دانلود مقاله فنّاوری نانو

مقدمه:

تفاوت میان خواص مواد در مقیاس نانو و توده­ای در حوزه­های مختلف علوم و مهندسی مورد مطالعه محققان قرار گرفته است. در این فصل پس از معرفی مختصر ضرورتهای فنّاوری نانو، برخی از این ویژگیهای متفاوت که دانستن آنها در درک مطالب بعدی این پایان­نامه ضروری است، معرفی می­شوند. موضوع دیگر این فصل ارائۀ یک دسته­بندی کامل از روشهای گوناگون تولید نانوذرّات است. همچنین برای فراهم آوردن امکان مقایسه بین روشهای شیمیائی تولید نانوذرّات CdS، چند روش گزارش شده از آنها معرفی می­گردد. در این فصل کلیّاتی از روش شیمیائی مهار کردن که در این پایان­نامه از آن برای تولید نانوذرّات CdS و CdS:Ni استفاده می­شود نیز معرفی خواهد شد.

نانو فنّاوری[1]

در حال حاضر علوم بدون کمک گرفتن از فنّاوری نانو، قدرت جوابگوئی به نیازهای روز افزون بشر را ندارند. علی رغم رشد قابل ستایشِ شاخه­های مختلف علوم، دانشمندان با چالشهای اساسی نیز روبرو هستند. برای مثال رایانه­ها با وجود نزدیک شدن به سرعتهای بحرانی پردازش، با توقعات بشر همخوانی ندارند. در داروسازی، داروها عوارض جانبی شدید به همراه داشته و برخی نیز به دلیل نامحلول و یا کم­محلول بودن در خون از چرخۀ مصرف کنار گذاشته می­شوند. از این گونه مشکلات، در بخشهای دیگر علوم نیز به وفور مشاهده می­شود. فنّاوری نانو برای غلبه بر این چالشها، قابلیتهای فراوانی را به بشر عرضه نموده است.

در پزشکی به کمک این فنّاوری، نانوذرّاتی ابداع شده که به توزیع آسان دارو در قسمتهای مختلف بدن کمک می‌کند. در پوشش‌ زخمهای خاص نظیر زخمهای سوختگی، از برخی نانوذرّات به‌ عنوان عامل ضدمیکروب، ضدالتهاب و التیام‌بخش استفاده می‌شود. غذاهای غنی‌شده نیز بوسیله این فنّاوری تولید شده­اند[5-1] و ....

در حوزۀ نانو مواد، به دلیل اینکه مواد حجیمی که از ترکیبات نانوساختار تشکیل شده­اند از نظر مقاومت در برابر خوردگی، کشسانی و ایمنی در برابر آتش سوزی، مزیّتهای قابل ملاحظه­ای نسبت به مواد دیگر دارند، دانشمندان به دنبال چنین نانوساختارهای سبک و مقاوم در برابر حرارت هستند که برای هواپیماها، راکتها، ایستگاه‌های فضایی و .... مورد نیاز می­باشند. برای مثال، ساخت موادی که یک ششم چگالی فولاد را دارند ولی مقاومت آنها 50 الی 100 برابر فولاد است، یکی از موفقیّتهای پژوهشگران در این زمینه می­باشد[5].

در صنایع الکترونیک، تولید کامپیوتر‌های سریع‌ موسوم به کامپیوترهای کوانتومی، تراشه‌های حافظه با اندازه نانو که هزاران برابر تراشه­های فعلی قدرت ذخیره‌سازی دارند و... مدنظر هستند. شرکت سامسونگ، توسعه نیمی از محصولات ساخته ‌شده توسط این شرکت را به دلیل نوآوریهای ناشی از نانوذرّات نقره می­داند[3]. به جرأت می­توان گفت: فنّاوری نانو[2] (NT) به همراه فنّاوری اطلاعات[3] (IT) و پروژه ژنوم انسانی[4] (BT) همزمان شکل دهنده سوّمین انقلاب صنعتی جهان هستند[6-1].

نانوذرّات[5]

باورها بر این است که سهم زیادی از توفیق نانوتکنولوژی در بهبود آینده بشر، به حوزه نانوذرّات تعلق خواهد داشت. نانوذرّات(حبس حاملهای بار در سه بعد) که به صورتهای گوناگون دسته بندی می­شوند( فلزّی، نیم­رسانا، پوسته- هسته[6] و ...)، به همراه سیمهای کوانتومی[7](حبس حاملهای بار در دو بعد) و لایه­های نازک یا چاه­های کوانتومی[8](حبس حاملهای بار در یک بعد) تشکیل ­دهندۀ نانومواد هستند[7].

نقطه کوانتومی

نانوسیم

لایه نازک

توده

شکل1-1) روند حبس حاملهای بار در نانو مواد[8].

نانوذرّات که از آنها به عنوان نانوبلورها[9] ، نانوخوشه­ها[10] و نقاط کوانتومی[11] هم یاد می­شود، در مقایسه با مادّۀ حجیم خودشان، خواص متفاوتی بروز می­دهند. این خواص منحصر به فرد، قابلیتهای فراوانی را برای بهره­برداری از آنها در اختیار دانشمندان قرار داده است. در ادامه، برخی از این ویژگیها و منشأهای آنها معرفی می­گردد.

1-3   خواص تابع اندازه نانوذرّات

مطالعه و تحقیق در مورد نانوذرّات به این دلیل که فرصتی برای درک خواص فیزیکی مواد با ابعاد کاهش یافته و همچنین مطالعه خواص سطوح به شمار می­آید از موضوعات جالب و مورد علاقۀ محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده است[12-9]. مهمترین ویژگی نانوذرّات، تابع اندازه بودن خواص[12] آنها است. هنگامی که اندازه ذرّات به یک مقدار بحرانی برسد، خواصی نظیر خواص ترمودینامیکی، مغناطیسی، مکانیکی، ساختاری، نوری و الکتریکی آنها دچار تغییر و تابع اندازه می­شوند. برای مثال، نقطه ذوب ذرّاتCdS  و طلا با کوچک شدن اندازه­شان کاهش می­یابد(شکل1-2 "الف" و "ب"). می­توان وضعیّت ظرفیت گرمائی هلیوم مایع و هلیوم هنگامی که در خوشه­های 64 اتمی است را در شکل1-2 "ج" مشاهده نمود. برخی دیگر از کمیتهای ترمودینامیکی نظیر انرژی چسبندگی، ظرفیت گرمایی، طول و قدرت پیوند و... نیز تابع اندازه هستند[13].

                                           Liquid Helium

       Helium of 64 atoms

Particle Radius(nm)

الف

Radius(A)

ب

Temperature[k]

ج

HEAT CAPACITY

Melting temprature

Melting temprature

شکل1-2) وابستگی خواص ترمودینامیکی به اندازه­ نانوذرّات. شکل (الف) و (ب) نمودار دمای ذوب نانو ذرّات طلا[14] و CdS[15] برحسب اندازه ذرّات­ و شکل (ج) ظرفیت گرمائی هلیوم مایع و هلیوم در خوشه­های 64  اتمی[16] را  نشان می­دهد.

خواص الاستیکی و پلاستیکی نانوذرّات نیز به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، در مقایسه با حالت حجیم بهبود می­یابد و همچنین سختی­شان افزایش پیدا می­کند.  به عنوان مثال، نانوذرّات مس با قطر تقریبیnm  6 تا پنج برابر از ذرّات با قطر nm50 سخت­ترند و یا در مورد Pb، ذرّات با اندازه 7 نانو­متر از ذرّات صد نانومتری تا صد بار استحکام بیشتری دارند[17].

خواص مغناطیسی نانوذرّات نیز تابع اندازه می­باشد. بر اساس گزارش نیل[13] اگر یک ماده تک حوزه، به اندازه کافی کوچک باشد، نوسانات گرمایی می­توانند باعث شوند که جهت مغناطش آن نوعی چرخش براونی را متحمل شود. بنابراین (مقدار میدان مورد نیاز برای برگرداندن سیستم از حالت مغناطیده با مغناطش M به حالت عادی) برای ذرّات کوچک صفر می­شود زیرا نوسانات گرمایی مانع وجود یک مغناطش ثابت می­شوند. این حالت را سوپر پارامغناطیس می­نامند زیرا چنین  موادی همانند یک ماده پارامغناطیس با M بزرگتر رفتار می­کنند. مثلاً نانوذرّات اکسید آهن با اندازهnm  1.7 در یک پوشش پلیمری از خود خواص سوپر پارامغناطیس نشان می­دهند[18].

وابستگی خواص نوری نانوذرّات نیم­رسانا[14] به اندازه­شان، موضوع تحقیقات گسترده محققان از دو دهۀ پیش تاکنون بوده است. ذرّات نیم­رسانائی که شعاع آنها از یک مقدار بحرانی کمتر باشد، خواص نوری متفاوت با حالت حجیم و تابع اندازه از خود بروز می­دهند. آزمایشهای فراوان ثابت کرده است که طول موج شولدر طیف جذبی نانوذرّات نیم­رسانا، با کاهش اندازه،­ به طرف طول موجهای کوچکتر جابجا می­شود[19]. به عبارت دیگر، با کاهش اندازه نانوذرّات نیم­رسانا، گاف انرژی­شان افزایش پیدا می­کند. خواص نوری غیر خطی نانوذرّات نیز با مواد توده­ای تفاوت دارد[20]. همچنین طول موج بیشینه طیف گسیلی نانوذرّات نیز تابع اندازه می­باشد[21].