به چه موادی نانوساختار می‌گویند؟

نویسنده: بهنام غفاری


مقدمه
در بخش قبل با تعریف علم و فناوری نانو آشنا شدید. همچنین متوجه شدید که اهمیت کوچک‌سازی مواد تا ابعاد نانومتری تغییر برخی خواص شناخته شده مواد است. سوالی که ممکن است از مبحث بخش قبل به ذهنتان خطور کرده باشد این است که به چه موادی نانومواد می‌گوییم؟ آیا تنها برای موادی که به اندازه یک نانومتر کوچک شده باشند، پیشوند نانو اطلاق می‌شود؟ تغییر خواص از چه ابعادی شروع می‌شود؟

1- تعریف نانومواد و نانوساختارها
از کتاب‌های شیمی و فیزیک دبیرستان با خواص برخی از عناصر و آلیاژها آشنا شده‌اید. به عنوان مثال، فلزات نقره و مس هدایت الکتریکی بالایی دارند. آهن، نیکل و کبالت را به عنوان موادی با قابلیت جذب آهن‌ربا می‌شناسیم. با شنیدن نام فولاد، استحکام آن به یادمان می‌آید. رنگ عنصر طلا کاملا برای ما شناخته شده است. از طرفی اهمیت مقیاس نانو در تغییر خواص و ویژگی‌های مواد در این ابعاد است. خواصی مانند استحکام، انعطاف‌پذیری، رسانایی الکتریکی، خواص مغناطیسی، رنگ، واکنش‌پذیری و غیره. شروع تغییر خواص مواد با کوچک‌سازی آن بیش از هر چیز به نوع ماده و خاصیت مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال با کوچک شدن ابعاد یک ماده، عموما برخی از خواص مکانیکی مواد مانند استحکام بهبود می‌یابد. این افزایش استحکام تنها در محدوده چند نانومتر اتفاق نمی‌افتد و ممکن است استحکام ماده‌ای چند ده و حتی صد نانومتری نیز بسیار بیشتر از ماده توده‌ای بزرگ مقیاس باشد. از طرفی تغییر برخی خواص همانند رنگ و خواص مغناطیسی ممکن است در ابعاد تنها چند نانومتر رخ دهد. در نتیجه دانشمندان برای تعریف علم و فناوری نانو، به صورت قراردادی محدوده 1 تا 100 نانومتر را به عنوان محدوده نانومتری تعریف کرده‌اند. حال اگر به تعاریف علم و فناوری نانو در بخش قبل برگردید، بهتر متوجه معنای "مقیاس‌هایی در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی" در تعریف علم نانو و "مقیاس نانومتری" در تعریف فناوری نانو می‌شوید.

به سوال اصلی این بخش برمی‌گردیم. به چه موادی نانومواد یا نانوساختار می‌گویند؟ همانطور که می دانید هر ماده ای از سه بعد تشکیل شده است. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس نانو باشد (بین 1 تا 100 نانومتر) به این ماده، یک مـاده نانوساختـار گفتـه مـی شود. همچنین به بعدی کـه در مقیـاس نانو نباشد اصطلاحا بعـد آزاد گفته می شود، زیرا هر مقداری می تواند داشته باشد. .


2-طبقه‌بندی انواع نانو ساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد
در شکل1، انواع نانو ساختارها (با رنگ نارنجی) نشان داده شده است. نانوساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد به دسته‌های زیر تقسیم می شوند:


شکل 1: انواع نانوساختارها بر حسب تعداد ابعاد آزاد


1-2- نانومواد صفر بعدی (0D):

موادی که در هر سه بعد دارای اندازه ی نانومتری می باشند و هیچ بعد آزادی ندارند. بر اساس برخی دسته‌بندی‌ها به این دسته از نانوساختارها، نانو ذرات نیز گفته می شود. عوامل تاثیرگذار بر خواص نانو ذرات، اندازه و جنس ذرات هستند. نانوذرات کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف مانند اتومبیل (ضد خش کردن بدنه، ضد بخار کردن شیشه ها، لاستیک های مقاوم و...)، پزشکی (ساخت دارو های جدید، تشخیص علایم بیماری ها و ...)، تصفیه آب و فاضلاب، الکترونیک، صنایع نظامی و... دارند. نانو ذرات می‌توانند بسته به کاربردشان در اشکال مختلف مانند کروی، بیضوی، مکعبی، منشوری، ستونی و... ساخته شوند. نانوذرات ممکن است از یک جزء تشکیل شده باشند یا اینکه ترکیبی از چند جزء (ماده) باشند. همچنین نانوذرات می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.


2-2- نانومواد تک بعدی (1D):

نانو مواد تک بعدی دارای دو بعد در مقیاس نانو و یک بعـد آزاد می باشند. نانو سیم ها، نانو میله ها، نانو لوله ها، نانو الیاف همگی جز مواد نانو ساختار تک بعدی می باشند. عوامل تاثیرگذار روی خواص نانو ساختارهای تک بعدی، جنس و نسبت طول به قطر(L/d) آن می باشند. مهم‌ترین ویژگی نانو ساختارهای تک بعدی فلزی هدایت الکتریکی آنها در راستای محور سیم است. نانوسیم ها کاربرد های زیادی در بخش های مختلف مانند ساخت رایانه های بسیار کوچک با سرعت بسیار بالا، ساخت لیزرهای بسیار کوچک، تشخیص بیماری ها، حافظه های منغاطیسی و ... دارند. نانو سیم ها نیز می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند نوع ماده مختلف باشند.

3-2- نانومواد دو بعدی (2D):

این مواد دارای دو بعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو می باشند. مواد با یک بعد در مقیاس نانو عمدتا شامل لایه های نازک (Thin Films) یا پوشش های سطحی می باشد. عوامل تاثیرگذار در خواص نانو پوشش ها، جنس و ضخامت آنها می باشد. برای مثال سلفون های نگه دارنده مواد غذایی یک نوع پوشش هستند. حال اگر ضخامت آنها در ابعاد نانو باشد، به آنها نانوپوشش گفته می شود. نانوپوشش ها لایه هایی با ضخامت 1 تا 100 نانو متر هستند که به صورت پوشش روی مواد دیگر قرار می گیرند و باعث تغییر خواص و ویژگی های آنها می شوند. لایه های نازک نیز می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.

4-2- نانو مواد سه بعدی (3D):
یعنی هر سه بعد آنها در مقیاس آزاد است. همانطور که مشاهده می کنید این تعریف با تعریف مواد نانو ساختار در تناقض است، زیرا هیچ یک از سه بعد آن در مقیاس نانو نیست. این دسته شامل نانوکامپوزیت ها (مواد مرکبی که شامل چند ماده است) و مواد حجیم نانو ساختار (یا مواد توده‌ای نانوساختار) می باشد. مواد حجیم نانوساختار موادی هستند که اندازه واحدهای سازنده مجزای آنها حداقل در یک بعد کمتر از 100 نانومتر باشد. بعضی مواد یک سری خواص را ندارند. برای مثال پلاستیک خاصیت رسانایی الکتریکی ندارد. اما اگر ماده‌ای همانند ذرات فازی که خاصیت رسانایی دارند را به آن اضافه کنیم، ماده مخلوط تولید شده می‌تواند خاصیت رسانایی داشته باشد. به این مواد کامپوزیت یا ماده مرکب گفته می‌شود. ماده مرکب ممکن است از بیش از دو ماده تشکیل شده باشد که هر یک از مواد اضافه شده می‌تواند قابلیت تقویت یکی از خواص را داشته باشد. در صورتی که حداقل یکی از اجزای کامپوزیت نانوساختار باشد، به آن نانوکامپوزیت می‌گوییم. به عنوان مثال می‌توان رسانایی پلیمرها را با استفاده از نانولوله‌های کربنی افزایش داد.
منبع:نانو کلوب