رفتن به مطلب
d-a-r-y-a

کاربرد های نانو تکنولوژی

پست های پیشنهاد شده

نگاه به فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی از دید نانومتری یعنی در ابعاد اتمی اطلاعاتی به دست می دهد که بسیار راحت تر می توان مسیر حرکتی آن را مشخص و خواسته ها و نظرهای شخصی را در آن اعمال کدد. آنچه که امروز تحت عنوان نانوتکنولوژی مطرح است آشنا شدن و کنترل کردن بسیاری از پدیده ها در ابعاد اتمی و آنگسترومی می باشد.

 

پیشرفت های اخیر در ساخت کربن تیوب، موتورهای بیومولکولی، سنسورهای با ابعاد باکتری، *****های میکرونی و دیگر موارد موجبات تغییر و تحول در علوم مختلف از جمله کامپیوتر، الکترونیک، هوافضا، بیوشیمی، محیط زیست، شیمی و دیگر علوم را فراهم آورده است. در این زمینه، علم شیمی نیز بی بهره نبوده و با حضور روش های میکروسکوپی و الکترودهای با ابعاد نانومتر امکان بررسی ساختار و شناسایی بسیاری از سطوح فلزی و غیرفلزی میسر شده است.

اولین اثر کاهش اندازه ذرات افزایش سطح است، افزایش نسبت سطح به حجم نانو ذرات موجب می شود که اتم های واقع در سطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنش پذیری نانو ذرات را به شدت افزایش می دهد به گونه ای که ذرات به شدت تمایل به اگلومره یا کلوخه ای شدن داشته باشند.

به عنوان مثال در مورد نانو ذرات فلزی به محض قرار گیری در هوا به سرعت اکسید می شوند.البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزور های شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید ویا در تولید کامپوزیت ها با استفاده از این ذرات پیوند های شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات بر قرارکرد. علاوه بر این افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. فاصله بین اتم های ذرات با کاهش اندازه آن ها کاهش می یابد. البته این امر بیشتر برای نانو ذرات فلزی صادق است. درمورد نیمه هادیها و اکسید های فلزی مشاهده شده است که با کاهش قطر نانو ذرات فاصله بین اتم های آن ها افزایش می یابد .اگر اندازه دانه باز هم بیشتر کاهش یابد تغییرات شدید دیگری نیز رخ می دهد. از جمله این تغییرات آن است که اتم ها می توانند خودشان را در هندسه هایی که در جامدات توده ای غیر ممکن است آرایش دهند.

● نانو مواد

نانو مواد به دو دسته کلی تقسیم می شوند: نانو ذرات و مواد نانو ساختار(یا مواد نانو کریستال)و مواد نانو ساختار به نانوسیم ها و نانو لوله ها ، نانو لایه ها طبقه بندی می شوند.

تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم زیاد در نانو ذرات تاثیر متقابلی در خواص ماده دارد.برای مثال ترکیبات کاربیدی و نیتریدی پراکنده شده در یک ماتریس آمورف سختی های قابل مقایسه و یا بالاتر از الماس در مورد آن ها گزارش شده است.این تغییر در فاصله بین اتم های انرژی آزاد سطح پتانسیل شیمیایی را نیز تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تاثیر گذار است. ملاحظه می شود که نقطه ذوب با کاهش اندازه ذرات کاهش می یابد و نرخ کاهش ذوب در اندازه خیلی کوچک بسیار شدید است.

● روشهای تولید نانو مواد

اصلی ترین روش های ساخت مواد نانو را می توان در دو روش کلی ۱- روش بالا به پایین و ۲- روش پایین به بالا خلاصه نمود.

۱) روش بالا به پایین:

در این روش با استفاده از یک سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم کوچک می شود تا به اندازه های نانومتری برسد.

۲) روش پایین به بالا:

این روش درست در جهت مخالف روش بالا به پایین می باشد. در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوک های سازنده مانند اتم ها و مولکول ها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی، تولید می شوند. خودآرایی عبارت است از طراحی مولکول ها و ابرمولکول هایی که اساس تشکیل آنها مکمل بودن شکل ساختاری است.باید توجه داشت که اتم ها و مولکول ها همیشه در جایی که مورد نظر ماست قرار نخواهند گرفت و عاملی که محل قرارگیری آنها را تعیین می کند انرژی آنها است. به این صورت که مولکول ها در جایی قرار خواهند گرفت که کمترین انرژی آزاد را داشته باشند و به سمت انرژی آزاد ( ) منفی تمایل دارند. انرژی آزاد در یک سیستم بوسیله استحکام پیوند و انتروپی تعیین می شود.

روشهای تولید انبوه که در تولید مواد نانو متری به کار می روند عبارتند از:

۱) روش مکانیکی

این روش یک نمونه از روشهای بالا به پایین می باشد و براساس متلاشی شدن ساختار دانه های درشت استوار است.

تکنیک آلیاژسازی مکانیکی روشی است که در آن با استفاده از یک آسیاب ساچمه ای انرژی بالا مخلوط پودرهای مختلف را در سطح اتمی با یکدیگر آسیاب و ترکیب می کنند. با استفاده از این تکنیک علاوه بر پودرهای عنصری خالص از پودرهای آلیاژی و سرامیکها، نظیر اکسیدها، نیتریدها و غیره برای ایجاد آلیاژها و کامپوزیتها استفاده می شود

مکانیزمی که در حقیقت بکار می رود، مکانیزم سایش مکانیکی همراه با خرد شدن می باشد.

شکست دانه ها در حقیقت به علت انرژی است که به آنها انتقال داده می شود، که این انرژی به سرعت دورانی (یا ارتعاشی)، محفظه، اندازه و تعداد توپ ها نسبت جرم توپ به ذرات، مدت سایش در حین فرآیند سایش بستگی دارد.

معایب این روش نیز به شرح زیر است:

▪ آلودگی و ناخالصی ناشی از ماده ساینده

▪ ایجاد ساختار خشن در پوردهای تولیدی.

▪ عدم یکنواختی در اندازه دانه ها.

▪ ترکیب شیمیایی غیر یکنواخت.

۲) سل _ ژل

سل ژل عبارتست از یک فرایند خود آرایی خود به هم پیوستگی یا خود انباشتگی که در طی آن نانو مواد تشکیل می شوند .

کلوئیدی که در یک مایع معلق شده است سل نامیده می شود.سوسپانسیونی که شکل خودش را حفظ میکند ژل نامیده شود. در نتیجه سل-ژل ها سوسپانسیون هایی از کلوئید ها در مایعات می باشند که شکل را نگه میدارند. فرایند سل_ژل همانطوری که از نامش پیداست مستلزم تکمیل تدریجی شبکه ها از طریق تشکیل یک سوسپانسون کلوئیدی(سل) و ژله ای شدن سل- برای تشکیل شبکه ای در یک فاز مایع پیوسته (ژل) می باشد. پیش ماده های لازم برای سنتز این کلوئید ها عموما شامل یون هایی از یک فلز است اما گاهی اوقات سایر عناصر از طریق گونه های فعالی که لیگاند ها نامیده می شوند احاطه شده اند. الکوکسید ها و الکوکسیلان ها بیشتر متداول می باشند به دلیل این که سریعا با آب وارد واکنش میشوند. تشکیل سل_ژل در چهار مرحله به وقوع می پیوندد:

▪ هیدرولیز

▪ تراکم و پلیمری شدن منومر ها برای تشکیل ذرات

▪ رشد ذرات

▪ به هم چسبیدن ذرات و توده ای شدن آن ها از طریق تشکیل شبکه هایی که در ستاسر محیط مایع گسترش یافته اند سبب زخیم شدن آن ها می گردد که تشکیل یک ژل می دهد.

۳) واکنش حالتهای جامد- مایع:

این روش از برگرفتن رسوب دانه ها از فاز محلول استفاده می شود و فرآیند آن بر پایه وجود هسته مورد نظر استوار است. برای مثال پودر دی اکسید تیتانیم با اندازه های بین ۷۰ تا ۳۰۰ نانومتر با استفاده از این روش، از تیتانیم تترا ایزو پروپوکساید تولید می شود.

۴) چگالش فاز گازی

این روش به طور کلی بر مبنای پیرولیز ماده اصلی تولید نانو ذرات استوار است و فرایند آن بدین گونه است که یک گاز حامل بی اثر و خالص وارد محفظه حاوی مایع اصلی تولید نانو ذرات می شود. مایع در این محفظه توسط یک مشعل تجزیه شده وبه وسیله گاز حامل به مبرد فرستاده می شود. بخارات در مبرد سرد شده و به صورت دانه یا خوشه در می آید اندازه دانه های تولید شده در این روش به عوامل زیر بستگی دارد:

▪ نوع گاز بی اثر بکار برده شده.

▪ فشار گاز بی اثر.

▪ زمان باقی ماندن ذرات در محدوده رشد.

▪ نسبت نرخ تبخیر به فشار بخار ماده تبخیر شده.

● مزایا:

▪ کنترل بهینه بر روی اندازه دانه ها.

▪ کنترل بهینه بر روی اندازه دانه ها.

▪ خلوص محصولات تولیدی در سیستم های تولید خلاء بالا.

● معایب:

بالا بودن قیمت تجهیزات وعدم امکان تولید در ابعاد صنعتی

● کاربرد های نانو ذرات

یکی از خواص نانو ذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می توان کاتالیزور های قدرتمندی در ابعار نانو متری تولید نمود.این نانو کاتالیزورها راندمان واکنش های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشم گیری از تولید مواد زاید در واکنش ها جلو گیری خواهند نمود.به کار گیری نانو ذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آنها را افزایش دهد و یا وزن آن ها را کم کند. مقاومت شیمیایی و حرارتی آن ها را بالا ببرد و واکنش آن ها را در برابر نور وتشعشعات دیگر تغییر دهد.

با استفاده از نانو ذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانو ذرات اکسید روی استفاده شده است.استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها عمر آن ها را نیز چندین برابر نموده است. از نانو ذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها رنگها و لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها(ضد جوش و نشکن) کاشی ها و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و در پنجره استفاده می شود.پوشش های ضد نوشته برای دیوار ها و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانو ذرات تولید شده اند.

وقتی اندازه ذرات به نانو متر می رسد یکی از خواصی که تحت تاثیر این کوچک شدن اندازه قرار می گیرد تاثیر پذیری از نور و امواج الکترو مغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیرا چسب هایی از نانو ذرات تو لید شده اند که کاربرد های مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانو لوله ها در موارد الکتریکی مکانیکی اپتیکی بسیار مورد توجه بوده است مثلا کاربرد نانو لوله های طلا در الکترونیک و بیوشیمی و تولید آنها بر پایه محلول و فاز بخار که روش رشد نانو لوله ها در قالب که توسط Martin مطرح شد].

نانو لایه ها در پوشش های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارد. نانو ذرات نیز به عنوان پیش ماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرار گرفته اند.

Haruta وThompson اثبات کردند که نانو ذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند مثل تبدیل مونو اکسید کربن به دی اکسید کربن ، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالاو فعالیت کاتالیستی نانو ذرات مورد استفاده در سنسورها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می کنند در پیوست د لیست بعضی از شرکت هایی که بر روی نانو کار می کنند آمده است.

● نانو طلا و کاربرد های آن

با توجه به مطالب فوق مشخص است که تغییر خواص فیزیکی مواد با آرایش اتمی ، اندازه جامد (دریک ، دو و سه بعد) و ترکیب شیمیایی آنها ارتباط مستقیمی دارد. از گذشته نیز اثر ذرات کوانتومی روی خواص مواد مورد بررسی قرار گرفته بوده است.درکنار افزایش مطالعات بر روی خواص فیزیکی نانو ذرات به روش های مختلف نانوذرات فلزی توجه ویژه ای شد به ویژه در زمینه هسته گذاری ، رشد بلور و انباشتگی ذرات.دراین پروژه تهیه نانو ذرات فلزی طلا مورد اهمیت بوده است که از محلول حاصل از اسید شوییکه در مرحله نهایی طلا به دست آمده است به ذرات نانو تبدیل می شود.نانو ذرات طلا در وسایل نوری و الکترونیک وبیوشیمی ، بیوتکنولوژی کاربرد فراوان دارد.از نانو ذرات طلا برای تولید الکترود با حساسیت و قابلیت انتخابی بالا بر پایه خود آرایی نانو ذرات طلا و همچنین نشاندن ذرات طلا روی الکترود از طریق پیوندهای کووالانسی یا الکتروستاتیکی یا الکتروشیمیایی بررسی شده اند.به طور کلی نانو ذرات در الکتروشیمی به علت خواص فیزیکی و شیمیایی خود مورد استفاده قرار گرفته اند همچنین استفاده از الکتروشیمی در نانو تکنولوژی بسیار مورد توجه بوده است،

کاربردهای نانو ذرات طلا در شیمی به عنوان کاتالیزور در زیر اشاره شده است:

۱) پلیمر همراه ذرات طلا در تبدیل اپوکسید به کربامات همراه دی اکسید کربن.

۲) استفاده از نانو ذرات طلا به عنوان کاتالیزور در تهیه پلی وینیل پیرولیدین در آب . در اینجا اندازه ذرات طلا بسیار مهم است زیرا هر چه اندازه ذرات کوچکتر باشد فعالیت کاتالیتی بیشتری داردو اکسیژن بیشتری جذب می کند

۳) استفاده از نانو ذرات طلا به عنوان کاتالیزور برای بستن زنجیرهای اولفینی به صورت حلقه و نشانه گذاری کردن DNA

۴) استفاده از نانو ذرات طلای پوشش داده شده اِن اکتان تیولات به همراه Rh – دی فسفین (کایرال) به عنوان کاتالیزور

۵) تهیه نانو کلا سترهای آنانتیومری طلا توسط گروه فعال تیول و پنیسیلین آمین که برای تشخیص کایرالیته بکار برده می شوند.

۶) افزایش قابلیت اکسیداسیون فوتو کاتالیتی AgCl به وسیله ی ذرات طلا در اکسیداسیون آب

۷) همچنین از خصوصیات نوری و دمایی پروب های نانو ذرات طلای جدا از هم و مجتمع ، به عنوان یک روش تشخیص پزشکی استفاده می گردد.

● نانو نقره و کاربردهای آن

همانطور که گفته شد،خواص فیزیکی ماده ارتباط مستقیم با ترکیب شیمیایی، آرایش اتمی و اندازه جامد دارد. در ارتباط با نانو ذرات گزارشات متعددی در خصوص تغییرات خواص فیزیکی در اثر کاهش اندازه ذرات ارائه شده است.

علم ذرات فلز با آزمایش فاراده آغاز شد. بعد از فاراده ذرات فلزی متفاوت در اندازه مختلف سنتز شد. در زمینه نانو ذرات فلزی ، هسته گذاری و رشد بلور و انباشتگی ذرات مورد توجه قرار گرفت.

دراینجا برای ما ساخت نانو ذرات نقره از بین بقیه فلزات بیشتر اهمیت پیدا می کند زیرا در محلول حاصل از اسید شویی مقدار قابل ملاحظه نقره دور ریخته می شود.در کار حاضر تلاش خواهد گردید تا ضمن معرفی مواد نانوپودر نقره، به بررسی روش های مختلف برای تهیه نانوپودر نقره پرداخته شود. در تولید نانو ذرات نقره روشهای مختلفی از جمله سنتز فلزی ، فوتولیز، الکتروشیمیایی، کاهش شیمیایی وجود دارد.

روشهای متعددی برای ساختن ذرات فلزی در ماتریس های سرامیک و پلیمرها نیز ارائه شده است .

نانو ذرات نقره یکی از پرمصرفترین مواد در مهندسی موادند. چون خاصیت چکش خواری ، ضد میکروبی و هدایت الکتریکی و گرمایی بالایی دارند.

استفاده از نانو پودرهای نقره توسط سر لوله های میکرو الکترود و سیم های هادی در الکترونیک و همچنین استفاده از نانو نقره در سنسورهای بیولوژیکی و فوتو شیمی هم بررسی شده است .

به دلیل بالا بودن سطح مقطع نقره دراین مقیاس ، در برخورد با سلولها خاصیت جالب توجهی از خود بروز می دهند که به ممانعت با متابولیسم سلولی از آن یاد می شود و جلوی تنفس و رشد و تکثیر هر گونه باکتری یا قارچ را می گیرد و اثرات موثری در بهبود زخم ، تاول، خارش یا بیماری دارد.

محصولاتی که امروزه از نانو نقره در آنها استفاده می شود فراوانند همچون دام و طیور، کشاورزی ، باندهای زخم ، ضد تاول ، لوازم جراحی ، ژلهای مرطوب کننده ، ضد جوش ها ، در بهداشت زنان ، زایمان ، شلوارهای طبی ، دستمال کاغذی و نیز کولرها ، یخچالها و غیره . نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم ، تنفس و تولید مثل میکرو اورگانیزم اثر می گذارد.

ذرات نقره ریز استفاده زیادی در الکترونیک ، صنایع شیمیایی و دندانپزشکی ، بخاطر مقاومت بالای اکسایش و مقاومت در برابر فعالیتهای باکتریایی دارد.

مکانیزم اثرگذاری نقره را به سه دسته زیر می توان تقسیم کرد:

الف) تولید اکسیژن فعال توسط نقره

ب) دگرگون ساختن میکرو ارگانیزم

ج) افزایش بار مثبت نقره در ابعاد نانو که موجب تخریب غشاء سلولی میکرو اورگانیزم می شود.

استفاده از نانو سیلور همراه با مواد مختلف از جمله الیاف ، رنگ ، پلیمر ، سرامیک ما را قادر می سازد محصولاتی تولید کنیم که محیط زیست ما را عاری از میکروب سازد و این درحالی است که ضرری را متوجه محیط زیست نمی کند.

● روش های تولید نانو طلاو نقره

۱) سنتز فازبخار

سنتز فازبخار ذرات ، برای تولید نانو ذرات فلزی مناسب است به این صورت که مخلوط فاز بخار به طور دینامیکی ناپایدار است تا مواد در حد نانو تهیه شود ، ذرات به صورت همگن هسته گذاری می کنند و بعد از یکبار مرحله هسته گذاری، بخار فوق اشباع باقی مانده به وسیله متراکم شدن و واکنش با ذرات باعث رشد ذره هامی شود، دراین جا رشد ذره بیش از مرحله هسته گذاری اتفاق می افتد (درابتدا باید بخار فوق اشباع تشکیل داد به این صورت که یک جامد را حرارت می دهیم تا به صورت بخار در یک گاز پایه درآید، سپس با یک گاز سرد آن را مخلوط می کنیم تا دمای آن کاهش یابد بعد از این مرحله باید سیستم را خاموش کرد که با برداشتن منبع بخار فوق اشباع یا کاهش سینتیکی واکنش انجام می شود و از رشد ذرات جلوگیری می شود.

۲) الکتروشیمیایی

برای تهیه نانو ذرات طلا و نقره از طریق روشهای الکتروشیمیایی نیز اقداماتی شده است که سایز ذرات با تنظیم شدت جریان تغییر می کند. در روشهای الکتروشیمیایی در تولید نانو ذرات اثرات پارامترهای گوناگون مثل دما ، جنس کاتد ، اورولتاژ ، دانسیته جریان ، زمان ، نوع الکترولیت برروی اندازه و ساختار ذات بررسی شده است یکی از روش های سنتز نانو ذرات فلزی طی روش الکتروشیمی الکترو پالس است این روش بر پایه استفاده از الکتروشیمی پالسی و شیمی صوت است و به تجهیزات بالا احتیاج دارد . روشی برای جانشینی الکتروستاتیکی طلا روی سطح الکترود در الکتروشیمی و ایجاد باند بین طلا با تیولها و دی سولفیدها گزارش شده است.

رسوبگذاری الکتروشیمیایی بر پایه ، سولفات ، کلرید ، برمید و یدید نقره انجام می شود . در تمام موارد لایه ای از نقره تشکیل می شود. از جمله فواید روشهای الکتروشیمیایی برای تهیه نانو پودرها این است که به راحتی ایزوله و جدا می شوند و محصول فرعی حاصل از ماده کاهنده را هم تولید نمی کنند و بسیار انتخابی عمل می کنند. برای جلوگیری از جانشینی خود بخودی Ag+ روی سطح پتانسیل را باید کنترل کرد.

۳) فوتولیز:

سنتز نانو ذرات به روش پرتو کافت گاما نیز میسر است طی این کاهنده قوی بوجود می آید که باعث کاهش یون فلز شده و عدد اکسایش فلز را به صفر می رسانند

۴) کاهش شیمیایی

سنتز نانو ذرات توسط کاهش شیمیایی در حضور یک پایدارکننده مثل سورفاکتانتها و پلیمرها (مثل پلی وینیل پیرولیدین )بسیار معمول می باشد. که می توان اندازه ذرات را با تغییر دما ، pH و کنترل هم زدن تغییر داد. با وجود سهولت در این روش معایبی نیز وجود دارد مثل زمان انجام واکنش که معمولا بسیار طولانی است

مرحله مهم در طول تهیه نانو ذرات در ابعاد مورد نظر ، کنترل رشد و جلوگیری از تجمع ذرات می باشدکه به وسیله ی لیگاندها پلیمرهاو یا سور فاکتانتها از رشد می توان جلوگیری کرد.

واکنش های کاهشی با وجود سهولت معایبی نیز دارند که مهمترین ان زمان انجام واکنش می باشد که معمولا بسیار طولانی است البته بعضی از کاهنده ها در دمای اتاق عمل می کنند .

کاهش یون نقره با یک کاهنده می تواند در دمای اتاق رخ دهد البته سرعت واکنش آنقدر کند است که تشکیل اجزای نقره ساعتها طول می کشد. افزایش دمای واکنش منجر به زمان کمتر می شود و این تغییر مربوط به اختلاف پتانسیل بین اکسیداسیون حلال و کاهش گونه فلزی است

به اشتراک گذاری این ارسال


لینک به ارسال

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

مهمان
ارسال پاسخ به این موضوع ...

×   شما در حال چسباندن محتوایی با قالب بندی هستید.   حذف قالب بندی

  تنها استفاده از ۷۵ اموجی مجاز می باشد.

×   لینک شما به صورت اتوماتیک جای گذاری شد.   نمایش به عنوان یک لینک به جای

×   محتوای قبلی شما بازگردانی شد.   پاک کردن محتوای ویرایشگر

×   شما مستقیما نمی توانید تصویر خود را قرار دهید. یا آن را اینجا بارگذاری کنید یا از یک URL قرار دهید.


×
×
  • جدید...