مباني علمي نانو

چکیده

برای بررسی آثار نانوفناوری ، اندکی باید با علم نانو آشنا باشیم . این علم از همگرایی علوم فیزیک ، شیمی و زیست شناسی بوجود آمده است . در این فصل با انواع مواد از دید علم نانو آشنا شده و سپس به بررسی مواد هوشمند می پردازیم و نهایتاً کمی در مورد نانولوله های کربنی خواهیم خواند .
در این فصل بسیاری از مفاهیم اساسی و بنیادین بوده و در فصول بعدی به وفور مورد استفاده قرار خواهند گرفت .
مفاهیم کلیدی : حالت توده ، حالت نانو ، مواد هوشمند ، محرک های محیطی ، نانولوله های کربنی ، گرافیت .
مواد حالت توده و حالت نانو
مواد را از نقطه نظر علم ، نانو به دو حالت توده[1] و نانو تقسیم بندی می کنند . مواد در حالت طبیعی به شکل توده اند . ولی وقتی در مقیاس نانو ساخته می شوند ، در حالت نانو قرار می گیرند . مواد حالت نانو خواصی متفاوت از آنچه در حالت توده دارند ، از خود نشان می دهند .
مواد از نظر نظم مولکولی ، به سه دسته تقسیم می شوند :
۱ ) موادی که ساختار مولکولی کاملاً نامنظمی دارند .
۲ ) موادی که ذرات سازنده آن در حوزه هایی خاص منظم هستند .
۳ ) موادی که ساختار مولکولی کاملا منظمی دارند .
مواد دسته سوم معمولاً در طبیعت موجود نیستند و «مواد حالت نانو» خوانده می شوند . مواد در این حالت ، به علت نیروهای اتمی و مولکولی ، خواصی را از خود بروز می دهند که در مواد حالت توده ( دو ساختار اول ) دیده نمی شود .
روش هایی که فناوری نانو در اختیار ما می گذارد ، این توانایی را به ما می دهند که بتوانیم روش اتصال اتم ها و مولکول ها را کنترل کرده و موادی جدید با ویژگی هایی جدید بوجود .

مواد هوشمند[2]

مواد هوشمند به موادی گفته می شود که موقعیت ها را بخاطر سپرده و با تحریک محرک هایی مشخص ، می توانند به آن موقعیت بازگردند[3]( دارای حافظه اند ) . این مواد می توانند شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعاتِ حسی ، نسبت به محیط عمل کنند .[4] به عبارت دیگر ، مواد هوشمند می توانند محیط را درک کنند . این مواد پنج ویژگی عمده دارند :
۱ ) فوریت : اثر آنها همزمان با تاثیر محرک است .
۲ ) سازگاری : می توانند به بیش از یک شرایط محیطی پاسخ دهند .
۳ ) خودانگیزی : هوشمندی این مواد به صورت ذاتی و در درون آنهاست ؛ نه در بیرون از آنها .
۴ ) گزینش پذیری : پاسخ آنها قابل پیش بینی است .
بطور کلی ، مواد هوشمند از نظر پاسخ دهی به محرک های خارجی ، به دو دسته تقسیم می شوند :

الف ) مواد هوشمند نوع اول :
این مواد در واکنش به محرک های محیطی ، برخی خصوصیات خود را تغییر می دهند . این کار به طور ذاتی توسط خود ماده انجام می پذیرد ؛ بدون کنترل خارجی ؛ مثلا تغییر رنگ عینک های فتوکرومیک در واکنش به اشعه اولتراویوله .

ب ) مواد هوشمند نوع دوم :
این دسته از مواد هوشمند در واکنش به محرک های محیطی ، عمل تبدیل انرژی را انجام می دهند ؛ مثلا تبدیل انرژی های الکتریکی و نوری به همدیگر در دیودهای نوری و دیودهای مولد نور.
البته هر یک این مواد خود دارای انواع مختلفی هستند که ذیلاً به آنها اشاره می شود .

مواد هوشمند نوع اول

همانطور که گفته شد ، مواد هوشمند نوع اول ( مواد کرومیک ) تحت تاثیر محرک های محیطی یک یا چند ویژگی خود را تغییر می دهند . این مواد کلا پنج نوع اند که هر کدام تحت شرایط محیطی خاصی تغییر می یابند :
فوتوکرومیک
ساختار شیمیایی این مواد در برابر جذب انرژی تابشی تغییر می کند . مولکول های مواد فتوکرومیک در حالت غیرفعال بی درنگ هستند . ولی وقتی در معرض فوتون هایی با طول موج خاص قرار می گیرند ، برانگیخته شده و شرایط بازتاب آنها متفاوت می شود . به محض ازبین رفتن منبع نور با طول موج مذکور ، ماده له حالت اولیه باز می گردد .
ترموکرومیک
مواد ترموکرومیک گرما را جذب کرده و تغییر شیمیایی یا تغییر فاز می دهند . البته این تغییرات بازگشت پذیرند . یکی از کاربردهای این مواد در دماسنج های ( تب سنج ) نواری یا ترمومترهاست . ترمومتر در اثر تماس با بدن تغییر رنگ داده و دمای بدن را نشان می دهد و به محض برداشتن آن از بدن ، به حالت اولیه بر می گردد .
مکانوکرومیک
این دسته از مواد به تغییرات فشار و تغییرات شکل عکس العمل نشان می دهند و محصولاتی که از آنها تولید شده است ، تحت فشار یا کشش خاصی ویژگی های متفاوتی نسبت به حالت اولیه ازخود نشان می دهند .
کموکرومیک
مواد کموکرومیک به تغییرات شیمیایی محیط حساسیت نشان می دهند ؛ بعنوان مثال ، شناساگرهای اسید وباز مثل تورنسل و متیل اورانژ در محیط های اسیدی و بازی رنگ های متفاوتی از خود نشان می دهند .
الکتروکرومیک
مواد الکتروکرومیک هم در اثر اختلاف پتانسیل و یا عبور جریان هایی خاص از خود تغییر نشان می دهند . مثلا ، پنجره های الکتروکرومیک بوسیله الکتریسیته شفاف یا تار می شوند .
نکته جالب توجه اینست که این مواد از یک جزء تشکیل نمی شوند و غالبا به صورت چندلایه کار می کنند .

مواد هوشمند نوع دوم

اتم ها از نظر سطح انرژی ، می توانند در دو حالت مختلف قرار گیرند . در حالت نرمال و بدون تاثیر محرک های محیطی ، اتم ها در حالت پایه و یا تعادل هستند . ولی به محض دریافت مقداری انرژی در حالت برانگیخته قرار می گیرند . از آنجایی که اتم ها تمایل دارند در حالت پایدارتری قرار گیرند ، بعد از دریافت انرژی ، آن را پس می دهند .
در اکثر موارد انرژی دریافتی ، به صورت افزایش انرژی درونی و انرژی پس داده شده به شکل گرما است . ولی مواد هوشمند قابلیت این را دارند که این انرژی را به حالت های مفیدتری تبدیل کنند .
بسیاری از مواد مبدل انرژی به صورت دوطرفه عمل می کنند و جای انرژی ورودی و خروجی می تواند تغییر یابد . استثنائات اصلی در این زمینه موادی هستند که انرژی تابشی را نبدیل می کنند و از آنجایی که این تبدیلات بسیار کم بازده اند ، این فرایند به صورت برگشت ناپذیر اجر می شود.
نکته ای که در مواد هوشمند نوع دوم باید مورد توجه قرار گیرد اینست که بر خلاف اکثر مواد نوع اول ، این مواد مرکب هستند که البته استثنائاتی هم در این زمینه وجود دارند . در ادامه با برخی از مواد این دسته آشنا می شویم .
مواد فوتوولتاییک :
به موادی گفته می شود که که انرژی تابشی را به الکتریسیته تبدیل می کنند و این کار را معمولا با مواد نیمه رسانا انجام می دهند ؛ مثلا دیود مولد نور .
مواد نوربازتاب :
این مواد عمل تبدیل به انرژی نوری ( لومینانس ) را انجام می دهند . دیودهای نوری ، در اثر اختلاف پتانسیل و عبور جریان ، چنین عملی را انجام می دهند ( تبدیل انرژی الکتریکی به نوری ) . همچنین دسته ای از این مواد با اعمال فشار ( انرژی مکانیکی ) این کار را انجام می دهند .
مواد پیزوالکتریک[5] :
در زبان یونانی ، « پیزو » به معنای فشار است . در این مواد ، با ورود نیرویی مکانیکی یا ایجاد تغییر شکل در ماده می توان الکتریسیته تولید کرد و بالعکس ، اعمال انرژی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده می گردد .
البته ، میزان الکتریسیته تولیدی به ازای هر میکرومتر تغییر شکل ، در حدود یک هزارم تا یک دهم ولت ( بسته به نوع مواد بکار رفته ) است و ممکن است عکس این فرایند چندان به صرفه و کاربردی نباشد .
مواد پیزوالکتریک در بسیاری از محصولات ، نظیر : میکروفون ها ، بلندگو ها ، فندک ها و چاقوهای جراحی کاربرد دارند .

نانولوله های کربنی[6]

یکی از شگفت انگیزترین عناصر طبیعت کربن می باشد که توانسته است کاربردهای زیادی را در زندگی بشر داشته باشد . از مغز مداد گرفته تا صنایع فولاد ، پتروشیمی ، پزشکی و ... از عنصر کربن استفاده می کنند . کربن از دوران ماقبل تاریخ از سوزاندن مواد آلی در اکسیژن ضعیف بدست می آمد .
این عنصر به دلایل بسیاری قابل توجه بوده است . اشکال مختلف آن ، شامل یکی از نرم ترین و سخت ترین مواد شناخته شده در طبیعت می باشد . همچنین میل زیادی برای پیوند با سایر اتم ها و نیز اتم هایی از نوع خودش دارد و این خصوصیت سبب شکل گیری بیش از ده میلیون ترکیب کربنی شده است.
ترکیبات کربنی پایه حیات در زمین هستند و علومی مثل شیمی آلی و مهندسی پلیمر بر اساس این عنصر بوجود آمده اند .
مواد کربنی به علت پیوندهای شیمیایی مختلف ، ساختارهای متفاوتی را از خود نشان می دهند و به همین جهت خواص مختلفی - از جمله : سختی عالی ، هدایت حرارتی بالا ، هدایت الکتریکی بالا و . . . - را می توانند دارا باشند .
عنصر کربن به طور طبیعی ، در اشکال مختلف کریستالی ، منظم و بی شکل پراکنده شده است . در کل ، کربن سه آلوتوپ دارد و همگی جامد می باشند :
گرافیت
الماس
فولرین

گرافیت

کربن در نوع غیر بلورین ، اساسا گرافیت است ؛ اما به صورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد . این شکل کربن به صورت پودر است که بخش اصلی موادی چون ذغال سنگ و دوده را تشکیل می دهد . در فشار معمولی ، کربن به شکل گرافیت در می آید که در آن هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر به شکل حلقه های شش وجهی به هم متصل شده اند[7] . گرافیت ساختاری لایه - لایه دارد . اتم های کربن در آن ، ابتدا با پیوندهای کووالانسی - که قوی و محکم اند - به همدیگر متصل شده و از مجموع آنها صفحه ای ، تحت عنوان لایه گرافیت به وجود می آورند . در مرحله بعد ، لایه های گرافیت از طریق پیوندهای واندوالسی - که پیوندهای ضعیفی هستند - به هم وصل می شوند . این مسئله باعث می شود که لایه ها روی هم بلغزند و به همین دلیل از آن در روغن کاری و روان کاری استفاده می گردد .

الماس

کربن ، در فشارهای خیلی بالا ، به صورت الماس در می آید که در آن هر اتم کربن با چهار اتم دیگر در پیوند کووالانسی است . این ماده ، از نظر سختی و مقاومت ، سخت ترین ماده طبیعی است. این آلوتروپ کربن در ابتدا برای تزیین به کار می رفت . ولی به علت سختی بسیار زیادش ، در صنعت نیز بکار گرفته شد ( بریدن شیشه ، نوک مته ها و ... ) .

فولرین

آخرین آلوتروپ شناخته شده از کربن ، فولرین می باشد . این ماده در ابتدا از طریق بررسی طیف امواج الکترومغناطیسی ستارگان شناخته شد . در طیف ستارگان ، ماده ای دیده می شد که از 60 اتم کربن بوجود آمده بود (باکی بال) . این مسئله که چگونه 60 اتم کربن به هم متصل شده اند ، مدتی شیمیدان ها را به خود مشغول کرد . ولی ، سرانجام با بررسی های « اسمالی » و « کروتو » ، مشخص شد که این اتم ها در کنار هم ، شکلی مثل توپ فوتبال را به وجود می آورند[8] . C60 ماده ای است بسیار سبک که اگر در ظرفی از فولاد بسوزانیم فورا تبخیر می شود . همچنین اگر به اندازه %70 از حجم معمولی خود فشرده شود ، ماده ای سخت تر از الماس به دست می آید .
فولرین ها ساختاری مثل لایه گرافیتی دارند . ولی با اتصال بخشهایی از آن و یا با تغییر تعداد اتم کربن در هر حلقه ، شکل کره ، بیضی و یا استوانه می گیرند .

نانولوله های کربنی

فولرین های استوانه ای را « نانولوله کربنی » می نامیم . این مواد ، بخاطر اینکه قطری در حدود چند نانومتر دارند ، به این نام خوانده می شوند . نانولوله ها کاربرد وسیعی در صنایع امروزی یافته اند و دامنه این کاربردها روز به روز در حال گسترش است . ولی قبل از بررسی کاربردهای نانولوله ها ، به ساختار آنها خواهیم پرداخت .
یک ورق کاغذ را در نظر بگیرید . اگر دو طرف این ورق را به هم متصل کنیم ، یک لوله حاصل می شود . نانولوله ها نیز به این شیوه ، با بکارگیری لایه های گرافیتی حاصل می شوند . حال بسته به اینکه کدامیک از نقاط این لایه به هم وصل شوند ، سه نوع نانولوله مختلف حاصل می شود .
شکل زیر از یک لایه گرافیتی را در نظر بگیرید که در هر راسِ آن یک اتم کربن قرار دارد و راس خاکستری رنگ ، مبدا ماست . اگر راس مبدا به یکی از رئوس واقع بر امتداد محور X و یا محور Y وصل شود ، نانولوله نوع « زیگزاگ » بوجود خواهد آمد . اگر راس مبدا به یکی از رئوس واقع بر خط Y=X متصل گردد ، نانولوله نوع « صندلی » حاصل می شود و اگر به یکی از رئوس غیر واقع بر این سه خط وصل شود ، نانولوله نوع « نامتقارن » ایجاد می شود .
نانولوله ها در سال 1991 ، توسط « سامیو ایجیما » از شرکت NEC ژاپن ، در دوده ناشی از جوشکاری کشف شدند . خواص ویژه و منحصربفرد آنها از یک طرف ، و طبیعت کربنی بودن آنها از طرفی دیگر سبب شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در این زمینه باشیم .
هر یک از انواع نانولوله ها به خاطر آرایش اتمی خود ، خواصی را دارا می باشند . ولی خواص مشترک آنها را ، در کل به دو دسته می توان تقسیم کرد :

خواص مکانیکی
اتم هایِ نانولوله ها ، پیوندهای محکمی دارند . به همین جهت در برابر نیروهای کششی مقاومت واستحکام زیادی از خود نشان می دهند . به عنوان مثال ، نیروی لازم برای شکستن یک نانولوله ، معادل چند برابر نیروی لازم برای شکستن قطعه ای فولاد به همان اندازه است . در حالی که وزن آن یک ششم وزن فولاد معادل است . پیوندهای بین اتمی نانولوله ها ، علاوه بر استحکام بسیار زیاد ، انعطاف پذیری بالا و حتی امکان پیچش را برای آنها فراهم می سازد ؛ در حالیکه فولاد فاقد چنین خاصیتی است .

خواص فیزیکی
مهمترین خاصیت فیزیکی نانولوله ها ، قابلیت « هدایت الکتریکی » بالای آنهاست . هدایت الکتریکی نانولوله ها بسته به زاویه و نوع پیوندها ، از دسته ای به دسته دیگر ، کاملا متفاوت است. هر چه نظم اتم ها بیشتر باشد ، هدایت الکتریکی آن دسته از نانولوله ها بیشتر خواهد بود . بعنوان مثال ، رسانایی نانولوله نوعِ صندلی هزار برابر بیشتر از مس می باشد . در حالی که نوع زیگزاگ و نامتقارن نیمه رسانا هستند . هم اکنون از نانولوله ها برای تغییر رسانایی پلیمرها استفاده می شود .
خواص فوق العاده نانولوله ها و روش های پیچیده تولید آنها باعث شده که قیمت هر گرم از این ماده در حدود چند صد دلار باشد . امروزه ، تولیدکنندگان ، در حال سرمایه گذاری جهت پیشبرد این بخش و کاهش قیمت های این فرآورده هستند . هرچند هنوز سوددهی اقتصادی نانولوله ها کاملا روشن نیست ، ولی دانشمندان معتقدند چیزی قوی تر از فولاد ، می تواند به خوبی جای خود را در بازار باز کند .
[1] Bulk
[2] محمد اکبرخواه – باشگاه نانو
[3] تعریف « ناسا » از این مواد
[4] تعریف « دایره المعارف فناوری های شیمیایی » ازاین مواد
[5] Piezoelectric
[6] CNT : Carbon Nanotubes
[7] گرافیت از نظر ساختار بلوری به دو گونه است : آلفا ( به صورت حلقه های شش ضلعی ) و بتا ( به صورت منشورهای شش وجهی که سطحی لوزی شکل دارند ) .
[8] باکی بال ها هنوز به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته اند .