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 ۲,۰۰۰
  • بازدید این ماه ۴۱
  • 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

امتیاز کاربران

بررسی ساختار نانولوله‌های کربنی بر اساس کایرالیتی

در جلسات قبلی، شاخصی به نام کایرالیتی برای تمایز انواع نانولوله‏‌ها از یکدیگر معرفی شد. همان‏گونه که گفته شد، این شاخص در تعیین خواص نانولوله‌های کربنی نقشی تعیین کننده دارد. اصطلاح کایرالیتی تنها در مورد نانولوله‌های کربنی مصداق ندارد و در علم شیمی، به عنوان یکی از مباحث فعال، مطرح است. در این جلسه به توضیح این اصطلاح، اهمیت آن در شیمی و توصیف مولکول‏‌های کایرال خواهیم پرداخت.
مقدمه:
در جلسات قبلی، شاخصی به نام کایرالیتی برای تمایز انواع نانولوله‏‌ها از یکدیگر معرفی شد. همان‏گونه که گفته شد، این شاخص در تعیین خواص نانولوله‌های کربنی نقشی تعیین کننده دارد. اصطلاح کایرالیتی تنها در مورد نانولوله‌های کربنی مصداق ندارد و در علم شیمی، به عنوان یکی از مباحث فعال، مطرح است. در این جلسه به توضیح این اصطلاح، اهمیت آن در شیمی و توصیف مولکول‏‌های کایرال خواهیم پرداخت.

1- کایرال و کایرالیتی
کایرال از لحاظ لغوی به معنای چیزی است که تصویر آن در آیینه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید. این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است، بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی‏توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد. بنابراین صفحه‌ی تقارنی نیز برای این تصویر وجود ندارد و در تعریف کایرال می‏گنجد.
filereader.php?p1=main_17e62166fc8586dfa
شکل 1: تصویری از یک الگوی کایرال

غالبا به جای کلمه‏‌ی کایرال، کلمه‏‌ی نامتقارن نیز به کار می‏‌رود. کلمه‌ی کایرال (chiral) از کلمه‏‌ی یونانی ceir یا cheir به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه‌ای از دست دیگر ما است (شکل 2). همان‏گونه که می‌توانیم برای بسیاری از مولکول‏‌های موجود در طبیعت، مولکول‏‌هایی را بیابیم (با همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه‌ای آنها باشند.
filereader.php?p1=main_f7177163c833dff4b
شکل 2: همان‏گونه که مشاهده می‏‌کنید، دست‏ها و پاهای ما کایرال هستند. یعنی هر یک از آنها تصویر آیینه‏ای دیگری است به طوری که بر یک‏دیگر منطبق نیستند.

همان‏گونه که در شکل 3 مشاهده می‏‌کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آنها «انانتیومر» می‏‌گوییم. این دو به نام‏‌های -(r)آلانین و-(s) آلانین معروف هستند. در اینجا حرف s به کلمه‏‌ی لاتین sinister به معنای چپ و r به کلمه‌ ی لاتینrectus به معنای راست اشاره دارد.
filereader.php?p1=main_6c8349cc7260ae62e
شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست‏‌ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.
هنگامی‏که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می‏‌شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می‌آید که نیمی از آنها از نوع (s) و نیمی از نوع (r) هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع بیشتر خواهد بود. یکی از روش‌های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی، دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه‏ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می‌شود.
اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول‌ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر هستند و نمی‌توانند مولکول با تقارن آیینه‌ای آن را بپذیرند. بنابراین برای اینکه یک ترکیب خاص شیمیایی مانند یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.

خود را بیازمایید:
به نظر شما اگر از انانتیومر نامناسب یک ترکیب شیمیایی درون بدن استفاده شود، چه عوارضی ممکن است در فرد مصرف کننده ایجاد شود؟

همچنین دیده می‏ شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که تنها می‏‌تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند اینکه ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش مجزا داشته باشیم. بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_d9d4f495e875a2e07

شکل 4: دست‏های سمت راست، نشان‏دهنده‌ی کاتالیزگر و دست‌های سمت چپ نشان‏دهنده‌ی محصول واکنش هستند. این دو در تصویر بالایی برهمکنش بهتری دارند. هنگامی‏که دو نفر به هم دست می‏‌دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت می‌شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.
نکته‏‌ی قابل توجه این است که انانتیومر‏های مختلف می‌توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی تولید هر یک از آنها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید. لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یکدیگر دارند.
filereader.php?p1=main_67c6a1e7ce56d3d6f
شکل 5: (r)-لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی (s)-لایمونن بوی لیمو ایجاد می‌کند.
با اینکه در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک‏دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده‏‌های بینی ما بسیار دقیق‌تر عمل می‏‌کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می‏‌رساند.

2- نانولوله‌های کربنی کایرال
در جلسات قبلی با طرز تشکیل نانولوله‌های کربنی با استفاده از یک لایه‌ی گرافن آشنا شدید. همچنین دانستید که هر یک از این نانولوله‏‌های تک دیواره یک زاویه‌ ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می‏‌توانیم معیاری برای سنجش مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه‏‌ی کایرال و مولفه‏‌های کایرال آن مشاهده می‏‌کنید.

جدول 1: دسته‌های مختلف نانولوله‏‌های کربنی بر اساس کایرالیتی
filereader.php?p1=main_642e92efb79421734
مشاهده می‏ شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله‏‌ی کربنی تفاوت‌های زیادی با هم دارند. این تفاوت در نوع چیده شدن اتم‏‌های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می‏‌شود.

خود را بیازمایید:
با توجه به این شکل‏‌ها، کدام یک از این سه دسته، در تعریف مولکول‏‌های کایرال می‏‌گنجد؟

با توجه به تعریفی که از مولکول‌های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می‌شود که تصاویر آیینه‏‌ای نانولوله‏‌های نوع اول و نوع دوم بر خود آنها منطبق است، اما در مورد نانولوله‌های نوع سوم این انطباق وجود ندارد. بنابراین زوایای °0 و °30 زوایای خاصی هستند که نانولوله‏‌های متقارن ایجاد می‌کنند.


جدول 2: تصاویر آیینه‏‌ای انواع نانولوله‏‌های کربنی
filereader.php?p1=main_f457c545a9ded88f1

با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه‏‌ای نانولوله‏‌ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست. بنابراین به این مدل نانولوله‏‌ی کربنی، نانولوله‌ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می‏گوییم. با توجه به شکل ظاهری نانولوله‌های نوع اول و دوم، آنها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می‏‌نامیم.

خود را بیازمایید:
با توجه به آنچه تا کنون آموخته‏‌اید، خواص نانولوله‏‌های کربنی به کایرالیتی آنها بستگی دارد. آیا می‏‌توانید بگویید کدام خواص و هر کدام چگونه به کایرالیتی وابسته هستند؟







منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو