نانو ذرات، حال و آینده

نانوذرات به ذرات كمتر از ۱۰۰ نانومتر گفته می‌شود. در این متن به نانوذرات غیرآلی می‌پردازیم كه بصورت پودر خشك و یا توزیع در مایع می‌باشند. در بسیاری از موارد نانوذرات به منظور رسیدن به محصولی خاص فرآوری می‌شوند. مانند تولید فیلم‌ها، وسایل و یا دوغاب نانوذرات برای كاربردهای تجاری. باتوجه به ماهیت نانوتكنولوژی نمی‌توان پیش‌بینی‌های دقیقی از آینده نانوتكنولوژی داشت. بازار جهانی نانوذرات در سال ۲۰۰۱ حدوداً به ۶/۵۵۵ میلیون دلار رسید و انتظار می‌رود كه با نرخ رشد سالیانه ۸/۱۲% در سال ۲۰۰۵ به ۹۰۰ میلیون دلار برسد. در سال ۲۰۰۵ كاربردهای الكترونیك، مغناطیس و اپتوالكترونیك نانوذرات ۲/۷۴% بازار فروش را به خود اختصاص می‌دهند. زیست‌پزشكی، داروسازی و آرایشی درحدود ۱/۱۶% و كاربردهای انرژی، كاتالیستی و سازه‌ای درحدود ۸/۹% بازار فروش را به خود اختصاص خواهند داد.
امروزه پراهمیت‌ترین نانوذرات از نظر تجاری اكسیدهای ساده فلزات مثل سیلیكا (SiO ۲ ) ، تیتانیا (TiO ۲ ) ، آلومینا (Al ۲ O ۳ ) ، اکسیدهای آهن (Fe ۲ O ۳ , Fe ۳ O ۴ ) ، اكسید روی (ZnO) ، سریا (CeO ۲ ) و زیركونیا (ZrO ۲ ) ، می‌باشند. همچنین اكسیدهای مخلوط نیز مانند ایندیم- قلع (ITO)(In۲O ۳ -SnO ۲ ) ، اكسید قلع- آنتیموان (ATO) ، سیلیكات‌ها (سیلیكات‌های آلومینیوم و زیركنیم) و تیتانات‌ها (تیتانات باریم) از اهمیت بالایی برخوردارند. نانوذراتی مانند سیلیكا و اكسید آهن تاریخچه تجاری طولانی در حدود نیم قرن دارند. ولی نانوذراتی مانند TiO ۲ و ITO اخیراً وارد بازار فروش شده‌اند. انواع دیگر نانوذرات مانند اكسیدهای كمپلكس، نیمه‌هادی‌ها، كاربیدهای فلزی و فلزات خالص نیز در حال توسعه می‌باشند. نانوذرات نیمه‌هادی به جز TiO ۲ و ITO در حال حاضر از نظر تجاری كاربرد بالایی ندارند. همچنین در مورد فلزات خالص نیز واكنش‌پذیری بالای آنها امكان تولید، انتقال و ذخیره‌سازی آنها بسیار مشكل می‌باشد.
نانو ذرات از منظر تولید
در حال حاضر روش‌های متعددی برای تولید نانوذرات توسعه یافته است.
در زیر برخی از روش‌‌های رایج و مهم را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
۱- روش‌های خردایشی:
در این روش‌ها ذرات میكرومتری با اعمال انرژی مستقیم به ذرات كوچكتر تبدیل می‌شوند. مثلاً از روش‌های آسیاب‌كردن برای خردكردن استفاده می‌شود. شرایط گرمایی، دمایی و شیمیایی محیط آسیاب توسط محققین بسیاری بررسی شده است. محصول تهیه‌شده به این روش‌ها آلوده به محیط آسیاب می‌شود.
سالانه چندین تن از این نانوذرات در محدودة قیمتی ۵۰۰-۵۰ دلار به فروش می‌رسد.
شركت‌هایی كه از روش‌های خردایشی استفاده می‌كنند، 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).
۲- روش‌های فاز بخار:
با استفاده از این روش‌ها می‌توان نانوذرات فلزی و اكسید فلزی تولید كرد. اكسیدهای فلزی تولیدشده در تولید پوشش‌های شفاف و مقاوم به خش و همچنین در مقاوم‌سازی پلیمرها به منظور تولید نانوكامپوزیت‌‌ها كاربرد دارد. در این روش‌ها ماده خام مورد نظر به فاز گازی تبدیل می‌شود و یا با یك گاز دیگر مثل اكسیژن (هنگام تولید اكسید فلزی) و یا با یك گاز خنثی (برای تولید نانوذرات فلزی) در دمای ۱۵۰۰ تا ۲۳۰۰ درجه كلوین مخلوط می‌شود. سپس این گاز سرد می‌شود تا نانوذرات تولید شوند. از مزیت‌های این روش آلودگی كم نانوپودرها و تنوع تولید محصولات با تركیب شیمیایی مختلف می‌باشد.
اندازه ذرات تولیدشده با پارامترهایی مثل دما، گاز حامل و نرخ تبخیر فلز كنترل می‌شود.
از معایب این روش هزینه بالای این روش‌ها از نظر انرژی به خاطر دمای بالای مورد نیاز می‌باشد. علاوه بر این چنانچه سردكردن با یك ماده دیگر انجام شود، هزینه جداسازی و مواد اولیه مورد نیاز نیز اضافه خواهد شد.
شركت‌هایی كه از روش‌های فاز گازی استفاده می‌كنند 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 هزینه‌های زیاد روش‌های فاز گازی شركت Nanoproduct یك فرآیند جدید ابداع كرده است. مخلوطی از مواد خام اولیه در حین احتراق سپری می‌شود. سپس بلافاصله تحت پلاسما حرارت‌دهی می‌شود تا به دماهای ۳۰۰۰ كلوین برسد. سپس این بخار سرد می‌شود تا نانوذرات تولید شوند. سردكردن از طریق انبساط این بخار صورت می‌گیرد.
۳- روش‌های محلولی
به این روش‌ها، روش‌های شیمیایی نیز می‌گویند. در این روش‌ها نانوذرات از فاز مایع رسوب داده می‌شوند. از رایج‌ترین آنها روش سل- ژل می‌باشد. شكل ذره تولیدشده در این روش نسبت به بقیه روش‌ها بهتر قابل كنترل می‌باشد. شركت‌هایی كه از روش‌های محلولی استفاده می 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).
یك روش بسیار جالب كه توسط شركت FirestarTechnologies استفاده می‌شود، استفاده از انرژی هیدرودینامیك كاویتاسیون برای رسوب مواد آلی و معدنی می‌باشد. از این روش می‌توان برای رسوب اكسیدهای فلزی تا ۴ فلز استفاده كرد. نانوپودرهای حاصله از این روش خلوص بالایی دارند. همچنین از این روش برای تولید كمپلكس‌های اكسید فلزی كه كاربردهایی را در مواد كاتالیستی و تقویت‌كننده پلیمرها دارند استفاده می‌كنند. ساختار كریستالی و اندازه ذرات در این روش‌ها یكنواخت می‌باشد. اگرچه روش‌های محلولی بسیار ارزان و با حجم بالا می‌باشند، ولی معایبی نیز دارند. مثلاً مواد پیش‌سازه ممكن است بر روی سطح نانوذرات حاصله تشكیل یك پوشش بدهند.

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو