برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۷/۲۰ تا ۱۳۹۸/۰۷/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۰۴۲
  • بازدید این ماه ۱۴۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۱۲
  • قبول شدگان ۲۶۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۰۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مواد نانومتخلخل-1

مواد نانومتخلخل (Nanoporous Materials) دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند. سطح ویژه بالا و گزینش‌پذیری شکل و اندازه (Size and Shape Selectivity) از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد به‌شمار می‌روند که باعث کاربرد گسترده آن‌ها در صنایع مختلف مانند کاتالیست‌ها، تصفیه آب و جداسازی آلاینده‌ها شده است. پیشرفت خواص و کاربردهای این مواد وابسته به ساخت مواد نانومتخلخل با ساختار بهینه و کنترل شده است. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی نانومواد متخلخل پرداخته می‌شود و انواع دسته‌بندی‌های این مواد مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس انواع مواد نانومتخلخل معدنی و آلی و هم‌چنین روش‌های سنتز، مشخصه‌یابی و کاربردهای این مواد به طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.

1- مقدمه
مواد نانومتخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند؛ به‌طوری‌که حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. از ویژگی‌های مهم این مواد می‌توان به نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا ترآوایی (Permeability) زیاد، گزینش‌پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی مناسب اشاره کرد. به‌دلیل دارا بودن چنین ویژگی‌های مطلوبی، از این مواد در کاربردهای حساس و متنوع مانند تبادل‌گر یونی (ion exchanger)، جداسازی و حذف آلاینده‌ها، کاتالیزورها، حسگر (در کاربردهای زیستی)، غشا (Membrane)  و مواد عایق استفاده می‌شود. مشهورترین و متداول‌ترین مواد نانومتخلخل عبارتند از: زئولیت، کربن و سیلیکای نانومتخلخل.

 

2- تعریف تخلخل
به نسبت حجمی فضای خالی ماده به حجم کل آن، تخلخل (Porosity) گفته می‌شود. تخلخل به‌صورت عددی در محدوده 1-0 و به‌صورت درصدی در محدوده 100-0 گزارش می‌شود. به موادی که مقدار تخلخل آن‌ها بین 0/2 تا 0/95 باشد، مواد متخلخل گفته می‌شود. تخلخل یا حفره خود به دو دسته باز (open pore) و بسته (close pore) تقسیم‌بندی می‌شود. حفره باز به حفراتی اطلاق می‌شود که متصل به سطح آزاد ماده هستند. از این حفرات در کاربردهایی مانند فیلتراسیون (filtration)، جداسازی آلاینده‌ها و کاربردهایی شیمیایی از قبیل کاتالیزور و کروماتوگرافی استفاده می‌شود. برای مطالعه بیشتر در مورد کروماتوگرافی به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید.    

به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است، حفره بسته (Closed Pore) گفته می‌شود. حضور این حفرات نقشی در کاربردهای شیمیایی ماده نانومتخلخل نداشته و تنها باعث افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و هم‌چنین کاهش وزن ماده می‌شود. شکل 1 شمایی از حفرات باز و بسته را نشان می‌دهد.


شکل 1- شمایی از حفرات باز و بسته

 

حفره‌ها دارای شکل‌های گوناگون مانند کروی، استوانه‌ای، شیاری، قیفی‌شکل و یا آرایش شش‌ضلعی (hexagonal) هستند. هم‌چنین حفره‌ها می‌توانند صاف، خمیده و همراه با چرخش و پیچش باشند. شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی از ماده نانومتخلخل با آرایش شش‌ضلعی حفرات استوانه‌ای را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- تصویر میکروسکوپ الکترونی از ماده نانومتخلخل با آرایش شش‌ضلعی حفره‌های استوانه‌ای.  

 

3- دسته‌بندی مواد نانومتخلخل
مواد نانومتخلخل را می‌توان بر حسب اندازه حفره‌ها، مواد تشکیل‌دهنده و نظم ساختار بلوری تقسیم‌بندی کرد.

 

1-3- اندازه حفره‌ها
اتحادیه جهانی شیمی محض و کاربردی (International Union of Pure and Applied Chemistry; IUPAC) مواد متخلخل را بر حسب اندازه حفرات آن‌ها به سه دسته میکرومتخلخل، مزومتخلخل و ماکرومتخلخل دسته‌بندی کرده است:

  1. میکرومتخلخل (Microporous): این مواد دارای حفره‌هایی با قطر کمتر از 2 نانومتر هستند.
  2. مزومتخلخل(Mesoporous):  این مواد دارای حفره‌هایی با قطر 2 تا 50 نانومتر هستند.  
  3. ماکرومتخلخل (Macroporous): این مواد دارای حفره‌هایی با قطر بیشتر از 50 نانومتر هستند.

معمولاً در علم نانو، عبارت نانومتخلخل (nanoporous) برای مواد متخلخل با حفراتی با قطر کمتر از 100 نانومتر به‌کار می‌رود. شکل 3 تصاویر میکروسکوپ الکترونی از مواد ماکرو، مزو و میکرومتخلخل را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- تصاویر میکروسکوپ الکترونی از مواد (الف) ماکرومتخلخل، (ب) مزومتخلخل و (ج) میکرومتخلخل.

 

2-3- مواد تشکیل‌دهنده
نوع دیگری از دسته‌بندی مواد نانومتخلخل، تقسیم آن‌ها بر اساس ترکیب شیمیایی آن‌ها است. از این دیدگاه، مواد نانومتخلخل به دو دسته آلی و معدنی دسته‌بندی می‌شوند. به دلیل اهمیت بالای این نوع دسته‌بندی، در بخش بعدی به‌طور مفصل به مواد نانومتخلخل آلی و معدنی پرداخته خواهد شد.

 

3-3- نظم ساختار بلوری
مواد نانومتخلخل بر اساس نظم موجود در ساختار خود به دو دسته منظم و بی‌نظم تقسیم‌بندی می‌شوند:

  1. ساختارهای بلوری یا منظم (Ordered) که دارای یک نظم بلند دامنه در ساختار خود هستند.
  2. ساختارهای آمورف یا بی‌شکل (Amorphous) که فاقد نظم بلند دامنه در ساختار خود بوده و ممکن است فقط قسمت‌هایی از آن‌ها به‌طور مجزا دارای نظم کریستالی کوتاه دامنه باشند.

 

4- مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل آلی به دو دسته کربنی و پلیمری (بسپاری) تقسیم‌بندی می‌شوند:

1) مواد نانومتخلخل کربنی: کربن فعال (activated carbon)، کربنی با حفره‌های بسیار زیاد بوده و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل به‌شمار می‌رود. طبق تعریفی دیگر، کربن فعال به گروهی از مواد کربنی با سطح داخلی بالا گفته می‌شود که به‌دلیل مساحت داخلی قابل توجه، ساختار بسیار متخلخل، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح، به‌طور گسترده‌ای در جداسازی بو، رنگ و مزه از آب مورد استفاده در مصارف صنعتی و خانگی و هم‌چنین در تصفیه هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. هزینه پایین‌تر این ماده نانومتخلخل معدنی نسبت به مواد نانومتخلخل آلی مانند زئولیت، باعث گسترش استفاده از آن شده است. شکل 4 تصویری از کربن فعال نانومتخلخل را نشان می‌دهد.

 

شکل 4- تصویری از کربن فعال نانومتخلخل.

 

2) مواد نانومتخلخل پلیمری: مواد نانومتخلخل پلیمری به‌دلیل دارا بودن ساختار انعطاف‌پذیر، دارای حفره‌های پایداری نبوده و تنها چند ترکیب محدود از این نوع مواد نانومتخلخل در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.  

 

5- مواد متخلخل معدنی
1-5- مواد میکرومتخلخل
1-1-5- زئولیت

زئولیت‌ها مهم‌ترین و متداول‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل هستند که دارای ساختار منظم بلوری بوده و ساختار آن‌ها حاوی حفره‌هایی با بار ذاتی منفی است. معمولاً ساختار زئولیتی از شبکه بلوری چهاروجهی (tetrahedral) با چهار اتم اکسیژن در گوشه‌ها و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیوم یا فسفر تشکیل می‌شود. زئولیت‌ها به دو دسته اصلی آلومینوفسفات‌ها (aluminophosphates) و آلومینوسیلیکات‌ها (aluminosilicates) تقسیم‌بندی می‌شوند. ویژگی‌هایی بارز این مواد میکرومتخلخل شامل قدرت اسیدی بالا، گزینش‌پذیری مناسب، سطح ویژه زیاد و پایداری گرمایی بالا است. از این مواد میکرومتخلخل در کاتالیست‌ها، تبادل‌گرهای یونی و مش‌های (غربال‌های) مولکلولی (molecular sieves) استفاده می‌شود. شکل 5 شمایی از ساختار زئولیت میکرومتخلخل را نشان می‌دهد.

 

شکل 5- شمایی از ساختار زئولیت میکرومتخلخل که در آن اتم‌ها قرمز نشان‌دهنده اکسیژن و اتم‌های آبی آلومینیوم یا سیلیکون هستند.

 

2-1-5- چارچوب فلزی-آلی (Metal-Organic Framework; MOF)

مواد میکرومتخلخل MOF از واحدهای یون فلزی یا خوشه (Cluster) معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصال‌دهنده تشکیل شده‌اند. اتصال این یون‌های فلزی یا خوشه‌های معدنی باعث تشکیل حفره‌هایی با شکل معین مانند کره یا هشت‌وجهی می‌شود. ویژگی بارز این مواد میکرومتخلخل، چگالی کم و سطح ویژه بالای آن‌ها است. جهت آشنایی بیشتر با چارچوب‌های فلز-آلی به مقاله "دسته جدیدی از ترکیبات متخلخل: چارچوب‌های فلز-آلی" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید.

 

3-1-5- هیبریدهای آلی- معدنی (Inorganic-organic Hybrids)

این دسته از مواد میکرومتخلخل، از اتصال قطعات معدنی توسط واحدهای آلی تشکیل می‌شوند. شکل 6 شمایی از مواد میکرومتخلخل چارچوب آلی-فلزی و هیبریدهای آلی-معدنی را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_10bf8afa13b67208137587f1c2abac0e.jpg&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 6 - شمایی از مواد میکرومتخلخل (الف) چارچوب آلی-فلزی و (ب) هیبریدهای آلی-معدنی که شامل لایه‌های معدنی و اتصال‌دهنده آلی (اگزالات) است.

 

2-5- مواد مزومتخلخل
1-2-5- سیلیکا

مواد مزومتخلخل سیلیکا جز آخرین دستاوردها در زمینه نانوتکنولوژی محسوب می‌شوند. از متداول‌ترین انواع سیلیکای مزومتخلخل می‌توان به  ترکیبات (Mobile Composition of Matter; MCM-44) و (Santa Barbara Amorphous; SBA-15) اشاره کرد. از سیلیکای مزومتخلخل در دارورسانی، ذخیره‌سازی انرژی حرارتی و حسگرهای زیستی استفاده می‌شود. شکل 7 تصویر TEM از سیلیکای مزومتخلخل را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- تصویر TEM از سیلیکای مزومتخلخل.

 

2-2-5- اکسید، نیترید و سولفید فلزات

مواد نانومتخلخل سنتز شده از اکسید، نیترید و سولفید فلزات مختلف شامل تیتانیوم دی‌اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی‌اکسید، آلومینا، نیترید بور و سولفید مس بوده و فعالیتی بسیار بیشتر از حالت بدون تخلخل خود دارند.

 

3-5- مواد ماکرومتخلخل
1-3-5- بلور کلوییدی (Opal or Colloidal Crystal)

این مواد ماکرومتخلخل از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شوند. فضای بین این کره‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس (inverted crystal)، کره‌ها توخالی بوده و فضای بین آن‌ها پر است. جدول 1 نشان‌دهنده مقایسه‌ای بین خواص مختلف انواع مواد متخلخل با ترکیب شیمیایی و اندازه حفرات مختلف است.  

 

جدول 1- مقایسه‌ای بین خواص مختلف انواع مواد متخلخل (میکر، مزو و ماکرو) با ترکیب شیمیایی و اندازه حفرات مختلف.

 

6- روش‌های رایج سنتز
1-6- روش هیدروترمال به‌کمک ریزموج (Microwave assisted Hydrothermal)

روش سنتز هیدروترمال که با نام روش شیمیای تر (wet-chemical) هم شناخته می‌شود، یک روش با فشار متوسط برای سنتز مواد نانومتخلخل است که در یک محلول آبی انجام می‌گیرد. در این روش، محلول آبی موجود در یک اتوکلاو تا دمای 200 درجه کلوین حرارت داده شده و فشار آن به‌تدریج افزایش می‌یابد تا به مقدار مشخصی برسد. برای سنتز مواد نانومتخلخل، ژل آبی شامل مواد اولیه و مواد کمکی واکنش مانند عامل‌های هدایت ساختار (Structure-directing Agents)، محیط واکنش را تشکیل داده و گرمای واکنش توسط امواج ریزموج تأمین می‌شود. شکل 8 شمایی از اصول سنتز مواد نانومتخلخل با روش هیدروترمال به‌کمک ریزموج را نشان می‌دهد.

 

شکل 8- شمایی از اصول سنتز مواد نانومتخلخل با روش هیدروترمال به‌کمک ریزموج: (1) اجاق ریزموج، (2) خط کنترل نیروی ریزموج، (3) تابش ریزموج ایده‌آل شده، (4) محفظه واکنش، (5) حسگر دما، (6) خط کنترل دما، (7) مقیاس، (گیج) فشار، (8) خط کنترل فشار، (9) واکنش‌گرهای موجود در محلول و (10) خط کنترل.

 

2-6- روش سنتز با استفاده از الگو (Templated Synthesis)
در این روش، از مولکول یا دسته‌ای از مولکول‌ها با شکل هندسی مشخص به‌عنوان قالب برای ایجاد حفره‌ها استفاده شده و بعد از رشد ماده روی مولکول‌ها، قالب توسط روش‌های فیزیکی و شیمیایی حذف می‌شود. مزیت اصلی این روش، کنترل دقیق شکل و اندازه حفره‌ها است. شکل 9 شمایی از مراحل سنتز مواد نانومتخلخل با استفاده از الگو همراه با الگوهای متداول در این روش را نشان می‌دهد.

 

شکل 9 - شمایی از مراحل سنتز مواد نانومتخلخل با استفاده از الگو همراه با الگوهای متداول در آن: 1- تک مولکول، 2- مولکول دوگانه‌دوست (که شامل یک رشته آلی چربی‌دوست (قرمز) و یک سر آب‌دوست (آبی) است؛ 3. مایسل (Micelle) که خوشه‌ای از مولکول‌های دوگانه‌ است؛ 4- مواد پیچیده‌تر، 5. ساختار کروی و 6. دسته‌ای از ساختارهای کروی.

 

7- مشخصه‌یابی و اندازه‌گیری تخلخل
مشخصه‌یابی و اندازه‌گیری مقدار تخلخل مواد نانومتخلخل امکان شناخت خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن‌ها را فراهم کرده و باعث استفاده مطلوب از آن‌ها در کاربردهای متنوع می‌شود. خواص مهم تخلخل‌ها که با استفاده از این مشخصه‌یابی مورد مطالعه قرار می‌گیرند عبارتند از: اندازه و شکل حفره‌ها، شیارها و مجراها و توانایی غربال کردن مولکول‌ها. هم‌چنین، امکان بررسی کئوردیناسیون، فعالیت، گزینش‌پذیری و حالت اکسایش و قدرت پیوند مواد نانومتخلخل با روش‌های مشخصه‌یابی وجود دارد.

 

1-7- روش‌ مبتنی بر میکروسکوپ‌های الکترونی
مهم‌ترین مزیت این روش‌، دست‌یابی به تصویری واضح از ساختار ماده نانومتخلخل است. روش میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope; SEM) تصاویر واضحی از مورفولوژی مواد نانومتخلخل را فراهم می‌کند. هم‌چنین، از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (High Resolution Transmission Electron Microscope; HRTEM) برای مطالعه ترکیبات جامد مزومتخلخل و بی‌شکل استفاده می‌شود. میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا امکان بررسی توزیع و اندازه حفره‌ها را فراهم کرده و تنها روشی است که توانایی تشخیص هم‌زمان حفره‌های مزو و میکرو را در یک ترکیب کامپوزیتی دارد.

 

چندرسانه‌ای 1: آشنایی با میکروسکوپ الکترونی روبشی؛ استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، تصاویر واضحی از مواد نانوساختار و مواد نانومتخلخل و میکروساختارهای سه بعدی، در اختیار می‎گذارد. در این نوع میکروسکوپ، با اسکن سطح نمونه با پرتویی پرانرژی و متمرکز، سیگنال‎های متعددی تولید می‎شود که حاوی اطلاعاتی درباره توپوگرافی، ترکیب شیمیایی، خواص نوری و معناطیسی نمونه است. 

 

چندرسانه‌ای 2: آشنایی کلی با میکروسکوپ الکترونی عبوری؛ میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) یکی از ابزارهای شناسایی نانوساختارها محسوب می‌شود. میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا، روشی برای مطالعه ترکیبات جامد مزومتخلخل و بی‌شکل است که حضور حفره‌های مزو و میکرو را در یک ترکیب کامپوزیتی و توزیع و اندازه حفره‌ها را نشان می‌دهد. TEM دارای توانایی نشان دادن فضای حفره و دیواره نانوراکتورها است. در TEM، یک پرتوی الکترونی پرانرژی از میان نمونه‌ای نازک گذشته و اطلاعاتی در مورد ساختار داخلی آن آشکار می کند.

2-7- روش مبتنی بر پراش
این روش شامل پراش نوترون (Neutron diffraction) و پراش پرتو ایکس (X-ray diffraction; XRD) است. در این روش، امکان تشخیص ساختار کلی مواد نانومتخلخل با پراکنده شدن پرتوها توسط هسته و الکترون‌های اتم وجود دارد. هم‌چنین، اندازه، حجم و شکل فضایی حفرات و سطح ویژه ماده نانومتخلخل با این روش قابل مطالعه است.

 

3-7- روش جذب گاز (Gas Adsorption Method)
این روش برای مشخصه‌یابی سطح ویژه مواد میکرو و مزومتخلخل به‌کار می‌رود. روش کار به این صورت است که گازهایی مانند نیتروژن، کریپتون و کربن‌دی‌اکسید به‌صورت فیزیکی جذب سطح ماده می‌شوند. مقدار گاز جذب شده معیاری برای اندازه‌گیری سطح ویژه ماده متخلخل است. 

 

4-7 روش طیف‌سنجی جذب پرتوی ایکس  (X-ray Absorption Spectroscopy; XAS)
این روش یکی از روش‌های اختصاصی مطالعه مواد میکرو و مزومتخلخل بر مبنای جذب پرتوی ایکس است. با استفاده از این روش می‌توان اطلاعاتی از اتم‌های مجاور، نحوه اتصال اتم‌ها و هم‌چنین ساختار الکترونی ماده به دست آورد.

 

5-7- روش طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance; NMR)
تشدید مغناطیسی هسته یک پدیده فیزیکی بر اساس مکانیک کوانتومی بوده و اساس آن، اندازه‌گیری تابش الکترومغناطیس در ناحیه فرکانس رادیوئی 600-4 مگاهرتز است. در این روش، برخلاف جذب پرتوهای فرابنفش، مرئی و مادون قرمز، اتم‌ها به‌جای الکترون‌های بیرونی جذب می‌شوند. روش طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته با استفاده از چرخش مغناطیسی هسته، اطلاعات زیادی از خواص ساختاری بلور مانند مکان و نوع چارچوب‌ها، اتم‌ها و گونه‌های اطراف آن‌ها ارائه می‌کند. در این روش، فرکانس رادیویی جذب شده توسط هسته‌های اتمی فعال، نسبت به محیط شیمیایی اطراف هسته متفاوت است. در این روش، ساختار اصلی شامل هسته‌های سیلیسیوم، آلومینیوم، فسفر و گالیوم بوده و هسته کاتیون‌های جبران‌کننده بار شامل هیدروژن، سدیم، لیتیوم و سزیوم هستند. در این روش، مطالعه نوع و تعداد اتم‌های مجاور با بررسی جابه‌جایی شیمیایی (Chemical Shift) یا تغییرمکان پیک‌های ظاهر شده در محور فرکانس طیف، امکان‌پذیر است.

 


چندرسانه‌ای 3: آشنایی با طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته

 


چند‌رسانه‌ای 4: چگونه پدیده طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته انجام می‌پذیرد؟

 

6-7- سایر روش‌ها

سایر روش‌های مشخصه‌یابی مواد متخلخل عبارتند از: روش تخلخل‌سنجی جیوه (Mercury porosimetry)  و روش طیف‌سنجی عمر نابودی پوزیترون (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy; PALS).   

در روش تخلخل‌سنجی جیوه، با تزریق جیوه با فشار زیاد به درون حفره‌ها، می‌توان ویژگی‌های ماده نانومتخلخل را با توجه به مقدار جیوه مصرف شده تعیین کرد. روش طیف‌سنجی عمر نابودی پوزیترون برای تشخیص عیوب موجود در ساختار مواد جامد به‌کار می‌رود که در آن، با تابش پوزیترون و اندازه‌گیری مقدار پوزیترون تبدیل شده به پرتوی گاما (هر پوزیترون به دو فوتون گاما تبدیل می‌شود)، می‌توان اطلاعاتی از حفره‌های باز و حتی حفره‌های بسته به دست آورد.

 

8- کاربردها
1-8- جداسازی و حذف آلاینده‌ها

یکی از کاربردهای برجسته مواد نانومتخلخل، غربال مولکولی برای جداسازی گزینشی مولکول‌ها با توجه به شکل و اندازه آن‌ها، و هم‌چنین جداسازی و حذف آلاینده‌هایی مانند سولفور دی اکسید و اکسیدهای کربن و نیتروژن است. این جداسازی‌ها با استفاده از حفره‌های مواد نانومتخلخل انجام می‌گیرد.

 

2-8- تولید و ذخیره‌سازی انرژی

از مواد نانومتخلخل برای تولید و ذخیره‌سازی گاز هیدروژن، به‌عنوان یک منبع انرژی پاک، استفاده می‌شود. یکی از مواد نانومتخلخل متداول در تولید و ذخیره‌سازی هیدروژن، کربن است که به‌شکل‌های کربن متخلخل ساده (plain porous carbon)، کربن متخلخل ساپورت شده با فلز (metal-supported porous carbon) و هیدرید محدودشده با کربن متخلخل (Porous carbons confined hydrides) وجود دارد.

 

3-8- کاتالیزور

مواد نانومتخلخل به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود مانند سطح ویژه زیاد و ساختار گزینش‌پذیر، در ساخت کاتالیزورهای بسیار فعال یا به‌عنوان کاتالیزور یا بستر ذرات کاتالیزوری، مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل 10 تصویری از ساختار زئولیت مورد استفاده در کاربردهای کاتالیستی را نشان می‌دهد.

 

شکل 10- تصویری از ساختار زئولیت مورد استفاده در کاربردهای کاتالیستی.

 

4-8- حسگرها
مواد نانومتخلخل به دلیل سطح فعال بالا، نسبت به کوچک‌ترین تغییرات محیط حساس بوده و گزینه امیدبخشی برای ساخت حسگرهای گازهای سمی یا گازهای قابل اشتعال به‌شمار می‌روند.

 

5-8- کاربردهای زیستی
مواد نانومتخلخل با ساختار گزینش‌پذیر و سطح ویژه عالی، در جداسازی و حمل مولکول‌های زیستی کاربرد وسیعی داشته و در آزادسازی دارو، حسگرهای زیستی (biosensors) هم مورد استفاده قرار می‌گیرند. از حسگرهای زیستی متداول می‌توان به طلا، نقره و پلاتین اشاره کرد. شکل 11 شمایی از حسگرهای پلاتین یا پلاتین-طلا سنتز شده با روش رسوب‌دهی الکتریکی همراه با تصاویر SEM آن‌ را نشان می‌دهد.

 

شکل 11- شمایی از حسگرهای پلاتین یا پلاتین-طلا سنتز شده با روش رسوب‌دهی الکتریکی همراه با تصاویر SEM آن‌.

 

چند‌رسانه‌ای 5: غشاهای نانوحفره و رهاسازی کنترل شده دارو

 

6-8- تصفیه آب و پساب
یکی از مهم‌ترین کاربردهای مواد نانومتخلخل مانند زئولیت، استفاده از آن‌ها در تصفیه آب و پساب است. به‌عنوان مثال، وقتی از زئولیت نانومتخلخل برای تصفیه آب و پساب استفاده می‌شود، در حفره‌های آن کاتیون‌هایی مانند سدیم بارگذاری شده و باعث خنثی شدن بار ساختار می‌شود. این کاتیون‌ها، با کاتیون‌ها و فلزات مضر داخل آب مثل فلزات سنگین (کادمیوم، جیوه و سرب)، عناصر پرتوزا (استرانسیوم و سزیم)، آمونیوم و سایر فلزات تعویض (exchange) شده و باعث ورود کاتیون‌های سالم و بی‌خطر مانند سدیم به آب می‌شوند. هم‌چنین از مواد نانومتخلخل به عنوان غشا و صافی در تصفیه و حذف آلاینده‌های آلی استفاده می‌شود.

 

7-8- سایر کاربردها
سایر کاربردهای مواد نانومتخلخل عبارتند از:

  • تهیه صافی‌ها و غشاهای مجزاکننده با کارآیی بهتر
  • ساخت غشاهای کاتالیزوری برای فرآیندهای شیمیایی
  • ساخت الکترودهای متخلخل برای پیل سوختی (Fuel cell)
  • کاربرد در الکتروشیمی (باتری)
  • عایق‌های صوتی و حرارتی.

جدول 2 و 3 به ترتیب و به‌طور خلاصه اسامی، روش سنتز و کاربردهای تعدادی از مواد نانومتخلخل آلی و معدنی را نشان می‌دهند.

 

جدول 2- خلاصه‌ای از اسامی، روش سنتز و کاربردهای تعدادی از مواد نانومتخلخل آلی.

 

جدول 3- خلاصه‌ای از اسامی، روش سنتز و کاربردهای تعدادی از مواد نانومتخلخل معدنی.  

 

نتیجه‌گیری
مواد نانومتخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند؛ به‌طوری‌که حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. از ویژگی‌های مهم این مواد می‌توان به نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا ترآوایی زیاد، گزینش‌پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی مناسب اشاره کرد. در این مقاله به بررسی نانومواد متخلخل، انواع دسته‌بندی‌های آن‌ها، مواد نانومتخلخل آلی و معدنی، و هم‌چنین روش‌های سنتز، مشخصه‌یابی و کاربردهای این مواد پرداخته شد. گفته شد مواد متخلخل موادی هستند که مقدار تخلخل آن‌ها بین 0/2 تا 0/95 باشد. اشاره شد که حفره‌ها دارای شکل‌های گوناگون مانند کروی، استوانه‌ای، شیاری، قیفی‌شکل یا آرایش شش‌ضلعی هستند. مواد نانومتخلخل را می‌توان بر حسب اندازه حفره‌ها، مواد تشکیل‌دهنده و نظم ساختار بلوری تقسیم‌بندی کرد. تأکید شد که مواد متخلخل را بر حسب اندازه حفرات آن‌ها به سه دسته میکرومتخلخل، مزومتخلخل و ماکرومتخلخل دسته‌بندی می‌شوند. هم‌چنین از دیدگاه ترکیب شیمیایی، مواد نانومتخلخل به دو دسته آلی و معدنی دسته‌بندی می‌شوند. از نقطه نظر نظم موجود در ساختار مواد نانومتخلخل، این مواد به دو دسته منظم و بی‌نظم دسته‌بندی می‌شوند. اشاره شد که روش‌های رایج در سنتز مواد نانومتخلخل شامل روش سنتز هیدروترمال به‌کمک ریزموج و روش سنتز با الگو است. تأکید شد که مشخصه‌یابی و اندازه‌گیری مقدار تخلخل مواد نانومتخلخل امکان شناخت خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن‌ها را فراهم کرده و باعث استفاده مطلوب از آن‌ها در کاربردهای متنوع می‌شود. انواع روش‌های مشخصه‌یابی این مواد شامل روش مبتنی بر میکروسکوپ‌های الکترونی، روش مبتنی بر پراش، روش جذب گاز، روش طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس و روش طیف‌سنجی تشدید مغناطیس هسته معرفی شدند. سپس کاربردهای مختلف مواد نانومتخلخل مانند کاتالیزور، تولید و ذخیره‌سازی انرژی، حسگرها و تصفیه آب و پساب مورد بررسی قرار گرفت.

 

پیوست‌ها

پیوست 1

کروماتوگرافی (Chromatography) روشی برای جداسازی اجزای یک مخلوط با عبور دادن یک فاز متحرک از روی یک فاز ساکن است. در این روش معمولاً مخلوط در فاز مایع یا گاز بوده و از یک لوله یا شبکه عبور داده می‌شود. از آن‌جایی‌که سرعت حرکت اجزای تشکیل‌دهنده مخلوط در لوله یا شبکه با یک‌دیگر تفاوت دارند، مخلوط به اجزای تشکیل‌دهنده خود تجزیه شده و هر جز به‌طور جداگانه خارج می‌شود.

 

منابـــع و مراجــــع

Polarz, Sebastian, and Bernd Smarsly. "Nanoporous materials." Journal of nanoscience and nanotechnology 2, no. 6 (2002): 581-612.

Mochizuki, Dai, Sachiko Kowata, and Kazuyuki Kuroda. "Synthesis of Microporous Inorganic− Organic Hybrids from Layered Octosilicate by Silylation with 1, 4-Bis (trichloro-and dichloromethyl-silyl) benzenes." Chemistry of materials 18, no. 22 (2006): 5223-5229.

Morris, Russell E., and Paul S. Wheatley. "Gas storage in nanoporous materials." Angewandte Chemie International Edition 47, no. 27 (2008): 4966-4981.

Gor, Gennady Y., Patrick Huber, and Noam Bernstein. "Adsorption-induced deformation of nanoporous materials—A review." Applied Physics Reviews 4, no. 1 (2017): 011303.

Ma, Ying, Wei Tong, Hua Zhou, and Steven L. Suib. "A review of zeolite-like porous materials." Microporous and mesoporous materials 37, no. 1-2 (2000): 243-252.

ALOthman, Zeid. "A review: fundamental aspects of silicate mesoporous materials." Materials 5, no. 12 (2012): 2874-2902.

Wang, Shaobin. "Ordered mesoporous materials for drug delivery." Microporous and mesoporous materials 117, no. 1-2 (2009): 1-9.

Asefa, Tewodros, and Zhimin Tao. "Mesoporous silica and organosilica materials—Review of their synthesis and organic functionalization." Canadian Journal of Chemistry 90, no. 12 (2012): 1015-1031.

Xia, Yongde, Zhuxian Yang, and Yanqiu Zhu. "Porous carbon-based materials for hydrogen storage: advancement and challenges." Journal of Materials Chemistry A 1, no. 33 (2013): 9365-9381.