اطلاعاتی درباره فناوری نانو

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و ... تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌کند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است.
یک نانو ذره یا نانو پودر یک ذره میکروسکوپی است که حداقل در یک بعد کمتر از 100 نانومتر است. تحقیق نانوذرات در حال حاضر بخاطر انواع نامحدود از کاربردهای گسترده آن در زمینه های بیوپزشکی، اپتیک و الکترونیک زمینه ای از تحقیقات وسیع علمی است.

خواص نانو ذرات :
نانو ذرات توجه زیاد دانشمندان را به این دلیل به خود جلب کرده است زیرا آنها پلی میان مواد بزرگ و ساختارهای اتمی و مولکولی ایجاد می کنند. ماده بزرگ (توده ای) باید خواص فیزیکی ثابتی داشته باشد بدون توجه به اندازه آن اما در سطح نانو چنین چیزی صحت ندارد. خواص وابسته به اندازه مانند محصورشدگی کوانتمی در ذرات نیمه هادی، رزونانس پلاسمون سطحی در بعضی ذرات فلزی و ابرپارامغناطیسی در مواد مغناطیسی مشاهده می شوند.
خواص مواد هنگامی که اندازه آنها به سطح نانو نزدیک می شود تغییر می کند و درصد اتم هایی که در سطح یک ماده است اهمیت پیدا می کند. برای مواد بزرگ، بزرگ تر از یک میکرومتر درصد اتم هایی که در سطح است نسبت به تعداد کل اتم های ماده ناچیز می باشد. خواص جالب و گاهی غیرمنتظره نانوذرات تا حدودی بخاطر ابعاد سطحی ماده است که این خواص را تحت تاثیر دارد.
نانو ذرات نسبت به مواد بزرگ خواص بخصوصی را از خود نشان می دهند، برای مثال خم شدن مس توده ای بصورت سیم یا نوار و غیره با حرکت اتم های مس در اندازه حدود 50 نانومتر رخ می دهد. نانو ذره مس در اندازه کوچکتر از 50 نانومتر جزء مواد فوق سخت است که انعطاف پذیری و چکش خواری مثل مس حجیم ندارد. این تغییر در خواص همیشه هم مطلوب نیست. مواد فروالکتریک کوچکتر از 10 نانومتر می توانند جهت مغناطیس شدن خود را با استفاده از انرژی گرمایی اطاق تغییر دهند و بنابراین از آنها نمی توان بعنوان حافظه جهت ذخیره سازی اطلاعات استفاده کرد.
نانوذرات نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند. به این ترتیب نفوذپذیری بسیار بالایی مخصوصا در دماهای بالا دارند. کلوخه شدن ممکن است در دماهای پایین تر در زمان کوتاهتری نسبت به ذرات بزرگتر رخ دهد. این حقیقت بصورت نظری چگالی محصول نهایی را تغییر نمی دهد در حالی که دشواری جریان و تمایل نانوذرات به کلوخه شدن قضایا را پیچیده می کند. اثرات سطح نانو ذرات همچنین نخستین دمای ذوب را کاهش می دهد.
انواع نانو ذرات:
با توجه به ترکیب شیمیایی، این ذرات به انواع فلزی، سرامیکی، پلیمری و نیمه‌هادی تقسیم می‌شوند.
علاوه بر این نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته ‌لایه را نیز در بر می‌گیرند. همچنین نانوکره‌ها، نانومیله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته می شوند. نانوذرات در اندازه‌های پایین نانوخوشه به حساب می‌آیند. نانوبلور‌ها و نقاط ‌کوانتومی نیمه هادی نیز زیرمجموعه نانوذرات هستند.

 کاربردها :
1) در کاربردهای بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویر‌برداری استفاده می‌شوند.
2) بانداژهای بی‌نیاز از تجدید
3) شناسایی زود هنگام و بی‌ضرر سلول‌های سرطانی
4) مواد کامپوزیت
5) کامپوزیت‌های ساختاری
6) کاتالیزور
7) بسته‌بندی
8) روکش‌ها
9) افزودنی‌های سوخت و مواد منفجره
10) ساینده‌ها
11) کاربرد نانوذرات در باتری‌ها وپیل‌های سوختی
12) روان‌کننده‌ها
13) پزشکی و داروسازی
14) دارو رسانی
15) محافظت‌کننده‌ها
16) آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی
17) لوازم آرایشی
18) و تجزیه آلاینده‌های محیط زیست

دومین عنصر پایه، نانوکپسول است.
کپسول های هستند که قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال هاست که نانوکپسول ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولکول های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود کپسول هایی را تشکیل می‌دهند که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.

 عنصر پایه بعدی نانولوله است.
نانولوله به نانو ساختارهایی اطلاق می شود که قطر آنها تا حدود 100 نانومتر می باشد. صرفنظر از استحکام کششی بالا نانولوله ها خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می دهند که به ساختار آنها وابسته است.
• نانو لوله های کربنی CNTs ))
• نانو لوله های نیترید بور
• نانو لوله های آلی

کاربردها :
• تصویر برداری زیستی دقیق
• حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی
• شناسایی و جداسازی کاملاً اختصاصی DNA
• ژن درمانی که از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت می‌پذیرد
• از بین بردن باکتری ها
• مواد ساختمانی
• صنایع الکترونیک
• قطعات نشر میدانی

• پیل های سوختی و باتری ها

ا توسعه فناوری نانو نیاز به روش های نانوساخت که بتواند دقت در ابعاد نانومتری و حتی کمتر از آن را فراهم کند، بیشتر احساس می شود. هم اکنون روش های نانوساخت گوناگونی در فناوری نانو مطرح است که اکثرشان فاقد دقت و کارایی لازم برای تولید ساختارهایی با دقت نانومتر و کمتر هستند. در سال های اخیر توجه محققان بیشتر به سمت تقلید از طبیعت در زمینه تهیه ساختارهای بسیار کوچک بوده است؛ به نحوی که آنها سعی کرده اند تا با الهام گرفتن از طبیعت راهی برای غلبه بر مشکلات روش های نانوساخت کنونی پیدا کنند. در این ‏بین خودآرایی از جایگاه ویژه ای برخوردار است؛ به علت ویژگی های ممتازش، ‏هم اکنون یکی از روش های آینده دار نانوساخت، به شمار می رود. خودآرایی به عنوان روشی برای چینش ذرات برای به دست آوردن ساختاری از پیش تعیین شده، مزایای کاربردی ویژه ای مانند موازی بودن و در نتیجه سرعت بالای تولید، بالا بودن دقت، امکان ایجاد ساختارهای سه بعدی و امکان کنترل فرایند به سمت مورد نظر با استفاده از نیروهای خارجی را دارد. ‏به عبارت ساده تر، خودآرایی فرایندی است که در آن اجزا و ترکیبات نامنظم یک سیستم ‏به صورت خود به خود، ساختار و الگویی منظم به خود می گیرند .

برای تولید مواد نانو روش های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند که در ذیل به شرح هر یک می پردازیم.


 چگالش از یک بخار
روش چگالش از یک بخار شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می‌شوند. مهمترین مزیت این روش میزان کم آلودگی است. در نهایت اندازه ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان (VERL) و روش سیم انفجاری جزء روش های چگالش از یک بخار محسوب می شود.


سنتز شیمیایی
استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یک محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنین روشی است، در روش های شیمیایی اندازه نهایی ذره را می‌توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه ‌خاص کنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یک مشکل باشد.

سل ژل
سل‌ها ذرات کلوئیدی پراکنده در محلول به ابعاد nm"100-1" هستند که به علت کوچکی بیش از حد بوسیله حرکت براونی در محلول به حالت معلق باقی می‌مانند و ژل نیز عبارتست از یک شبکه جامد و به هم پیوسته‌ای با منافذی به ابعاد زیر میکرومتر و زنجیرهای پلیمری که طول متوسط آنها بزرگتر از یک میکرومتر است. در حقیقت فرایند سل- ژل سنتز شبکه معدنی توسط واکنش‌های شیمیائی در محلول و در دمای پائین است که به دلیل تشکیل شبکه بی‌شکل (در مراحل اولیه) در مقابل فرایند کریستاله شدن در محلول قرار دارد. با مخلوط کردن نمک های اولیه مورد استفاده همچنین می توان سیستم های دوتائی و یا سیستم های سه تائی تولید نمود .هرمولکول از نمک های اولیه دارای سرعت واکنش مربوط به خودش است که این سرعت واکنش بستگی به شرایطی چونPH ، غلظت ، حلال و دما دارد. ژل پلیمری به صورت یک اسکلت سه بعدی ایجاد شده که این امر باعث پیوستن حفرات به هم شده و پس از خشک کردن با جمع شدن و انقباض ایجاد یک جامد صلب محکم می کنند. محصولات نهایی را می توان طوری طراحی کرد که باعث به هم پیوستن تخلخل های نانوسایز شده و در نتیجه سطح ویژه بالایی را خواهیم داشت .هدف نهایی در این فرایند تولید محصولی با خلوص بالا و دست یافتن به نانوساختارهایی در دمای پایین است .

سونوشیمی

در شیمی مطالعه سونوشیمی (sonochemistry) به درک اثرات امواج صوتی (sonic waves) و خواص موج بر سیستمهای شیمیایی مربوط می شود. اثرات شیمیایی فراصوت (ultrasound) از اثر مستقیم با گونه های مولکولی بدست نمی آید. مطالعات نشان داده است که هیچ برهمکنش مستقیمی بین میدان صوتی و گونه های شیمیایی در سطح مولکولی برای سونوشیمی  یا سونولومینسانس گزارش نشده است. در عوض سونوشیمی از حفره سازی صوتی: تشکیل، رشد و فروپاشی انفجاری حباب ها در محلول استفاده می کند. این مساله در پدیده هایی مثل فراصوت، اعمال امواج صوتی، سونولومینسانس و حفره سازی صوتی مشاهده می شود.
تاثیر امواج صوتی که از طریق مایعات منتقل می شوند، اولین بار توسط ویلیام وود و آلفرد لی لومیس در سال 1927 گزارش شد اما آن مقاله بی توجه رها شد . در دهه 1980 با ظهور تولید کننده های با شدت بالای فراصوت که هم ارزان و هم قابل اطمینان بودند سونوشیمی دستخوش یک تحول اساسی شد.
بر اثر پرتودهی با موج صوتی با شدت بالا یا فراصوت (محدوده MHz 10-KHz 20)، معمولا حفره سازی صوتی صورت می گیرد. حفره سازی (شکل گیری، رشد و فروپاشی انفجاری حباب های تابش داده شده با موج صوتی) نیروی محرک برای سونوشیمی و سونولومینسانس می باشد . تخریب حباب در مایعات مقدار عظیمی انرژی از تبدیل انرژی جنبشی حرکتی مایع به گرمایش محتویات حباب تولید می کند. به هم فشرده شدن حباب ها در طول حفره سازی که نقطه داغ محلی کوتاه مدتی را تولید می کند سریع تر از انتقال حرارتی است. نتایج آزمایشگاهی نشان داده اند که این حباب ها دمایی حدود ˚K 5000، فشاری تقریبا برابر با atm 1000-500 و سرعت گرم و سرد شدنی بالاتر از K/s 10¹⁰ دارند . این حفره سازی می تواند یک شرایط فیزیکی و شیمیایی بینهایت را در مایعات سرد تولید کند.
در مایعاتی که حاوی مواد جامد هستند ممکن است یک چنین پدیده ای با پرتودهی فراصوت رخ دهد. هنگام وقع حفره سازی نزدیک سطح جامد، فروپاشی حفره غیر کروی است و با سرعت بالا مانند فواره مایع را به سطح می برد. این فوران ها و موجهای شوکی که همراه آنها هستند می توانند سطحی که هم اکنون بسیار گرم شده است را تخریب کنند. تعلیق جامد-مایع سبب به هم خوردن ذرات با سرعت زیاد می شود که این برخوردها می توانند مورفولوژی سطح، نسبت اجزاء تشکیل دهنده و فعالیت را تغییر دهند.
سه نوع واکنش سونوشیمی وجود دارد:
1) سونوشیمی همگن مایعات
2) سونوشیمی ناهمگن سیستمهای مایع-مایع یا جامد-مایع
3) سونوکاتالیست که همپوشانی با موارد قبلی است .
سونولومینسانس نوعا به عنوان یک مورد خاص از سونوشیمی همگن به حساب می آید .

پیش بردن واکنشهای شیمیایی توسط فراصوت مورد بررسی قرار گرفته است و کاربردهای سودمندی در سنتز فاز مرکب، شیمی مواد و استفاده های بیوپزشکی دارد. بخاطر اینکه حفره سازی تنها می تواند در مایعات صورت گیرد، واکنشهای شیمیایی با تابش دهی فراصوت در سیستمهای جامدات یا جامد-گاز دیده نشده است. سونوشیمی می تواند با استفاده از حمام آب (bath) یا میله با توان بالا (probe)صورت گیرد.

هیدروترمال
هیدروترمال اساساً ریشه ژئوفیزیکی دارد. این عبارت برای اولین بار توسط زمین‌شناس انگلیسی به نام مورچیسن (Sir Roderick Impey Murchison (1792-1871)) برای شرح عملکرد آب در فشار و دمای بالا در اعمال تغییرات روی پوسته زمین و تشکیل صخره ها و مینرال های مختلف بکار رفته ‌است.‎ با وجود تمامی پیشرفتهایی که در اثر گسترش این شاخه از علم سنتز بوجود آمده‌است، هنوز تعریف مشخص و استانداردی برای این فرآیند وجود ندارد. کلمه هیدروترمال عمدتا به هر نوع واکنش ناهمگن در حضور حلال آبی در دماهایی بالاتر از دمای بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا اطلاق می‌شود. به عبارت دیگر هیدروترمال به واکنش‌های حلال آبی که در دماهایی بالاتر ازºC ۱۰۰ و فشارهایی بالاتر از ۱ اتمسفر اطلاق می‌شود. به صورت عمومی واژه هیدرو ترمال از دو بخش هیدرو و ترمال تشکیل شده‌است که پیشوند هیدرو نوع محلول را نشان می‌دهد. بر اساس آنچه که در بالا اشاره شد، بطور کلی در علم شیمی به سنتز در هر محلول غیر آبی که بتواند در دماهای فوق بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا برای سنتز بکاررود به اصطلاح سالووترمال می‌گویند.

به صورت کلی فرآیندهای هیدروترمال را می‌توان بر اساس نحوه عملیات شیمیایی در آن‌ها به صورت زیر طبقه بندی کرد:
• سنتز فازهای جدید و یا پایدارسازی کمپلکس های جدید.
• رشد کریستال های مواد غیر آلی.
• تهیه مواد با ابعاد بسیار ریز و دقیق با مورفولوژی خاص.
• تشویه سنگهای معدنی در فرآیند استخراج فلزات.
• اچ کردن، خوردگی، تجزیه مواد.

متغیرهای این فرآیندعبارتند از:
• نوع آب: این مورد شامل آب مقطر، آب دیونیزه و بررسی سختی آب در مقیاس صنعتی است.
• زمان: تغییرات زمان بر میزان رشد و در نتیجه اندازه نهایی ذرات تاثیر می‌گذارد.
• سورفکتانت
• دما: دمای بالا باعث تغییر در سرعت جوانه زنی و حتی سرعت رشد ماده می‌شود.
• pH محلول: بر اساس نوع اسیدی یا بازی بودن عمدتا بر روی روند آزمایش اثر می‌گذارد.

روش های آزمایشگاهی
برای سنتز به روش هیدروترمال در مقیاس آزمایشگاهی عمدتا از اتوکلاو استفاده می‌شود که بسته به نوع فرآیند انواع مختلفی دارد. در این نوع فرآیند واکنش دهنده ها در داخل حلال در دو ظرف جداگانه با غلظت خاصی که وابسته به ضرایب استوکیومتری واکنش مد نظر است، کاملا حل می‌شوند. برای این کار معمولا از همزن های مغناطیسی ، اجیتیتورها و یا از سونیکیتورها استفاده می‌شود. بهترین نوع همگنی مربوط به سونیکیتورهاست که اختلاط محلول را توسط امواج ماورای صوت انجام می‌دهند. پس از تهیه پیش ماده‌ها آنها در یک بشر جداگانه ریخته و سپس بعد از یک سونیکیشن اولیه و با زمانی نسبتا کم، در داخل محفظه اتوکلاو قرار می‌گیرند. پس از استفاده از اتوکلاو در فشار و دمای معین، نمونه حاصل از داخل محفظه اتوکلاو خارج شده و خشک می‌شود. در برخی از موارد بالاخص در مورد سنتز نیمه‌هادی ها، کاتالیست ها و امیتورها کلسیناسیون و خشک کردن را در اتمسفر کنترل شده شامل گازهای خنثی، اکسیژن و نیتروژن انجام می‌دهند.


انواع روش های سنتزی سولوترمال یا هیدرو ترمال
1) روش هم دمایی (Isothermal Method)
2) روش تفاضل دمایی (Temperature-Difference Method)
3) روش شیب دمایی (Temperature-Reduction Technique)
4) روش فاز شبه پایدار (Metastable-Phase Technique)

بحث ایمنی

مواد در اندازه نانو خطرات احتمالی را چه از نظر پزشکی و اثر بر سلامت و چه از نظر محیطی در پی دارند. بیشتر این موارد بخاطر نسبت زیاد سطح به حجم است که می تواند ذرات را بسیار انفعالی و واکنش پذیر گرداند. مواد در اندازه نانو همچنین توانایی گذشتن از دیواره سلول های ارگانیسم ها را دارند و برهمکنش آنها با بدن نسبتا ناشناخته است. به هر حال نانو ذرات آزاد در محیط به سرعت گرایش به تجمع دارند و بنابراین دسته نانو را رها می کنند. طبیعت خود نیز نانو ذرات زیادی دارد (مثل ذرات نمک معلق در اقیانوس ها یا ترپن های گیاهی و غبار حاصل از فوران های آتشفشانی) که ارگانیسمهای زنده نسبت به آنها ایمنی یافته اند