برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵۱,۷۶۶
  • بازدید این ماه ۴۷۹
  • بازدید امروز ۸
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۹۹
  • قبول شدگان ۸۲۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۷۸
  • 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

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مواد نانومتخلخل (2)

در این بحث سعی شده است تا به معرفی ویژگی های ترکیبات متخلخل مختلف بپردازیم و بخصوص به معرفی انواع ترکیبات متخلخل از جمله زئولیت ها، کربن فعال و چهار چوب های فلزی – آلی اشاره کنیم و خصوصیات آنها را با یکدیگر مقایسه نماییم.
1- مقدمه
در دنیای نانو ، دیوار ها و فضا هایی در ابعاد بسیار کوچک وجود دارند که از اتم ها و مولکول ها ساخته شده است. وقتی آرایه ای از مولکول ها در یک فضای محدود جای می گیرند، دچار فشار (Stress) می شوند که در نتیجه آن از ساختار های پایدار سینتیکی و ترمودینامیکی خود منحرف شده و انرژی تبدیلات و واکنش های شیمیایی آنها دگرگون می شود. زمانی که یک مولکول خارجی (مولکول میهمان) وارد چنین فضاهایی می شود، با مولکول های سازنده فضا برهمکنش نموده و همین امر می توانند تاثیر قابل توجهی بر جهت گیری (Orientation)، برهمکنش (Interaction) و انباشتگی (Assembly) آن ها بگذارد. در نتیجه می توانیم با ایجاد تغییر در شکل و مواد به کار رفته در دیواره فضاهای نانوساختار ، رفتار و واکنش پذیری مولکول های میهمان را کنترل کنیم. فضا های تقسیم شده توسط اتم ها و مولکول ها می توانند نقش جدیدی بر اساس شکل و خواص دینامیکی دنیای نانو ایجاد کنند. در پایان قرن گذشته شیمیدانان بر روی چهارچوب های ابر مولکولی ساخته شده از مولکول ها تمرکز کرده بودند ، اما در قرن بیست و یکم با خلق فضا هایی متنوع ، بخش جدیدی از شیمی فضای نانو را معرفی کردند.

filereader.php?p1=main_89d93735798d50040
شکل 1 - انواع فضاهای نانو

2- نانو ساختار های متخلخل و شیمی ابرمولکولی (Supermolecular Chemistry)
همانطور که در بالا ذکر شد، تخلخل های ریز نانومتری، نه تنها نسبت سطح به حجم نانوساختار را بسیار بالا می برند، بلکه هرفضا به نوبه خود یک فضای شیمیایی خاص است. این فضای شیمیایی خاص می تواند تاثیر قابل توجهی بر رفتار یک مولکول خارجی میهمان داشته باشد. این پدیده از پایه ای ترین مباحث در شاخه پیشرفته ای از علم شیمی با عنوان شیمی ابرمولکول ها (Supermolecular Chemistry) است. شیمی ابرمولکولی به ناحیه ای از دنیای شیمی اشاره دارد که مافوق مولکول ها را بحث می کند. به بیان دیگر، شیمی ابرمولکولی یک مولکول منفرد و ساختار خاص آن را بررسی نمی کند، بلکه بر روی سیستم های مولکولی تمرکز دارد. سیستم های مولکولی از تعدادی مجموعه مجزای مولکولی ساخته شده است که با یکدیگر برهمکنش (Interaction) دارند. برخلاف شیمی سنتی که بر پیوند های کووالانسی تمرکز دارد ، شیمی ابرمولکول ها، بیشتر برهکنش های ضعیف تر و غیر کووالانسی بین مولکول ها را توضیح می دهد. مطالعه بر همکنش های غیر کووالانسی در فهم بسیاری از فرآیند های زیستی از ساختار سلول ها گرفته تا نحوه عملکرد آنها ، حیاتی است. اغلب سیستم های زیستی الهام بخش زمینه تحقیقاتی شیمی ابرمولکول هاست. این نیرو ها موارد زیر را شامل می شوند:
پیوند هیدروژنی (جاذبه بین یک اتم هیدروژن با یک اتم الکترونگاتیو مثل نیتروژن ، اکسیژن یا فلوئور) ، پیوند کئوردیناسیونی (تعدادی مولکول یا آنیون [لیگاند] به عنوان الکترون دهنده با یک فلز واسطه به عنوان الکترون گیرنده، الکترون رد و بدل می کنند-پیوند داتیو) ، نیروی آب گریزی (تمایل گونه ای غیر قطبی به تجمع در محلول های آبی و حذف مولکول های آب از بین خود) ، نیرو های واندروالس (جاذبه بین مولکول های خنثی بدلیل ممان های دو قطبی موقت یا دائمی آنها) ، برهمکنش های π-π (جاذبه ای غیر کووالانسی بین حلقه های آروماتیک)، نیروی الکتروستاتیک (جاذبه بین بار های مثبت و منفی مولکول ها).
شیمی میهمان و میزبان (Host-guest Chemistry) به عنوان یک مفهوم پرکاربرد در شیمی ابرمولکولی توصیف کننده تعدادی مولکول یا یون است که در کنار هم و با یک ارتباط ساختاری خاص بوسیله نیرو هایی به غیر از نیروهای کووالانسی قرار گرفته اند. پیوند های غیر کووالانسی در حفظ ساختار سه بعدی مولکول های بزرگ مثل پروتئین ها و همچنین در بسیاری از فرآیند های زیستی که در آنها مولکول های بزرگی بطور اختصاصی ولی موقت به یکدیگر متصل می شوند ، نیز حیاتی است.
یکی از عملی ترین رویکردهای پایین به بالا برای ساخت فضا هایی با اندازه های نانو ، انباشتگی (Self-assembly & Self-organization) شیمیایی و تشکیل پیوند های کئوردیناسیونی است که اخیرا به عنوان یک فناوری جدید سنتزی مورد توجه قرار گرفته اند. پیوند های کئوردیناسیونی قوی تر از پیوندهای هیدروژنی و ضعیف تر از پیوند های کووالانسی هستند. اجزای مولکول های آلی و یون های فلزی تحت شرایط ملایمی به یکدیگر متصل شده و ساختار های فضایی سازمان یافته و متنوعی را ایجاد می کنند. به بیان دیگر، ما با دقت فراوان ساختارهایی را طراحی می کنیم که شامل فضا هایی با خصوصیات شیمیایی خاص باشند. چنین فضاهای محدودی مارا قادر می سازند که پدیده های جدیدی را بر اساس تجمعات مولکولی ، فشار های مولکولی و فعال تر شدن مولکول ها کشف کنیم. برای این هدف ، نیاز به گسترش شیمی جدیدی است که به ما این اجازه را بدهد تا ساختار ها و قابلیت فضا ها را کنترل کنیم.

filereader.php?p1=main_453b0873811ca4823
شکل 2 – عملکرد های متنوع فضا های بسته

نمونه هایی از فضاهایی با قابلیت برهمکنش های ابر مولکولی در زیر آمده است:
1- کریستال های کئوردیناسیونی با ساختارهای نا محدود که از واکنش یون های فلزی بعنوان پذیرنده (Acceptor) با لیگاند های آلی بعنوان رابط (Linker) تشکیل می شوند. ما می توانیم فضا هایی با اندازه های مختلف متشکل از چندین و یا ده ها مولکول بسازیم.
2- سطوح مواد توده ای (Bulk Material) و نانو ذرات نیز می توانند با مولکول ها برهمکنش های خاص داشته و ازین رو بعنوان فضای کئوردیناسیونی در نظر گرفته شوند.
3- فضای کئوردیناسیونی کمپلکس های فلزی که در درون پروتئین ها قرار گرفته اند از نمونه های زیستی هستند که عملکرد آن ها تا مدتها برای دانشمندان نادانسته بود. برای مثال، یون آهن در فضای پروتئینی هموگلوبین به نحوی قرار گرفته است که واکنش کنترل شده با مولکول اکسیژن (به عنوان مولکول میهمان) را رقم می زند.

3- معرفی موردی برخی ترکیبات متخلخل
ترکیبات متخلخل توجه شیمیدان ها ، فیزیک دان ها و دانشمندان مواد را به خود جلب کرده است. این ناشی از علاقه علمی به خلق فضا هایی با اندازه های نانو و مشاهده پدیده های نوین است. همچنین علایق کاربردی و تجاری بالایی شامل کاربرد آنها در زمینه جداسازی ، ذخیره سازی و کاتالیست های ناهمگن نیز وجود دارد. بطور کلی تا اواسط دهه 1990 دو نوع مواد متخلل با پایه کربنی و معدنی وجود داشت. در مورد جامدات معدنی با تخلخل ریز دو زیر مجموعه اصلی آنها آلومینیوم سیلیکات ها و آلومینیوم فسفات ها هستند. توصیف ساختارهای کربن فعال، زئولیت ها و چهارچوب های فلزی-آلی به عنوان نمونه هایی از مواد متخلخل در زیر آمده است:

1-3- کربن فعال
کربن فعال به عنوان گونه ای از کربن به نحوی تهیه می شود که تعداد زیادی حفرات ریز با حجم کم داشته باشد. براین اساس مساحت سطح (Surface Area) در دسترس بسیار زیادی برای جذب سطحی یا واکنش های شیمیایی فراهم می آید. با توجه به وجود تخلخل های ریز ، فقط یک گرم از کربن فعال مساحت سطحی بیش از 500 متر مربع را داراست. مساحت سطح بالا به همراه غنی بودن سطح از گروه های عاملی (Functional Groups)، فعالیت بسیار بالا را بخصوص در کاربردهای مرتبط با جذب سطحی فراهم می سازد. کربن فعال معمولا از فرآوری زغال سنگ بدست می آید.

filereader.php?p1=main_476cc6ddc56a59583
شکل 3- نمایی از کربن فعال و تصویری از آن توسط میکروسکوپ الکترونی

2-3- چهارچوب های فلزی- آلی
چهارچوب های فلزی-آلی (Metal-Organic Frameworks) ترکیباتی بلوری بوده و شامل یون های فلزی یا خوشه ها (Cluster) می باشند که اغلب به مولکول های صلب آلی به عنوان اتصال دهنده (Linker) متصل شده اند. چنین اتصالات متعددی ساختار های یک ، دو و یا سه بعدی را ایجاد می نماید که می تواند متخلخل نیز باشد. به بیان دیگر چهارچوب های فلزی-آلی از دو جز اصلی تشکیل شده اند : یک یون فلزی و یا خوشه ای از یون های فلزی و یک لیگاند (Ligand) آلی بنام اتصال دهنده. انتخاب فلز و اتصال دهنده ها تاثیر بسزایی بر ساختار و خواص چهارچوب های فلزی-آلی دارند. واحد های آلی اتصال دهنده معمولا لیگاند های یک ، دو ، سه و یا چهار دندانه ای هستند (از یک، دو ... یا چند طرف پیوند برقرار می کنند). به جز ساختار و نوع لیگاند، اولویت کئوردیناسیون فلز نیز بر روی شکل و اندازه حفرات تاثیر گذار است. اینکه چه تعدادی لیگاند می تواند به مرکز فلزی متصل شود و چه جهت گیری فضایی داشته باشد، در ابتدا با انتخاب فلز تعیین می شود. در شکل4 ساختارهای کوئوردیناسیون مراکز فلزی و اتصال دهنده ها به صورت شماتیک نمایش داده شده است. با یک تصور فضایی ساده می توان دریافت که از اتصال مراکز فلزی متفاوت با اتصال دهنده های مختلف می توان به شمار زیادی از حفره ها با ساختار هندسی و در نتیجه عملکرد متنوع دست یافت.

filereader.php?p1=main_733ad211acecd0712
شکل 4– اجزای تشکیل دهنده چهارچوب های فلزی- آلی

بسپار کئوردیناسیونی متخلخل ((Porous Coordination Polymer (PCP) می تواند عنوان دیگری برای ترکیبات MOF باشد. استفاده از لغت پلیمر های کئوردیناسیونی به قبل از دهه 1950 بر می گردد ، در حالی که استفاده از لفظ چهارچوب های فلزی- آلی از اواخر دهه 1990 مرسوم شده است. لفظ بسپارهای کئوردیناسیونی از اصطلاح بسپارهای آلی مشتق شده است و در اصل جزئی از خانواده بسپارهای مخلوط آلی و معدنی (Inorganic-organic Hybrid Polymers) است. بسپارهای کئوردیناسیونی آرایه ای از مراکز فلزی است که لیگاندها بصورت پل بین مراکز فلزی قرار گرفته اند. از آنجا که هر مرکز فلزی به بیش از یک لیگاند متصل است، یک آرایش بی نهایتی از مراکز فلزی را ایجاد کند. این پلیمر های کئوردیناسیونی متخلخل یک شبکه نامحدود و مستحکم متشکل از یون های فلزی بعنوان بست (Connector) و لیگاند ها بعنوان اتصال دهنده (Linker) هستند.

3-3 زئولیت ها:
زئولیت ها بلورهای سه بعدی معمولا از جنس آلومینیوم سیلیکات با فرمول عمومی :
filereader.php?p1=main_e1e1d3d40573127e9
هستند. همان گونه که از فرمول مشخص است، فلزات قلیایی و قلیایی خاکی آب دار، در شبکه وجود دارند و بارهای منفی ساختار سیلیکات را جبران می کنند.
در مقایسه با دیگر ساختارها، فضاهای داخلی در زئولیت ها بطور ذاتی صلب تر بوده و محدودیت های ساختاری محکمی را بر روی مولکول ها ایجاد می کند. چنین شرایطی به ایجاد حفرات و کانال های باز منجر می شود. زئولیت های آلومینیوم سیلیکات همگی دارای ساختار شبکه ای چهار وجهی ناشی از هیبریداسیون sp3 در مرکز سیلیکون، پیوند های منظم Si-O را تولید می کند. در عین حال هنوز تعداد زیادی از وضعیت های فضایی ممکن برای زئولیت ها وجود دارد که اخیرا مورد بررسی قرار گرفته اند. چهارچوب ها در زئولیت های طبیعی و اکثر زئولیت های سنتزی بدلیل نقص های جانشینی +Al3 در مراکز سیلیکونی دارای بار منفی هستند. لذا گونه هایی مثبت توازن بار مثبت در فضای اضافی حفرات چهارچوب ها را برقرار می کنند. برای این منظور در مراحل سنتز زئولیت ها از فلزات قلیایی ، قلیایی خاکی و یا کاتیون های آلکیل آمونیوم استفاده می شود. بار و قطبیت چهارچوب ها بر اساس نسبت Si / Al تعیین می شود. زئولیت های آلومینیوم سیلیکات به دلیل قدرت بالای پیوند های Si-O که یکی از قوی ترین پیوند های شناخته شده نیز هستند ، پایداری حرارتی ، گرمایی و شیمیایی (به جز در برابر اسید های قوی) بسیار زیادی دارند. این چنین ویژگی کلیدی این دسته از مواد است که منجر به استفاده از آنها در دما های بالا می شود. تخلخل دائمی آنها یکی از ویژگی های مشخص زئولیت ها است. فرآیند های صنعتی زیادی وجود دارد که وابسته به زئولیت ها است. از این جمله می توان فرآیندهای جداسازی (مثل جداسازی گاز O2 از N2) و کاربردهای کاتالیستی (مثل شکست کاتالیزوری هیدروکربن ها) را نام برد.

filereader.php?p1=main_2a033441826e936c6
شکل 5 – دسته های مواد متخلخل

در فرآیندهای سنتز زئولیت های مصنوعی، ساختار محصول نهایی تا حدودی قابل کنترل بوده و با استفاده از ترکیباتی می توان به حفره هایی با بیشینه اندازه (Size) دست یافت. در راستای رسیدن به حفره های بزرگتر، تغییر Si به +Al3+ / P5 و دیگر گونه های جامد چهاروجهی اکسی آنیون همشکل، می تواند برای رسیدن به ابعاد بزرگتر پنجره ها بکار رود. البته پایداری گرمابی (Hydrothermal) این دسته از ترکیبات کمتر از گونه های آلومینیوم سیلیکات می شود.

4- نتیجه گیری
ترکیبات با تخلخل نانو یکی از مهمترین گروه از نانوساختارها را تشکیل می دهند. مزایایی همچون سطح فعال بالا، واکنش پذیری زیاد و خصوصیات عایق بودن، کاربرد این ترکیبات را در زمینه های مختلف، گسترده می سازد. برهمکنش حفره ها با مولکول های میزبان بر اساس شیمی ابرمولکولی قابل بررسی است. با کنترل محیط فیزیکی-شیمیایی حفره ها می توان خصوصیات جدیدی را در برهمکنش با مولکول های میهمان فراهم آورد و ساختار را در راستای کاربردهای بیشتر بهینه ساخت.

منابـــع و مراجــــع

1. ] Susumu Kitagawa, Ryotaro Matsuda " Chemistry of coordination space of porous coordination polymers " Coordination Chemistry Reviews 251 (2007) 2490–2509.

2. M.J. Rosseinsky " Recent developments in metal–organic framework chemistry: design, discovery, permanent porosity and flexibility " Microporous and Mesoporous Materials 73 (2004) 15–30.

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

سید جعفر سقانژاد - ‏۱۳۹۶/۰۲/۲۳

با سلام

بخش 3-1 در مورد کربن فعال بسیار ضعیف نوشته شده به طوری که با وجود اهمیت و گستردگی استفاده از کربن فعال در صنعت فقط به چند خط اکتفا شده است. این در حالی است که اغلب کاتالیزورهای صنعتی از کربن فعال به عنوان بستر برای کاتالیزورهای خود استفاده می کنند.

از طرفی روش های مختلفی برای سنتز کربن فعال وجود دارد که اغلب به علت کاربرد گسترده صنعتی به صورت پتنت می باشند.

لطفا مطالب به صورت کلی نوشته شوند به طوری که اهمیت موضوع حفظ شده و صرف یک مقاله علمی نباشد، و به محققین در این زمینه ایده داده که در صنعت مورد توجه هستند. این خود به مخاطبین این سایت خواهد افزود.

با تشکر

3 0

پریسا فتوحی ملکی - ‏۱۳۹۴/۱۰/۲۴

مطلب جامع ومفید بود .ممنون

1 0

مهدی داودپور - ‏۱۳۹۳/۰۱/۰۴

بسمه تعالی

در آخرین پاراگراف قبل از نتیجه گیری اشاره شده است جایگزینی Si با آلومینیوم یا فسفر در شبکه منجر به افزایش ابعاد حفره های زئولیتی می گردد و حال آنکه به دلیل کوتاهتر بودن پیوند های Si-O نسبت به Al-O افزایش میزان آلومینیوم در شبکه زئولیت سبب بزرگتر شدن اندازه قفس بتا (B-cage) و درنتیجه تنگ تر شدن حرات می گردد. اثبات تجربی آن نیز مقایسه اندازه حفرات زئولیت های SAPO (که بیشترین مقدار آلومینیوم و تنگ ترین حفرات رادارند) با زئولیت هایی مثل Y، و سیلیکالیت (که کمتریت آلومینیوم و درشت ترین حفرات رادارند) می باشد.

3 0

مریم علی اصغری - ‏۱۳۹۳/۰۱/۰۴

سلام

خیلی بده که کارگاه های نمایشگاه نانو قبل از امتحان نانو هست به همین دلیل خیلی ها شرکنت نمیکنند

0 -1

مهدی شیردل - ‏۱۳۹۲/۰۹/۲۷

this is very good

0 -1

مهدی قاسم پور

خیلی خوب

3 -2

نسیم

سلام خیلی ضعییفه