درآمدی بر نانوذرات

با گذر از میكروذرات به نانوذرات, با تغییر برخی از خواص فیزیكی روبرو می شویم, كه دو مورد مهم آنها عبارتند از افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومی

با گذر از میكروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیكی روبرو می‌شویم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومی.

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم كه به‌تدریج با كاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی كلیدی در كاركرد كاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الكترودها- یا افزایش كارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط‌شده در نانوكامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحكام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.

از مكانیك كلاسیك به مكانیك كوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن كه ذرات به اندازه كافی كوچك شوند، شروع به رفتار مكانیك كوانتومی می‌كنند. خواص نقاط كوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الكترون‌های آزاد آنها مشابه الكترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌كنند.

علاوه بر این، كوچك‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روكش‌ها مناسب باشند. برخی از خواص نانوذرات با درك افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات كوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است كه «نانوكره‌های» به‌خوبی شكل‌یافتة سیلیكون به قطر ۴۰ تا ۱۰۰ نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیكون می‌باشند بلكه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند. نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یك جام رومی موسوم به جام لیكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.

كربن بلك مشهورترین مثال از یك ماده نانوذره‌ای است كه ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود ۵/۱ میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و كربن بلك‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درك نظری رفتار نانومواد- كه قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت كربن بلك كمك نماید.نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیكی می‌باشد، كه به بخش سرامیك‌های اكسید فلزی- نظیر اكسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقیاسی خاك رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یكی از ابعاد آنها كمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانوذرات سرامیكی فلزی یا اكسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یكسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشید كه چنین ذرات كوچكی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الكتروستاتیك به یكدیگر چسبیده و به شكل پودر بسیار ریزی رسوب می‌كنند).نانوذرات سیلیكاتی كه در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً ۱ نانومتر و عرض ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاك رس كه مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیكات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یك پلاستیك مذاب) با پلیمرها تركیب شوند. برای پلاستیك‌های ترموست این یك فرآیند یك‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محكم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیك‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.

نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینكه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یك جامد شوند؛ این كار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روكش‌ها و بهبود كیفیت آنها، خصوصاً در كاربردهای الكترونیكی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازك- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.

نانوذرات سرامیكی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای كمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را كاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیكی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی كه مواد سرامیكی متعارف بسیار شكننده هستند، مواد سرامیكی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.

اگر چه نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی، فلزی و سیلیكاتی با كاربردهای كنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشكیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام كیتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهنده‌های مو و كرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال ۲۰۰۱ ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.

روش‌های تولیدبرای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب كردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.

---