به نام خدا
مزایای نهفته در ابعاد نانو
مزایای نهفته در ابعاد نانو
با درک ابعاد نانو سوال بعدی این خواهد بود که چه مزایایی در ابعاد نانومتری وجود دارد؟
جدول1- مزایای ساخت مواد در ابعاد نانومتری
کوچک شدن ابعاد، به همان اندازه، می تواند بزرگ شدن و افزایش خواص و قابلیت ها را به همراه داشته باشد. در نظر بگیرید که خاصیت ویژه ای از یک ماده چندین میلیون بار تقویت شود، اگر خاصیت مطلوبی با کوچکتر شدن ابعاد بتواند اینقدر افزون شود، بعید نیست با استفاده از ابعاد کوچک، نیازهای گسترده ای پاسخ داده شود. با این تفسیر شاید بتوان از کاه، کوه ساخت. اگر 10 ميليون بار بزرگ شويم، یک نانومتر معادل یک سانتيمتر ميشود و طبیعتاً تحولات زیادی در این گستره پهناور برای اشیای نانومتری قابل انجام است. اگر به چند نمونه از تغییرات خواص توجه شود، چنین تفاوتی قابل درک است.
بر اساس نیروهای بین مولکولی و بین اتمی ترکیبات متنوعی شکل می گیرند. با تغییر در مقياس هاي حجیم، خصوصيات بنيادي يك ماده تغيير نخواهد كرد و در مورد برخي از خواص، مقدار کمتر ماده برابر است با خاصيت کمتر آن. براي مثال شيريني يک حبه قند بيشتر از يک دانه شکر است. در مورد برخي ديگر از خواص مثل ميزان حل شدن اين مسئله صادق نيست. اگر يک حبه قند و همان مقدار قند به صورت دانه هاي شکر با هم مقايسه شود، دانه هاي شکر خيلي سريع تر در يک ليوان آب حل مي شود. اين نمودي از سطوح بيشتر دانه هاي شکر است. با ریزتر شدن مواد حجیم سطوح افزایش می یابند و با افزایش خیلی زیاد این سطوح همزمان تغییرات زیادی در خصوصیات ظاهری نمایان می گردد. به طور مثال سیب زمینی خرد شده بسیار بهتر و سریعتر از سیب زمینی درسته سرخ می شود. این دقیقاً به خاطر آن است که سیب زمینی خرد شده سطوح بیرونی بیشتری دارد که می تواند با روغن داغ واکنش دهد. چنین نسبتی برای ذرات نانومتری و ذرات میکرومتری وجود دارد.
شکل 1- نمایش افزایش میزان نسبت سطح به حجم در یک سیب زمینی
با اشاره به دو مثال فوق درک تغییرات در ابعاد نانومتری نیز آسان است. اگر ذرات کوچکی در ابعاد نانومتری وجود داشته باشند، به مانند سیب زمینی خرد شده و دانه های شکر خصوصیاتشان تغییر می کند. تمام این ذرات از واحدهای کوچکتری با نام اتم ساخته شده اند. قطر کوچکترین اتم یعنی هیدروژن، 0.074 نانومتر و قطر بزرگترین اتم یعنی سرب با عدد اتمی۸۲، 0.35 نانومتر است. با این ابعاد، تخمین زده می شود که یک ذره 1 نانومتری شامل دهها تا هزاران اتم باشد. چنانچه وضعیت اتمهای سطح ذره بررسی شود، تغییر در تعداد این اتمها قابل درک است. تعداد اتم های سطح در ابعاد کوچک تر بیشتر می شود و این منشاء تغییر بسیاری از خصوصیات ماده در ابعاد نانومتری است. در مقياس نانو بـيـشتر اتم ها برروي سطح ماده قرار دارند که شرايط و محدوديت هاي اتمهاي دروني را نـدارنـد. تغییر در تعداد اتمهای سطحی در ایعاد نانومتری بسیار شدید است. براي مثال، ذره اي که ضخامت 20 نانومتر دارد، 20 درصد از اتمهاي آن روي سطحش قرار دارند، در حالي که در يک ذره 30 نانومتري فقط 5% اتم هاي آن روي سطح قرار گرفته اند! در شکل2، خوشه های نانوذرات نقره نشان داده شده است. در این شکل60 درصد اتم ها در سطح مولکول قرار دارند. با این شرح، عجیب نیست که وقتی هر فلزی را به ابعاد نانومتری برسانیم، خصوصیت ضد باکتری پیدا می کند.
سطح و اتمهای سطحی چه اهمیتی دارند؟ نسبت سطح به حجم، عامل مهمي است که ميزان فعاليت يک سيستم نانوذرات را تعيين مي-کند. در يک نمونه از نانوذرات، هر چه نسبت سطح به حجم بيشتر باشد، ميزان فعاليت بيشتر است. این فعالیت ممکن است، فعاليت کاتاليزوري يا فعاليت مربوط به دارورسانی باشد. افزایش فعالیت در مورد نانوذرات طلا، تيتانيم، اکسيد روي و پالاديم اثبات شده است.
شکل2- مولکول پلي هدرونی شکل، شامل 201 اتم است که 122 اتم آن در سطح قرار دارد. شکل واقعی این مولکول به صورت خوشه نانوذرات نقره
شکل 3- طلا در حالت ماکرو از لحاظ شیمیایی خنثی است، اما نانوذرات طلا به عنوان کاتالیزور فرایندهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند.
علاوه بر اين، افزايش سطح ذرات، فشار سطحي را تغيير داده و منجر به تغيير فاصله بين ذرات يا فاصله بين اتمهاي ذرات ميشود. فاصله بين اتمهاي ذرات با كاهش اندازه آنها، كاهش مي‌يابد. البته اين امر بيشتر براي نانوذرات فلزي صادق است. در مورد نيمه‌هادي‌ها و اكسيدهاي فلزي مشاهده شده است كه با كاهش قطر نانوذرات، فاصله بين اتمهاي آنها افزايش مي‌يابد. اگر اندازه دانه باز هم بيشتر كاهش يابد، تغييرات شديد ديگري نيز رخ مي‌دهد. از جمله اين تغييرات آن است كه اتمها مي‌توانند خودشان را در هندسه‌هايي كه در جامدات توده‌اي غير ممكن است، آرايش دهند. تغيير فاصله بين اتمهاي ذرات و نسبت سطح به حجم زياد در نانوذرات، تأثير متقابلي در خواص ماده دارد. وقتی ابعاد نانوکریستال کاهش می یابد، انرژی سطح زیاد می شود و اين امر در خواص ترموديناميكي ماده(مثل نقطه ذوب) تأثيرگذار است. برای مثال سلنیم کادمیوم(CdSe) سه نانومتری در 700 درجه کلوین ذوب می شود، در حالی که دمای ذوب آن در حالت توده ای 1678 درجه کلوین است. شكل4 نشان دهنده نمودار تغييرات نقطه ذوب نانوذرات طلا بر حسب اندازه ذرات آن است. ملاحظه ميشود كه نقطه ذوب با كاهش اندازه ذرات، كاهش مي‌يابد و نرخ كاهش نقطه ذوب در اندازه ذرات خيلي كوچك، بسيار شديداست. دماي ذوب طلا در حالت معمولي 1064 درجه سانتيگراد است در حالي كه براي نانو ذرات طلا كه اندازه آنها به حدود 2 نانومتر رسيده باشد دماي ذوب از 1064 به 500 درجه سانتيگراد تقليل مي يابد. كاهش دردماي ذوب ناشي از افزايش تعداد اتمهای سطحی است. اين اتمها نسبت به اتمهاي مشابه در مواد حجيم كمتر پيوند تشكيل مي دهند و اين خود باعث تسهيل در ذوب مي شود.
شکل4- تغییرات دمای ذوب طلا با تغییر شعاع ذره
خصوصیات الکتریکی، نوری و مغناطیسی مقیاس نانو، دایره فیزیک جدید را تعریف می کنند. پخش و جذب تابش الکترومغناطیسی، در دایره خواص نوری مقیاس نانو است. پدیده مکانیک کوانتومی تونل زدن، در دایره خواص الکتریکی مقیاس نانو است و سوپرپارامغناطیس شدن و اسپینترونیک در دایره خواص مغناطیسی مقیاس نانو تعریف می شود. تاثیر نور بر نانوذرات بسیار متفاوت با تاثیر نور بر مواد حجیم است، لذا خصوصیات رنگی نیز در ابعاد نانومتری متحول میشوند. از آنجا که چشم انسان تنها قادر به درک طیف مرئی امواج الکترومغناطیسی بین 400 تا 700 نانومتر است و این ابعاد بزرگتر از مقیاسی است که از آن بحث می کنیم. پدیده های فیزیکی و الکتریکی جدیدی در فاصله های نانومتری امکان پذیر است. در محلول ذرات نانومتری طلا، تفاوت اندک در ابعاد رنگ محلول را تغییر می دهد.
شکل5- نانوذرات مختلف با تغییر ابعاد، تغییر رنگ می دهند.
تغییرات در خواص الکتریکی نیز قابل مشاهده اند. نقاط کوانتومی، شعاع کوچکی به اندازه a و کمتر از 100 نانومتر دارند. به خاطر ظرفیت الکتریکی (C=4µεε[SUB]0[/SUB]a) که به تناسب این شعاع کم است، انرژی شارژ الکتریکی مقدار زیادی است(U=Q[SUP]2[/SUP]/2C). در چنین حالتی تغییر بار به اندازه حتی یک الکترون در نقطه کوانتومی ممکن است مقدار بزرگی از انرژی را تغییر دهد. بدون شک مواد مغناطیسی کاربردهای زیادی در ابزار و وسایل پیرامون ما دارند. این مواد نیز بی ارتباط با ابعاد نانومتری نیستند. موتورها، ژنراتورها، مبدلهای کاهنده برق، کارتهای مغناطیسی، تلفنهای همراه، رادیو و تلویزیون، ابزارهای ماکروویو، جداسازی مغناطیسی، یخچالهای مغناطیسی، امنیت پرواز، عاملهای تمایز دهنده تصویر در MRI، لامپهای فلورسنت و قطارهای برقی و... همه و همه با مواد مغناطیسی سر و کار دارند. خاصيت مغناطيسي از جمله خواصي است که به مقدار بسيار زيادي به اندازه ذره وابسته است.
شکل6- میدان مغناطیسی از حرکت یک ذره بار دار مانند یک الکترون ایجاد می شود. همه اتمها دارای الکترون هستند. این الکترونها علاوه بر حرکت در اطراف هسته اتم، دور خود نیز گردش دارند. به خاطر این حرکت، هر الکترون یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
هر ماده مغناطيس در حالت حجیم، از حوزه‌هاي مغناطيسي تشکيل شده است. هر حوزه حاوي هزاران اتم است که در آن جهت اسپین الکترونها يکسان بوده و ممان‌هاي مغناطيسي همسو هستند. اما جهت ممان های هر حوزه با حوزه‌هاي ديگر متفاوت است. 
شکل7- حوزه های همسو شده و حوزه های مغناطیسی حالت عادی
هر چه تعداد حوزه‌ها کمتر باشد، نيرو و ميدان کمتري نيز براي هم جهت ساختن حوزه‌ها مورد نياز است، و چنانچه ماده‌اي تنها داراي يک حوزه باشد، بنابراين نيازي به هم‌جهت کردن آن با ديگر حوزه‌ها نخواهد بود. از آنجا که قطر اين حوزه‌ها در محدوده يک تا چند هزار نانومتر است، هر ذره‌اي که تنها شامل يک حوزه باشد، مي‌تواند نانوذره به شمار رود.
شکل8- مقیاس اندازه های مغناطیسی بر حسب نانومتری
نانوذرات مغناطيسي داراي تعداد حوزه‌هاي کمي هستند و مغناطیسی شدن آنها ساده‌تر مي‌باشد. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک "بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرآيند خودبخودي، افزايش مي‌يابد".
بنابراين، موادي که از حالت طبيعي خارج مي‌شوند، تمايل شديدي براي برگشت به وضعيت طبيعي خود دارند و مغناطیسی شدن، مثالي در اين مورد است. اما چون نانوذرات مغناطيسي نياز به نيروي زيادي براي مغناطیسی شدن ندارند، خيلي از حالت طبيعي فاصله نمي‌گيرند و پس از مغناطيس شدن تمايل چنداني براي از دست دادن خاصيت مغناطيسي و بازگشت به وضعيت اوليه را ندارند. هرگاه، يک ميدان مغناطيسي بزرگ، تمام حوزه‌هاي مغناطيسي را هم‌جهت کند، تغيير فاز مغناطيسي رخ داده و مغناطیسی شدن به حد اشباع مي‌رسد. در دماي بالاتر از يك دماي مشخص، كه دماي قفل شدن ناميده ميشود، انرژي حرارتي كافي براي ذره وجود دارد تا مثل يك اتم پارامغناطيس با گشتاور مغناطيسي بزرگ رفتار كرده و حالت سوپرپارامغناطيس ایجاد کند و براي ذرات كوچك قابل ملاحظه است. ارتباط بين اندازه دانه و دماي قفل شدن، بسيار جالب است. اين موضوع براي نانوذرات كبالت مورد مطالعه قرار گرفته است. وقتي اندازه ذرات كبالت از 4.4 نانومتر به 1.8 نانومتر كاهش مي‌يابد، دماي قفل شدن از 50 به 19 درجه سانيتگراد كاهش مي‌يابد. با استفاده از نانوذرات مغناطيسي و ايجاد يک ميدان مغناطيسي مي‌توان دارو را به صورت هوشمند به بافت مورد نظر رسانده و سبب بهبود بافت، بدون صدمه به بافت‌هاي ديگر شد. در يک مثال موردي، محققان اسيد فوليک را بر روي نانوذرات مغناطيسي قرار داده و سپس با داغ کردن نانوذرات سبب افزايش دماي سلول سرطاني و انهدام آن شده‌اند.
تاثیر کاهش ابعاد در گرانروی سیالات هم دیده میشود. آب در مقیاس نانو به همان روانی نیست که ما در مقیاسهای بزرگ استفاده می کنیم. اشیای کوچک در این محیط با ماده چسبنده ای مثل عسل یا آب قند احاطه شده اند. این به خاطر آن است که خواص گرانروی سیالات در مقیاس نانو نیز دچار تغییر میگردد. اگر dp/dt~ρa²v²، نیروی اینرسی باشد و F= ηav، نیروی گرانروی(η ویسکوزیته مایع است). عدد رینولدز نسبت نیروی اینرسی به نیروی گرانروی یعنی Re = ρav/η است. ثابت رینولدز در ابعاد کم بسیار اندک خواهد شد. این به معنای گرانروی بالای محلول است.
خواص مکانیکی نیز در مقیاس نانو دچار تحول می شوند. در مقیاس نانو، نیروهای بین سطحی و سطحی برجسته میشوند. برای مثال نیروهای چسبندگی، مویینگی و کشیدگی نسبت به نیروهایی که در ابعاد ماکرومتری برجسته هستند(جاذبه)، بیشتر خواهند شد. پوششهای سطحی از این نظر اهمیت دارند که در سیستمهای الکترومکانیکی نانو مقیاس(NEMS) از چسبندگی جلوگیری کنند. حرکت مکانیکی با کاهش ابعاد خیلی سریعتر صورت می گیرد. به همین دلیل انتظار می رود که روتورهای مولکولی فرکانسهای گردشی بالایی داشته باشند(100 تا 1000 گیگاهرتز).
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/431
