برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۸۳۵
  • بازدید این ماه ۶۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۹۴
  • قبول شدگان ۸۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۵۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۷
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

آشنایی با نانوپودرها

1- نانوپودرها
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).

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: 1 1nm<(a+b+c)/2<100 nm. برای مثال، بلورهای نمک طعام ساختاری مکعب‌شکل دارند (شکل شماره 1).

یادآوری: اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندة پودر، ابعادی میان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820dcc509a6f75849b298.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 1: ساختار بلور نمک طعام، مکعبی است.

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.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636f067f89cc14862c298.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 2: این ذره، حاوی سه دانه است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe28308fd9f2a7baf3179.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 3: اتم‌ها با زاویه‌ی 45 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9181a67b7542122c729.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 4: اتم‌ها با زاویه‌ی 90 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d7772b0674a318d5945.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 5: اتم‌ها با زاویه ی 120 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند.

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.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6fb5e6087eb1b2dc986.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا یک ذره را تشکیل دهند.

یادآوری: 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).

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5a36dedd4bea2543827.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 7: ذرات با قطر نانومتری در زمینه پراکنده شده‌اند.

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 8).

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab9159f51fd0297e236d513.jpg&p2=edu_article&p3=23&p4=1
شکل 8 : در یک نانوکامپوزیت، ذرات نانویی در زمینه‌ای غیرنانویی پراکنده شده‌اند.

2- روش‌های تولید و کاربردهای نانوپودرها
به طور کلی نانوپودرها را نیز مانند دیگر مواد نانومتری می‌توان به دو روش پایین به بالا یا بالا به پایین تولید کرد. در روش بالا به پایین قطعه را از اندازه‌های بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد می‌کنیم تا به اندازه‌های نانومتری برسد. در روش پایین به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه کنار هم می‌چینیم تا یک ساختار نانومتری به وجود آید. در زیر، دو روش فوق توضیح داده می‌شوند.

1-2- خُرد کردن قطعات بزرگ
یک استوانه‌ی توخالی را فرض کنید که گوی‌های فلزی یک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. یک قطعه‌ی بزرگ نیز یک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است.
در نتیجه، یک‌سومِ حجم داخل استوانه خالی خواهد بود. اگر این استوانه را بچرخانیم، گوی‌های فلزی به قطعه برخورد و آن را خُرد می‌کنند.
در صورتی که اندازه‌ی اضلاع قطعه‌ی اولیه 1 میکرومتر باشد (اگر یک میلی‌متر را هزار قسمت کنیم، طولی معادل یک میکرومتر به وجود می‌آید)، با اولین برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ی اضلاع آن 500 نانومتر می‌شود. در مرحله‌ی دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن 250 نانومتر می‌شود و در مرحله‌ی سوم 125 نانومتر. تا اینکه در مرحله‌ی چهارم، ذره‌ای نانومتری به اندازه‌ی 5.62 نانومتر به‌دست می‌آید.
در روش بالا به پایین، مهم این است که جسمِ خُردشونده باید مثل گِل خشک تُرد باشد تا پس از پذیرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه مواد نرم را تا این‌حد نمی‌توان خُرد کرد.
به طور کلی در این روشِ تولید، باید انرژی بسیار زیادی را صرف کرد تا ذرات محکم به یک ماده‌ی تُرد ضربه وارد و آن را خُرد کنند.

2-2- رسوب‌دهی از محلول‌ها
در این روش ابتدا باید محلول مورد نظر را ساخت. این محلول می‌تواند به دو حالت باشد:

الف- ذرات جامدِ معلق در مایع
در صورتی که محلول ما مایع باشد، می‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادی خاص برای ته‌نشین کردن، یا با افزایش غلظت جامد و سیر شدن محلول در آن، رسوب داد. حین رسوب کردن، اتم‌ها دانه ‌به ‌دانه کنار هم جمع می‌شوند تا یک پودر نانومتری را تولید کنند.

ب- ذرات گازی
روش دیگر این است که ما به قدری سریع محلول‌های گازی را سرد کنیم تا گاز مستقیماً تبدیل به جامد شود (به این فرایند «چگالش» می گوییم). در این حالت نیز اتم‌ها در کنار هم جمع می‌شوند تا ذراتِ یک پودر نانومتری را تولید کنند.

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو