی با ابعاد نانومتر امکان بررسی ساختار و شناسایی بسیاری از سطوح فلزی و غیرفلزی میسر شده است.
دنباله در ادامه مطلب...
اولین اثر کاهش اندازه ذرات افزایش سطح است، افزایش نسبت سطح به حجم نانو ذرات موجب میشود که اتمهای واقع در سطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتمهای درون حجم ذرات بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنشپذیری نانو ذرات را بهشدت افزایش میدهد بهگونهای که ذرات بهشدت تمایل به آگلومره یا کلوخهای شدن داشته باشند.
به عنوان مثال در مورد نانو ذرات فلزی به محض قرارگیری در هوا به سرعت اکسید میشوند. البته این خاصیت مزایایی هم دربر دارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت میتوان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیتها با استفاده از این ذرات پیوندهای شیمیایی مستحکمتری بین ماده زمینه و ذرات برقرار کرد.
علاوه بر این افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتمهای ذرات میشود. فاصله بین اتمهای ذرات با کاهش اندازه آنها کاهش مییابد. البته این امر بیشتر برای نانو ذرات فلزی صادق است. در مورد نیمه هادیها و اکسیدهای فلزی مشاهده شده است که با کاهش قطر نانو ذرات فاصله بین اتمهای آنها افزایش مییابد.
اگر اندازه دانه باز هم بیشتر کاهش یابد تغییرات شدید دیگری نیز رخ میدهد. از جمله این تغییرات آن است که اتمها میتوانند خودشان را در هندسههایی که در جامدات تودهای غیرممکن است، آرایش دهند.
نانو مواد
نانو مواد به دو دسته کلی تقسیم میشوند: نانو ذرات و مواد نانو ساختار (یا مواد نانوکریستال) و مواد نانو ساختار به نانوسیمها و نانو لولهها، نانو لایهها طبقهبندی میشوند.
تغییر در فاصله بین اتمهای ذرات و نسبت سطح به حجم زیاد در نانو ذرات تاثیر متقابلی در خواص ماده دارد.برای مثال ترکیبات کاربیدی و نیتریدی پراکنده شده در یک ماتریس آمورف سختیهای قابل مقایسه و یا بالاتر از الماس در مورد آنها گزارش شده است.
این تغییر در فاصله بین اتمهای انرژی آزاد سطح پتانسیل شیمیایی را نیز تغییر میدهد.
این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تاثیرگذار است.
ملاحظه میشود که نقطه ذوب با کاهش اندازه ذرات کاهش مییابد و نرخ کاهش ذوب در اندازه خیلی کوچک بسیار شدید است.
روشهای تولید نانو مواد
اصلیترین روشهای ساخت مواد نانو را میتوان در دو روش کلی 1. روش بالا به پایین و 2. روش پایین به بالا خلاصه کرد.
1. روش بالا به پایین: در این روش با استفاده از یک سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم کوچک میشود تا به اندازههای نانومتری برسد.
2. روش پایین به بالا: این روش درست در جهت مخالف روش بالا به پایین است. در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوکهای سازنده مانند اتمها و مولکولها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی، تولید میشوند. خودآرایی عبارت است از طراحی مولکولها و ابرمولکولهایی که اساس تشکیل آنها مکمل بودن شکل ساختاری است.
باید توجه داشت که اتمها و مولکولها همیشه در جایی که مورد نظر ماست قرار نخواهند گرفت و عاملی که محل قرارگیری آنها را تعیین میکند انرژی آنها است. به این صورت که مولکولها در جایی قرار خواهند گرفت که کمترین انرژی آزاد را داشته باشند و به سمت انرژی آزاد ( ) منفی تمایل دارند. انرژی آزاد در یک سیستم بهوسیله استحکام پیوند و انتروپی تعیین میشود.
روشهای تولید انبوه که در تولید مواد نانو متری به کار میروند عبارتند از:
1. روش مکانیکی
2. روش سل ـ ژل
3. واکنش حالتهای جامد ـ مایع
4. چگالش فاز گازی
1. روش مکانیکی
این روش یک نمونه از روشهای بالا به پایین است و براساس متلاشی شدن ساختار دانههای درشت استوار است.
تکنیک آلیاژسازی مکانیکی روشی است که در آن با استفاده از یک آسیاب ساچمهای انرژی بالا مخلوط پودرهای مختلف را در سطح اتمی با یکدیگر آسیاب و ترکیب میکنند. با استفاده از این تکنیک علاوه بر پودرهای عنصری خالص از پودرهای آلیاژی و سرامیکها، نظیر اکسیدها، نیتریدها و غیره برای ایجاد آلیاژها و کامپوزیتها استفاده میشود. مکانیزمی که در حقیقت بهکار میرود، مکانیزم سایش مکانیکی همراه با خرد شدن است.
شکست دانهها در حقیقت به علت انرژی است که به آنها انتقال داده میشود، که این انرژی به سرعت دورانی (یا ارتعاشی)، محفظه، اندازه و تعداد توپها نسبت جرم توپ به ذرات، مدت سایش در حین فرآیند سایش بستگی دارد.
معایب این روش نیز به شرح زیر است:
آلودگی و ناخالصی ناشی از ماده ساینده.
ایجاد ساختار خشن در پودرهای تولیدی.
عدم یکنواختی در اندازه دانهها.
ترکیب شیمیایی غیر یکنواخت.
2. سل ـ ژل
سل ژل عبارتست از یک فرآیند خودآرایی خود بههم پیوستگی یا خود انباشتگی که در طی آن نانو مواد تشکیل میشوند.
کلوئیدی که در یک مایع معلق شده است سل نامیده میشود. سوسپانسیونی که شکل خودش را حفظ میکند ژل نامیده شود. در نتیجه سل ـ ژلها سوسپانسیونهایی از کلوئیدها در مایعات هستند که شکل را نگه میدارند. فرآیند سل ـ ژل همانطوری که از نامش پیداست مستلزم تکمیل تدریجی شبکهها از طریق تشکیل یک سوسپانسون کلوئیدی (سل) و ژلهای شدن سل ـ برای تشکیل شبکهای در یک فاز مایع پیوسته (ژل) است. پیش مادههای لازم برای سنتز این کلوئیدها عموما شامل یونهایی از یک فلز است اما گاهی اوقات سایر عناصر از طریق گونههای فعالی که لیگاندها نامیده میشوند احاطه شدهاند. الکوکسیدها و الکوکسیلانها بیشتر متداول هستند به دلیل این که سریعا با آب وارد واکنش میشوند. تشکیل سل ـ ژل در چهار مرحله بهوقوع میپیوندد:
1. هیدرولیز
2. تراکم و پلیمری شدن منومرها برای تشکیل ذرات
3. رشد ذرات
4. بههم چسبیدن ذرات و تودهای شدن آنها از طریق تشکیل شبکههایی که در سراسر محیط مایع گسترش یافتهاند سبب زخیم شدن آنها میشود که تشکیل یک ژل میدهد.
3. واکنش حالتهای جامد ـ مایع
این روش از برگرفتن رسوب دانهها از فاز محلول استفاده میشود و فرآیند آن بر پایه وجود هسته مورد نظر استوار است. برای مثال پودر دی اکسید تیتانیم با اندازههای بین 70 تا 300 نانومتر با استفاده از این روش، از تیتانیوم تترا ایزو پروپوکساید تولید میشود.
4. چگالش فاز گازی
این روش بهطور کلی بر مبنای پیرولیز ماده اصلی تولید نانو ذرات استوار است و فرآیند آن بدینگونه است که یک گاز حامل بیاثر و خالص وارد محفظه حاوی مایع اصلی تولید نانو ذرات میشود. مایع در این محفظه توسط یک مشعل تجزیه شده و بهوسیله گاز حامل به مبرد فرستاده میشود. بخارات در مبرد سرد شده و به صورت دانه یا خوشه در میآید اندازه دانههای تولید شده در این روش به عوامل زیر بستگی دارد:
نوع گاز بیاثر بهکار برده شده.
فشار گاز بیاثر.
زمان باقی ماندن ذرات در محدوده رشد.
نسبت نرخ تبخیر به فشار بخار ماده تبخیر شده.
مزایا:
کنترل بهینه بر روی اندازه دانهها.
خلوص محصولات تولیدی در سیستمهای تولید خلاء بالا.
معایب:
بالا بودن قیمت تجهیزات و عدم امکان تولید در ابعاد صنعتی