چكيده
در منابع مختلف، عناصر پايه بر اساس نوع ساختار يا ابعادآن ها تقسيم بندي مي شوند. در متن ارائه شده اساس تقسيم بندي نوع عنصر پايه مدنظر است، با توجه به تركيب شيميايي و شكل ظاهري، عناصر پايه به نانوساختارهاي ديگر مجزا م يشوند. عناصر پايه نسل دوم نيز زيرمجموعه عنصر پايه اي قرار م يگيرند كه از آ نها به وجود آمده اند.
در متن ارائه شده، سعي شده است براي همه عناصر پايه موارد تعريف، خواص و كاربردآورده شود.
مواد نانوبلوري توده اي
مواد نانوبلوري توده اي از بلورهايي ساخته شده اند كه شامل چندصد تا چندهزار اتم بوده و در كنار يكديگر قرارگرفته اند. ساختار نانوبلورها بدليل فشردگي اتم ها در كنار يكديگر كمترين انرژي آزاد سطحي را دارد.
وقتي اندازة بلور در ماده به سمت نانومقياس مي رود، نسبت اتم هاي موجود بر روي مرز دان هها به تعداد اتم هاي كل افزايش مي يابد. رفتار اتم هاي مرزي كاملاً متفاوت از اتم هاي داخل ذره مي باشد و رفتار كل ماده تحت تأثير قرار مي دهد. غالبا اين پديده در فلزات باعث افزايش استحكام، سختي، مقاومت الكتريكي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود انبساط حرارتي، خواص مغناطيسي و كاهش رسانايي حرارتي و در سرامي كها باعث افزايش چك شخواري، بهبود خواص مكانيكي و حرارتي مي گردد.
براي ايجاد مواد نانوبلوري توده اي چندين روش وجود دارد كه عبارتنداز:
- فشرده سازي پودر
- روش هاي متبلورسازي مواد آمورف اوليه
. - فرآوري تغيير شكل پلاستيكي شديد 1
در روش فشرده سازي پودر ابتدا ذرات نانومقياسي توليد مي شوند كه متعاقباً توسط روش هاي استاتيكي يا
ديناميكي به هم فشرده مي شوند.
متبلورسازي مواد آمورف مي تواند ريزترين مقياس از نانوساختارها را توليد كند، اما محدود به موادي مي شود كه مي توانند ابتدا به حالت آمورف برسند.
روش هاي فرآوري تغيير شكل پلاستيكي شديد تنها براي فلزات كاربرد دارند. كاهش اندازة بلور تقريباً در هرفلز باعث افزايش چشمگير استحكام و در بسياري مواد باعث افزايش چكش خواري مي گردد. به خاطر اينكه چنين رو ش هايي مي توانند در مقياس بزرگ اجرا شوند، بسيار بيشتر از روش هاي ديگر براي تجاري سازي مورد توجه هستند.
سراميك هاي نانوبلوري خاصيت چكش خواري بيشتري را بروز مي دهند، بدين معني كه اين تركيبات نسبت به مواد مشابه غير بلوري شكنندگي كمتري دارند. اين مسأله اجازة تبديل شدن آنها به مفتول را م يدهد و بر اساس خواص ابررسانايي برخي سراميك ها، كاربردهايي را در پي خواهد داشت.
كاربردي ترين مواد نانوبلوري توده اي، فلزات نانوبلوري هستند كه در صنايع خودروسازي، هوافضا و صنايع ساختماني كاربرد دارند. فلزات نانوبلوري مي توانند به جاي فلزات و آلياژهاي ساختاري موجود مصرف شوند.
يكي از زمين ههايي كه فلزات نانوبلوري مورد استفاده قرار مي گيرند، توليد قطعات مستحكم مورد استفاده در صنايع خودروسازي است. در چنين مواردي پاسخ فوق العاده آنها در دماهاي بالا، يعني انبساط كمتر در اثر افزايش دما، از محاسن آنها به شمار مي رود. اگر چه سراميك ها مي توانند در اين زمينه رقابت كنند، اما معمولاً بسيار شكننده هستند
اين وجود سرامي كهاي نانوبلوري انعطا فپذيرتر هستند و ممكن است در قطعاتي كه نيازمند استحكام، مقاومت سايشي بالا و مقاومت در برابر دماهاي بالا هستند، كاربرد داشته باشند.
نانوذرات
يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد . نانوذرات علاوه بر نوع فلزي، عايقها و نيمه هادي ها، نانوذرات تركيبي، نظير ساختارها ي هسته لايه را نيز شامل مي شود . نانوذرات در اندازه هاي پايين نانوخوشه به حساب مي آيند. همچنين نانوكره ها، نانوميله ها، و نانوفنجان ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته مي شوند.
نانوبلور ها و نقاط كوانتومي نيمه هادي زيرمجموعه نانوذرات هستند . چنين ن انوذراتي در زمينه هاي مختلف الكترونيكي و الكتريكي و بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوي ربرداري كاربرد دارند.
تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز، خواص و كاربرد آنها ضروري است. مشخصات اين تركيبات با و X-ray ، طيف سنجي فوتوالكتروني ، AFM ، استفاده از روش هاي گوناگوني نظير آناليز ميكروسكوپ الكتروني سنجيده مي شود. FT-IR
نانوذرات زمينه هاي كاربردي زيادي دارند كه مهم ترين آنها عبارتند از:
براي توليد نانوذرات رو شهاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش ها اساساً به سه دسته تقسيم مي شوند:
چگالش از يك بخار، سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد نظير آسياب كردن.
روش چگالش از بخار كه شامل تبخير فلز جامد سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوش ههاي نانومتري و روش سيم انفجاري VERL) است كه به صورت پودر ته نشين م يشوند. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان
-1 مواد كامپوزيت 8- باتري ها و پيل هاي سوختي
-2 كامپوزيت هاي ساختاري 9- روان كننده ها
-3 كاتاليزور 10 - پزشكي و داروسازي
-4 بسته بندي 11 - دارو رساني
-5 روكش ها 12- محافظت كننده ها
-6 افزودني هاي سوخت و مواد منفجره 13 - آناليز زيستي و تشخيص پزشكي
-7 ساينده ها 14 - لوازم آرايشي
عناصر پايه: خواص و كاربرد 3 جزء روش هاي چگالش از بخار محسوب مي شوند.
روش سنتز شيميا يي شامل رشد نانوذرات در محيط مايع ح اوي انواع واكنشگرها است . روش سل ژل نمونة چنين روشي است، در روش هاي شيميايي اندازة نهايي ذره را مي توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازة مطلوب به دست آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازة خاص كنترل نمود.
از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. از اين روش مي توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي شوند نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند كه رايج ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي ، پليمري و نانوذرات نيمه رسانا هستند.
نانوذرات نيمه رسانا نقاط كوانتمي
نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور ني مه رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون ناميده مي شوند) را درسه بعد در برمي گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي شود.
در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم تراز هاي مختلف انرژي را اشغال مي كنند، به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي شود. در مقايسه با سيم كوانتمي كه در دو بعد و لايه هاي كوانتومي كه در يك بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند.
اين تركيبات به دليل بازدة كوانتومي بالا در زمينه هاي اپتيكي كاربرد زيادي دارند.
سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، يكي از رو شها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واكنش است. در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيم ههادي يا در نزديك آن پديد مي آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري كه در دو بعد نانو باشد) استفاده مي شود، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذكور حكاكي صورت مي گيرد.
در روش سوم، با رسو بدهي يك ماده نيمه رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيم ههادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت رشد داده مي شوند. « خودآراشده » كرنش 6 ) نقاط نقاط كوانتومي نيمه هادي با تحريك الكتريكي يا تابش طول موج هاي مختلف فلورسانس مي كنند. اين ذرات همچنين مي توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي باعث شده است كه اين تركيبات در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي دهند) و پيل هاي خورشيدي كاربرد داشته باشند.
عناصر پايه: خواص و كاربرد 4علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از:
- ليزرهاي داراي طول موج هاي بسيار دقيق
- كامپيوترهاي كوانتومي
- نشانگرهاي زيستي