نانو ذرات، حال و آينده

خلاصه

بازار جهاني نانوذرات در سال 2001 حدوداً به 6/555 ميليون دلار رسيد و انتظار مي رود كه با نرخ رشد ساليانه 8/12% در سال 2005 به 900 ميليون دلار برسد. در سال 2005 كاربردهاي الكترونيك، مغناطيس و اپتوالكترونيك نانوذرات 2/74% بازار فروش را به خود اختصاص مي دهند.

نانوذرات به ذرات كمتر از 100 نانومتر گفته مي شود. در اين متن به نانوذرات غيرآلي مي پردازيم كه بصورت پودر خشك و يا توزيع در مايع مي باشند. در بسياري از موارد نانوذرات به منظور رسيدن به محصولي خاص فرآوري مي شوند. مانند توليد فيلم ها، وسايل و يا دوغاب نانوذرات براي كاربردهاي تجاري.

باتوجه به ماهيت نانوتكنولوژي نمي توان پيش بيني هاي دقيقي از آينده نانوتكنولوژي داشت. بازار جهاني نانوذرات در سال 2001 حدوداً به 6/555 ميليون دلار رسيد و انتظار مي رود كه با نرخ رشد ساليانه 8/12% در سال 2005 به 900 ميليون دلار برسد. در سال 2005 كاربردهاي الكترونيك، مغناطيس و اپتوالكترونيك نانوذرات 2/74% بازار فروش را به خود اختصاص مي دهند. زيست پزشكي، داروسازي و آرايشي درحدود 1/16% و كاربردهاي انرژي، كاتاليستي و سازه اي درحدود 8/9% بازار فروش را به خود اختصاص خواهند داد.

امروزه پراهميت ترين نانوذرات از نظر تجاري اكسيدهاي ساده فلزات مثل سيليكا (SiO 2 ) ، تيتانيا (TiO 2 ) ، آلومينا (Al 2 O 3 ) ، اکسيدهاي آهن (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) ، اكسيد روي (ZnO) ، سريا (CeO 2 ) و زيركونيا (ZrO 2 ) ، مي باشند.

همچنين اكسيدهاي مخلوط نيز مانند اينديم- قلع (ITO)(In2O 3 -SnO 2 ) ، اكسيد قلع- آنتيموان (ATO) ، سيليكات ها (سيليكات هاي آلومينيوم و زيركنيم) و تيتانات ها (تيتانات باريم) از اهميت بالايي برخوردارند. نانوذراتي مانند سيليكا و اكسيد آهن تاريخچه تجاري طولاني در حدود نيم قرن دارند. ولي نانوذراتي مانند TiO 2 و ITO اخيراً وارد بازار فروش شده اند.

انواع ديگر نانوذرات مانند اكسيدهاي كمپلكس، نيمه هادي ها، كاربيدهاي فلزي و فلزات خالص نيز در حال توسعه مي باشند. نانوذرات نيمه هادي به جز TiO 2 و ITO در حال حاضر از نظر تجاري كاربرد بالايي ندارند. همچنين در مورد فلزات خالص نيز واكنش پذيري بالاي آنها امكان توليد، انتقال و ذخيره سازي آنها بسيار مشكل مي باشد.

نانو ذرات از منظر توليد

در حال حاضر روش هاي متعددي براي توليد نانوذرات توسعه يافته است.

در زير برخي از روش هاي رايج و مهم را مورد بررسي قرار مي دهيم.

1- روش هاي خردايشي:

در اين روش ها ذرات ميكرومتري با اعمال انرژي مستقيم به ذرات كوچكتر تبديل مي شوند. مثلاً از روش هاي آسياب كردن براي خردكردن استفاده مي شود. شرايط گرمايي، دمايي و شيميايي محيط آسياب توسط محققين بسياري بررسي شده است. محصول تهيه شده به اين روش ها آلوده به محيط آسياب مي شود.

سالانه چندين تن از اين نانوذرات در محدودة قيمتي 500-50 دلار به فروش مي رسد.

شركت هايي كه از روش هاي خردايشي استفاده مي كنند، عبارتند از:

* Advanced Powder Technology (apt-powders.com)

* Altair Nanotechnologies (altairnano.com)

* NanoSystems (nanocrystal.com)

* Samsung Corning (samsung.com)

* Buhler AG (buhlergroup.com/nano/en).

2- روش هاي فاز بخار:

با استفاده از اين روش ها مي توان نانوذرات فلزي و اكسيد فلزي توليد كرد. اكسيدهاي فلزي توليدشده در توليد پوشش هاي شفاف و مقاوم به خش و همچنين در مقاوم سازي پليمرها به منظور توليد نانوكامپوزيت ها كاربرد دارد. در اين روش ها ماده خام مورد نظر به فاز گازي تبديل مي شود و يا با يك گاز ديگر مثل اكسيژن (هنگام توليد اكسيد فلزي) و يا با يك گاز خنثي (براي توليد نانوذرات فلزي) در دماي 1500 تا 2300 درجه كلوين مخلوط مي شود. سپس اين گاز سرد مي شود تا نانوذرات توليد شوند. از مزيت هاي اين روش آلودگي كم نانوپودرها و تنوع توليد محصولات با تركيب شيميايي مختلف مي باشد.

اندازه ذرات توليدشده با پارامترهايي مثل دما، گاز حامل و نرخ تبخير فلز كنترل مي شود.

از معايب اين روش هزينه بالاي اين روش ها از نظر انرژي به خاطر دماي بالاي مورد نياز مي باشد. علاوه بر اين چنانچه سردكردن با يك ماده ديگر انجام شود، هزينه جداسازي و مواد اوليه مورد نياز نيز اضافه خواهد شد.

شركت هايي كه از روش هاي فاز گازي استفاده مي كنند عبارتند از:

* Cabot (cabot.com)

* Degussa (advanced-nano.com)

* NanoProducts (nanoproducts.com)

* Nanophase Technologies (nanophase.com)

* Tal Materials (talmaterials.com)

* NanoTechnologies (nanoscale.com)

* Hosokawa Micron (hosokawa.com)

* QinetiQ Nanomaterials Ltd. (qinetiq.com)

* Toshiba (toshiba.com).

به علت هزينه هاي زياد روش هاي فاز گازي شركت Nanoproduct يك فرآيند جديد ابداع كرده است. مخلوطي از مواد خام اوليه در حين احتراق سپري مي شود. سپس بلافاصله تحت پلاسما حرارت دهي مي شود تا به دماهاي 3000 كلوين برسد. سپس اين بخار سرد مي شود تا نانوذرات توليد شوند. سردكردن از طريق انبساط اين بخار صورت مي گيرد.

3- روش هاي محلولي

به اين روش ها، روش هاي شيميايي نيز مي گويند. در اين روش ها نانوذرات از فاز مايع رسوب داده مي شوند. از رايج ترين آنها روش سل- ژل مي باشد. شكل ذره توليدشده در اين روش نسبت به بقيه روش ها بهتر قابل كنترل مي باشد. شركت هايي كه از روش هاي محلولي استفاده مي کنند عبارتند از:

* Baikowski Chemie (baikowski.com)

* Cima Nanotech (cimananotech.com)

* DuPont (dupont.com)

* Hanse Chemie (hansechem.de)

* Nanocrystals Technology (nanocrystals.com)

* Nanoscale Materials (nantek.com)

* Nyacol Nanotechnologies (nyacol.com)

* NanoGate (nanogate.de)

* Quantum Dot Corp. (qdots.com)

* Sachtleben AG (sachtleben.de).

يك روش بسيار جالب كه توسط شركت FirestarTechnologies استفاده مي شود، استفاده از انرژي هيدروديناميك كاويتاسيون براي رسوب مواد آلي و معدني مي باشد. از اين روش مي توان براي رسوب اكسيدهاي فلزي تا 4 فلز استفاده كرد. نانوپودرهاي حاصله از اين روش خلوص بالايي دارند. همچنين از اين روش براي توليد كمپلكس هاي اكسيد فلزي كه كاربردهايي را در مواد كاتاليستي و تقويت كننده پليمرها دارند استفاده مي كنند. ساختار كريستالي و اندازه ذرات در اين روش ها يكنواخت مي باشد. اگرچه روش هاي محلولي بسيار ارزان و با حجم بالا مي باشند، ولي معايبي نيز دارند. مثلاً مواد پيش سازه ممكن است بر روي سطح نانوذرات حاصله تشكيل يك پوشش بدهند.