برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۲۹۶
  • بازدید این ماه ۵۰
  • بازدید امروز ۱
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 نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

اهمیت سطح در دنیای نانو

در بخش قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتم‌های آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. همچنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر می‌کند. درک این که چرا واکنش‌پذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیش‌تر می‌شود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش می‌آید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دست‌خوش تحولات زیادی می‌شود؟ در این بخش به این سوال پاسخ داده شده است.
مقدمه

در بخش قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتم‌های آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. همچنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر می‌کند. درک این که چرا واکنش‌پذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیش‌تر می‌شود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش می‌آید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دست‌خوش تحولات زیادی می‌شود؟ در این بخش به این سوال پاسخ داده شده است.

1- تاثیر سطح در دنیای نانو

چنانچه ماده‌ای با مقیاس چند ده متری را کوچک‌تر کرده و به ابعاد میلی‌متری برسانیم، هیچ تغییری در نقطه‌ ذوب، رنگ و خواص مغناطیسی آن ایجاد نمی‌شود، اما این تغییر در هنگام کوچک‌تر کردن ماده تا ابعاد نانومتری دیده می‌شود؟!
کلید حل این مساله در این جاست که تعداد اتم‌های سطحی در مواد با مقیاس‌های بزرگ‌تر از نانومتر، بسیار ناچیز است، اما با ورود به دنیای نانومتری، مقدار این اتم‌ها نسبت به کل اتم‌های ماده، بسیار زیاد می‌شود. برای بررسی دقیق‌تر و درک این موضوع، به جدول 1 دقت کنید.

جدول 1: درصد اتم‌های سطحی خوشه‌های اتمی با تعداد پوسته‌های متفاوت
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

در این جدول، تعداد پوسته‌ها، شکل خوشه، تعداد اتم‌های سطحی، تعداد کل اتم‌ها و درصد اتم‌های سطحی مربوط به هر خوشه آورده شده است. این خوشه‌ها در متراکم‌ترین حالت ممکن در نظر گرفته شده‌اند. مشاهده می‌شود در حالتی که خوشه‌ اتمی از یک پوسته تشکیل شده باشد، 92درصد اتم‌های آن در سطح قرار دارند. اگر قطر هر اتم 5 آنگستروم در نظر گرفته شود، قطر این خوشه برابر با 5/1 نانومتر است. در حالت سه پوسته‌ای و با قطر خوشه برابر با 5/3 نانومتر، معادل 63 درصد از اتم‌ها در سطح قرار گرفته‌اند. یعنی با افزایش اندازه‌ ذرات از 5/1 نانومتر به 5/3 نانومتر، از درصد اتم‌های سطحی به مقدار 29درصد کاسته شده است. برای مقایسه، این تغییر را در هنگام گذار از حالت پنج پوسته‌ای (قطر خوشه برابر با 5/5 نانومتر) به حالت هفت پوسته‌ای (قطر خوشه برابر با 5/7 نانومتر) در نظر بگیرید. مقدار اتم‌های سطحی با کاهش 10درصد از مقدار 45درصد به 35درصد می‌رسد. بنابراین هرچه اندازه ذرات کوچک‌تر باشد، تاثیر کاهش اندازه ذرات بر مقدار اتم‌های سطحی بیش‌تر می‌شود. با یک محاسبه‌ ساده متوجه می‌شوید که در موادی با ابعاد میکرومتر و متر، مقدار اتم‌های سطحی نسبت به اتم‌های کل ماده، بسیار ناچیز و تقریبا برابر با صفر است. بنابراین، تاثیر این اتم‌ها بر خواص ماده بسیار ناچیز است. اما در مقیاس‌های نانومتری، درصد این اتم‌ها بسیار زیاد است و می‌توانند نقشی تعیین کننده در خواص مواد داشته باشند. به نظر می‌رسد عاملی که بسیاری از خواص نانومواد را کنترل می‌کند، رفتار اتم‌های سطحی و مقدار آنها است.
در مواد بزرگ‌تر از نانومتر، تعداد اتم‌های سطحی ماده ناچیز بوده و نقش آنها در تعیین خواص مواد نادیده گرفته می‌شود. اما با کاهش اندازه‌ ذرات و افزایش نسبت اتم‌های سطحی، نقش آنها پررنگ‌تر شده و خواص مواد دچار دگرگونی می‌شود. سوالی که پیش می‌آید این است که: اتم‌های سطحی چه ویژگی‌های متفاوتی از اتم‌های درون حجم ماده دارند؟ در حالیکه از نظر علم شیمی، از جنس همان اتم‌های داخل حجم ماده هستند. آیا محل قرار گرفتن یک اتم در ماده می‌تواند بر خواص و رفتار آن تاثیرگذار باشد؟
در یک ماده‌ جامد، هر اتم در محل مشخصی نسبت به دیگر مواد قرار گرفته است. در مواد بلوری، با توجه به جنس ماده، فواصل بین اتم‌ها کاملا قابل محاسبه و مشخص هستند. در اطراف هر یک از این اتم‌ها، تعداد مشخصی اتم دیگر با فواصل معین قرار گرفته است. این اتم با برخی از اتم‌های اطراف که کم‌ترین فاصله را با آن دارند، در ارتباط مستقیم است. طبق تعریف، تعداد این اتم‌ها را عدد همسایگی، عدد هم‌آرایی یا عدد کوئوردیناسیون می‌گویند. عدد کوئوردیناسیون که برای ساختارهای بلوری به کار می‌رود، عبارت است از تعداد اتم‌هایی که نزدیک‌ترین فاصله را با یک اتم دارند. به طور مثال، این عدد برای اتم سدیم در بلور نمک طعام، 6 است که نشان می‌دهد هر اتم سدیم، توسط 6 اتم کلر احاطه شده است.
در بلور نمک طعام (شکل 1) عدد همسایگی برای اتم‌های سدیم و کلر برابر با 6 است. اما نکته‌ای وجود دارد که باید به آن توجه کرد. یک بلور نمک طعام، اندازه‌ محدودی دارد. یک وجه این بلور را در نظر بگیرید، آیا تعداد نزدیک‌ترین همسایه‌های اتم های موجود روی این سطح، برابر با 6 است؟
این اتم‌ها تنها از یک طرف با دیگر اتم‌های بلور در ارتباط هستند. اگر یک بلور نمک طعام در حالت کاملا ایده‌آل و کامل (بدون نقص) در نظر گرفته شود، نزدیک‌ترین همسایه‌های اتم مستقر روی وجه، برابر با 5، برای اتم مستقر روی یال، برابر با 4 و برای اتم موجود در رأس این مکعب، برابر با 3 است (شکل 1).


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 1: بلور نمک طعام


بنابراین، در مسیر رسیدن به پاسخ پرسش فوق، این نتیجه حاصل شد که عدد همسایگی اتم‌های سطحی ماده با دیگر اتم‌های آن متفاوت است. اگر عدد همسایگی بر خواص اتم تاثیرگذار باشد، در مواد نانومتری وخوشه‏‌های اتمی که تعداد بسیار زیادی از اتم‏‌ها بر روی سطح ماده قرار دارند یا به عبارتی نسبت سطح به حجم بسیار بیشتر از مواد بزرگ‏تر است، این تاثیر باید چشم‏گیرتر باشد
در فصل گذشته به افزایش واکنش پذیری شیمیایی نانومواد اشاره شد. آیا می‌توان این افزایش را به افزایش میزان اتم‌های سطحی نسبت داد؟ برای روشن‏‌تر شدن موضوع، مثالی را که در کتاب"نانو از نو" آورده شده است، بیان می‏‌کنیم. تصور کنید که در زنگ تفریح به همراه دوستان خود در حیاط مدرسه ایستاده‌‏اید. هنگامی‏که زنگ به صدا در می‏‌آید، هر یک از شما تلاش می‏‌کند تا به سمت کلاس برود. در این شرایط آیا رفتار شما با بقیه‏ دوستانتان یکسان است؟ اگر شما در میان حلقه‏ دوستانتان ایستاده باشید، ابتدا باید صبر کنید تا اطرافیانتان حلقه را ترک کنند و سپس شما بتوانید راهی به بیرون بیابید. بر عکس، دوست شما که در اطراف این جمع ایستاده است، می‌تواند به راحتی و با آزادی عمل بیشتری این حلقه را ترک کند. این رفتاری است که در اتم‌‌های یک ماده‏ جامد نیز دیده می‏‌شود. در واقع اتم‏‌های سطح ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم‏‌های داخل حجم دارند. همان‏گونه که در بخش‌های قبلی گفته شد، ارتباط ماده با محیط پیرامونش، از طریق محل تماس ماده با این محیط، یا همان سطح ماده است. بنابراین به راحتی می‌‏توان دریافت که اتم‌های سطحی ماده، واکنش‏‌پذیری بیشتری دارند. جدای از آزادی عمل بیشتر اتم‌های سطحی، 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. بنابراین هنگامی‌که اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده تا جایی کوچک شوند که نسبت سطح به حجم افزایش چشمگیری داشته باشد، واکنش‏‌پذیری ماده نیز بسیار افزایش خواهد یافت. اگرچه، در همان اندازه‌های بزرگ نیز با خرد کردن ذرات یک ماده، به وضوح واکنش‌پذیری آن افزایش می‌یابد و برای مشاهده‏ افزایش واکنش‏‌پذیری لزومی ندارد تا حتما به اندازه‏‌های نانومتری برسیم.
البته باید بین این موضوع و موضوع غیرفعال شدن سطح فلزاتی مانند آلومینیوم بر اثر تشکیل لایه‏اکسیدی، روی سطح آن تمایز قائل شد. زیرا در آن شرایط اتم‏‌های سطحی در قالب یک ترکیب شیمیایی قرار گرفته‏‌اند و ماهیتی جدا از اتم‏‌های خالص درون حجم ماده دارند. در نتیجه واکنش‌‏پذیری بسیار کاهش می‌یابد و حجم ماده از واکنش شیمیایی مصون می‌‏ماند.


منابـــع و مراجــــع

1. کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو

2. کتاب نانو از نو، نوشته اسماعیل کلانتری، امیر دارستانی فراهانی، عباس مرادی

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

حمید شیبانی - ‏۱۳۹۷/۰۵/۱۰

باتشکر خوب بود.