پودرها ذرات ريزي هستند كه از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست مي‌آيند. بنابراين، نانوپودرها را می‌توان مجموعه‌ي از ذرات دانست که اندازه‌ي آنها کمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يک نانومتر می‌رسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است که اندازه‌ي آن کمتر از 100 نانومتر باشد.)
چه پودري را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟ پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آيند: حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.
يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يک پودر را به صورت يکي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره کمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد. به عبارت حسابی‌تر، ميانگين اضلاع مکعب بايد در اين رابطه صدق کند: 1 nm<
<100 nm. براي مثال، بلورهاي نمك طعام ساختاري مكعب‌شکل دارند. (شکل شماره‌ي 1)
يادآوري: اگر بيشترِ ذرات تشکيل‌دهندة پودر، ابعادي ميان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
شکل 1: ساختار بلور نمک طعام، مکعبي است.
حالت دوم: دانه‌هاي تشکيل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتري داشته باشند.
در حالتي که اندازه‌ي ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر از صد نانومتر بيشتر باشد، کافي است دانه‌هاي آن ابعاد نانومتري داشته باشند تا نانوپودر به شمار آيند. يک مثال براي فهم اين موضوع، اتم‌هايي هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هايي که آنها را "دانه" می‌ناميم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوري جامد نيز از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌اند كه به آنها دانه مي‌گويند. درون هر دانه، اتم‌ها در يك جهت خاص و رديف‌هاي موازي چيده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاورِ هم، تفاوت در همين جهت‌گيري اتم‌هاست.
شكل 2: اين ذره، حاوي سه دانه است.
شکل 3: اتم‌ها با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.
شکل 4: اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.
شکل 5: اتم‌ها با زاويه ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند.
در دانه‌ي 1 (شکل 3)، اتم‌ها در رديف‌هاي موازي و با زاويه‌ي 45 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. در دانه‌ي 2 (شکل 4) اتم‌ها با زاويه‌ي 90 درجه و در دانه‌ي 3 (شکل 5) اتم‌ها با زاويه‌ي 120 درجه نسبت به افق چيده شده‌اند. وقتي اين سه دانه در كنار يكديگر قرار بگيرند، يك ذره تشكيل مي‌شود. (شکل 6) به فضاي خالي بين دانه‌ها «مرز دانه» مي‌گويند. مرز دانه محلي است كه جهت چيده شدن اتم‌ها عوض مي‌شود.
همچنين دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهاي يك ديوار فرض كرد. در اين صورت، مرز بين دانه‌ها ملات بين آجرهاست. اگر قطر اين دانه‌ها بين 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكيل نانوپودر مي‌دهند.
هر چه قطر دانه‌هاي يك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي آن بيشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهاي تشكيل‌دهنده‌ي يك ديوار 1 متر در 1 متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بيشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بيشتر شود، مانند گره‌هاي يک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنيده‌تر است و بنابرين استحكام محصول بيشتر خواهد بود.
شکل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا يک ذره را تشکيل دهند.
يادآوري: اگر درصد قابل توجهي از دانه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ذرات، نانومتري باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود. حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي ترکيب شوند.
در اين حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزيتي» می‌نامند. کامپوزيت که از کلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني ترکيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده‌اند (شکل 7).
شکل 7: ذرات با قطر نانومتري در زمينه پراکنده شده‌اند.
علت ترکيب شدن آنها اختلاف خواص اين دو ماده است. در کامپوزيت معمولاً زمينه از يک ماده‌ي نرم و افزودني از ماده‌ي سخت انتخاب مي‌شود. در اين صورت، هنگامي که به ماده نيرو وارد مي‌شود، زمينه نيرو را به رشته يا پودر اضافه‌شده منتقل مي‌كند تا بتواند در برابر نيروي واردشده مقاومت بيشتري داشته باشد. (شکل شماره‌ي 8)
شكل 8 : در يک نانوکامپوزيت، ذرات نانويي در زمينه‌اي غيرنانويي پراكنده شده‌اند .
در تعريف نانوپودرها ذكر شد که مهمترين ويژگي آنها، ريزي ذرات تشكيل‌دهنده است. وقتي ما يك قطعه را چند قسمت مي‌كنيم، حجم كل ثابت مي‌ماند، يعني حجم قطعه‌ي اوليه دقيقاً برابر است با جمع حجم تكه‌هاي تقسيم‌شده. اما در طيّ اين فرآيند، مجموع سطح بيرونيِ تكه‌ها چندبرابرِ سطح بيروني قطعه‌ي اوليه خواهد شد.
محدوديت نانوپودرها
محدويت نانوپودرها نيز از زياد بودن سطح آزاد آنها ناشي مي‌شود. در واقع، ذرات مثل براده‌هاي آهنربا تمايل دارند به همديگر بچسبند تا دوباره شكل اوليه‌ي خود را به دست آورند. وقتي ما اندازه‌ي ذرات پودر را به نانومتر مي رسانيم، اين تمايل به‌شدت زياد مي‌شود، تا جايي كه ممكن است به صورت ناگهاني به هم بچسبند. براي رفع اين مشكل بايد ذرات پودر را از همديگر جدا نگاه داشت تا به هم نچسبند. اين كار از طريق محلول‌سازي پودرها، مانند حلّ نمك و آهن يا اضافه كردن موادي كه سبب ايجاد بارهاي همنام روي سطح پودرها و ايجاد نيروي دافعه مي‌شوند، صورت مي‌گيرد.
براي درك بهتر موضوع، مسئله‌اي را طرح مي‌کنيم:
فرض كنيد يك قطعه به شكل مكعب با طول ضلع 3 سانتيمتر داريم. در صورتي كه اين مكعب را به 27 مكعب تقسيم كنيم، سطح آزاد چند برابر مي‌شود؟
جواب:
اهميت سطح آزاد مواد:
اهميت سطح آزاد در اين است كه سطح آزاد مواد است که محل انجام واكنش هاي آن ها است. براي مثال ، حتماً ديده ايد كه در زمستان، روي يخ جاده ها نمك طعام مي پاشند تا يخ زودتر ذوب شود، واكنش بين نمك و يخ در سطح ذرات نمك انجام مي شود ، براي درك بهتر فرض كنيد سنگ نمك طعام را روي يخ بيندازند، بهتر يخ را ذوب مي كند يا اينكه اين سنگ را پودر كرده و پودر نمك را روي يخ بپاشيم. مثالي ديگر از اين مطلب ، تفاوت حل كردن شكر و قند در چاي است. در فيلم زير بخوبي ديده مي شود که شكر به دليل سطح آزاد زياد آن ، به مراتب سريعتر از يك حبه قند با حجم يکسان، در آب داغ حل مي شود.
نانوپودر توليد کنيم
به طور كلي نانوپودرها را نيز مانند ديگر موادّ نانومتري مي‌توان به دو روش پايين به بالا يا بالا به پايين توليد كرد. در روش بالا به پايين قطعه را از اندازه‌هاي بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد مي‌كنيم تا به اندازه‌هاي نانومتري برسد. در روش پايين به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم مي‌چينيم تا يك ساختار نانومتري به وجود آيد. در زير، دو روش فوق توضيح داده مي‌شوند.
1. خُرد كردن قطعات بزرگ
يك استوانه‌ي توخالي را فرض كنيد كه گوي هاي فلزي يک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. يك قطعه‌ي بزرگ نيز يک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتيجه، يک‌سومِ حجم داخل استوانه خالي خواهد بود. اگر اين استوانه را بچرخانيم، گوي هاي فلزي به قطعه برخورد و آن را خُرد مي‌كنند.
در صورتي كه اندازه‌ي اضلاع قطعه‌ي اوليه 1 ميكرومتر باشد (اگر يك ميلي‌متر را هزار قسمت كنيم، طولي معادل يك ميكرومتر به وجود مي‌آيد)، با اولين برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ي اضلاع آن nm500 مي‌شود. در مرحله‌ي دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن 250 نانومتر مي‌شود و در مرحله‌ي سوم nm 125. تا اينكه در مرحله‌ي چهارم، ذره‌اي نانومتري به اندازه‌ي nm 5/62 به‌دست مي‌آيد.
در روش بالا به پايين، مهم اين است كه جسمِ خُردشونده بايد مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذيرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا اين‌حد نمي‌توان خُرد كرد. به طور كلي در اين روشِ توليد، بايد انرژي بسيار زيادي را صرف كرد تا ذرات محكم به يك ماده‌ي تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند. چطور يک آسياب مکانيکي بسازيم؟
2. رسوب‌دهي از محلول‌ها
در اين روش ابتدا بايد محلول مورد نظر را ساخت. اين محلول مي‌تواند به دو حالت باشد:
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مايع؛
ب ـ ذرات گازي.
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مايع
در صورتي كه محلول ما مايع باشد، مي‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادي خاص براي ته‌نشين كردن، يا با افزايش غلظت جامد و سير شدن محلول در آن، رسوب داد. حين رسوب كردن، اتم‌ها دانه‌به‌دانه كنار هم جمع مي‌شوند تا يك پودر نانومتري را توليد كنند.
ب ـ ذرات گازي
روش ديگر اين است كه ما به قدري سريع محلول‌هاي گازي را سرد كنيم تا گاز مستقيماً تبديل به جامد شود (به اين فرايند «چگالش» مي گوييم). در اين حالت نيز اتم‌ها در كنار هم جمع مي‌شوند تا ذراتِ يك پودر نانومتري را توليد كنند.
نانوپودرها به چه کار مي‌آيند؟ 1. پوشش‌دهي
يكي از مهمترين كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهي» است. وقتي مقداري پودر روي يك سطح ريخته مي‌شود، مي‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمين پودر گچ بپاشيم، تمام سطح پوشيده مي‌شود و يک سطح يکدست سفيد به وجود مي‌آيد. اما در اين حالت هنوز فضاهاي خيلي ريزي بين پودرها وجود دارد، يعني پوشش يكپارچه نيست. اکنون مقداري آب به گچ اضافه مي‌كنيم و صبر مي‌كنيم تا آب توسط حرارت خشك شود. مي‌بينيم كه ذرات پودر به هم چسبيده‌اند و يك پوشش يكدست بر روي سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهي توسط نانوپودرها نيز دقيقاً همين است، يعني پودرها را ــ عمدتاً باشدت ــ به سطح مي‌پاشند و بعد توسط يك عامل اضافه‌شونده ــ عمدتاً گازهاي اكسيژن يا آرگون كه همان نقش آب را در مثال گچ بازي مي‌كنند ــ و حرارت، اين ذرات را به هم مي‌چسبانند تا يك پوشش يكپارچه بر روي سطح ايجاد شود. پوشش روي داشبورد ماشين دقيقاً به اين روش توليد مي‌شود.
2. ساخت قطعات
همان‌طور كه ديديم، ذراتِ پودر ميل زيادي دارند که مانند بُراده‌هاي آهنربا به هم بچسبند. از طرفي اين ميل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ي حرارت به‌شدت افزايش مي‌يابد، و بنابراين، با اِعمال فشار و افزايش درجه‌ي حرارت مي‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و يك قطعه را توليد كنند. اين روش عمدتاً براي توليد قطعات با شكل‌هاي پيچيده به كار مي‌رود. (اين پديده به طور طبيعي در نمك طعام اتفاق مي‌افتد. اگر مقداري نمك طعام در داخل يك نمكدان باقي بماند، بعد از مدتي ذرات نمك به هم مي‌چسبند و نمكدان ديگر نمك نمي‌پاشد. بنابراين، بايد به نمكدان چند ضربه وارد كنيم تا ذرات از همديگر جدا شوند.)
3. استفاده در كِرِم‌ها
همان‌طور كه مي‌دانيم، نانوپودرها ذراتي با قطر يك تا 100 نانومتر هستند. وقتي از اين ذرات در ساخت كِرِم استفاده مي‌شود، چون قطر آنها كوچك است، اشعه‌هاي مُضرّ نور خورشيد را كه طول موج‌هاي بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمي‌دهند. اين در حالي است كه اشعه‌هاي نور مرئي را كه موجب ديده شدن قطعات‌اند از خود عبور مي‌دهند. بنابراين، به صورت شفاف ديده مي‌شوند. در اين حالت ما كِرِمي داريم كه شفاف است و اشعه‌هاي مُضرّ را از خود عبور نمي‌دهد.
4. شناسايي آلودگي ها
ذراتي كه نانوپودرها را تشکيل مي‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحي خود، وقتي به يك محلول حاوي آلودگي (مثل باكتري، سلول سرطان زا و...) اضافه مي‌شوند، روي آلودگي‌ها مي‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغيير رنگ مي‌دهند و باعث شناسايي آنها مي‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغيير رنگِ حاصل از آن ديده شود، اما تغيير رنگِ مجموعه‌ي اين ذرات، آلودگي‌ها را قابل تشخيص و شناسايي مي‌كند.
در فيلم زير كه به عنوان مثالي از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سيليكون در محلول، قطرات روغن را شناسايي مي‌كنند و با نفوذ مقداري از مايع به داخل حفره‌هاي آنها، تغيير رنگ مي‌دهند و هدف را قابل تشخيص مي‌نمايند.
