به وبلاگ من خوش آمدید

نانوكامپوزيت هاي نانواليافي پليمري

در نانوكامپوزيت ها نانواليافي پليمري مي توان از است حكام نانوالياف پليمري سود برد . همچنين مي توان نانوالياف پليمري را با افزودني هايي نظير نانوذرات يا نانولو له ها ساخت تا بسياري از خصوصيات بالقوه نانوكامپوزيت هاي نانواليافي را ارايه دهند.

ليفچه ها و نانوالياف كربني

"ليفچه "هاي 15 كربني جامد و توخالي با چند ميكرون طول و 2 تا بيش از 100 نانومتر قطر خلق شد هاند كه مصارفي در مواد كامپوزيت و روكش ها كاربرد دارند و موجب افزايش استحكام و رسانايي بالقوه مواد مي شوند.

براي بدست آوردن خواص مشابه، "ليفچه "هاي كوچكتر به الياف كربني مرسوم (معمولاً بيش از

0/1 mm قطر دارند) مقادير خيلي كمتري "ليفچه "هاي كربني مصرف م يشوند. ليفچه ها نسبت به الياف كربني مرسوم باعث ايجاد يك سطح هموارتر در روكش ها مي شوند. اين نانوالياف هم اكنون در مقياس بزرگ توليد مي شوند

. نانوكامپوزيت هاي نانوالياف كربني به دليل خواص منحصر به فرد نانوالياف كربني، اين نانوساختارها در مواد كامپوزيت، روك شهاي سطحي و پلاستيك هاي رسانا در رنگ آميزي الكترواستاتيك قطعات خودرو و همچنين پراكنده سازي بارهاي ساكن 16 در تجهيزات الكترونيكي به كار مي روند

 

نانوالياف سراميكي

نانوالياف سراميكي كاربردهاي متنوعي دارند كه يكي از كاربردهاي آنها (نانوالياف آلومينا) در فيلتراسيون ويرو سها و باكتر يها از منابع آبي و هوايي يا سيالات زيستي است. مي توان با افزايش افزودني هايي نظير نانوذرات خواص اين نانوالياف را بهبود داد.

نانوالياف آلومينا بر اثر نيروهاي الكترواستاتيك، ويروس ها و ديگر ذرات را به خود مي چسبانند و لذا بدين صورت مي توانند در زيس تفيلتراسيون مثلاً براي آلودگي زدايي به كار روند. اين الياف با فرآيند سل ژل وسپس حرارت دهي تهيه م يشوند. يك مزيت فيلترهاي ساخته شده با اين روش، اين است كه چون فيلتراسيون آنها فقط مبتني بر غربالگري نيست، ذرات در بين فيلتر و نه روي سطح آن جمع شده و بنابراين كمتر با انسداد مواجه مي شوند- اين قسم فيلترها، فيلتر عمقي خوانده م يشوند. همچنين به نظر م يرسد نانوالياف آلومينا به تشكيل استخوان كمك مي كنند.

نانوكپسول ها

نانوكپسول به هر نانوذر هاي گفته مي شود كه داراي يك پوسته و يك فضاي خالي جهت قرار دادن مواد

مورد نظر در داخل آن باشد.فرآيندهاي اصلي ساخت كپسو لها شكل عمومي يكساني دارند: از يك امولسيون روغن در آب يا آب در روغن براي خلق به ترتيب نانوكپسول هاي روغني و آبي استفاده مي شود. زمينه كاربرد كپسول ها به نوع امولسيون مورد استفاده بستگي دارد؛ مثلاً تزريق وريدي مستلزم استفاده از نانوكپسول هاي آبي است ، بنابراين براي ساخت كپسو لهاي مذكور بايستي از امولسيون آب در روغن استفاده شود. با اين حال، طبيعت مواد كپسوله شده- يعني آب دوست يا آب گريز بودن آنها- نيز نوع نانوكپسول مورد نياز را ديكته مي كند. كه ممكن است با كاربرد مورد نظر تطابق نداشته باشد. روكش دهي كپسول ها با لاي ههاي ديگر ممكن است اين مغايرت را رفع نمايد. براي روكش دهي مي توان از پروتئين ها، پليمرها و ديگر مواد طبيعي و مصنوعي سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگوني به غير از آب دوستي يا آب گريزي، نظير چسبندگي، مقاومت در برابر محيط هاي مختلف و غيره انتخاب كرد. علاوه بر اين، م يتوان از كپسو لهاي موقتي (يا الگوها) به عنوان شالوده لاي ههاي ديگر استفاده كرده و سپس آنها را از بين ببرد. شرايط ساخت نانوكپسول ها بحراني و حاد نيست و به همين علت از منظر زيست شناسي، داراي جذابيت خاصي براي رسانش مواد زيستي حساس مي باشند.

 

 

نانوكپسول هاي پليمري

اخيراً از پليمرها براي ساخت نانوكپسول ها استفاده شده است. فرآيند اصلي ساخت اين نانوكپسول ها پليمريزاسيون امولسيوني م يباشد. هم اكنون م يتوان نانوكپسول هاي پليمري را در اندازه ها و اشكال گوناگون و در مقادير مناسب توليد كرد. سپس با الصاق يا جايدهي يك مولكول خاص در ديواره اين نانوكپسول ها، آنها را كاركردي نمود.

اين نانوكپسول ها م يتوانند به صورت ماشه يك سيستم دارورساني هدفمند عمل كرده و در پاسخ به يك زيست مولكول خاص، محتواي نانوكپسول را آزاد نمايند. كپسول هاي پليمري بر خلاف نانوامولسيو نها با پيوندهاي كووالانسي قدرتمندي به يكديگر مي چسبند و بنابراين از استحكام خاصي برخوردارند. بسياري از نانوكپسول ها در هر دو شكل مايع و خشك پايدارند.

براي داروسازي به جاي مكانيسم ماشه كشي، مي توان محموله را- در صورت ريز بودن مولكول محموله-

با مكانيسم ساده نفوذ رها كرد، يا به صورت تخريب طبيعي و يا به كمك امواج ماوراء صوت آن را باز كرد. ساخت نانوكپسول ها نوعي از خودآرايي محسوب مي شود.

نانوامولسيون ها

نانوامولسيون ها از مولكولهاي سورفكتانت، نظير فسفوليپيدها كه از يك طرف آبگريز (هيدورفوبيك) واز يك سمت آب دوست (هيدروفيليك) هستند تشكيل م يشوند. هنگامي كه اين مولكول ها در يك محيط آبي قرار گيرند، خود به خود كپسولهايي را شكل مي دهند كه قسمت هاي آب گريز مولكول در درون آنها واقع مي شود و لذا از تماس با آب محافظت م يشوند. ليپوزوم ها ساختارهايي از جنس چربي هستند كه در اين دسته قرار مي گيرند. اين تركيبات در صنايع آرايشي كاربرد زيادي دارند.

نانو لول هها

نانو لول هها به نانوساختارهايي اطلاق مي شود كه قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف نظر از استحكام كششي بالا، نانو لوله ها خواص الكتريكي مختلفي از خود نشان مي دهندكه به ساختار آنها وابسته است.

لفظ نانولو له در حالت عادي در مورد نانولو له كربني به كار م يرود، كه در چند سال اخير از سوي محققين مورد توجه فراواني قرار گرفته اند و در كنار خويشاوندان نزديكش همچون "نانوشاخ"، نويدبخش كاربردهاي جالبي شده اند. البته اشكال ديگري از نانول وله ها همچون نانولوله هاي نيتريد بور و نانولو له هاي خودآراي آلي نيز ساخته شد ه اند.

 نانولوله ها در زمينه هاي مختلفي كاربرد دارند كه عبارتند از:

- مواد ساختماني - صنايع الكترونيك

- قطعات نشر ميداني - پيل هاي سوختي و باتر يها

(CNTs) نانولو له هاي كربني

كشف شدند، در واقع NEC نانولو له هاي كربني كه در سال 1991 توسط سوميو ايجيما در شركت لو له هايي از گرافيت مي باشند( گرافيت شكلي از كربن است كه از لايه هاي حاوي آرايش هاي شش ضلعي يا (SWNT) اتم هاي كربن تشكيل م يشود). اين نانوساختارها اندازه هاي مختلفي داشته و م يتوانند تك ديواره باشند كه درمورد اخير دسته اي از خواص جالب توجه را به همراه خود دارند. (MWNT) چند ديواره يك خصوصيت مشهور نانول وله هاي كربني ، استحكام كششي برجستة آنهاست، كه نزديك 100 گيگاپاسكال يعني بيش از 100 برابر استحكام فولاد است. با اين حال اين مقياس غل طانداز است؛ چرا كه فولاد از تجمع بلورها و مواد افزودني حاصل مي شود و لذا مقايسه معنادارتر، مقايسه كردن مواد بزرگ مقياس ساخته شده  از نانول وله ها با فولاد خواهد بود. اين مسأله خطر برون يابي خواص سطح مولكولي به جامدات توده را خاطر نشان مي سازد (نانولو له مثل هم خانواده خود( ورقه هاي گرافيت) به يكديگر نچسبيده و تنها بر اثر نيروهاي ضعيف واندروالس جذب يكديگر مي شوند؛ به همين دليل است كه گرافيت به عنوان يك روان كننده خوب شناخته مي شود). نانولو له ها به ديگر مواد نيز به راحتي نمي چسبند. اين مسأله بكارگيري خواص آنها در مواد توده اي را با مشكل مواجه مي سازد. مي توان با اصلاح شيميايي نانول وله ها باعث چسبيدن آنها به يكديگرشد، اما خلوص ساختاري آنها كه باعث چنان استحكام عظيمي مي شود، اولين چيزي است كه بايد برروي آن مصالحه كرد.

نانولو له هاي كربني داراي خواص الكتريكي جالبي نيز م يباشند. آنها بسته به كايراليته  (يعني نحوه پيچش ساختار گرافيتي به دور نانولو له) مي توانند رسانا ( نانولو له هاي ”فلزي“) يا نيمه رسانا باشند. نانولو له هاي كربني تك ديواره در مصارف الكترونيكي با بيشترين توجه روبرو شده اند، اما هنوز نمي توان در روشهاي توليد كنترل چنداني بر خصوصيات الكترونيكي نانولو له ها اعمال نمود.

هدايت گرمايي نانولو له هاي كربني در جهت لو له ها و نه عمود برآنها باعث شده است كه اين تركيبات قابليت بالقوه اي در گودال هاي حرارتي  در زمينه نانوالكترونيك از خود نشان دهند.

يكي از خواص نانولو له هاي كربني كه بيشترين توجه را به خود جلب كرده است، نشر ميداني است. قطعات نشر ميداني ( ها FED ) ساختارهايي هستند كه تحت تأثير ميدان الكتريكي از خود الكترون منتشر مي كنند. نانولو له هاي كربني قادرند تحت تاثير ميدان هاي الكتريكي اندك جريان هاي بالايي را انتشار دهند.

مثل صفحات نمايشگر مسطح ممكن است نيازمند جايدهي دقيق نانول وله ها باشند. براي FED مصارف دستيابي به اين دقت، استفاده از رو شهاي رشد دهي مبتني بر كاتاليست ها و رسوب دهي شيميايي بخار شروع شده هاي نانولو له اي در سامانه هاي روشنايي نيز آزموده شده اند. به كمك رسو بدهي شيميايي بخار FED . است فيلمي از نانول وله ها بر روي يك ل وله نشانده م يشود و الكترون هاي منتشر شده از يك سيم مسي واقع در درون آن، لو له را براي تابش تحريك مي كنند.

نانولو له هاي كربني و خويشاوندشان ”نانوشاخ ها“براي نگهداري هيدروژن و هيدروكربن ها جهت استفاده پيل هاي سوختي مورد مطالعه قرار گرفته اند نانولو له ها كربني قابليت خود را براي دوبرابر كردن ظرفيت باتري هاي قابل شارژ ليتيوم به جاي گرافيت نشان داده اند. همچنين نانولو له هاي كربني تك ديواره مي توانند كارايي پي لهاي خورشيدي فتوولتاييك را با ارتقاي قابل ملاحظه تحرك پذيري الكترونها در يك لايه كامپوزيت پليمري بهبود دهند.

فرآيندهاي توليد نانولو له هاي كربني عبارت است از:

-1 تخليه قوس الكتريكي:

دراين روش جرق هاي كه بين دو الكترود گرافيتي ايجاد مي شود، كربن يك الكترود را كنده و به صورت دوده روي ديگري متراكم مي سازد. فشار محفظه تبخير و جريان مهمترين عوامل مؤثر در راندمان مي باشند. اين روش براي توليد انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد كامپوزيتي مناسب است.

: -2 تبخير/ سايش ليزري

1200° و حاوي هليوم يا نيتروژن با فشار بالا C از ليزر براي تبخير هدف گرافيتي در كوره اي به دماي استفاده مي شود. اين روش براي توليد انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد كامپوزيتي كاربرد دارد.

 

-3 رسوب دهي شيميائي بخار به كمك حرارت:

كنترل موقعيت و رشد نانولوله ها با استفاده از نانوكاتاليست هاي نانوذره اي، قابليت خلق نانولو له هايي با ساختار و وضعيت مورد نظر را فراهم م يكند. سادگي روش باعث توليد انبوه آن خواهد شد.

:(PCVD) -4 رسوب دهي شيميايي بخار به كمك پلاسما

از پلاسماي منوكسيد كربن و هيدروكربن هاي مختلف براي ساخت نانولو له ها بر روي كاتاليست هاي قرار داده شده برروي سطح ( مانند روش حرارتي) استفاده مي شود.

-5 رشد فاز بخار :

در اين روش بدون استفاده از هيچ زيرلايه اي، تنها با مخلوط كردن هيدروكرب نها و فلزكاتاليست در محفظه واكنش نانولو له ها ساخته مي شوند.

-6 الكتروليز:

. MWNT در اثر الكتروليز كلريدليتيوم مذاب در يك محفظه گرافيتي- كه آند يك بوته گرافيتي است- مي توان ها را سنتز كرد

-7 سنتز شعله :

احتراق متان باعث ايجاد شعله مي شود و وارد نمودن هيدروكربن هاي ديگر و كاتاليست ها در آن باعث مي شود. SWNT و MWNT توليد نانولوله هاي كربني به خاطر خواص منحصر به فرد خود كارايي زيادي دارند. برخي معتقدند نانولوله ها كارايي سنسورهاي كوچك، دستگا ههاي نوري و الكترونيكي، كاتاليست ها و باطر يها و پي لهاي سوختي، پيل هاي خورشيدي و انتقال دهندهاي دارويي را به طور فوق العاده اي بهبود مي دهند. تقريباً ظرفيت باطري هاي ليتيم با نانولوله هاي كربني دوبرابر مي شود، ترانزيستورهاي كربني در دهه آينده جايگزين ترانزيستورهاي سيليكوني مي شوند، همچنين نانولوله ها در راكت هاي تنيس كاربرد دارند و آنها را سبكتر و محكم تر مي سازنند.

تقويت جليقه هاي ضد گلوله با مقدار كمي نانولول هكربني توانايي آنها را در جذب انرژي گلوله دوبرابر مي كند، همچنين از نانولوله هاي كربني براي تهيه پلاستيك هاي ضد شعله استفاده مي شود، نانو لوله هاي كربني قادر به ذخيره سازي هيدروژن تا 65 % وزن خود هستند (ظرفيتي كه پيل هاي سوختي هيدروژني را به دليل موثر بودن و درست شده است كه CNT ارزان بودن جايگزين سوخ تهاي فسيلي خواهد كرد.) همچنين سيم هاي با جنس هدايت الكتريكي آن از سيم هاي مسي بيشتر است و قادر به انتقال جريانات با فشار قوي مي باشند.

نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي كربني

نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي كربني داراي نسبت استحكام به وزن بيشتري نسبت به كامپوزيت هاي موجود وكامپوزيت هاي مبتني بر نانوذرات هستند. از نظر تئور ي كاربرد نانولو له ها دركامپوزيت ها بدليل استحكام كششي بالا مانع مصرف الياف كربني در كامپوزي تها خواهد شد. خواص رسانايي يا حفاظت در برابر اشعه نانولو له ها نيز مي تواند براي كامپوزيت ها ارزشمند باشد .

استحكام نانولو له ها در نساجي نيز پتانسيل هايي را به همراه دارد. نانولو له ها همچنين مي توانند الياف را رسانا سازند، اين قابليت مي تواند كاربرد نظامي داشته باشد.

نانولوله هاي نيتريد بور

نانولوله نيتريد بور ساختاري مشابه نانولوله هاي كربني دارد و مي تواند لايه هاي شش ضلعي مشابه گرافيت را شكل دهد. در مارس 2001 لورنس ماركس و همكارانش در دانشگاه نورث وسترن نيتريدبور را به شكل نانولو له در آوردند. نيتريد بور از نظر شيميائي مخصوصاً در دماهاي بالا بي اثرتر از كربن است. انتظار مي رود نانولو له هاي نيتريد بور نيمه رسانا يا عايق باشند، اما خواص الكتروني آنها كمتر از نانول وله هاي كربني قابل تنظيم است. همچنين اين تركيبات نشركننده هاي ميداني بهتري نسبت به نانولو له هاي كربني هستند. نانولو له هايي از جنس تنگستن و گوگرد يا تنگستن و سلنيوم ساخته شده اند كه مانند نانولو له هاي نيتريد بور انعطاف و ارتجاع كمتري نسبت به نانولو له هاي كربني دارند.

نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي نيتريد بور

نانولو له هاي نيتريد بور م يتوانند در مواد كامپوزيتي كاربرد دارند؛ چون داراي بخشي از استحكام نانولو له هاي كربني بوده و مقاومت خيلي بالاتري نسبت به مواد شيميايي و دماهاي بالا دارند. مقاومت در دماهاي بالا براي مصارف خاص هوافضا (مثل مقاومت در برابر حرارت بازگشت مجدد به جو) مطلوب م يباشد.

نانولوله هاي آلي

نانولوله هاي آلي از خودآرايي تركيبات آلي ب وجود مي آيند. اين نانوساختارها در زمينه ه اي رسانش دارو، نانوراكتورهاي شيميايي و كانال هاي بيولوژيكي كاربرد دارند.

 

نانوساختارهاي الگوگرفته از نانولوله

با استفاده از نانولوله ها به عنوان قالب مي توان نانوساختاره ايي با اشكال متفاوت ايجاد نمود . شكل كريستالي اين نانوساختارها وابسته به قطر نانولوله است.

نانوسيم ها(سيم هاي كوانتمي

نانوسيم، يك نانوساختار دو بعدي است . و بدليل اينكه دراين ابعاد اثرات كوانتمي مهم هستند ، اين سيم ها، سيم هاي كوانتومي نيز ناميده مي شوند نانوسي م ها براي ساخت مدارات الكتريكي در اندازه هاي كوچك استفاده مي شوند.

روش هاي عمده كه براي ساخت نانوسيم ها وجود دارد عبارت است از:

-1 با ليتوگرافي يا چاپ روي يك سطح (ليتوگرافي نرم

-2 با فرآيند رشد شيميايي در يك محيط گازي يا مايع: استفاده از نانوذرات به عنوان كاتاليست اين فرآيند رشد شيميايي را فوق العاده بهبود مي دهد.

-3 با خودآرايي براي رشد مستقيم يك نانوسي مروي يك سطح (موازي با سطح): اين راهكار آراي ههايي

از نانوسي مها را مستقيماً بر روي سطح شكل م يدهد، كه فقط چند نانومتر قطر داشته و ده نانومتر يا كمتر با هم فاصله دارند.

4 - نانوسيم ها با حكاكي شيميايي سيم هاي بزرگتر و يا با بمبارا ن يك سيم بزرگتر توسط ذرات پرانرژي ديگر (اتم يا مولكول) نيز توليد مي شوند

-5 روش ديگر توليد نانوسيم ها برجسته كردن سطح يك فلز نزديك به نقطة ذوب با استفاده از نوك و منقبض كردن آنها است. STM پروب نيز كاربرد دارد، در اين روش از ذرات تجزية (VLS) -6 براي سنتز نانوسيم روش سنتز بخار مايع جامد شده توسط ليزر و يا از محصولات گازي استفاده مي كنيم.

نانوسيم ها از فلزات، نيمه هادي ها وانواع پليمرها ساخته شده اند.

كار روي نانوسيم ها هنوز تا حد زيادي در مرحله تحقيق قرار دارد. مشكل اتصالات 23 هنوز بر سر راه كساني است كه قصد ساخت قطعات پيچيده تجاري از نانوسي مها را دارند، اما اين ساختارها نسبت به نانول وله ها از نظر قابليت توليد انبوه حاصل از راهكار خودآرايي رجحان دارند. اگر بتوان ساختارهاي مفيدي را به صورت خودآرايي ايجاد نمود، با موانع توليد تجاري ساختارهاي كارا، كه افراد اميدوار به تجاري سازي الكترونيك نانولو له اي با آن مواجهند، روبرو نخواهيم شد. به نظر مي رسد نانوسيم ها مي توانند در كامپيوترها و ساير دستگاهاي محاسبه گر كاربرد داشته باشند. در راستاي دستيابي به قطعات الكترونيكي نانومقياس پيچيده، براي اتصال دهي آنها به سي مهاي نانومقياس نياز داريم. علاوه بر اين خود نانوسي مها نيز م يتوانند مبناي اجزاي الكترونيكي همچون حافظه باشند.

برخي نانوسيم ها يك رفتار رسانايي كاملاً غيركلاسيك را نشان مي دهند. اين نانوسي مها شامل نانول وله Connectivity هاي كربني فلزي (رسانا) و برخي از نانوسيم هاي نيمه رسانا مي شوند كه توسط گروه چارلز ليبر در هاروارد توسعه يافته اند. آنها رساناهاي پرتاب هاي 24 ناميده م يشوند (چون الكترونهاي گذرنده از سيم بسيار شبيه گل وله پرتاب شده در ل وله تفنگ اند). اولين مشخصه يك رساناي پرتابه اي ثابت بودن مقاومت آن نسبت به طول است، كه با رسانايي  عادي در الكترونيك روزمره ما- كه مقاومت متناسب با طول افزايش مي يابد- متفاوت است.

رسانايي نانوسيم ها در حالتي كه بين دو الكترود قرار مي گيرد بررسي مي شود، رسانايي اين تركيبات به ابعادشان وابسته است.

نانوسيم ها شكل هاي ويژه اي دارند . بعضي اوقات اشكال غير كريست الي و در موارد ديگر حالت مارپيچي به خود مي گيرند. عدم كريستا لي بودن آنها به دليل يك بعدي بودنشان است . همچنين نانوسيم ها به دليل طبيعت خواص الكتريكي خود كه در حضور مواد خاص دچار تغيير مي شوند، قابليت استفاده به عنوان سنسور را دارند.

نانوسيم ها را م يتوان در ساخت غشاهاي جداسازي گازها و سيستم هاي ميكروآناليز، توليد سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي سراميكي و تجهيزات آشكارسازي امواج راديويي بكار برد. ديودهاي نورافشان نانومقياس به سادگي از تقاطع دو نوع نانوسيم ايجاد شده اند. يك ليزر ابتدايي از نانوسي مهاي اكسيد روي ساخته شده است (كه البته آنها را نانوالياف نيز مي توان ناميد). همچنين قابليت نانوسيم هاي فلزي در قطعات قابل تنظيم مايكروويو نشان داده شده است.

نانوسيم هاي فلزي

نانوسيم هاي فلزي در نانوقطعات الكترونيكي و الكتريكي به عنوان اتصال دهنده كاربرد دارند. اين نانوساختارها همچنين مي توانند به عنوان حافظه نيز عمل كنند.

 

نانو سيم هاي آلي

علاوه بر مواد فلزي و نيمه رسانا، ساخت نانوسيم از مواد آلي نيز تحت بررسي م يباشد. اخيراً ماده اي موسوم به اليگوفنيلين وينيلين موجب اميدواري در ساخت نانوسيم ها آلي شده است.

نانوسيم هاي پليمري

ويژگي اين سيم ها نظير رسانايي، مقاومت و هدايت گرمايي به ساختار مونومر و طرز آرايش آن بستگي دارد.

نانوسيم هاي نيمه هادي

نانوسيم هاي نيمه هادي مرسوم تركيبات سيليكون و گاليوم هستند . خواص اين تركيبات تحت تاثير محيط تغيير مي كند، اين پديده ب اعث مي شود نانوسيم هاي نيمه هادي در زمينه هايي نظير حسگرها كاربرد داشته باشند.

فولرين ها

فولرين ها، اغلب به ساختارهاي كروي كه از جنس كربن هستند اطلاق مي شود. ولي امروزه از عناصرو فولرين هاي معدني نمونه اي از (C48N ديگر نظير نيتروژن نيز در ساختار آنها استفاده شده است ،آزا فولرين آنها هستند. كاربرد فولرين ها در صنايع پزشكي مورد تحقيق و بررسي است.

فولرين هاي كربني

فولرين هاي كربني، آلوتروپي از كربن(نظير الماس و گرافيت )هستند اين تركيبات از كربن ساخته شده اند و فرمهاي كروي، بيضوي به خود مي گيرند به شكل كروي باكي بال مي گويند. در اوريل 2003 اين نوع فولرين ها در زمينه دارويي مورد مطالعه قرار گرفتند (در خصوص آنتي بيوتيكهايي كه براي مقابله با باكتريهاي مقاوم و حتي سلولهاي سرطاني مصرف مي شود). فولرين ها فعاليت شيميايي زيادي نداشته و در چندين حلال نظير تولوئن و كربن دي سولفيد حل مي شوند.

فولرين هاي درون وجهي

فولرين هاي درون وجهي ات مهاي مختلف را داخل خود محصور م يكنند، نانوساختارهاي حاصله براي رديابي عناصر و فرايندهاي بيولوژيكي بكار مي روند.

مشتقات شيميايي فولرين ها

جايگزين شدن عناصر ديگر نظير نيتروژن و گوگرد بجاي كربن مشتقات شيميايي گوناگوني را به وجود مي آورد، آزافولرين يكي از اين تركيبات است. مشتقات شيميايي ديگر با اضافه شدن تركيبات شيميايي توسط يك گروه عاملي به فولرين به وجود مي آيند. بديهي است ايجاد چنين ساختاري نوعي اصلاح شيميايي به حساب مي آيد.

فولرين هاي چند لايه

فولرين هاي چن دلايه شامل چندين فولرين هستند كه در داخل يكديگر قرار دارند. به همين دليل به اين ساختار نانوپياز نيز گفته مي شود.

فولرين هاي غيركربني

در فولرين هاي غيركربني، عناصر ديگر ساختاري مشابه فولري نهارا بوجود مي آورند، ساختار شيميايي اين فولرين ها اغلب اكسيد فلزي مي باشد، اكسيد واناديوم يك نمونه از آنهاست.

ساختارهاي معدني متنوع

نانوساختارهاي معدني ، از اكسيدهاي فلزي مختلف، نظير اكسيد روي و با استفاده از روش تصعيد حرارتي فاز جامد- بخار تحت شرايط ويژه به وجود مي آيند ، هر يك از اين ساختارها خواص منحصر به فردي از خود بروز مي دهند وهمين پديده باعث شده است كه تحقيقات وسيعي در اين زمينه صورت مي گيرد.

قفسه هاي چندوجهي

قفسه هاي چندوجهي داراي ساختار متخلخل م يباشند كه از خودآرايي نانوبلورهاي اكسيدفلزي حاصل مي شوند. اين روش شامل انجماد قطرات فلز، اكسيداسيون سطحي و تصعيد م يباشد. قفسه هاي چندوجهي

مي توانند جهت دارورساني بكار روند.

 

نانوشانه ها

نانوشانه ها، نانوساختارهاي اكسيد فلزي هستند كه نانوكريستالهاي كوچكتر بطور منظم روي محور اصلي قرار مي گيرند. اين نانوساختارها در صنايع پزشكي ، الكترونيك و ترانسفورماتورها كاربرد دارند.

نانوحلقه ها

نانوحلقه يك كريستال حلقوي شكل در ابعاد نانو است. اولين نانو حلقه با تركيب شيميايي اكسيد روي در انستيتوي تكنولوژي جرجيا كشف شد. اين تركيبات به صورت خود به خودي از فرايند خودپيچش نانوتسمه ها بدست مي آيند.

به طور كاملاً واضح شكل حلق هها را با سطوح يكسان (SEM) تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي نيز نشان م يدهد كه نانوحلق هها به صورت (TEM) نشان م يدهد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري تك بلوري و دايره اي هستند. ساختار تك بلوري به معني تشكيل نانوحلق ههاي كامل از تسمه تك بلوري است.

بطور كلي نانوحلقه ها نتيجه حلقه اي شدن ه مبافت و هم محور نانوتسمه ها مي باشند.

نانوملخ ها

وقتي يك نانوميله توسط نانوميله هاي عرضي(جانبي) احاطه گردد، نانوملخ ها ايجاد مي شوند. نانوسيم هاي عرضي داراي ابعاد چند ده نانومتر هستند.

نانوميله ها

نانوميله ها دسته اي ديگر از نانو ساختارهاي اكسيدي هستند و مشابه نانولوله ها در دو بعد نانومقياسند.

نانوفنرها

نانوفنرها از نانو تسمه ها بوجود مي آيند. ساختار القايي خودبخودي اين تركيبات باعث مي گردد كه هر حلقه چرخش 90 درجه در قطبيت داشته و شكل فنري پايدار حاصل آورد.

نانوتسمه ها

نانوتسمه ها از اكسيدهاي نيمه رساناي روي، قلع، كادميم و گاليم و با استفاده از تبخير پودرهاي تجاري اكسيد اين فلزات در دماي بالا حاصل مي شوند. اين نانوتسم هها خالص، يك شكل و داراي بلورهاي منفرد مي باشند. ساختار هندسي ويژه نانو تسمه ها باعث ايجاد بلورهاي اكسيدي نيمه رسانا با كاتيون هايي با ظرفيت متفاوت و خواص جالب توجه مي گردد.ترانزيستورهاي اثر ميداني، حسگرهاي نانومقياس بسيار حساس گازها و نانوحامل هاي ساخته شده از نانوتسمه هاي منفرد، نمونه اي از كاربرد نانوتسمه ها مي باشد. به علت خاصيت پيزوالكتريكي نانوتسمه هاي سنتزي اخير مي توان از آنها در كاهند هها، افزاينده ها و حسگرهاي نانومقياس نيز استفاده نمود.

نانو حلزون ها

نانوساختارهاي حلزوني از تغيير شكل نانوتسم هها به وجود مي آيند، در اين فرايند نانوتسمه حول يك مركز حلقه زده و دواير هم مركز را تشكيل مي دهد.

نانوقطعات الكترونيكي و نوري

نانوقطعات الكترونيكي و نوري قطعاتي در ابعاد نانو هستند كه در الكترونيك و ادوات نوري كاربرد دارند.

(MEMS/NEMS) نانوقطعات الكترومكانيكي

شامل تركيبات مكانيكي در اندازة ميكرو بوده و اشكال ( MEMS ) سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي MEMS ليتوگرافي شده سه بعدي با هندسة متفاوت را در بر مي گيرند. به دليل نسبت بالاي سطح به حجم در اثرات سطح نظير الكترواستاتيك و خيس شدن، اثرات حجم نظيراينرسي را مي پوشاند. سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي با استفاده از سيليكون اصلاح شده ساخته مي شوند.

عبارتند از : قالب گيري، آبكاري (روكش دهي )، حكاكي تر (محلول MEMS روش هاي ساخت.(EDM)ماشين كاري تخليه الكتريكي (RIE و DRIE) و خشك (KOHها ولي در ابعادكوچكتر هستند اين سيست مها MEMS شبيه به (NEMS) سيستم هاي نانوالكترومكانيك

توانايي تغيير اساسي در اندازه گيري نيروها و جابه جايي هاي كوچك در سطح مولكولي را دارند.

وجود دارد. روش اول بالا به پايين است كه در آن يك NEMS دو روش براي خلق سيستم هاي مجموعه ابزار طراحي شده است تا ابزارهاي كوچكتري را بسازد. روش ديگر پايين به بالا است كه در آن از سيستم هاي خودآرا و سيستم هاي مولكولي بيولوژيكي بدلي استفاده ميشود.

 

 

نانو قطعات سيالاتي

در نانوساختارهاي نانوسيالاتي رفتار سيالات دراندازه هاي نانو ومزو بررسي م يشود. در اين زمينه

سيستم ها طوري طراحي مي شوند كه از حجم كم سيالات استفاده شود. رفتار مايعات در اندازه ماكرو نسبت به اندازه هاي ميكرو متفاوت است. در اين فرايند از كانال هايي كه قطر آنها در حد نانو و ميكرو است براي بررسي اين خواص استفاده م يكنند و خواصي نظير كشش سطحي، مقاومت سيال و توزيع انرژي مورد بررسي قرار مي گيرد.

به دليل نسبت سطح به حجم بالا در نانوسيالات سرعت واكنش هاي شيميايي افزايش مي يابد. عدد رينولدز(كه نشان دهنده آشفتگي جريان سيال است) خيلي پايين بوده و سيال به صورت لاي هاي باقي مي ماند.

نفوذ مواد و ،DNA آرايش ، (Lab on a chip) نانوسيالات در توسعه فناوري آزمايشگاه در يك تراشه خواص گرمايي كاربرد دارند.__

 

روشهای ساخت و مدلسازی عناصر پایه در فناوری نانو

 

چكيده

براي ساخت انواع عناصر پايه رويكردهاي بالا به پايين ، پايين به بالا، نانومحاسبات وتقليد ازطبيعت روش هاي متنوعي را ارائه مي دهند.

با استفاده از روشهاي بالا به پايين از اجسام ماكروسكوپي، اجسامي در ابعاد نانو بدست م يآيد.

اين روشها شامل انواع فرايندهاي حرارتي، مكانيكي و ليتوگرافي مي باشند. در روشهاي پايين به بالا با انجام فرايندهاي مختلف بر روي اتم ها و مولكولها نانوساختارها حاصل مي شوند. روشهاي شيميايي و فيزيكي در فازهاي گازي و مايع در رويكرد پايين به بالا از تنوع بالايي برخوردار است. در رويكرد نانومحاسبات انواع روشهاي تئوري براي ساخت نانوساختارهاي پايدار مورد تجزيه و تحليل قرار مي گيرد و در رويكرد تقليد از طبيعت سعي شده است انواع رو شهايي كه باعث ايجاد نانوساختارهاي صبيعي مي گردد بررسي مي شود.

بالا به پائين

در رويكرد بالا به پايين براي توليد محصول ، يك ماده توده اي را شكل دهي و اصلاح م ي كنند . درحقيقت در اين روش، يك ماده بزرگ را بر مي داريم و با كاهش ابعاد و شكل دهي آن، به يك محصول با ابعاد نانو مي رسيم. به عبارت ديگر، اگر اندازه يك ماده توده اي را به طور متناوب كاهش دهيم تا به يك ماده با ابعادنانومتري برسيم، از رويكرد بالا به پايين استفاده كرده ايم.اين كار اغلب و نه هميشه شامل حذف بعضي از مواد به شكل ضايعات است، مانند ماشين كاري يك بخش فلزي از يك موتور يا نانوساختاري كردن فلزات به طريق تغييرشكل دهي 1 (كه شامل ضايعات نيست). در اغلب نوشتجات حدفاصل مقياس كار رويكرد توليد پايين به بالا و بالا به پايين، نانوفناوري خوانده مي شود.

ليتوگرافي

ليتوگرافي يك نوع چاپ صفحه اي است . در روش ليتوگرافي ن وري ، ماده حساس به نور حائل نوري 2در معرض نور قرار مي گيرد و با استفاده از يك ماسك ، الگوي مورد نظر روي سطح ماده ايجاد مي شود . در اين فرايند سطح ماده دچار تغيير فيزيكي مي شود. اين روش در ساخت سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي كاربرد دارد.

در ليتوگر افي ميكروماشين كاري ماده مقاوم نوري در معرض نور(با طول موج مشخص ) قرار گرفته و باعث اختلاف شديد حلاليت در قسمت هايي كه در معرض نور قرار گرفته اند، نسبت به قسمت هايي كه به آنها نور تابانده نشده است، مي گردد. در اين فرايند دو حالت مقاومت مثبت و مقاومت منفي به وجود م ي آيد . در مقاومت مثبت قطعه اي كه در معرض اشعه نور قرار گرفته است خورد ه مي شود و در حالت مقاومت منفي برعكس مي باشد، يعني قطعه اي كه در معرض نور قرار گرفته باقي مي ماند و بقيه قسمت ها خورده مي شوند .

تركيبات حساس به نور معمولاً از نوع مواد آلي هستند.

هر چند، روش هاي زيادي براي به وجود آوردن سطوح با ابعاد خيلي كوچك ابداع شده است، ولي اغلب از روش ليتوگرافي و بكارگيري ماسك، سطوح مذكور بوجود مي آيند.

فرآيند ليتوگرافي براي توليد مدارات مجتمع فعلي كاربرد دارد . البته اين فناوري به حدود نهايي خود نزديك مي شود و اين يكي از دلايل عمده اي به شمار مي رود كه محرك تحقيق روي راهكارهاي ديگر براي ساخت قطعات الكترونيكي شده است.

روشهاي ليتوگرافي مستقيم (بدون ماسك) در ليتوگرافي مستقيم ( بدون ماسك ) عامل محرك به طور مستقيم به سطح مي تابد و نيازي به ماسك نيست. دقت اين روش به تمركز و شعاع باريكه اشعه و يا ذره محرك وابسته است.

 

ليتوگرافي پروب پيمايشي

در روش هاي ليتوگرافي پروب پيمايشي از يك سوزن براي به وجود آوردن يك اثر روي سطح استفاده مي شود، اين فرآيند به دو صورت ليتوگرافي با قلم غوطه ور و ليتوگرافي با قلم معمولي صورت مي گيرد. استفاده مي كنند . در اين حالت با استفاده از نيروي AFM در ليتوگرافي با قلم معمولي، از روش مكانيكي روي سطح طراحي الگو صورت م يگيرد.

در ليتوگرافي با قلم غوط ه ور، موادي كه بايستي توسط آنها الگوي مورد نظر طراحي شو د، از طريق سوزن روي سطح انتقال مي يابد و با هدايت حركات سوزن، الگو تشكيل مي گردد.

 

 

 

ليتوگرافي نرم

ليتوگرافي نرم مجموعه اي از روشهاي مبتني بر اشكال نانوساختاري به عنوان قالب است . سه راهكار عمده آن عبارتند از:

-1 مهرزني 3: از فشار براي ايجاد نقش يك قالب روي يك سطح استفاده مي شود.

-2 جوهرزني 4: قالب با يك "جوهر" پوشانده مي شود و سپس با اعمال قالب بر يك سطح به آن منتقل مي شود. به اين روش چاپ ميكرو تماسي 5 نيز گفته مي شود.

-3 موئينگي: قالب روي سطح قرار گرفته و يك پليمر مايع در اثر پديده موئينگي در آن جريان مي يابد .

بدين ترتيب الگوهاي قالب به صورت خطوط برجسته اي بر ر وي سطح ايجاد مي شود. اين روش اغلب قالب گيري (MIMIC) خوانده مي شود. ميكرو تزريقي در لوله هاي موئين مقياس ليتوگرافي نرم به ر احتي تا نانومقياس پايين مي آيد. بسته به فناوري مورد استفاده، درجه وضوح را مي توان تا زير 10 نانومتر پايين آورد . نانوساختارهاي مقياس مولكولي پيشتر بدين و سيله در آزمايشگاه ساخته شده اند. اين روشها همچنين نويدبخش قابليتي در ساخت قطعات نوري است كه شايد روزي در محاسبات نوري استفاده شوند . با اين حال به عنوان جايگزين ليتوگرافي مرسوم، مانع عمده اي براي خلق قطعات الكترو نيكي وجود دارد كه اين روش براي توليد ساختارهاي به دقت چيده شده و چندلايه مرسوم در ميكروالكترونيك خيلي مناسب نيست، هرچند محققين براي غلبه بر اين محدوديت در حال كار ميباشند.

ليتوگرافي نرم قبلاً براي ساخت سيستم هاي ميكروس يالاتي- مانند سيستم هاي آزمايشگاه روي تراشه – به كار رفته اس ت و موانع اندكي در مقابل توسعه آن به سيستم هاي نانوسيالاتي قرار دارد . ازاين روش در آزمايشگاه براي ساخت اجزاي نوري همچون توري هاي پراش 7، راهنماهاي موجي و ليزرها، و همچنين اشكال پيچيده ساختاري از جمله سيم پيچ هاي رساناي سه بعدي و ساختارهاي بافته سبدي استفاده شده است.

عرصه ويژه اي كه ليتوگرافي نرم موجب اميدواري زيادي شده است، خلق نانوساختارها با مواد نرم همچون الاستومرها مي باشد. تلفيق اين مواد با ليتوگرافي نرم قابليت ويژ هاي را در نانوسيالات موجب مي شود.

اتصالات الكتريكي موجود در سيستم هاي الكتريكي ، تشديد كننده هاي مكانيكي و سيستم هاي فوق العاده كوچك نيز در آزمايشگاه بدين وسيله ساخته شده اند.

نكته اي كه در بررسي پتانسيل تجاري ليتوگرافي نرم بسيار مهم است، اين است كه قالبها را مي توان بارها استفاده كرد و لذا در توليد انبوه از نظر اقتصادي كاملا به صرفه مي باشند. قالب هاي اوليه را مي توان با روشهاي گران قيمتي همچون ليتوگرافي پرتو الكتروني با دقتي در حد چند نانومتر ساخت.

روشهاي ليتوگرافي غير مستقيم (مبتني بر ماسك

اساس ليتوگرافي غيرمستقيم استفاده از يك ماسك جهت ب ه دست آوردن يك الگو روي يك سطح است. با قرار داد ن يك ماسك در مسير عامل محرك (امواج الكترومغناطيس، الكترون ، يون و ...) الگو يي روي سطح حاصل مي شود. در اين فرايند ماسك بر همكنش موثري با عامل محرك ندارد.

 

فرآوري مكانيكي

فراوري مكانيكي يك روش مرسوم و مثال واضحي از رويكرد بالا به پايين در سنتز مواد نانوساختا ر است كه برخلاف روش پايين به بالا، مواد از خوشه هاي اتمي اوليه تشكيل نشده و تنها از طريق خردشدن و تغيير شكل پلاستيك ي شديد تهيه مي شوند. به دليل سهولت و تجهيزات نسبتاً ارزان قيمت (در مقياس آزمايشگاهي ) و قابليت سنتز اكثر مواد، اين روش كاربرد فراواني يافته اس ت. در عين حال مي توان اين روش را به سادگي براي توليد در مقياس صنعتي به كار گرفت . عمده محدوديت هاي اين روش، آلودگي ناشي از محيط و اتمسفر آسياب،و نيز متراكم شدن و تجمع ذرات در حين آسياب است.

تغييرشكلدهي پلاستيكي شديد

تغيير شكل پلاستيكي شديد 9 از روش هاي پيشگام براي تولي د مواد نانوبلوري توده اي است . محدوديت اين روش وجود مشكلات مربوط به كنترل آلودگي و اكسيداسيون بالاي سطح مؤثر ذرات اوليه مي باشد، اما اين مزيت را دارد كه با تركيب ذرات مختلف مي تواند نانوكامپوزيت ها را به وجود آورد.

روش هاي تغيير شكل پلاستي كي شديد تنها براي فلزات قابل كاربرد مي باش ند. در تمامي اين روش ها بلورهاي داخل فلزات تحت فشار زياد و در معرض تنش برشي بالا قرار مي گيرند و اين كار موجب كاهش اندازه بلور فلزات تا 20 نانومتر مي شود. كاهش اندازة بلور تقريباً در هر نوع فلز باعث افزايش چشمگيرا ستحكام، و در بسياري مواد ، افزايش چكش خواري مي شود. به خاطر اينكه چنين رو ش هايي مي توانند در مقياس بزرگ اجرا شوند، بسيار بيشتر از ساير روش ها براي تجاري سازي مورد توجه هستند.

اختلاط شديد اختلاط شديد يكي از روش هاي بالا به پايين است كه براي ت هيه نانو امولسيو نهاي ناپايدار كاربرد دارد.

دو فازآلي و آبي كه در حالت عادي غير قابل امتزاج هستند، با اختلاط (همزدن) شديد با يكديگر مخلوط شده و نانوامولسيون را حاصل مي آورند، اندازه نانوساختارهاي حاصله به سرعت اختلاط و دماي محيط بستگي دارد.

فشرده سازي پودر

در روش فشرده سازي پودر ابتدا ذرات نانومقياس توليد ش ده و سپس توسط روش هاي استاتيكي يا ديناميكي به هم فشرده مي شوند. روش فشرده سازي پودر نيز به دليل وجود مشكلات ناشي از كنترل آلودگي و اكسيداسيون سطح مؤثر ذرات داراي محدوديت مي باشد.

آسيابهاي پرانرژي

در اين فرآيند معمولاً ا ز آسي اب هاي ماهواره اي با انرژي بالا استفاده م يشود. نانوذرات براساس تنش هاي برشي وارده بر ذرات ، توليد و انرژي دستگاه از طريق گلوله هاي آ سياب به ذرات وارد مي شود . ميزان انرژي به سرعت لغزش، اندازه و تعداد گلوله ها، نسبت وزني گلوله به پودر، زمان آسياب و اتمس فر آسياب بستگي دارد . به طور مثال بيان شده كه انجام آسياب در محيط مايعات سرمازا، سبب افزايش تردي پودر مي شود. از سوي ديگر به خاطر جلوگيري از اكسيد شدن ذرات حساس به اكسيداسيون بايد توليد برخي مواد به خصوص مواد غيراكسيدي در اتمسفر خاصي صورت پذيرد . در صورتي كه انرژي به ميزان كافي وجود داشته باشد، مي توان كامپوزيت همگني از اجزاي مختلف را در ابعاد نانومتري تهيه كرد . براساس انرژي آسياب و ترموديناميك واكنش هاي رخ داده مواد به صورت بلوري يا آمورف و تك فاز يا چند فاز سنتز مي شوند . در اين روش براي خردايش از مواد به عنوان گلوله استفاده مي شود. ZrO و 2 Al2O داراي سختي بالا مانند فرآوري حرارتي روش زينتر وقتي ذرات ماكروسكوپي در حالت هاي پودري يا سوسپانسيون بر همكنش مولكولي داشته باشند، مي توانند با يكديگر پيوند برقرار كرده و يك شبكه، يا يك تكه جامد را تشكيل دهند . اين تركي بات دانسيته و استحكام برشي متفاوتي نسبت به مواد اوليه دارند . سرعت پيوند شدن وابسته به انرژي سطحي و حركات مواد برخوردكننده در سطح اتمي (سرعت نفوذ ) مي باشد. افزايش سرعت نفوذ با حرارت دادن ماده در دماي حدود نصف نقطه ذوب انجام مي شود. اين فرايند، روش زينتر نام يده مي شود و در اتمسفر هاي مختلف يا مايعات گوناگون انجام مي شود.

روش آنيلينگ(متبلورسازي موادآمورف

آنيلينگ يك فرايند گرمايي است كه طي آن ساختار مواد در ابعاد ميكرو دگرگون مي شود و خواصي نظير سختي و استحكام تغيير مي كنند. اين روش چندين مرحله دارد كه عبار تند از : بازيابي، تبلور مجدد و رشد ذرات اوليه.

به خود مي گيرد. (Soft) در مرحله اول نقايص بلوري و تنش هاي داخلي از بين مي رود و ماده حالت نرم مرحله دوم تبلور مجدد است كه هسته هاي اوليه جايگزين بلورهاي تغييرشكل يافته مي شود . مرحله سوم، مرحله رشد ذرات تشكيل ش ده است و چنانچه طولاني شود ساختار زبر وخشن به وجود مي آيد و خواص مكانيكي افت مي كنند.

در سيستم هاي نيمه هادي، ويفرهاي سيليكون ي تحت فرايند آنيلينگ قرار مي گيرند كه طي آن اتم هايي مانند بور، فسفر و آرسنيك در شبكه بلوري قرار مي گيرند و تغييرات كاملاً موثري ب ر خواص الكتريكي نيمه رساناها مي گذارند.

 

ريسندگي

روش ريسندگي به دو زير شاخه ريسندگي مذاب و ريسندگي الكتريكي 10 تقسيم م ي شود . در روش ريسندگي مذاب از ع امل مكانيكي و در رو ش ريسندگي الكتريكي از عوامل الكتريكي و مكانيكي استفاده مي كنند.

 

 

ريسندگي الكتريكي

ريسندگي الكتريكي روشي بر اي توليد الياف پليمري با قطر نانومتري است. اين روش سالها شناخته شده بود و برخي از مصارف محدود را در فيلترها داشت، اما اكنون توجه جديدي را به خود جلب كرده است . در اين فناوري مايعات باردار شده به صورت جريانهاي كوچك ي به درون يك ميدان الكتريك ي كشيده شده، و سپس به صورت الياف پليمريزه مي شوند. مواد ديگري مانند نانوذرات يا حتي نانولو له ها را مي توان در اين الياف جاي داد.

ريسندگي مذاب

در روش ريسندگي مذاب، پليمر به شكل مذاب با ويسكوزيته بالا درآمده و داخل محفظه فلزي كه رشته ساز ناميده مي شود قر ار مي گيرد سپس با اعمال نيرو به سمت سوراخ هاي ريز انتهاي محفظه هدايت مي شود .

سوراخ هاي مذكور به طور معمول دايره اي بوده ولي ممكن است اشكال متفاوتي نيز داشته باشند . پليمر مذاب از اين منافذ خارج شده، خنك مي شود و بوسيله دستگاه چرخنده بصورت الياف جمع مي گردد.

اليافي كه از اين روش به وجود مي آيند قطري در حدود چند صدنانومتر دارند.

 

پايين به بالا

در روشهاي پايين به بالا محصولي از مواد ساده تر به وجود مي آيد، مانند ساخت يك موتور از قطعات آن. در حقيقت كاري كه در اينجا انجام مي شود، كنار هم قرار دادن اتم ها و مولك ول ها (كه ابعاد كوچكتر از مقياس نانو دارند ) براي ساخت يك محصول نانومتري است . تصور كنيد كه قادريم اتم ها و مولكول ها را به طور واقعي ببينيم و آنها را به طور دلخواه كنار هم قرار دهيم تا شكل مورد نظر حاصل شود . معمولاً روش هاي پايين به بالا ضايعاتي ندارند، هر چند الزاماً اين مسأله صادق نيست. مثلاً ممكن است جزئي از يك سيستم خودآرا براي فرآيند خودآرايي به كمك يك "هم جزء" نياز داشته باشد كه در محصول نهايي وجود نداشته و لذا از سيستم حذف مي شود.

 

 

رسوب دهي فاز گاز

رسوب دهي فاز گاز به فرآيندي اطلاق مي گردد كه طي آن مواد در حالت بخار از طريق تراكم وواكنش شيميايي به حالت جامد بر مي گردند. اين فرآيند براي پوشش دهي قطعات مختلف و رسيدن به خواص نوري، الكتريكي ، گرمايي، مكانيكي و مقاومت خوردگي ماده به كار مي رود. اين روش همچنين براي تشكيل فيلم ها و الياف ي كه براي فيلتر كرد ن مواد كامپوزيت مصرف مي شوند، كاربرد دارد . فرآيندهاي رسوب دهي گازي به طور معمول در محفظة خلاء به دست مي آيد.

رسوب دهي شيميايي و فيزيكي بخار از مهم ترين روش هاي رسوب دهي فاز گاز هستند.

(CVD) رسوب دهي شيميايي بخار رسوب دهي شيميايي بخار يك فرآيند شيميايي است كه براي رسوب فيلم هاي نازك از مواد گوناگون مورد استفاده قرار مي گيرد.

يك لايه از ماده در معرض يك يا چند ماده تبخير شده قرار مي گيرد، و طي آن CVD در يك فرآيند مواد اوليه با لاية مذكور واكنش داده (و/يا) تجزيه شده، محصول رسوبي مورد نظر را به وجود مي آورند . البته محصولات جانبي نيز به وجود مي آيند كه به وسيله گاز خارج مي شوند.

رسوب دهي شيميايي بخار به طور وسيع درتوليد نيم ه هادي ها ( به عنوان يك بخش از فرآيند توليد نانوساختارهاي نيمه هادي) و براي رسوب فيلم هاي گوناگون نظير سيليكون هاي پلي كريستال ، آمور ف، اپي تكسيال، سيليكون ، ژرمانيوم، تنگستن، سيلي كون نيتريد، سيليكون اكسي نيتريد و تيتانيم ني تريد استفاده مي شود .

براي توليد الماس سنتزي نيزكاربرد دارد. CVD فرآيند  (APCVD ) رسوب دهي شيميايي در فشار اتمسفري يك روش رسوبي است كه در آن واكنش در فشار اتمسفري ا نجام مي شود . فشار اتمسفري APCVDباعث مي گردد سرعت رسوب فيلم افزايش يابد و به حدود 600 تا 1000 نانومتر بر دقيقه م يرسد . در اين فرايند، بدليل تراكم سريع مولكول هاي گازي، هسته زايي هموژن صورت مي گير د و فيلم هاي تهيه شده از اين روش اثرپذيري كمي از خود نشان مي دهند. همچنين بدليل داشتن تغييرات قابل اغماض محصول، اين روش كاربرد زيادي در صنعت دارد. (ALCVD ) رسوب دهي شيميايي بخار لايه اتميو آب ) به Al(CH3) در فرآيند رسوب دهي شيميايي بخار لايه اتم ي، دو ماده اوليه ( به عنوان مثال 3 طور متناوب داخل محفظه وا كنش وارد مي شوند. يكي از اين مواد در غياب ماده دوم روي سطح يك ويفرجذب شده، و دچار تغيير شيميايي نمي شود.جذب اين ماده تا اشباع شدن سطح ادامه مي يابد. سپس مادة دوم به محيط اضافه شده و واكنش انجام مي پذيرد . ضخامت فيلم با مقدار ماده ورودي به محفظه واكنش كنترل مي گردد. در اين روش امكان كنترل دقيق ضخامت فيلم و يك شكل بودن آنها وجود دارد.

(LPCVD) رسوب دهي شيميايي بخار در فشار پاييناين فرآيند در فشار پايين تر از فشار اتمسفري انجام مي شود. در فشارهاي پايين ، واكنش هاي فاز گازي ناخواسته كاهش يافته، باعث بهبود يكنواختي فيلم روي ويفر مي گردد. روش ديگري كه در خلاء انجام شده واست. (UHVCVD) كاربرد محدودتري دارد، رسوب دهي شيميايي بخار با خلاء خيلي بالا

(MOCVD ) رسوب دهي شيميايي بخارآلي فلزي

(TDMAT) دراين فرآيند از مواد اوليه آلي فلزي نظير تانتالي وم اتوكسيد و تترادي متيل آمينوتيتانيوم استفاده مي شود. وقتي (TiN) و براي تهيه نيتريد تيتانيم (TiO براي توليد روكش هايي از جنس اكسيد تيتانيوم ( ناميده مي شود. MOMBE ، اين روش تحت خلاء خيلي بالا قرار گيرد

(MPCVD) رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي ميكروويو

در اين روش ماده اوليه در پلاسمايي كه از برهمكنش امواج مايكروويو و مخلوط گازي ( معمولا

ايجاد مي شود، قرار مي گيرد . اين برهمكنش فرايند هسته زايي هتروژن را القا ( H و 2 CH مخلوط گازهاي 4 مي كند. در مرحله بعد هسته هاي مذكور به يكديگر چسبيده و فيلم يكنواختي را تشكيل مي دهند . جهت گيري اعمال شده و تاثيرات پلاسما مي باشد. DC هسته هاي اوليه وابسته به جريان مرفولوژي روكش هاي ايجاد شده از اين روش به چندين پارامتر نظير فشار، تركيب گاز، و بستر سيليكون و... بستگي دارد.

(PECVD ) رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي

باعث PECVD در اين فرآيند از پلاسما براي افزايش سرعت واكنش ش يميايي استفاده مي شود . روش مي گردد رسوب در دماي پايين تشكيل شودكه در تهيه نيمه هادي ها بدليل به وجود آوردن محصول مناسب، از ضرورت بالايي برخوردار است.

حرارتي مي توان انجام داد؛ مثلاً مي توان CVD حاصل از پلاسما را در دماهاي پايين تري از CVD نانولو له هاي كربني را بر روي شيشه سودآهكي 11 كه در ديگر روش ها بدليل استفاده از دماي بالا ذوب مي شوند، رشد داد. اين راهكار مخصوصاً براي توليد وسايل نمايشگر اميدواركننده است.

يكي از مثا ل هاي اين روش استفاده از پلاسماي م ونوكسيد كربن و هيدروكربن هاي مختلف براي سا خت نانولو له ها بر روي كاتاليست مي باشد.

(RTCVD) رسوب دهي شيميايي بخار گرمايي سريع از لامپ هاي گرمايي و يا روش هاي ديگر براي گرما دادن سريع ويفر استفاده ،RTCVD در روش هاي مي شود. گرما دادن ويفر باعث مي گردد واكنش در سطح ويفر انجام شده و از مقدار آن در فاز گازي كاسته مي شود، دراين حالت نانوذرات معلق كمتري توليد مي گردد.

(RPCVD ) رسوب دهي شيميايي بخار پلاسمايي دور

است و تنها تفاوت آن در موقعيت ويفر نسبت به پلاسماي ورودي PECVD اين روش مشابه روش است. توضيح اينك ه ويفر به طور مستقيم در ناحيه تخليه پلا سما قرار نمي گيرد. خارج كردن ويفر از ناحيه پلاس ما  باعث مي گردد فرآيند در دماي اتاق انجام شود.

(UHVCVD ) رسوب دهي شيميايي بخار با خلاء خيلي بالا

انواع ساختارهاي نانوبلور ي مي توانند ايجاد مي شوند . اين روش براي توليد UHVCVD در روش  ويفرهاي چند لايه اي و فيلم هاي اپيتكسيال با كيفيت بالا نظير ژرمانيوم سيليكون نيز كاربرد دارد.

 

(PVD) رسوب دهي فيزيكي بخار

روشي است كه درآن از عوامل فيزيكي براي رسوب فيلم هاي نازك مواد گوناگون بر روي PVD سطوح مختلف (نظير ويفرهاي نيمه هادي) استفاده مي شود.

روش هاي مختلفي PVD . اين روش براي ساخت قطعاتي ك ه شامل اجزاء نيمه هادي هستند كاربرد دارد رسوبدهي ليزر پالسي و ، (HVOF) دارد كه عبارتند از : كاتدپراني (اسپاترينگ) ، سوخت اكسيژن با سرعت بالا رسوب تبخيري.

 

رسوب تبخيري

در اين روش با استفاده از گرم ا م اده ذوب شده و فشار بخار آن به سطح مناسبي مي رسد . اين فرآيند در خلاء انجام مي شود تا بخار حاصله با مولكول هاي گاز موجود محفظه واكنش ندهد و در فيلم ايجاد شده ناخالصي مشاهده نگرد د. مواد اوليه بعد از تبخير روي سطح سرد رسوب كرده و فيلم نازكي را بوجود مي آورند . در اين فرايند فقط موادي كه فشار بخار بالا دارند بدون آلودگي در فيلم حاصله رسوب مي كنند.

روش كاتدپراني(اسپاترينگ

كاتدپراني يك روش فيزيكي است كه در آن ات م هاي يك هدف جامد با استفاده از بمباران يون هاي پرانرژي به صورت گاز در آمده، به بيرون پرتاب مي شوند. به دليل برخورد يون ها به ماده، اين فرآ يند مي تواند به به خوشه بزرگي از اتم هاي فشرده به هم (توپ هاي بيليارد ) (Cue Ball) بازي بيليارد تشبيه شود كه يون اوليه برخورد مي كند. اولين برخورد باعث ه ل دادن اتم ها به داخل خوشه اتمي مي گردد و برخوردهاي متعاقب باعث مي شود كه اتم هاي سطح از يكديگر دور ش وند. به نسبت تعداد اتم هاي دور شده از سطح به يون اوليه بازده كاتدپراني گفته مي شود كه مقدار آن در فرآيند اسپاترينگ مهم است . عوامل ديگر كه بر بازده اسپاترينگ تأثير مي گذارند، عبارتند از انرژي يون اوليه، جرم يون و اتم هاي هدف و انرژي اوليه اتم ها در نمونه.

يونهايي كه براي فرآيند اسپاترينگ استفاده مي شوند به وسيله پلاسما حاصل مي شو ند. براي رسيدن به شرايط بهينه اسپاترينگ روش هاي گوناگو ني براي ا صلاح خواص پلاسما، خصوصاً دانس يته آن ، استفاده مي شو ند

ميدان هاي مغناطيسي و ولتاژ پايه مي باشند . در ،(RF) كه شامل استفاده از جريان متناوب فركانس راديويي كاتدپراني رسوبي، اتم هاي كنده شده به حالت گازي درآمده ، و در اين حال ت تعادل ترموديناميكي ندارند . در نتيجه تمايل دارند در سطوح موجود در داخل محفظه رسوب نمايند . اين ف رآيند به طور وسيع در صنايع نيمه هادي روي سيليكون و يا ديگر ويفرها كاربرد دارد . اين GaAs براي رسوب فيل مهاي نازك از مواد گوناگوني نظير فرآيند كه در دماي خيلي پايين انجام مي شود براي تهيه ترانزيستورهاي فيلم نازك نيز ايده آل است . اين استفاده مي شوند ترانزيستورها در ديودهاي. PIN

رسوبدهي ليزر پالسي

رسوبدهي ليزر پالسي نيز يك روش رسوب دهي فيلم نازك است كه در آن از باريكه ليزر براي تبخير مواد و رسوب دوباره آنها به صورت فيلم هاي نازك استفاده مي شود . غالبا خلاء بالايي در اين فرايند لازم است ، پالس هاي ليزر متمركز شده به طور مستقيم مواد را از حالت جامد به پلاسما تبد يل مي كنند . پلاسماي حاصله با انبساط حرارتي از سطح دور مي شوند كه اين عمل باعث سرد شدن پلاسما و تبديل آن به گاز م يگردد. خلاء بالا باعث مي گردد تا وقتي كه ماده به سطح سرد نرسيده است حالت گازي خود را حفظ كند و با رسيدن به سطح  سرد فيلم نازكي را تشكيل مي دهد.

 

روش سوخت اكسيژن با سرعت بالا(HVOF)

همچون روش هاي ديگر، اين فرايند براي ايجاد يك پوشش و لايه سراميكي بر روي مواد جهت مقاوم سازي آنها در برابر خوردگي به كار مي رود.

در اين فرآيند براي تهيه سوخت، مخلوط گاز و اكسيژن با يكديگر مخل وط شده، گاز حاصله از طريق1500 مي رسدپودر در جريان گاز تزريق مي شود و به سرعت ي m/s يك نازل خارج شده و به سرعتي در حدود 800مي رسد وقتي باريكه پودر به ماده مي رسد، روي آن پوششي را تشكيل مي دهد كه خلل و m/s در حدود خرج خيلي كمي دارد.

فوتوليز و پيروليز ليزري

با ت ابش ليزر به تركيبات آلي فلزي، فلز اين تركيبات احيا مي شود . پس از تابش ليز ر، غلظت فلز درتركيب بلافاصله بالا رفته و به حالت اشباع مي رسد. اين روش براي توليد ذرات ريز و خوشه هاي فلزي، سراميكي و با استفاده از يك لي زر اكسايمري Fe(CO) و غيره به كار مي رود. نشان داده شده است كه مي توان با فتوليز 5 خوشه هاي آهن 1 تا 30 اتمي توليد كرد.

سنتز بر پايه آئروسل

فرايندهاي بر پايه آئروسل، روش هايي رايج براي توليد صنعتي نانوذرات مي باش ند. آئروسل ها ذرات جامد و مايع د ر فاز گازي هستند كه ابعاد آنها ت ا 100 ميكرومتر مي رسد . قبل از اينكه اساس علمي و مهند سي آئروسل ها فهميده شود، اين تركيبات در صنعت كاربرد داشتند . براي مثال، ذرات كربن ي كه در رنگدانه ها و تايرهاي ماشين استفاده مي شود، با سوختن هيدروكربن به دست مي آيد . رنگدانه تيتانيوم كه در پلاستيك ها و رنگ ها كاربرد دارد از اكسيداسيون تتراكلريد تيتانيوم حاصل مي شود، همچنين فوم سيليكا و تيتانيوم از تتراكسيدهاي مربوطه با روش پيروليز شعله اي به دست مي آيد. فيبرهاي نوري نيز با روش مشابهي ساخته مي شوند.

به طور مرسوم، اسپري براي خشك كردن و يا رسوب پوشش ها استفاده مي شود . اسپري تركيبات شيميايي بر روي سطح گرم يا داخل اتمسفر گرم باعث پيروليز تركيب شيميايي و تشكيل نانوذرات ميشود.

فرآيند اسپري (براي ايجاد آئروسل ) در دماي اتاق جهت توليد نانوذرات نيمه هادي و فلزات ديگر انجام نيز با روش سنتز بر پايه آئروسل بدست آمده است . در اين فرايند قطرات ميكروني CdS شده است . نانوذرات در معرض اتمسفر هيدروژن سولفيد قرار م يگيرند. نمك Cd

تراكم شيميايي بخار(CVC)

در اين روش بخار ماده اوليه در حين عبور از ميان راكتور داراي د يواره هاي گرم تجزيه شده ، و هسته هاي نانوذرات را در فاز گازي ب ه وجود مي آورد. نانوذرات حاصله به وسيله جري ان گاز انتقال يافته و روي ميله سرد جمع م يگردند، اندازه نانوذرات به دماي محفظه ، تركيب ماده اوليه، فشار و زمان اقامت ماده (Cold f اوليه بستگي دارد.

در اين روش نانوذرات بدون استفاده از هيچ زيرلايه اي، تشكيل مي شوند . ،CVD برخلاف راهكارهاي به عنوان مثال تنها با مخلو ط كردن هيدروكربن ها و فلزكاتاليست در محفظه واكنش نانولو له ها ساخته مي شوند. اين روش به عنوان راهي مناسب جهت توليد انبوه پيشنهاد شده است.

سنتز سيال فوق بحراني

يا گازهاي فشرده بعنوان يك محيط مناسب براي كريستاليزاسيون و (SCF) سيالات فوق بحراني

توليد نانوپود رها پيشنهاد شده اند. سيالات فوق بحراني داراي خواص شبه گازي و شبه مايع مي باشند كه علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده كنندگي نيز ندراند و موجب كنترل دقيق فرآيند كريستاليزاسيون شده و توانايي توليد ذرات بسيار ريز با مورفولوژ ي و توزيع اندازة ذرات مناسب را فراهم م ي آورند. فرآيندهاي مختلف توليد نانوپودرها بر،(SAS) آنتي حلال فوق بحراني ،(RESS) پايه سيال فوق بحراني شامل انبساط سريع سيالات فوق بحراني(DELOS) و كاهش فشار محلول آلي مايع منبسط شده (PGSS) ذرات حاصل از محلول اشباع گازي مي باشند. يك روش كريستاليزاسيون است ك ه از خواص يك سيال (RESS) انبساط سريع سيالات فوق بح راني در دو RESS بعنوان يك حلال براي تسهيل توليد نانوپودر استفاده مي كند . فرآيند CO فوق بحراني مانند مرحله صورت مي گيرد : انحلال پذيري و تشكيل ذره . نيروي محركه فرآيند از طريق كاهش سريع فشار محلول فوق بحراني توسط نازل تأمين مي شود و منجر به هسته زايي سريع و توليد ذرات ريز م يشود. داراي مزاياي متعددي است . هرچند اين فرآيند در فشارهاي بالا اتفاق مي افتد اما دماي RESS فرآيند مورد نياز نسبتاً پايين است، در نتيجه هزينه هاي انرژي پايين مي باشد. مزيت ديگر اين فرآي ند عدم وجود خطرات محيطي است . البته بزرگترين مزيت اين فرآيند قابليت ساخت ذرات بسياركوچك در مقياس ميكرو و نانو با توزيع اندازه ذرات مناسب و عاري از حلال است . با وجود اين مزايا، اين روش داراي برخي از معايب نيز مي

باشد. از معايب اصلي اين فرآيند مي توان به نسبت بالاي گاز /ماده بواسطه حلاليت پايين ماده، نياز به فشار بالا و مشكل جدايش ذرات زيرميكرون از حجم بزرگي از گاز در مقياس صنعتي اشاره كرد.

يكي ديگر از روش هاي توليد نانوپودرها مبتني بر سيال فوق بحراني، فرآيند آنتي حلال فوق است كه از سيستم هاي دوتايي حلال/ آنتي حلال براي توليد ميكروپودرها و نانوپودرها استفاده (SAS) بحراني به عنوان يك آنتي حلال عمل مي كند و باعث متبلور (CO مي كند. در اين روش، سيال فوق بحراني (بطور مثال 2شدن جسم حل شونده مي شود. نيروي محركه اصلي براي اين فرآيند تشكيل قطره است كه از طريق برهم كنش حلال  آنتي حلال بوجود مي آيد.

براي ساخت نانوذرات با توانايي كنترل توزيع اندازه ذرات بكار برده مي شود . نيروي PGSS فرآيند يك افت دماي ناگهاني محلول در دماي زير نقطة ذوب حلال است . در نتيجه اين عمل، PGSS محركه فرآيند محلول از فشار كاري به شرايط اتمسفري تغيير وضعيت مي دهد و در نتيجه مي توان اثر ژول  تامسون را مشاهده كرد. سرمايش سريع محلول موجب تبلور جسم حل شده مي شود و هسته زايي هموژن براي تشكيل ذرات بوجود مي آيد.

مصرف پايين تر گاز بخاطر ،RESS نياز آن به فشار پايي ن تر در مقايسه با PGSS مزيت مهم فرآيند نسبت هاي كمتر مايع /گاز و توانايي تشكيل نانوپودرها بدون نياز به حلا ل مي باشد كه هزينه هاي عملياتي را در دو حالت كاهش مي دهد. اولاً اينكه نياز به حلال هاي شيميايي گران، كاهش مي يابد. ثانياً به دليل عدم بكارگيري حلال ها، محصول از خلوص بالايي برخوردار است و نياز به حذف باقي مانده حلال نمي باشد.

روش كاهش فشار يك محلول آلي مايع منبسط شده، فرآيندي است كه از يك سيال فوق بحراني براي حل شونده هاي آلي در DELOS بعنوان كمك حلال براي تشكيل نانوپودرها استفاده مي كند . فرآيند حلال هاي آلي و مخصوصاً براي توليد پليمرها، رنگ ها و ذر ات دارويي مفيد است . زيرا در روش هاي متداول كاهش اندازه ذره به دليل محدوديت فيزيكي و شيميايي غيرممكن مي باشد. نيروي محركه براي فرآيند افت دماي بزرگ و سريع مي باشد. ،DELOS

رسوبدهي از فاز مايع

رسوب دهي فاز مايع به هر فرآيندي كه طي آن مواد در حالت مايع يا محل ول از طريق تراكم يا واكنش به حالت جامد تبديل مي شوند، اطلاق مي گردد. از اين فرآيند براي تشكيل پوشش و رسيدن به خواص مختلف رسانايي، گرمايي، نوري ، مقاومت در برابر خوردگي و همچنين خواص مكانيكي به كار مي رود.

الكترو رسوب دهي نيز ناميده م ي شود محدود Electroplating كه (Electrodeposition) فرآيند الكترورسوب دهي به مواد رسانا مي باشد.

 

دو روش براي رسوبدهي وجود دارد كه عبارتند از:

در روش اول، ماده در يك محلول مايع (الكتروليت) قرار مي گيرد. وقتي كه اختلاف پتانسيل الكتريكي بين الكترود نمونه و الكترو د شاهد (معمولاً پلاتين ) برقرار گردد، يك واكنش اكسيد - احياء اتفاق مي افتد كه باعث تشكيل يك لايه از ماده روي نمونه و ايجاد گاز بر روي الكترود شاهد مي شود.

در روش دوم، محلول شيميايي پيچيده اي نياز است . در اين روش رسوب همزمان روي سطحي كه پتانسيل الكتروشيميايي مناسب ي با محلول دارد، تشكيل مي شود. اين روش از آن جهت مناسب است كه نيا ز به پتانسيل الكتريكي خارجي ندارد. متأسفانه در اين روش كنترل ضخامت فيلم و هم شكل بودن آن مشكل است.

فرآيند الكترورسوب دهي براي ساخت فيلم هاي فلزي نظير مس، طلا، نيكل و... كاربرد دارد.

مايسل معكوس اساس اين روش بسيار ساده است . دو تركيب شيميايي بر اي ايجاد محصول با يكديگر واكنش مي دهند .

چنانچه دو تركيب در مقا دير زياد با يكديگر مخلوط شوند، ذرات ي با اندازه بزرگ به وجود مي آورند. براي تشكيل نانوذرات، انجام چنين واكنش هايي مي بايست در ابعاد خيلي كوچكتر انجام شود. در اين فرآيند از دو فاز آبي و آلي استفاده مي كنند، كه با يكديگر مخلوط نمي شود ولي چنانچه با سرعت همزده شوند، قطرات يك فاز به صورت سوسپانسيون در ديگري حل مي شوند. اندازه اين قطرات با افزايش سورفكتانت يا شوينده تا حد خيلي زيادي ريز مي شود. مولكول هاي سورفكتانت روي سطح يك قطره آب جمع شده و آن را پايدار مي كنند . چنين قطره اي مايسل ناميده مي شود. از آنجايي كه قطره حاصله خيلي كوچك است به عنوان يك محيط واكنش ايده آل براي تشكيل نانوذره مي باشد. مقادير كمي از واكنش دهنده مي تواند به داخل اين قطره نفوذ كند و وقتي با واكنش گر دوم واكنش مي دهد، ذره خيلي كوچكي حاصل مي آيد. در اين فرآيند از دو ماده شيميايي كه يكي در فاز آلي و ديگر در فاز آب ي حل مي شود، استفا ده مي كنند. امولسيون مورد نياز از طريق مخلوط نمودن حجم كمي از فاز آبي درحجم بالايي از فاز آلي بدست مي آيد. اندازه قطرات آب وابسته به نسبت آب / سورفكتانت است. سورفكتانت بين قطره آب و فاز آلي قرار مي گيرد. فرايند بدين صورت است كه ماده شيميايي كه در آب حل مي شود به محلول اضافه شده و همزده مي شود، از آنجائيكه اين تركيب در فاز آ لي حل نم يشود، به صورت يكنواخت در فاز آب حل مي گردد. سپس تركيب شيميايي دوم كه در فاز آلي حل م ي شود به محلول اضافه  مي گردد. مقادير خيلي كمي از آن وارد فاز آبي شده و با تركيب قابل حل در آب واكنش مي دهد و ذر ات كوچك را حاصل مي آورد.

BaTiO3, ZrO2,CdS, CdSe, CdTe, فرايند مايسل معكوس براي ته يه نانوساختارهاي ي نظير استفاده مي شود. نانوذراتي كه از روش واكنش هاي رسوبي بدست مي آين د از اين روش PbS, PbSe, TiO2نيز حاصل مي شوند.

پليمريزاسيون ميكروامولسيوني

ميكروامولسيونها فازهاي متعادل ي شامل مايعات غير قابل استخراج ن ظير روغن و آب مي باشند كه به وسيله لايه هاي نازك حاصل از سور فكتانت پايدار مي شوند . ساختار ميكروامولسي ون ها به عنوان ميكروراكتورهاي پليمريزاسيون عمل مي كنند. با انجام پليمريزاسيون مونومرها نانوذراتي در حدود 10 نانومتر بدست م يآيند . در اين فرايند پليمريزاسي ون سريع بوده و پليمرهاي مونوديسپرس با وزن مولكولي بالا حاصل مي شوند . تئوري فرآيند با مورد بررسي قرار مي گيرد. SANS استفاده از روش آناليزي سلژل  فرآيندهاي سل ژل اولين بار در اواخر ق رن نوزدهم كشف شد و از اوايل دهه 40 به طور گسترده ايمورد استفاده قرار گرفت ند. پس از آن براي ساخت ژل ها در دماهاي پايين و تبديل آنها به شيشه فرآيندهايي توسعه يافتند. فرآيندهاي سل ژل روالي همه كاره براي ساخت مواد سراميكي و شيشه اي از محلول ها يا كلوئيدها ( كه مثل سوسپانسيون ها، ذرات در مايع نامحلول اند، اما ت ه نشين هم نم يشوند) مي باشد . به طور كلي فرآيند سل ژل عبارتست از انتقال سيستمي از يك فاز "سل" مايع به يك فاز "ژل" جامد. با كمك فرآيند سل ژل مي توان مواد سراميكي يا شيشه اي را در گستره اي از اشكال ساخت : پودرهاي فوق ريز يا كروي، روكش هاي فيلم نازك، الياف سراميكي، غشاهاي معدني ميكروحفره اي، سراميك ها و شيشه هاي يكپارچه 14 ، و مواد آئروژل به شدت متخلخل. مواد آغازين براي تهيه سل معمولاً نمك هاي فلزات معدني يا تركيبات آلي فلزي مثل آلكوكسيدهاي فلزي مي باشند. در يك فرآيند سل ژل نوعي، ماده پيش ساز در معرض يك سري از واكنش هاي هيدرو ليز و پليمريزاسيون قرار مي گيرد تا يك سوسپانسيون كلوييدي يا سل را تشكيل دهد . فرآوري بيشتر سل امكان ساخت اشكال مختلفي از مواد سراميكي را فراهم مي كند. فيلم هاي نازك را مي توان با انجام روكش دهي چرخشي 15 يا روكش دهي غوطه وري 16 روي يك زيرلايه توليد كرد . هنگامي كه سل در يك قالب ريخته شود، ژلي مرطوب شكل مي گيرد. با خشك كردن و فرآورش حرارتي، اين ژل به ذرات شيشه اي يا سراميكي متراكم تبديل مي شود .

اگر در شرايط فوق بحراني مايع موجود در يك ژل مرطوب خارج شود، ماده اي به سرعت متخلخل و با دانسيته فوق العاده اندك موسوم به آئروژل 17 بدست مي آيد. با تنظيم كردن ويسكوزيته سل در يك دامنه مطلوب مي توان از سل اليافي سراميكي بدست آورد . پودرهاي سراميكي فوق ريز و يكنواخت را نيز مي توان با رسوب دهي، پيروليز پاششي 18 يا روش هاي امولسيوني توليد كرد.

فرآوري نانوذرات به صورت سل ژل قابليت ايجاد قطعات ارزان قيمت را دارا م ي باشد . نوعاً مخلوطي از ذرات سيليكاي نانومتري و افزودني ها در قالب جاي داده مي شود. سپس لازم است ژل مرطوب با كنترل دقيقي – براي پرهيز از ترك برداشتن – خشك شود . پس از آن مي توان ماده حاصل را تحت فرآوري بيشتر به شيشه اي شفاف تبديل كرد.

Ni-YLaO و 3 Al2O با استفاده از نانوذرات حاصل از مواد مبتني بر نمك و سراميك هايي همچون  تعدادي زيرلايه كاتاليستي ساخته شده اند.

از فرآيندهاي سل ژل مي توان براي كنترل دقيق آغشته سازي 19 نانوذرات تيتانيوم يا ژرمانيوم در فيلم هاي سل ژل دي اكسيد سيليكون استفاده كرد، تا بتوان ضريب شكست ماده حاصل را به كنترل درآورد . الياف را نيز مي توان از محلول هاي مواد پيش ساز بيرون كشيد يا ريسيد يا آنها را با فيلم هاي نازك روك شدهي كرد.

الگوبرداري از نانوساختارها

الگوبرداري از نانوساختارها روشي است كه طي آن عناصر پايه ن سل دوم بدست مي آيد، در اين روش ازفرايندهاي روكش دهي، پرسازي و تجزيه الگو براي تهيه نانومواد بهره مي گيرند. البته براي بدست آوردن يك نانو ساختار ممكن است اين فرايندها بطور متوالي انجام شوند . به عنوان مثال مي توان به ساخت نانوپوسته ها اشاره كرد كه طي آن نا نوذرات پوشش داده مي شوند سپس خود حل شده و يا تجزيه مي شوند وتنها لابه بيروني باقي مي ماند.

خودآرايي در محلول

خودآرايي 20 يك روش توليد پايين به بالاست ، و بدليل اينكه محصولات حاصل از خودآرايي صرفه اقتصادي بالقوه اي دارند ، بسيار جالب توجه است . البته اين مس أله آنقدر هم ساده نيست . خودآرايي چيز جديدي نيست. خودآرايي با قدرت بالايي سيستم هاي زيستي را مي سازد و حتي مي توان واكنشهاي شيميايي صنعتي قديمي را نيز به آن نسبت داد.

بيان تا حدي جديدتر خودآرايي كه همه توجهات را به خود جلب كرده عبارتست از : توانايي كنترل آن براي ساخت ساختارهايي همچون لايه ها (مثلاً براي روكش دهي سطوح تخت يا نانوذرات )، نانوكپسول ها،نانوسيم ها و حتي اجزاي ساده الكترونيك مولكولي . درخت سان ها   مثالي كلاسيك از خودآرايي نسبتاً پيچيده است؛ هر چند بسياري آن را فقط نوعي شيمي پليمري مي دانند. در طبيعت، خودآرايي براي ساخت سيستم هاي بسيار پيچيده اي به كار رود .

ايجاد درخت سان ها و لايه هاي چندگانه از تك لايه هاي خودآرا به مقداري طرح ريزي و طراحي مبتني بر خودآرايي تسلسلي نياز دارد . ممكن است در نهايت روزي ساخت ساختارهاي پيچيده اي همچون پردازنده هاي كامپيوتري با استفاده از خودآرايي صرف عملي شود . انتظار مي رود طراحي اين فرآيندهاي تسلسلي - براي تفوق بر آن موانع - شامل چندين مرحله باشد . نتايج بالقوه خودآرايي فوق العاده است و نويدبخش توليد راحت مقادير فراواني از ساختارهاي پيچيده با ترتيبي از مراحل شبيه به توليد انبوه مواد شيميايي، در جايي مثل صنعت داروسازي است.

22 هنگامي توليد مي شوند، كه ماده اي به طور خود به خود لايه اي به (SAMs) تك لايه هاي خودآرا ضخامت يك مولكول روي يك سطح شكل دهد . با افزايش لايه ها مي توان طبقاتي از لاي ه هاي داراي ضخامت يك مولكول ايجاد كرد. تحقيق در اين زمينه از سال 1983 آغاز شد و هر ساله مقالات منتشره در اين باب فزوني ها با تحقيق در زمينه ميكروسكوپي تونل زني پيمايشگر – كه در اوايل دهه 90 SAM مي گيرد. تحقيق در زمينه اختراع شد – مقارن شد.

هنگامي كه ماده اي (مثل يك سطح فلزي يا متخلخل) در تماس با محلولي از مولكولهاي آلي قرار گيرد ها توليد مي شوند . ما ده روكش شده خود SAM ، كه به طور خود به خود ، روي زيرلايه به رديف در آين د مي تواند زيرلايه اي براي لايه ديگري از يك تركيب متفاوت باشد.

با وجودي كه چندين راهكار متفاوت براي خلق فيلم هاي فلزي و سرامي كي ايجاد شده است، اما نمي توان به طور كلي از آنها براي خلق فيلم هاي آلي استفاده ك رد، چون معمولاً شامل شرايط حادي مي شود كه مولكولهاي ها را در شرايط بسيار ملايم ساخت . SAM آلي در آن تخريب مي شوند. با اين وجود در حال حاضر مي توان استفاده از مواد آلي نيز ح وزه جديدي از گزينه ها را فراهم مي كند (اين مواد موجب كنترل بهتر انتقال بار در مصارف الكترونيكي، كنترل بهتر چسبندگي و زيست سازگاري افزون تر مي شوند ). لازم بذكر است كه ، ها به طور كلي ساختار نسبتاً ايده آلي دارند، هر چند در ابتدا اين گونه نيستند، اما د ستخوش يك فرآيند SAM ها را مي توان در زيست حسگرهايي چون تراشه هاي SAM بازآرايي شده و نهايتاً بسيار منظم مي شوند. فناوري تشكيل م ي شوند . براي خلق DNA بكار برد، اين حسگر ها از آرايه ها يي از تك مارپيچ تثبيت شده DNA هنوز كارهاي زيادي را بايد انجام داد . ، DNA فيلم هايي با ساختار و تركيب ايده آل جهت الصاق پروب هاي ها در چاپ ميكروتماسي نيز كاربرد گسترده اي دارند. SAM

قوس الكتريكي(پلاسما) اين روش يكي از قديمي ترين روش هاي ساخت است، كه ابتدا براي توليد باكي بال ها ب كار مي رفت . جرقه اي كه بين دو الكترود گرافيتي ايجاد مي شود، كربن يك الكترود را كنده و به صورت دوده روي ديگري متراكم مي سازد. راندمان كار در ابتدا بد بود ، ولي بعداً بهبود يافت ، فشار محفظه تبخير و جريان مهمترين عوامل مؤثر در راندمان مي باشند. نانولو له هاي كربني حاصل از اين روش معمولاً ساختاري چند ديواره دارن د، اما با سوراخ كردن ميله هاي گرافيتي و پرنمودن آنها با پودر گرافيت و كاتاليزورهاي مختلف مي توان به نانولو له هاي تك ديواره دست يافت. اين روش براي توليد انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد كامپوزيتي مناسب است.

كامپوزيت كردن نانوساختارها

فرايندكامپوزيت كردن ، مخلوط نمودن يك يا چند فاز در فاز زمينه است . فاز زمينه بطور معمول پليمري، فلزي و يا سراميكي مي باشد. نانوكامپوزيت هاي نانوساختار داراي خواص مكانيكي، حرارتي و الكتريكي كاملا متفاوتي نسبت به ساختار هاي رايج مي باشند. همچنين اين نانوساختارها عناصر نسل دوم به حساب مي آيند.

 

تقليد از طبيعت

در اين رويكرد از نانوساختارهاي طبيعي براي ايجاد مواد نانوساختار جديد و يا بررسي آنها و به وجود آوردن روشي كه با آن بتوان نانوساختارهاي مشابه را به وجود آورد، استفاده مي شود.

مطالعه نانوساختارهاي طبيعي

با مطالعه نانوسا ختارهاي طبيعي مي توان به روشهاي ساخت و همچنين خواص آنها كه كاربردشان را مشخص مي كند، پي برد . با عامل دار كردن و اصلاح نانوساختارهاي طبيعي مي تو ان خواص ايجادشده را مورد بررسي قرار داد.

نانو ساختارهاي مصنوعي الهام گرفته از طبيعت

تهيه ساختارهاي مصنوعي الهام گرفته از طبيعت، داراي مراحل جداسازي وخالص سازي نبوده و همين امر باعث مي گردد كه اين تركيبات نسبت به نانوساختارهاي طبيعي مشابه كارايي بالاتري داشته باشن د. البته رسيدن به روشي مناسب براي توليد نانوساختارهاي مصنوعي با بازدهي بالا مهم ترين مسئله به حساب مي آيد.

استفاده از نانو ساختارهاي طبيعي در نانو قطعات

پيشرفت هاي علوم زيستي و نانوفناوري به زودي به ما امكان خواهد داد، ساختارهايي همچون پمپ، شير،رابط وغيره را از سيستم طبيعي قرض گرفته و آنها را در قطعات كاركردي مصنوعي همچون حسگرها، مدارالكترونيكي وغيره جاي دهيم.

نانومحاسبات

در رويكرد نانومحاسبات به صورت تئوري انواع نانوساختارها و كارايي آنها مشخص مي گردد انتخاب هر كدام از روش ها وابسته به شرايط و نوع نانوساختار مورد بررسي است.

 

روشهاي نيمه تجربي اربيتال مولكولي

روشهاي نيمه تجربي اربيتال مولكولي توصيفي تقريب ي ازالكترون هاي والانس ر ا دارد و شرايط ذيل را شامل مي شود.

-1 مبتني بر حل فرم ساده شدة معادلة شرودينگر است.

-2 مبتني بر تقريبات انتگرالي با استفاده از عبارات تجربي مبتني بر پارامترهاي متنوع است.

-3 توصيفات شبه كمي از ساختار الكتروني، توزيع الكتروني، ساختا ر مولكولي، خواص و انرژي هاي مرتبط به آن دارد.

ارزان تر است ولي دقيق تر نيست -4 از روش ساختار الكتروني. "ab initio"

عبارتند از: همچنين مقدورات تئوري اوربيتال مولكولي"ab initio"

- توزيع الكتروني را با استفاده از حل كامل معادلة شرودينگر، با دقت بهتري نسبت به روش هاي شبه تجربي پيش بيني مي كند.

- داراي قابليت ارتقاء قانونمند جهت رسيدن به دقت بالا در خواص شيميائي است.

- نياز به پارامتري كردن يا كاليبراسيون با توجه به آزمايش نمي باشد.

- قابليت توصيف ساختار، خواص، انرژي، واكنش پذيري مواد را داراست.

- گران و هزينه بر است.

 

مبتني بر "معادلة شرودينگر" است - روش: "Ab initio"

اين معادله فقط براي اتم هيدروژن به صورت دقيق حل شده است . اين روش عموماً متكي بر دو صورت است :

روشهاي همبسته و روش هاتري فك روش هاي همبسته

روش هاي همبسته برهم كنش تك تك الكترون ها را با يك ديگر مورد ارزيابي قرار مي دهد و به همين ترتيب تعميم مي يابد.

روش هاتري فك

روش هاتري فك اثر هر الكترون را بر ديگر الكترون ها لحاظ مي كند. اين روش با استفاده از سه تقريب معادلة شرودينگر را براي "چند ذره اي" ها قابل حل مي كند. در تقريب هاتري فك اثر الكترون ها به صورت يك ميدان تمام الكترون ها را به عنوان يك گروه در برمي گيرد و نه به صورت مستقل.

مكانيك مولكولي

اين روش مبتني بر مدل توصيفي توپ و فنر است و وي ژگي هاي آن عبارتند از:

معرف بهتري براي تعادل هندسي نسبت به مدل هاي پلاستيك است. ·

قادر است تا روابط همبستگي با انرژي كرنشي را لحاظ كند. ·

محاسبات آن كم هزينه است. ·

پارامترهاي تجربي فراواني وجود دارد كه مي بايستي به دقت آزمايش و كاليبره شود. ·

اين مدل به تعادل هندسي محدود شده است. ·

برهم كنش هاي الكتروني و ساختار الكتروني را لحاظ نمي كند. ·

نمي دهد. « واكنش پذيري » و « خواص » اطلاعاتي مبني بر ·قادر به لحاظ كردن و درك برهم كنش هاي ايجاد و شكست پيوندها نمي باشد. ·

تعيين سطوح انرژي پتانسيل

اساس سطوح انرژي پتانسيل ،شيمي محاسباتي است وخصوصيات اين روش عبارتند از:

ساختار، انرژي، خواص، واكنش پذيري، طيف و ديناميك مولكول ها به سهولت بر حسب سطوح ·انرژي پتانسيل درك مي شود. به جز چند مورد ساده، سطوح انرژي پتانسيل از "آزمايش" بدست نمي آيد. · زمينه "شيمي محاسباتي " دامنة وسيعي از روش ها را جهت كاوش سطو ح انرژي پتانسيل، ايجاد · كرده است. چالش هاي "شيمي محاسباتي " در راه توسعة روش هاي با دقت بالا و كيفيت مؤثر به منظور · كاوش "سطوح انرژي پتانسيل" درجهت علايق شيميدانان است. انرژي هاي واكنش از ا نرژي هاي "كمينه" يا "بيشينه" به ازاء واكنش پذيرها و محصولات تعريف · مي شود.

اندازه گيري طيفهاي ارتعاشي

شكل يك ذره حول يك نقطة كمينه، تعيين كنندة طيف ارتعاشي است و داراي شرايط ذيل مي باشد. هر حالت الكتروني يك مولكول داراي يك سطح انرژي پتانسيل جداگانه است و جداسازي بين · اين سطوح منجر به طيف نهائي خواهد شد. بستگي به پاسخ تابع انرژي ،NMR خواص مولكول نظير "گشتاور دو قطبي "، "قطبش پذيري"و · به ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي دارد.__

 

 

4-1کاربرد فناوری‌نانو در تصفیه آب

4-1-1فناوری‌نانولوله‌های کربنی

 غشاهای نانولوله‌‌ای

نانولوله‌های کربنی می‌توانند برای تشکیل غشاهایی با تخلخل نانومتری و دارای قابلیت جداسازی آلودگی‌ها، به طور یکنواخت هم‌راستا شوند. تخلخل‌های نانومتری نانولوله‌ها این فیلترها را از دیگر فناوری‌های فیلتراسیون بسیار انتخاب‌پذیرتر نموده است. همچنین نانولوله‌های کربنی دارای سطح ویژه بسیار بالا، نفوذپذیری زیاد و پایداری حرارتی و مکانیکی خوبی هستند. اگر چه چندین روش برای سنتز نانولوله‌های کربنی استفاده شده است، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند به وسیله پوشش‌دهی یک ویفر سیلیکونی با نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیست، که موجب رشد عمودی و فشردگی بسیار زیاد نانولوله‌های کربنی می‌شود، سنتز شوند و پس از آن برای افزایش پایداری، فضای بین‌ نانولوله‌های کربنی را با مواد سرامیکی پر نمود.

 حذف آلودگی‌ها

مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند تقریباً همه انواع آلودگی‌های آب را حذف کنند؛ این آلودگی شامل باکتری، ویروس، ترکیبات آلی و تیرگی است. همچنین این غشاها نویدی برای فرایند نمک‌زدایی و گزینه‌ای برای غشاهای اسمز معکوس هستند.

 مقدار تصفیه آب

اگر چه تخلخل نانولوله‌های کربنی به طور قابل توجهی کوچک است، غشاهای نانولوله‌ای نشان داده‌اند که به خاطر سطح داخلی صاف نانولوله‌ها، شدت جریان بیشتر یا یکسانی نسبت به تخلخل‌های بسیار بزرگ‌تر دارند.

 هزینه
با توسعه روش‌های جدید و بسیار مؤثر برای تولید نانولوله‌های کربنی، هزینه تولید غشاهای نانولوله‌‌ای به طور پیوسته کاهش می‌یابد. بر اساس پیش‌بینی‌ برخی منابع، به دلیل کاهش قیمت نانولوله‌های کربنی، غشاهای نانولوله‌ای بسیار ارزان‌تر از سایر غشاهای فیلتراسیون، غشاهای اسمز معکسوس، سرامیک و غشاهای پلیمری خواهد شد. از آن جا که نانولوله‌های کربنی شدت جریان بالایی را نشان می‌دهند، فشار مورد نیاز برای انتقال آب نسبت به فرایند نمک‌زدایی با اسمز معکوس، کاهش می‌یابد و به دلیل این ذخیره انرژی، نمک‌زدایی با استفاده از فیلترهای نانولوله‌ای بسیار ارزان‌تر از اسمز معکوس خواهد بود. انتظار می‌رود غشاهای نانولوله‌ای بسیار بادوام‌تر از غشاهای متداول باشند و استفاده مجدد از آنها بازدهی فیلتراسیون را کاهش ندهد.

 روش مصرف

غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند در گزینه‌های مشابهی به عنوان غشاهای میکروفیلتراسیون و اولترا فیلتراسیون استفاده شوند. مطالعات نشان می‌دهد که این مواد بادوام و در برابر گرما مقاومند و تمیز کردن و استفاده مجدد از آنها ساده است و با استفاده از فرایند اولتراسونیک و اتوکلاو درC ْ۱۲۱ در مدت ۳۰ دقیقه تمیز می‌شوند.

 2-1-4 نانوغربال‌ها

آزمایشگاه‌های سلدن (Seldon)، چندین طرح مبتنی بر فیلترهای نانوغربال را توسعه داده‌اند. نانوغربال از نانولوله‌های کربنی جفت‌ شده با یکدیگر تشکیل می‌شود که روی یک زیرلایه متخلخل و منعطف قرار گرفته‌اند. و می‌توان برای تشکیل فیلترهای شبه‌کاغذی، آنها را روی یک زیرلایه صاف و یا لوله‌ای قرار داد، با این کار توانایی پیچیده شده شدن به اطراف هر ساختار استوانه‌ای متداول و یا هر ساختار دیگری را به دست می‌آورند، همچنین برای افزایش سطح فیلتر می‌توان نانوغربال‌های مسطح را تا زد. اخیراً در آزمایشگاه‌های مذکور چندین نمونه فیلتر قابل حمل مبتنی بر این فناوری، برای خالص‌سازی آب ساخته شده‌اند؛ این فیلترها در اندازه قلم بوده و تحت عنوان ابزارهای فیلتراسیون نی‌مانند به نام water stick معروف هستند.

 حذف آلودگی‌ها

از نانوغربال‌ها می‌توان در حذف گستره وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی استفاده کرد. این فیلتر می‌تواند از چندین لایه نانولوله‌ کربنی ساخته شود که هر لایه قابلیت حذف نوع متفاوتی از ترکیبات را دارد. نانوغربال‌های مورد استفاده در Water stick توانایی حذف بیش از ۹۹/۹۹ درصد از باکتری‌ها، ویروس‌ها، کیست‌ها، میکروب‌ها، کپک‌ها، انگل‌ها، و همچنین کاهش قابل توجه آرسنیک و سرب را دارند. نانوغربال‌های چند عملکردی نیز مانند ترکیبات معدنی اعم از فلزات سنگین، کودها، فاضلاب‌های صنعتی و دیگر مواد می‌توانند ترکیبات آلی از قبیل Pesticideها و herbicideها را حذف نمایند. همچنین می‌توان فیلتر را با یک لایه ضدباکتری برای جلوگیری از تشکیل فیلم بیولوژیکی پوشاند. در حال حاضر آزمایشگاه‌های سلدن مشغول ارتقای این فناوری برای استفاده از آن در نمک‌زدایی از آب دریا هستند.

 مقدار تصفیه آب

نانوغربال‌ها در مقایسه با دیگر ابزارهای فیلتراسیون که دارای همان اندازه تخلخل هستند، به دلیل خواص انتقال جرم سریع نانولوله‌ها، بدون استفاده از فشار، شدت جریان مناسبی را تأمین می‌کنند. در یک فیلتر نمونه با قطر پنج سانتی‌متر شدت جریان شش لیتر بر ساعت مشاهده شده است. همچنین water stick برای تصفیه یک لیتر آب آلوده در ۹۰ ثانیه طراحی شده است. این فیلتر، در طول عمر مفیدش ۲۰۰تا۳۰۰ لیتر آب تولید می‌کند؛ اگر چه این مقدار می‌تواند با تغییرات پیش از فیلتراسیون افزایش داده شود.

 هزینه
آزمایشگاه‌ سازنده برای قیمت‌گذاری water stick یک طرح رقابتی را با دیگر فناوری‌های مشابه در نظر دارد، تا این فناوری برای مردم کشورهای در حال توسعه قابل استفاده باشد.

 روش مصرف

 Water stick که شبیه نی نوشیدنی طراحی شده آب تمیز آشامیدنی تولید می‌کند. اخیراً نمونه‌ای از Water stick به گونه‌ای طراحی شده است که می‌توان وسیله‌ای با فیلتر قابل تعویض را طراحی کرد. علاوه بر این هنگامی که عمر مفید این فیلتر به پایان می‌رسد، به طور اتوماتیک جریان را متوقف می‌‌کند. نانوغربال‌ها توان ترکیب با دیگر ابزارهای فیلتراسیون را دارند

4-2رفع چسبندگي سيستم‌هاي جداسازي با کليد‌هاي مولکولي

ابزارهاي ميکروسيالاتي با عبور دادن مولکول‌ها از ميان مجراهاي نانومقياسي که روي يک بستر پليمري حک شده‌اند، مولکول‌ها را شناسايي و از هم جدا مي‌کنند. ولي مواد زيستي به اين کانال‌ها چسبيده و آنها را مسدود مي‌نمايند، بدين ترتيب کارآيي سيستم پايين مي‌آيد.محققان موسسه پلي‌تکنيک Rensselaer (RPI) براي حل اين مشکل ماده‌اي يافته‌اند: ماده‌اي که با تابش نور از حالت لغزنده به حالت چسبنده تبديل مي‌شود.اين ماده يک نوع پليمر مي‌باشد و زماني که در معرض نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، به يک ماده لغزنده‌تر از تفلون تبديل شده و باعث مي‌شود موادي که بر روي آن چسبيده‌اند، جدا شوند. اين خاصيت موجب مي‌گردد که حتي کانال‌هاي ميکروسيالاتي که کاملاً مسدود مي‌باشند، پاک شوند.محققان پيش‌بيني مي‌کنند اين پليمر براي جداسازي پروتئين‌ها از سيستم‌هاي زيستي که معمولاً موجب گرفتگي حفرات فيلترهاي معمولي مي‌گردند، مفيد خواهند بود. غشاهاي پليمري به طور وسيعي براي جداسازي زيستي و همچنين در ابزارهاي ميکروسيالاتي به کار مي‌روند، اما مسدود شدن حفرات آنها موجب کوتاهي عمر آنها مي‌گردد. پروفسور Georges Belfort استاد RPI با بررسي پليمرهايي که ويژگي‌هاي سطحي آنها تغيير مي‌کنند، دريافت، اين تغييرات موجب مي‌شود بدون استفاده از حلال‌هاي قوي، و يا بدون آنکه نياز به جايگزيني کل سيستم باشد، مي‌توان آنها را تميز کرد.اين ماده جديد مبتني بر پلي اتر سولفون مي‌باشد و سطح آن با يک ماده قابل تغيير با نور به نام اسپيروپيران اشباع شده است. اسپيروپيران يک کليد مولکولي است که وقتي در معرض تابش نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، از حالت کاملاً غيرفعال و بدون بار، به حالت کاملاً فعال و بسيار قطبي تبديل مي‌شود.مطابق گفته محققان، زماني که اين مولکول به حالت قطبي درمي‌آيد، مي‌توان مواد چسبيده را با استفاده از آب به راحتي شست. تابش ماوراي بنفش دوم، آن را به حالت اوليه غيرقطبي برمي‌گرداند.اين مؤسسه اختراعي در زمينه نحوه اشباع نمودن PES با اسپيروپيران ثبت کرده است.محققان پيش‌بيني مي‌کنند، علاوه بر استفاده از اين ماده در سيستم‌هاي «آزمايشگاه بر روي تراشه»، مي‌توان از آن براي غشاهاي جداسازي مواد زيستي و رهايش زمان‌بندي شده دارو بهره برد. در سيستم‌هاي ميکروسيالاتي مي‌توان با استفاده از اين ماده دريچه‌هايي ساخت که از طريق ايجاد چسبندگي سلول‌ها به مجراي اين دريچه و يا نچسبيدن آنها، عبور سلول‌هاي منفرد را کنترل نمود.

3-4هوای پاک با فناوری نانو

افزایش مشکل دی اکسید کربن در هوا یکی از مشکلات اساسی در سطح جهان است. امید می رود که با استفاده از کشف منابع جدید روزی برسد که از مصرف سوخت های فسیلی بی نیاز شویم و در هوایی عاری از دی اکسید کربن و انواع آلودگی ها تنفس کنیم. فناوری نانو از جمله فناوریهایی است که به کمک حل این مسئله آمده است و این امکان را به وجود آورده است تا به سوی ساخت انرژیی ارزان تر و پاکیزه تر از سوخت های فسیلی نزدیک شویم.

محققان در دانشگاه ملی اوک ریج موفق به ساخت نانوکریستالی شده اند که ما را در داشتن هوایی پاک تر کمک می کنند. نانوکریستال درست مانند یک کاتالیزور عمل می کند، هنگامی که دی اکسید کربن هوا بر روی این نانوکریستال که دارای کادمیوم، سیلینیوم و ایدیوم است می نشیند، یک الکترون به دی اکسید کربن می دهد تا در مجاورت سایر اجزای دود واکنش نشان دهد و بی ضرر شود. اگر فیلترهای متشکل از این نانوکریستال ها را بتوان با قیمت مناسب تری ساخت و آنها را در دودکش ها نصب کرد می توان تا حد زیادی از انتشار و خروج دی اکسید کربن در هوا جلوگیری کرد.

ذره معلق مضرر دیگری که دانشمندان امیدوارند تا با استفاده از نانوکریستال بتوانند آنرا خنثی و یا از بین ببرند، بخار جیوه است. تجهیزاتی که با زغال سنگ کار می کنند از مهمترین عوامل تولید بخار جیوه و انتشار آن در هوا هستند. یک روش جلوگیری از انتشار جیوه، استفاده از نانوکریستال های اکسید تیتانیوم است که بخار جیوه را می توانند به اکسید جیوه جامد تبدیل نمایند.
اگر تاکنون در ترافیک در مجاورت اگزوز و یا دود اتوبوس و یا یک کامیون قرار گرفته باشید حتما اکسید نیتروژن را استشمام کرده اید. موتورهای دیزلی (گازوئیل سوز) از جمله مهمترین منابع آلوده کننده هوا با اکسیدهای نیتروژن می باشند.

شرکت بیوفرندلی با کمک آژانس حفاظت محیط زیست و دریافت کمک مالی از ایالت تگزاس، موفق به ساخت نانوکریستالی شده است که با افزودن آن به گازوئیل می تواند از تولید اکسید نیتروژن جلوگیری کند و سبب شود تا سوخت کامل بسوزد.

تصور نکنید که صنایع تولید تمیز مانند صنایع تولید تراشه های کامپیوتری به عنوان آلوده کننده های محیط زیست به شمار نمی آیند بلکه برعکس این صنایع به علت استفاده از مواد شیمیایی آلی در فرایندهای تولید منشا تولید بخارات آلی هستند که خود مضرر می باشند. محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام در حال بررسی نانوموادی هستند که با استفاده از آن در فیلترها می توانند از انتشار بخارات آلی این دسته از کارخانجات جلوگیری کنند. شاید در آینده نه چندان دور دیگر چیزی در خصوص میزان آلودگی های هوا در اخبار روزانه نشنویم تا با خیالی آسوده بتوانیم در هوایی پاک تنفس کنیم.

4-4فناوری نانو و خودرو

در سال های اخیر گزارش هایی به گوش می رسد که نانوفناوری در حال دگرگون کردن دانش بشر است. هزینه های پژوهش و توسعه، به سوی توسعه ی نانوفناوری سرازیر شده اند. پتانسیل گسترده این شاخه از دانش، خودروسازان بزرگ دنیا را به سمت آغاز برنامه های پژوهش و توسعه در زمینه فناوری نانو سوق داده که این فعالیت ها اغلب با همکاری دانشگاه ها و صنایع دیگر همراه است.

در ادامه به معرفی کوتاهی از نمونه های کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو می پردازیم:

4-4-1نانوکامپوزیت ها

مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمینه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد.

یکی از گسترده ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزیت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیت ها، ذرات بسیار ریز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ویژگی های فیزیکی بهتر، این کامپوزیت ها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند:

نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریکس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می کنند و بنابراین نانو کامپوزیت ها سطح زیبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.
همچنین نانوکامپوزیت ها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیت های رایج سبک ترند.

4-4-2اثر نیلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تمیز شونده

یکی از شناخته شده ترین مزیت های فناوری نانو اثر نیلوفری ست که سطوح خود تمیز شونده را امکان پذیر می سازد. به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نیلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند.

بنابراین اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسیار صاف و صیقلی (در مقیاس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنین آب روی آنها باقی نخواهد ماند.

رنگ ها و پوشش های سقف خودرو که این اصل طبیعی را به کار می برند امروزه در بازار موجود می باشند. ساختار نانویی این سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسیار ریز آب نیز جلوگیری می کند. همچنین رینگ های خود تمیز شونده نیز با استفاده از این ویژگی در حال تولید هستند.
همچنین پوشش نانویی در حال تولید است که با اضافه کردن آن به سطح شیشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد می کند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه و همچنین بهبود دید در شب در نتیجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.

4-4-3شیشه های نوین با توانایی بازتاب پرتو فروسرخ

نمونه ای دیگر از کاربرد های نانوفناوری در صنعت شیشه خودرو، شیشه هایی با قابلیت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشید می باشد. به این گونه که یک لایه بسیار نازک از نانوذرات بین دو لایه ی شیشه قرار گرفته اند که وظیفه آنها بازتاباندن پرتو فرو سرخ نور خورشید و در نتیجه جلوگیری از گرم شدن زیاد داخل خودرو می باشد.

4-4-4مبدل های کاتالیستی

اگر احتراق به طور کامل و ایده آل رخ دهد خروجیهای حاصل از آن، آب، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) می باشد و اگر احتراق در شرایط ایده آل رخ ندهد مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته و.... در اینصورت خروجیهای حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونو اکسید کربن (CO)، گروه گازهای (NOx) و هیدروکربنهای نسوخته (CH) می باشند. وظیفه مبدل کاتالیستی که در مسیر گازهای خروجی از موتور قرار می گیرد این است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.

یکی از ویژگی های نانوذرات که در تولید مبدل های کاتالیستی استفاده شده چنین است: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزایش تعدادشان (به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند) افزایش می یابد. یک دسته از واکنش های شیمیایی روی سطح کاتالیست ها رخ می دهند و بنابراین سطح تماس بیشتر، کاتالیست فعال تری را موجب می شود. از این رو به کارگیری نانوذرات در مبدل های کاتالیستی منجر به تولید مبدل های موثر تر خواهد شد