درآمدي بر نانوذرات

نويسنده :

مرتضي مغربي

خلاصه

با گذر از ميكروذرات به نانوذرات، با تغيير برخي از خواص فيزيكي روبرو مي شويم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومي.

!-- table.MsoTableGrid {border:1.0pt solid windowtext; text-align:justify; text-indent:21.25pt; line-height:120%; page-break-after:avoid; font-size:10.0pt; font-family: Times New Roman ; } h1 {margin-top:12.0pt; margin-right:0in; margin-bottom:6.0pt; margin-left:0in; text-align:center; line-height:120%; page-break-after:avoid; direction:rtl; unicode-bidi:embed; font-size:14.0pt; font-family: Times New Roman ; color:black; } --

با گذر از ميكروذرات به نانوذرات، با تغيير برخي از خواص فيزيكي روبرو مي شويم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومي.

افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم كه به تدريج با كاهش اندازه ذره رخ مي دهد، باعث غلبه يافتن رفتار اتم هاي واقع در سطح ذره به رفتار اتم هاي دروني مي شود. اين پديده بر خصوصيات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر مي گذارد. مساحت سطحي زياد، عاملي كليدي در كاركرد كاتاليزور ها و ساختارهايي همچون الكترودها- يا افزايش كارآيي فناوري هايي همچون پيل سوختي و باتري ها- مي باشد. مساحت سطحي زياد نانوذرات باعث تعاملات زياد بين مواد مخلوط شده در نانوكامپوزيت ها مي شود و خواص ويژه اي همچون افزايش استحكام يا افزايش مقاومت حرارتي يا شيميايي را موجب مي شود.

شكل 1: قطرات آب روي يك سطح چوبي فرآوري شده با «اسپري نيلوفر آبي» شركت BASF. اين روكش حاوي تركيب نانوذرات با پليمرهاي آبگريز است. با تشكر از BASF، آلمان.

از مكانيك كلاسيك به مكانيك كوانتومي به صورتي ناگهاني تر رخ مي دهد. به محض آن كه ذرات به اندازه كافي كوچك شوند، شروع به رفتار مكانيك كوانتومي مي كنند. خواص نقاط كوانتومي مثالي از اين دست است. اين نقاط گاهي اتم هاي مصنوعي ناميده مي شوند؛ چون الكترون هاي آزاد آنها مشابه الكترون هاي محبوس در اتم ها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال مي كنند.

علاوه بر اين، كوچك تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحراني نور، آنها را نامرئي و شفاف مي نمايد. اين خاصيت باعث شده است تا نانوذرات براي مصارفي چون بسته بندي، مواد آرايشي و روكش ها مناسب باشند.

برخي از خواص نانوذرات با درك افزايش اثر اتم هاي سطحي يا اثرات كوانتومي به راحتي قابل پيش بيني نيستند. مثلاً اخيراً نشان داده شده است كه «نانوكره هاي» به خوبي شكل يافتة سيليكون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه تنها سخت تر از سيليكون مي باشند بلكه از نظر سختي بين سافير و الماس قرار مي گيرند.

نانوذرات از زمان هاي بسيار دور مورد استفاده قرار مي گرفتند. شايد اولين استفاده آنها در لعاب هاي چيني سلسله هاي ابتدايي چين بوده است. در يك جام رومي موسوم به جام ليكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ هاي متفاوتي از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو يا عقب) پديد آيد. البته علت چنين اثراتي براي سازندگان آنها ناشناخته بوده است.

كربن بلك مشهورترين مثال از يك ماده نانوذره اي است كه ده ها سال به طور انبوه توليد شده است. حدود 5/1 ميليون تن از اين ماده در هر سال توليد مي شود. البته نانوفناوري راهي براي استفادة آگاهانه و آزادانه از طبيعت نانومقياس ماده است و كربن بلك هاي مرسوم نمي توانند برچسب نانوفناوري را به خود بگيرند. با اين حال قابليت هاي توليد و آناليز جديد در نانومقياس و پيشرفت هاي ايجادشده در درك نظري رفتار نانومواد- كه قطعاً به معناي نانوفناوري است- مي تواند به صنعت كربن بلك كمك نمايد.

نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند؛ معمول ترين آنها نانوذرات سراميكي مي باشد، كه به بخش سراميك هاي اكسيد فلزي- نظير اكسيد هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن- نانوذرات سيليكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس مي باشند، تقسيم مي شوند. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد آنها كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازة يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشيد كه چنين ذرات كوچكي در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسيلة نيروهاي الكتروستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي كنند).

نانوذرات سيليكاتي كه در حال حاضر مورد استفاده قرار مي گيرند ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال ها پيش از اين توليد مي شده اند، معمول ترين نوع خاك رس كه مورد استفاده قرار مي گيرد مونت موريلونيت (Montmorillonite)، يا آلومينوسيليكات لايه اي مي باشد. نانوذرات مي توانند با پليمريزاسيون يا به وسيلة آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند. براي پلاستيك هاي ترموست اين يك فرآيند يك طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محكم و سفت مي شوند و نمي توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستيك ها مي توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.

نانوذرات فلزي خالص مي توانند بدون اينكه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهاي پائين تر از دماي ذوب ذرات بزرگ تر، وادار به آميخته شدن با يك جامد شوند؛ اين كار منجر به سهل تر شدن فرآيند توليد روكش ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن ها، مي گردد. نانوذرات سراميكي اكسيد فلزي نيز مي توانند در ايجاد لايه هاي نازك- چه بلوري و چه آمورف- مورد استفاده قرار گيرند.

نانوذرات سراميكي نيز مي توانند، مانند نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده اي تبديل شوند و هزينة ساخت را كاهش دهند. سيم هاي ابررسانا از نانوذرات سراميكي ساخته مي شوند؛ چون در حالي كه مواد سراميكي متعارف بسيار شكننده هستند، مواد سراميكي نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes اي نسبتاً انعطاف پذيرند. يک زمينة بسيار جذاب، استفاده از آنها براي ساخت روکش هاي نانوبلورين است، که در گزارش ديگري مورد بحث قرار مي گيرد. مثلاً نيروي دريايي آمريکا هم اکنون از سراميک هاي نانوبلورين استفاده مي کند.

اگر چه نانوذرات سراميكي اكسيد فلزي، فلزي و سيليكاتي با كاربردهاي كنوني و پيش بيني شده بخش اعظم نانوذرات را تشكيل مي دهند، اما نانوذرات بسيار ديگري نيز وجود دارند. ماده اي به نام كيتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهنده هاي مو و كرم هاي پوست مورد استفاده قرار مي گيرد، از نانوذرات ساخته شده است. اين فرآيند در اواخر سال 2001 ثبت شد. اين نانوذرات جذب را افزايش مي دهند.

روش هاي توليد

براي توليد نانوذرات روش هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش ها اساساً به سه گروه تقسيم مي شوند: چگالش از يک بخار، سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد نظير آسياب كردن. پس از توليد مي توان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلاً با مواد آب دوست يا آب گريز پوشاند.

چگالش بخار

از اين روش براي ايجاد نانوذرات سراميكي فلزي و اكسيد فلزي استفاده مي شود. اين روش شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته نشين مي شوند. از روش هاي مختلفي مي توان براي تبخير فلز استفاده نمود و تغيير دستگاهي كه امكان تبخير را به وجود مي آورد، طبيعت و اندازة ذرات را تحت تأثير قرار مي دهد. در هنگام ايجاد نانوذرات فلزي براي جلوگيري از اكسيداسيون از گازهاي بي اثر استفاده مي شود، حال آنكه براي توليد نانوذرات سراميكي اكسيدفلزي از اكسيژن هوا استفاده مي شود. مهم ترين مزيت اين روش ميزان كمي آلودگي است. در نهايت اندازة ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي شود.

يك روش كه شايد در اصل، چگالش بخار نباشد روش سيم انفجاري است كه از آن توسطArgonide استفاده مي كند. به خاطر اينكه سيم فلزي در اثر انفجار به خوشه هاي فلزي تبديل شود جريان برقي با ولتاژ بالا به آن اعمال مي شود (مشابه دميدن با يك مفتول به درون حباب شيشه اي مذاب). اين كار در يك گاز بي اثر انجام مي شود كه سريعاً ذرات را فرو مي نشاند.

نوع ديگري از روش چگالش بخار، روش تبخير در خلأ بر روي مايعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در اين روش از فيلم نازكي از مواد نسبتاً ويسكوز- يك روغن يا پليمر- در يک استوانة دوار استفاده مي شود. در اين دستگاه، خلأ ايجاد مي شود و فلز مورد نظر در خلأ تبخير يا پراكنده مي شود؛ ذرات معلقي كه در مايع تشكيل مي شوند، مي توانند به اشكال مختلفي رشد يابند.

توشيبا با استفاده از رسوبدهي شيميايي بخار (CVD) كه عموماً براي توليد فيلم هاي نازك در صنعت مدارات مجتمع به كار مي رود، روش جديدي را براي توليد نانوذرات توسعه داده است. هر دو شكل مايع و گاز در يك رآكتور قرار داده مي شود. برحسب پارامترهاي مختلف (مثل نسبت گاز به مايع، نحوة افزايش گاز و مايع، دما و زمان حرارت دهي) اشكال مختلفي از ذرات را مي توان توليد كرد. همسان بودن نانوذرات در برخي از كاربردها از اهميت زيادي برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در ديسك هاي ذخيره داده لازم است همه آنها هم اندازه باشند. اين شركت فرآيند خود را با اكسيد تيتانيوم آزمايش كرده و نانوكره هايي با ابعاد nm100-1 پديد آورده است. همچنين با پوشش دادن يكي از آنها با چندين ذره، خوشه اي از ذرات را ساخته است.

سنتز شيميايي

عمدتاً استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك واسطة مايع، حاوي انواع واكنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنين روشي است. از اين روش براي ايجاد نقاط كوانتومي نيز استفاده مي شود. به طور كلي براي كنترل شكل نهايي ذرات، روش هاي شيميايي بهتر از روش هاي چگالش بخار هستند. در روش هاي شيميايي، اندازة نهايي ذره را مي توان يا با توقف فرآيند در هنگامي كه اندازة مطلوب به دست آمد، يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهندة ذرات پايدار؛ و يا توقف رشد در يك اندازة خاص، كنترل نمود. اين روش ها معمولاً كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي تواند يك مشكل باشد و مي تواند يكي از استفاده هاي رايج نانوذرات، يعني پخت آنها براي ايجاد روكش هاي سطحي، را دچار مشكل نمايد.

فرآيند هاي حالت جامد

از روش آسياب يا پودر كردن مي توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع مادة آسياب كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي گيرد. از اين روش مي توان براي توليد نانوذراتي از مواد استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي شوند. آلودگي حاصل از مواد آسياب كننده خود مي تواند يك مسئله باشد.

پيشرفت هاي روش هاي توليد

هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوري هاي پيشرفته- همچون صنعت كامپيوتر و داروسازي- توسعه مي يابد، تقاضا براي نانوذرات داراي اندازه و يا شكل تعريف شده در مقياس انبوه و قيمت اندك افزايش مي يابد. اين روند موجب اصلاح مداوم فناوري هاي توليدي موجود و پيشرفت روش هاي توليدي نوين مي گردد.

در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سيالات فوق بحراني (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزي كرده اند. فرآيندهاي ته نشيني با سيالات فوق بحراني باعث توليد ذراتي با توزيع اندازه باريك مي گردد. گازها در بالاي فشار بحراني (Pc) و دماي بحراني (Tc) به سيالات فوق بحراني تبديل مي شوند. SCFها واجد خواصي مابين گاز و مايع مي باشند. عموماً به دليل شرايط نسبتاً ملايم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده مي شود. ضمن آنكه مشكلاتي همچون گراني، سميت، خورندگي و قابليت انفجار و احتراق را ندارند. يك راه اصلاح فناوري سيال فوق بحراني مخلوط نمودن عوامل فعال سطحي با محلول آبي يك نمك فلزي در CO2 فوق بحراني است. اين فرآيند به توليد ميكروامولسيون ها منجر مي شود كه در زمرة نانورآكتورهاي بالقوه براي سنتز نانوذرات بسيار همگن به شمار مي روند.

Sumitomo Electric اخيراً يك فرآيند رسوبدهي الكتريكي اي را توسعه داده است كه طي آن يون هاي فلزي در يك حلال آبي حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزي احيا مي شوند. اين شركت مدعي است فرآيند او در مقايسه با راهكارهاي رسوبدهي شيميايي بخار بسيار اقتصادي و به صرفه است.

روش هاي توليد نوين ديگري نيز گزارش شده اند، كه بر استفاده از امواج مايكرويو، مافوق صوت، و تقليد از طبيعت استوارند.

به دليل قابليت سيستم هاي طبيعي در خلق نانوساختارهاي داراي دقت اتمي، فرآيندهاي زيستي شايسته امعان نظرند. برخي از باكتري ها مي توانند نانوذرات مغناطيسي يا نقره اي را بسازند. از پروتئين هاي باكتريايي براي رشد مگنتيت در آزمايشگاه استفاده شده است. سلول هاي مخمر مي توانند نانوذرات سولفيد كادميوم را ايجاد كنند. به تازگي محققان هندي قارچي را يافته اند كه مي تواند نانوذرات طلا را خلق كند. عده اي در آمريكا از پروتئين هاي ويروسي براي خلق نانوذرات نقرة داراي شكل هاي جذاب استفاده كرده اند. پيوستگي بين راهكارهاي تقليدگرايانه از طبيعت و سنتز شيميايي با حلقة مياني ماكرومولكول هايي همچون درخت سان ها تكميل مي شود. از اين مواد براي ساخت نانوذرات آمورف كربنات كلسيم- يك ماده كليدي در سيستم هاي زيستي- استفاده شده است.

روكش دهي و اصلاح شيميايي

روكش دهي يا اصلاح شيميايي انواع نانوذرات شيوه اي رايج و زمينه اي است كه نوآوري هاي جديد و ارزشمندي را ارائه مي دهد.

نانوذرات سيليكات(سيليكات ها يا اكسيد هاي سيليكون نيز سراميك هستند) براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند؛ مثلاً با يون هاي آمونيوم يا مولكول هاي بزرگ تر نظير سيلسزكيوكسان هاي اليگومريك چندوجهي (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، كه هم براي روكش دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركنندة روي خودشان مناسب هستند. POSS حاوي يك هستة معدني (سيليكون- اكسيژن) و هشت گروه جانبي مختلف آلي است، كه اين گروه ها نوعاً داراي شعاع 5/1 نانومتر هستند و مي توانند به آسان ترشدن پيوند پليمرها به يكديگر كمك كنند و براي پيوند پروتئين آغازگر به زيست مواد، نويدبخش باشند. گاهي اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه بندي مي شوند.

فروسيالات، كه در اوايل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتي مغناطيسي به كوچكي 10 نانومتر استفاده مي كنند كه با يك مادة پايداركننده همانند گرافيت پوشانده مي شوند و در حاملي نظير روغن، آب يا نفت سفيد معلق مي شوند. هر ذره، آهن رباي كوچكي است كه يك ميدان مغناطيسي را به ذرات اعمال و رفتاري غيرمعمولي را در سيال ايجاد مي كند و اجازة كنترل فشار، ويسكوزيته، هدايت الكتريكي، هدايت گرمايي و ضريب انتقال نور را در سيال مي دهد. جذب انرژي از محيط به صورت حرارت مي باشد و لذا اين سيالات را مي توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.

منابع :

CMP Technology White Papers nr. 3, NANOPARTICLES

Resource