برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۹/۰۱ تا ۱۳۹۹/۰۹/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵۰,۸۱۸
  • بازدید این ماه ۵۳۱
  • بازدید امروز ۲۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱,۴۹۰
  • قبول شدگان ۱,۲۷۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۱۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

امتیاز کاربران

دلایل تغییر خواص در ابعاد نانو

دو عامل اصلی باعث شده است که مواد نانوساختار رفتاری متفاوت از مواد در ابعاد معمولی از خود بروز دهند: اثرات سطحی و اثرات کوانتومی. این دو عامل واکنش‌پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و ... و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها را تحت تأثیر خود قرار می‌دهند که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

1. اثرات سطحی
شکل 1 را در نظر بگیرید. در ابتدا، مکعب اول به 8 قسمت مساوی تقسیم می‌شود. اگر این 8 مکعب را روی یکدیگر قرار دهیم همان مکعب اولیه با همان حجم حاصل می‌شود اما تفاوت آن با حالت اول، مساحت آن است. با تقسیم مکعب به 8 قسمت، یک سری سطوح جدید ایجاد شده‌اند که در ابتدا وجود نداشتند. در مرحله دوم هر کدام از 8 مکعب به دست آمده به 8 قسمت دیگر تقسیم می‌شوند. مجدداً اگر 64 مکعب به دست آمده را روی هم قرار دهیم همان حجم مکعب ابتدایی حاصل می‌شود اما مساحت افزایش زیادی پیدا کرده است.
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. با ریز شدن، مساحت افزایش پیدا می‌کند.

یک کره را در نظر بگیرید. نسبت مساحت به حجم کره عبارتست از:
A/V=(4πr2)/(4⁄3 πr3 )=3/r                            (1

همان طور که از رابطه بالا مشخص است، با ریز‌شدن ابعاد کره (کم‌شدن شعاع آن)، نسبت مساحت به حجم آن افزایش می‌یابد. هر چه ریزشدن بیشتر باشد، این نسبت افزایش بیشتری می‌یابد. با افزایش سطح تعداد اتم‌هایی که روی سطح قرار می‌گیرند، بیشتر می‌شود. در علم فیزیک و شیمی بین اتم‌هایی که روی سطح یک جسم هستند و اتم‌هایی که در داخل آن هستند، تفاوت وجود دارد. اتم‌هایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم‌های اطراف آن‌ها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتم‌هایی که روی سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم‌های کمتری در ارتباط هستند، ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند. بنابراین واکنش‌پذیری آن‌ها نسبت به اتم‌های داخل ماده بیشتر است که در شکل 2 هم نشان داده شده است.
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. تفاوت اتم‌های روی سطح و داخل ماده

با ریز‌شدن ابعاد ماده و رسیدن به ابعاد نانو، سطح ماده و به تبع آن اتم‌های روی سطح ماده نیز بسیار زیاد افزایش می‌یابد (شکل 1) و در نتیجه ماده به شدت ناپایدار می‌شود. همان‌طور که می‌دانید در طبیعت تمام موجودات به سمتی می‌روند که پایدار باشند و سطح انرژی کمتری داشته باشند. ماده‌ای که به ابعاد نانو رسیده، به دلیل ناپایداری بسیار زیاد تمایل دارد با روش‌های مختلف به سمت پایداری برود که این پایدار‌شدن منجر به تغییر خواص می‌شود. یکی از این روش‌ها تغییر آرایش اتم‌ها است. همان طور که قبلاً هم توضیح داده شده بود، با تغییر اندک چیدمان اتم‌ها (تغییر در طول پیوند یا زاویه پیوند)، خواص مواد نیز متفاوت می‌شود. در ادامه برای درک بیشتر، مثال‌هایی زده شده که به کمک روابط می‌توان افزایش تعداد اتم‌های روی سطح را محاسبه کرد.
همان‌طور که گفته شد، بسیاری از خواص مواد در مقیاس نانو متفاوت است. برای نمونه، در مورد نانوذرات آرسنید گالیم (GaAs)، اگر سلول واحد، ساختار مکعبی سطوح مرکزدار داشته باشد و نانوذرات شامل n3 تا از این سلول‌های واحد باشند، می‌توان نشان داد که شمار اتم‌های واقع بر سطح NS و شمار کل اتم‌ها NT به صورت روابط زیر با هم در ارتباط هستند:
NS=12n2                                     (2
NT=8n3+ 6n2+3n                         (3
d=na=0.565n                               (4

که در آن 0.565 a= نانومتر، ثابت شبکه GaAs است.
مقدار d، NS، NT و Ns/NT به ازای مقادیر مختلف n در جدول 1 نشان داده شده است. با افزایش n در حقیقت ذرات در حال بزرگ‌ شدن هستند. درصد زیاد اتم‌های واقع بر سطح به ازای مقادیر کوچک n یکی از فاکتورهای اصلی در تفاوت خواص نانوساختارها با مواد در ابعاد معمولی است. در مورد نانوذرات کروی همچون ذرات طلا، حالتی مشابه با نانوذرات GaAs مشاهده می‌شود. اگر سطح نانوذرات به وسیله مواد مشخص محافظت نشود، به دلیل سطح انرژی بالا و پیوندهای ناقص، بلافاصله نانوذرات به یکدیگر می‌چسبند که منجر به کاهش انرژی سطحی و در نتیجه کلوخه‌شدن (Agglomeration) و خارج‌شدن آن‌ها از ابعاد نانو (بزرگ‌تر‌شدن ابعاد آن‌ها) می‌شود. به هم چسبیدن نانوذرات و خارج‌شدن آن‌ها از ابعاد نانو یکی از بزرگ‌ترین مشکلات در فناوری نانو است. مواد که از به هم چسبیدن نانوذرات جلوگیری می‌کنند، به صورت یک پوشش روی آن‌ها قرار می‌گیرند. این مواد می‌توانند مولکول‌های آلی، پلیمرها یا مولکول‌های زیستی باشند و از طریق سازوکارهای مختلف مانند بار الکتریکی و ممانعت فضایی از به هم چسبیدن بیشتر نانوذرات جلوگیری می‌کنند.
جدول 1. تعداد اتم‌های واقع بر سطح NS و درصد اتم‌های واقع بر سطح نانوذرات GaAs با اندازه مختلف
filereader.php?p1=main_49b5926251bfc0e51

علت برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو را می‌توان با افزایش سطح نسبت به حجم، توجیه کرد. یکی از این پدیده‌ها کاهش دمای ذوب با کاهش ابعاد است. همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده است، دمای نقطه ذوب نانوذرات 3 نانومتر طلا بیش از 300 درجه پایین‌تر از دمای نقطه ذوب طلا در ابعاد معمولی است. همان‌طور که می‌دانید، در دمای ذوب مقدار انرژی گرمایی لازم برای ماده فراهم می‌شود تا کل پیوند بین اتم‌ها در حالت جامد شکسته شود و ماده تبدیل به مایع شود. وقتی ابعاد ماده ریز می‌شود و به ابعاد نانو می‌رسد، به دلیل افزایش سطح و اتم‌های روی سطح، تعداد پیوندهای شکسته شده افزایش می‌یابد. بنابراین برای شکست تمام پیوندها و تبدیل ماده از جامد به مایع انرژی کمتری نیاز است که منجر به کاهش دمای ذوب می‌شود.
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. نمودار بستگی مساحت سطح و نقطه ذوب به قطر ذره در مولکول طلا

کوانتوم (Quantum) در لغت به معنی گسسته است. در فیزیک کمیت‌ها به دو دسته پیوسته و گسسته (کوانتومی) تقسیم می‌شوند. کمیات پیوسته هر مقدار عددی را می‌توانند داشته باشند، مانند قد و وزن افراد اما کمیت‌های گسسته تنها مقادیر خاصی را می‌توانند داشته باشند، مانند تعداد افراد یک کلاس. از کمیت‌های فیزیکی پیوسته می‌توان به سرعت، انرژی جنبشی، نیرو، اصطکاک و ... و از کمیت‌های فیزیکی گسسته می‌توان به بار الکتریکی که مضرب صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون است (q=±ne)، اشاره کرد.
هر ماده‌ای که اطراف ما وجود دارد یک ساختار انرژی منحصر به فرد دارد و ساختار انرژی مواد مختلف با یکدیگر متفاوت است. ساختار انرژی اتم‌ها متشکل از ترازهای انرژی بوده اما ساختار انرژی مواد ماکروسکوپی و معمولی به صورت نوار انرژی است که در شکل 4 نشان داده شده است. در اتم‌های مختلف فاصله بین ترازها با یکدیگر متفاوت است و در مواد معمولی، پهنای باندهای انرژی و پهنای منطقه ممنوعه (گاف انرژی) با یکدیگر متفاوت است.
filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. ساختار انرژی اتم‌ها و مواد معمولی

بسیاری از خواص مواد تابع ساختار انرژی آن است و با تغییر ساختار انرژی، خواص نیز تغییر می‌کند. برای مثال برای ساخت دیودها معمولاً در مواد نیمه‌رسانای معمولی، اتم‌های ناخالصی وارد می‌کنند. ورود اتم‌های ناخالصی به ساختار باعث تغییر ساختار انرژی و کم‌شدن گاف انرژی می‌شود که تغییرات خواص الکتریکی را به همراه دارد.
در فیزیکی که در ابعاد معمولی وجود دارد و به عنوان فیزیک کلاسیک معروف است (همین فیزیکی که در دبیرستان می‌خوانیم)، انرژی و اکثر کمیت‌ها، مقادیری پیوسته بوده و هر مقداری می‌توانند داشته باشند، برای مثال انرژی جنبشی یک انسان در حال حرکت می‌تواند 1، 1.5، 2.7 و یا هر مقدار دیگری ژول باشد. حال فرض کنید، می‌خواهیم یک ماده معمولی با ابعاد مشخص را ریز کنیم و به ابعاد نانو برسانیم. هنگامی که یک ماده ریز می‌شود، در واقع اتم‌های آن کاهش می‌یابد. اتمی که از ماده جدا می‌شود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا می‌شود. زیر یک ابعاد مشخص (معمولاً زیر 100 نانومتر) تعداد اتم‌ها و ترازهای انرژی به قدری کم می‌شود که دوباره نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی می‌شود. پس با ریز‌ شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، دومین اتفاقی که می‌افتد، گسستگی نوارهای انرژی و تبدیل به تراز انرژی است. حال دیگر کمیتی مانند انرژی یک الکترون هر مقداری نمی‌تواند داشته باشد و باید انرژی آن به اندازه ترازهای انرژی باشد. از این‌رو به فیزیکی که در این ابعاد (ابعاد نانو) و ابعاد زیر آن یعنی ابعاد مولکولی و اتمی صادق است، فیزیک کوانتوم و یا فیزیک گسستگی می‌گویند. در شکل 5 نحوه تبدیل نوار به تراز نشان داده شده است.
filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. الف) ساختار انرژی یک ماده معمولی به شکل نوار انرژی، ب) ساختار انرژی نانوذرات بزرگ (شامل 100 اتم)، ج) ساختار انرژی نانوذرات کوچک (شامل 3 اتم)

برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو مانند افزایش قدرت جذب امواج الکترومغناطیس یا تغییر رنگ، با گسسته‌شدن ترازهای انرژی توجیه می‌شود.
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. الف) تصویر TEM نانوذرات کادمیم سلنید ب) نانوذرات کادمیم سلنید در محلول تحت نور فرابنفش

در بعضی مدل‌ها، به دلیل گسسته‌بودن ترازهای انرژی نانوذرات مانند اتم‌ها، به نانوذرات اتم‌های مصنوعی یا ابر اتم نیز گفته می‌شود. بر اساس این مدل‌ها و بر خلاف آن چیزی که به نظر می‌رسد، واکنش‌پذیری نانوذرات به اندازه آن‌ها ارتباط ندارد. به دلیل اینکه با کاهش اندازه مواد، سطح آن‌ها بیشتر می‌شود و با افزایش سطح هم، پیوندهای شکسته شده افزایش می‌یابد، بنابراین به نظر می‌رسد واکنش‌پذیری متناسب با اندازه باشد. در حالی که واکنش‌پذیری به تعداد الکترون‌ها وابسته است. نانوذرات نیز مانند اتم‌ها رفتار می‌کنند، یعنی اگر تراز انرژی آخر خالی باشد، واکنش‌پذیری افزایش می‌یابد.
 

منابـــع و مراجــــع

کتاب آشنایی با علوم و فناوری نانو 1 - فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی، سید معصومه قاسمی‌نژاد لیچانی- انتشارات کوچک آموز

نظرات و سوالات

نظرات

10 -6

حمید شیبانی - ‏۱۳۹۷/۰۵/۰۸

مفید و عالی.تشکر

8 -2

مهدی کریمی - ‏۱۳۹۷/۰۴/۲۵

خیلی خوب بود.

21 -3

پژمان امین لو - ‏۱۳۹۶/۱۱/۱۳

سپاس بابت متن مفید شما .

22 -3

هانیه افتاده جوزان - ‏۱۳۹۶/۰۲/۰۶

رسانایی با تغییر اندازه چطور تغییر می کند؟؟

پاسخ مسئول سایت :
با سلام
هنگامی که یک ماده ریز می‌شود، در واقع اتم‌های آن کاهش می‌یابد. اتمی که از ماده جدا می‌شود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا می‌شود. زیر یک ابعاد مشخص (معمولا زیر 100 نانومتر) تعداد اتم‌ها و ترازهای انرژی به قدری کم می‌شود که دوباره نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی می‌شود. پس با ریز‌شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، دومین اتفاقی که می‌افتد، گسستگی نوارهای انرژی و تبدیل به تراز انرژی است. حال دیگر کمیتی مانند انرژی یک الکترون هر مقداری نمی‌تواند داشته باشد و باید انرژی آن به اندازه ترازهای انرژی باشد.
این موضوع سبب می شود رسانایی این مواد در مقیاس نانو تحت الشعاع قرار گرفته و معمولا گپ انرژی ایجاد شده باعث کاهش رسانایی می شود. البته تغییر رسانایی باید در کنار نوع ماده و سایر حالات ایجاد شده با کاهش اندازه سنجیده شود.
موفق باشید.
31 -2

صبا احمد - ‏۱۳۹۵/۱۰/۲۳

با تشکر از متن خوب شما لازم به ذکر است بخش اثر افزایش سطح به حجم در نانومواد بسیار خوب بیان شده بود اما قسمت اثرات کوانتومی کمی گنگ بود.

13 -6

حمید زین الدینی راویز - ‏۱۳۹۵/۰۲/۰۲

ممنون