برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۶/۰۹/۰۴ تا ۱۳۹۶/۰۹/۱۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۵۶۱
  • بازدید این ماه ۱۷
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

اهمیت سطح در تعیین خواص مواد

در بخش گذشته به صورت مختصر با اثرات کوانتومی در مواد نانومتری آشنا شدید. در کنار اثرات کوانتومی، بازیگر مهم دیگری نیز در تغییر خواص مواد در مقیاس نانو نقش دارد: اثرات سطحی. این دو عامل واکنش‌پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و ... و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را تحت شعاع خود قرار می‌دهد. سطح در فناوری نانو اهمیت بسیار بالایی دارد و همه‌جا از اثر سطح یا نسبت سطح به حجم صحبت می‌شود. بسیاری از تغییر خواص در مقیاس نانو را می‌توان با بررسی اثرات سطحی نانومواد توجیه کرد. برای درک بهتر اثرات سطحی در نانومواد در این بخش به بررسی اهمیت سطح در تعیین خواص مواد پرداخته شده است.
مقدمه

در بخش گذشته به صورت مختصر با اثرات کوانتومی در مواد نانومتری آشنا شدید. در کنار اثرات کوانتومی، بازیگر مهم دیگری نیز در تغییر خواص مواد در مقیاس نانو نقش دارد: اثرات سطحی. این دو عامل واکنش‌پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و ... و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را تحت شعاع خود قرار می‌دهد. سطح در فناوری نانو اهمیت بسیار بالایی دارد و همه‌جا از اثر سطح یا نسبت سطح به حجم صحبت می‌شود. بسیاری از تغییر خواص در مقیاس نانو را می‌توان با بررسی اثرات سطحی نانومواد توجیه کرد. برای درک بهتر اثرات سطحی در نانومواد در این بخش به بررسی اهمیت سطح در تعیین خواص مواد پرداخته شده است.

1- اهمیت سطح در تعیین خواص مواد

همان‌طور که می‌دانید، واکنش‌های شیمیایی در محلی اتفاق می‌افتند که ماده با محیط اطراف در تماس است. این محل همان سطح ماده است. واکنش از این منطقه شروع شده و سپس تحت شرایطی به عمق نفوذ می‌کند. برای بررسی بیشتر، اکسید شدن آلومینیوم را در نظر بگیرید. یک قطعه‌ آلومینیومی سطحی کدر دارد که در صورت سمباده زدن آن، لایه‌های زیرین که بسیار شفاف هستند، پدیدار می‌شوند. این لایه‌های بسیار شفاف، همان آلومینیوم هستند. اما این سطح براق به سرعت به سطحی کدر و مات تبدیل می‌شود. بررسی‌ها نشان داده است که، این لایه‌ بسیار نازک و کدر، ترکیبی از اکسیژن و آلومینیوم است. این لایه از تماس لایه‌های زیرین (که از آلومینیوم هستند) با هوای اطراف جلوگیری می‌کند. بنابراین، واکنش اکسایش آلومینیوم ادامه پیدا نمی‌کند و بقیه‌ ماده از اکسید شدن محفوظ می‌ماند.
اکسید شدن آهن با اکسید شدن آلومینیوم تفاوت دارد. اگر دقت کرده باشید، زنگ آهن، ماده‌ای است قرمز رنگ که به راحتی می‌شکند و می‌ریزد. این ماده به راحتی از روی آهن جدا می‌شود و بنابراین، اکسیژن به قسمت‌های داخلی و به زیر لایه‌ اکسیدی نفوذ کرده و واکنش اکسایش ادامه می‌یابد. به گونه‌ای که ادامه روند این واکنش منجر به تخریب کامل قسمتی از قطعه‌ فولادی شده و در نهایت، موجب انهدام آن می‌شود.
بنابراین، برای ادامه دادن یک واکنش، باید راهی برای نفوذ به درون آن ماده پیدا کرد. یک راه، انتقال مواد از درون حجم ماده به سطح آن است. برای این کار (دسترسی به قسمت‌های داخلی حجم ماده) می‌توان مسیری را درون ماده تعبیه کرد. این کار را می‌توان با ایجاد حفراتی که به هم متصل هستند و تا سطح ماده ادامه دارند، انجام داد (شکل 1). به این مواد که ساختاری اسفنج مانند دارند، مواد متخلخل یا فوم گفته می‌شود. در طبیعت نیز می‌توان مواد متخلخل را به وفور مشاهده کرد. زئولیت‌ها موادی از این دسته هستند. از مواد متخلخل مصنوعی نیز می‌توان به فوم‌های فلزی اشاره نمود که امروزه کاربردهای بسیاری در صنایع دارند. از مواد متخلخل می‌توان برای کاتالیز واکنش‌های شیمیایی، فیلترهای مایعات و فیلترهای هوا استفاده نمود. بنابراین، هرچه اتم‌های بیشتری در سطح باشند، واکنش‌های شیمیایی با سهولت بیشتری رخ می‌دهند. این رویداد در برخی موارد مفید، و در برخی موارد مضر است.
پرسش 1: آیا می‌توانید کاربردهای واکنش‌های شیمیایی مواد را نام ببرید؟ چه مواقعی لازم است تا از واکنش‌های شیمیایی مواد جلوگیری شود؟

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: طرحی از مواد متخلخل

یک راه دیگر، کوچک‌تر کردن اندازه‌ مواد واکنش‌دهنده است. ممکن است مطالبی را در رابطه با سوخت‌های جامد شنیده باشید. سوخت‌های جامد مانند پودر آلومینیوم در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این کاربردها، استفاده به عنوان سوخت موشک است. همان‌گونه که قبلا نیز گفته شد، آلومینیوم واکنش‌پذیری بالایی دارد و به سرعت اکسید می‌شود. پودرهای ریز آلومینیوم بر اثر واکنش با اکسیژن، به شدت آتش می‌گیرند و گرمای زیادی آزاد می‌کنند.
سوخت‌های جامد (Solid Fuel) به انواع مواد جامدی گفته می‌شود که به عنوان سوخت استفاده می‌شوند، و در اثر اشتعال، گرما و انرژی آزاد می‌کنند. مانند: زغال چوب و زغال سنگ. یکی از کاربردهای این نوع سوخت، استفاده از آن به عنوان سوخت موشک است.
پرسش 2: به نظر شما اندازه‌ی پودرهای آلومینیوم چه تاثیری بر میزان انرژی آزاد شده و در نتیجه بازده سوخت دارد؟
برای پاسخ به این پرسش، شکل 2 را در نظر بگیرید. در این شکل فرض شده است که پودر آلومینیوم به شکل کره است. در صورتی که این ذره‌ پودر در معرض اکسیژن قرار بگیرید و واکنش دهد، یک لایه از اکسید آلومینیوم روی آن قرار می‌گیرد. با توجه به آنچه در مورد اکسید آلومینیوم گفته شد، این لایه‌ تشکیل شده، از ادامه‌ واکنش اکسایش جلوگیری می‌کند و مقدار زیادی از قسمت‌های داخلی این ذره‌ پودری، از واکنش در امان می‌ماند. اما در صورتی‌که اندازه‌ این ذره کم‌تر باشد، مقدار بسیار کم‌تری از آن دست نخورده باقی می‌ماند. بنابراین، مقدار بیشتری از سوخت جامد مصرف شده و بازده بیشتر می‌شود.
علاوه بر این مثال، اندازه‌ ذرات مورد استفاده در صنایع شیمیایی (اندازه‌ ذرات کاتالیست)، ریخته‌گری (اندازه‌ی افزودنی‌ها به مذاب) و صنایع کامپوزیت (اندازه‌ ذرات تقویت‌کننده) از اهمیت بالایی برخوردار است.
به طور خلاصه، برای در دسترس قرار دادن مقدار بیش‌تری از یک ماده، یا باید به شکل متخلخل باشد، و یا اندازه ذرات آن کوچک‌تر باشد. در هر دو رویکرد، در واقع مقدار بیشتری از ماده روی سطح قرار می‌گیرد، و یا می‌توان گفت که نسبت سطح به حجم افزایش یافته است. اهمیت سطح تنها در واکنش‌های شیمیایی مطرح نیست، بلکه برهم‌کنش‌های فیزیکی و مکانیکی ماده با محیط نیز از طریق سطح انجام می‌گیرد. از این موارد می‌توان به پدیده‌های اصطکاک و انتقال حرارت اشاره نمود. بنابراین، تغییر مقدار سطح ماده می‌تواند بر این پدیده‌ها تاثیر بگذارد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 2: مقایسه‌ بین اکسید شدن ذرات آلومینیوم با اندازه‌های مختلف

پرسش 3: آیا همیشه با کوچک‌تر شدن اندازه‌ ماده، خواص آن تغییر می‌کند؟ این خواص شامل چه مواردی هستند؟
در ابعاد نانومتر، خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی مواد به شدت تغییر می‌کند. برای مثال، نقطه‌ ذوب ذرات 50 نانومتری طلا با نقطه‌ ذوب ذرات 10 نانومتری طلا بسیار متفاوت است. رنگ نانوذرات طلا نیز با یکدیگر متفاوت است. اما اگر شمش‌های بزرگ طلا را به قسمت‌های چند میلی‌متری تقسیم کنیم، نقطه‌ ذوب‌شان تغییر نمی‌کند و هم‌چنان به رنگ زرد (طلایی) دیده می‌شوند.
چگونه این واقعیت را توجیه می‌کنید؟ آیا ابعاد نانومتر، محدوده‌ خاصی است که در آن اتفاقات ویژه‌ای می‌افتد؟

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو