برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۵۴۶
  • بازدید این ماه ۹۶
  • بازدید امروز ۲
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

خواص نوری

برخی از نانومواد خواص نوری متفاوتی را مانند رنگ یا شفافیت در مقایسه با مواد توده‌ای نمایش می‌دهند. از دیدگاه کاربردهای صنعتی، خواص نوری نانوذرات و نانوکامپوزیت‌ها بسیار مورد توجه هستند. برای درک بهتر خواص نوری نانومواد ابتدا در این بخش چند اصل مهم مربوط به نور را با هم مرور کرده و سپس خواص نوری مواد نانومقیاس را بررسی می‌کنیم.
مقدمه:
برخی از نانومواد خواص نوری متفاوتی را مانند رنگ یا شفافیت در مقایسه با مواد توده‌ای نمایش می‌دهند. از دیدگاه کاربردهای صنعتی، خواص نوری نانوذرات و نانوکامپوزیت‌ها بسیار مورد توجه هستند. برای درک بهتر خواص نوری نانومواد ابتدا در این بخش چند اصل مهم مربوط به نور را با هم مرور کرده و سپس خواص نوری مواد نانومقیاس را بررسی می‌کنیم.

1- برهمکنش نور با ماده
رنگ ماده، به علت برهمکنش بین نور و شیء است. دیده شدن اشیای درون اتاق، هنگامی که چراغ روشن می‌شود، به سبب انتشار نور در اتاق و بازگشت نور از سطح اشیاء و رسیدن آن به چشم است. در واقع نور با طول موج معین از محیط اطراف جسم به آن برخورد می‌کند، سپس بخشی از این نور با طول موج مشخص در محدوده نور مرئی به چشم منعکس می‌شود. این فرآیند، جسم را به رنگ خاصی نمایش می‌دهد. برای مثال برگ‌ها که به دلیل کلروفیل (نوعی رنگدانه) به رنگ سبز نمایش داده می‌شود، طیف‌هایی با رنگ قرمز و آبی را جذب کرده و رنگ سبز را منعکس می‌کنند.
به طور کلی، نور برخورد کننده به ماده می‌تواند عبور کند (T)، جذب شود (A) و یا منعکس گردد (R):
I=T+A+R
همان طور که اندازه مواد کاهش می‌یابد، پدیده تفرق نور (S) منجر به رنگ آمیزی متفاوت و یا شفافیت جسم می‌شود. پاراگراف زیر خلاصه‌ای از این فرآیند است:
بازتاب (R) زمانی اتفاق می‌افتد که نور به سطح صافی برخورد کرده و امواج برخوردکننده بدون انحراف و مستقیما به محیط اولیه برگردد. امواج منعکس شده یا امواج برخورد کننده ساختار هندسی یکسانی دارند. سطح‌های صیقلی نظیر ورقه‌های تمیز نیکلی یا نقره اندود، یا شیشه‌هایی که یک طرف آنها جیوه اندود شده است، نظیر آینه‌ها، پدیده بازتاب را به خوبی نشان می‌دهد.
جذب (A) فرآیندی است که با انتقال انرژی همراه است. سطوح انرژی مواد که از تجمع ترازهای انرژی اتمی به وجود آمده است، امواج نوری معینی را جذب می‌کنند. این فرآیند، یک پدیده مولکولی است که به ماهیت شیمیایی و ساختار مواد (نه به اندازه مولکولی یا خوشه‌ها) وابسته است و با انتقال، ارتعاش و چرخش الکترون‌ها همراه است. فلئورسانس‌ها نمونه‌ای از موادی هستند که امواج با طول موج مشخصی را جذب می‌کنند. در شیمی سال دوم با لوله پرتو کاتدی آشنا شدیم که با ایجاد ولتاژ قوی بین دو الکترود، پرتوهایی از الکترود منفی به الکترود مثبت جریان می‌یابد. این پرتو بر اثر برخورد با یک ماده فلوئورسانس، نور سبز رنگی ایجاد می‌کند. در واقع فلوئورسانس از جمله خواص فیزیکی برخی مواد شیمیایی (مانند روی سولفید) است که نور با طول موج معینی را جذب می‌کنند و به جای آن نور با طول موج بلندتری را منتشر می‌سازند.
عبور (T)، به قابلیت نور برای عبور از یک ماده گفته می‌شود. این پدیده مکمل جذب است. انتقال نور بعد از بازتاب، تفرق و جذب اتفاق می‌افتد. مواد بسته به جنس و ساختارشان، امواج مختلفی را از خود عبور داده و همچنین برخی از آنها را جذب می‌کنند.
تفرق (S) زمانی رخ می‌دهد که پرتو به ساختاری در مقیاس طول موج خود برخورد کند. بنابراین، این پدیده فرآیند فیزیکی است که به اندازه خوشه، ضریب شکست خوشه و ضریب شکست محیط سوسپانسیون بستگی دارد.
همانطور که گفتیم، این فرآیند برهمکنش فیزیکی است (یعنی هیچ انتقال انرژی بر خلاف جذب، در حین تفرق اتفاق نمی‌افتد) و انرژی مجددا در مسیرهای معینی جهت‌گیری می‌کند. طول موج نور ورودی و نور خروجی یکسان است. نور پس از برخورد به خوشه‌ها در محیط کلوئیدی تغییر مسیر می‌دهد، پس از تغییر مسیر اولیه به خوشه‌های دیگری برخورد کرده و مجددا تغییر مسیر می‌دهد. این پدیده تفرق چندگانه نامیده می‌‌شود. این پرتو می‌تواند در مسیری که آمده، برگردانده شود (تفرق برگشتی) یا در مسیری که از ابتدا در حال حرکت بود به سمت جلو رانده شود (تفرق جلو). بیشینه تفرق در طول موج‌های دوبرابر اندازه خوشه اتفاق می‌افتد. بنابراین، اگر خوشه‌ای حدودا 200 نانومتر باشد، بیشینه تفرق در 400 نانومتر (در محدوده طول موج مرئی) مشاهده می‌شود. تفرق به بخش‌های بازتاب (تفرق برگشتی) و عبور (تفرق جلو) در معادله تقسیم می‌شود. نوری که جذب شده است نمی‌تواند متفرق شود.

2- خواص نوری نانومواد

نتایج برهمکنش نور با نانومواد نشان می‌دهد که این مواد می‌توانند خواص نوری ویژه‌ای داشته باشند.

2-1- خواص نوری نقاط کوانتومی

در بخش‌های قبل با اثرات کوانتومی و گسستگی ترازهای انرژی در نانوذرات آشنا شدید. در صورتی که انرژی فوتون نور (امواج الکترومغناطیس) فرودی برابر با فاصله بین ترازهای انرژی اتم باشد، الکترون‌های موجود در ترازهای انرژی اتم، انرژی نور را جذب و به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند. در سمت چپ شکل 1 برانگیختگی الکترون‌ها در اتم نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: برانگیختگی الکترون‌ها به ترتیب از چپ در اتم ها، در مواد معمولی و در نانوذرات. نانوذرات به دلیل
اینکه دارای ترازهای انرژی گسسته هستند مانند اتم‌ها عمل می‌کنند و به آنها اتم‌های مصنوعی گفته می‌شود.

همانطور که در قسمت وسط شکل 1 نیز مشخص است، جذب نور در مواد معمولی که نوار انرژی پیوسته دارند نیز اتفاق می‌افتد و الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شوند (البته در اینجا انرژی گرمایی نیز می‌تواند باعث برانگیختگی الکترون‌ها به نوار رسانش شود). در قسمت راست شکل نیز ساز و کار جذب نور توسط نانوذرات نشان داده شده است. همان طور که در شکل نیز مشخص است، نانوذرات نیز مانند اتم‌ها دارای ترازهای انرژی گسسته هستند. از این رو به نانوذرات اتم‌های مصنوعی نیز گفته می‌شود. همچنین به نانوذرات زیر 10 نانومتر و خصوصا نانوذرات نیمه‌ رسانا، نقطه کوانتومی گفته می‌شود. با تغییر اندازه‌ی نانوذرات، فاصله ترازهای انرژی در آنها تغییر می‌کند. هرچه اندازه نانوذرات کوچک‌تر شود، فاصله بین ترازهای انرژی و باند ممنوعه بیشتر می‌شود و هر چه اندازه ذرات بزرگ‌تر باشد، فاصله بین ترازهای انرژی کم‌تر می‌شود. این نکته باعث می‌شود که بتوان با تغییر اندازه نانوذرات، فاصله بین ترازهای انرژی آنها را طوری تنظیم کرد که امواج خاصی را جذب کنند. به عنوان مثال می‌توان ابعاد نانوذرات از جنس مشخص را طوری تنظیم کرد که امواج فروسرخ، فرابنفش، رادیویی و غیره را جذب کنند. از این خاصیت در صنایع نظامی و الکترونیک استفاده‌های زیادی می‌شود. رنگ‌های مختلف نانوذرات در ابعاد مختلف (در شکل2) ، نشان از تفاوت در فاصله بین ترازهای انرژی آنها دارد. در این شکل رنگ نانوذرات طلا و نقره در ابعاد مختلف و تصویر میکروسکوپ الکترونی آنها در زیر هر کدام نشان داده شده است.
یکی از ویژگی‌های پرکاربرد برخی از نانومواد شفافیت آنها است. تفرق نور مرئی دلیل ظاهر شدن رنگ سفید در کرم‌های ضد آفتاب است. این کرم‌های ضد آفتاب حاوی خوشه‌های اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم با اندازه حدودا 200 نانومتر است. نور مرئی با این خوشه‌ها برهمکنش داده و همه امواجش متفرق می‌شوند. ترکیب طیف مرئی، سفید است بنابراین ضدآفتاب سفید به نظر می‌رسد. اگر ابعاد خوشه کاهش یابد برای مثال از 200 نانومتر به 100 نانومتر تغییر کند، بیشینه تفرق در طول موج 200 نانومتر اتفاق می‌افتد و منحنی به امواج کوتاه‌تر که در محدوده نور مرئی نیستند، انتقال می‌یابد. این امر باعث می‌شود که این ماده با اندازه کوچک‌تر (100نانومتر) سفید نباشند بلکه شفاف به نظر برسند.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: رنگ نانوذرات طلا و نقره در ابعاد مختلف

2-2- رنگ در کلوئیدهای فلزی (پلاسمون سطحی)

به طورکلی، یکی از خواص متمایز کننده نانوذرات فلزی از این مواد در مقیاس بزرگ، خواص نوری‌شان است. این امر به دلیل رزونانس پلاسمون سطحی موضعی است. به عبارت ساده‌تر، زمانیکه نور به سطوح فلزی (با هر اندازه‌ای) برخورد می‌کند، برخی از امواج نوری در طول سطوح فلزی با ایجاد پلاسمون سطحی (در واقع این امواج بخشی از انرژی خود را به الکترون‌های سطحی داده و منجر به ارتعاش آنها می‌شوند) پراکنده می‌شوند. زمانیکه پلاسمون در فلزات توده‌ای تولید می‌شود، الکترون‌ها می‌توانند آزادانه در مواد بدون ثبت هیچ اثری جابه جا گردند. در نانوذرات، پلاسمون سطحی در فضای محدودی قرار می‌گیرد، به گونه‌ای که الکترون‌ها در این فضای کوچک و در مسیر یکسان به سمت عقب و جلو نوسان می‌کنند. این اثر رزونانس پلاسمون سطحی موضعی نامیده می‌شود (LSPR). زمانیکه فرکانس این نوسانات با فرکانس نور به وجود آورنده پلاسمون یکسان باشد، گفته می‌شود که پلاسمون در رزونانس با نور برخوردی است.
انرژی LSPR به عملکرد دی الکتریک ماده و محیط اطراف، شکل و اندازه نانوذرات حساس است. یعنی اگر لیگاندی مانند پروتئین به سطح نانوذرات فلزی متصل شود، انرژی LSPR آن تغییر می‌کند. به طور مشابه، اثرات LSPR به سایر تغییرات نیز مانند فاصله بین نانوذرات که می‌تواند با حضور سورفکتانت‌ها یا یون‌ها تغییر کند، حساس است.
یکی از عواقب اثر LSPR در نانوذرات فلزی، قابلیت جذب فوق‌العاده امواج مرئی به دلیل نوسانات منسجم پلاسمون‌ها است. نتایج نشان می‌دهد که کلوئیدهای نانوذرات فلزی مانند نقره یا طلا می‌توانند رنگ‌هایی مانند قرمز، بنفش یا نارجی را نمایش دهند که در ابعاد معمولی دیده نمی‌شود. این تغییر رنگ به شکل، اندازه و محیط اطراف نانوذرات نقره بستگی دارد.

بیشتر بخوانید:
1- این مقاله شامل مباحثی از فصل هفتم کتاب علوم و فناوری نانو، جلد اول مباحث عمومی نوشته فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی و معصومه قاسمی نژاد، انتشارات کوچک آموز است.
2- در کتاب نانومواد نوشته دیتر ولاث، ترجمه دکتر حمیدرضا رضایی، مهدی مشرف جوادی و میثاق افشار پور، انتشارات دانشگاه علم و صنعت و در فصل 6 به صورت مفصل به خواص نوری نانومواد پرداخته شده است.
3- در کتاب نانوشیمی، روش‌های ساخت، بررسی خواص و کاربردها تالیف دکتر مسعود صلواتی نیاسری و زینب فرشته، انتشارات سخنوران دانشگاه کاشان و در فصل چهاردهم نیز برخی از جنبه‌های خواص نوری نانومواد بیان شده است.


منابـــع و مراجــــع

کتاب علوم و فناوری نانو، جلد اول مباحث عمومی نوشته فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی و معصومه قاسمی نژاد، انتشارات کوچک آموز.