تحقیق مقاله آشنایی با نانو کامپوزیت

1-1) مقدمه

سال 1959 سالی تاریخی برای علم و تکنولوژی است. در این سال فناوری مهندسی مولکولی (نانوتکنولوژی) اولین بار توسط ریچارد فاینمن[1]، برنده جایزه نوبل فیزیک که ملقب به پدر علم نانوتکنولوژی است مطرح شد. وی بیان کرد فضای زیادی در پایین وجود دارد[2]. همین جمله پایه علم نانوتکنولوژی شد. در حقیقت او این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک چیزی جز امکان ساختن اتم به اتم اشیاء بیان نمی کنند. او پیشنهاد کرد که می توان اتم های مجزا را دستکاری کرد و مواد و ساختارهای کوچکی را تولید نمود که خواص متفاوتی دارند.

در دهه 50 و 60 میلادی فعالیت های زیادی روی ذرات فلزی کوچک در حال انجام بود. در آن زمان این فعالیت ها را نانوتکنولوژی نمی نامیدند. تولید سیلیکون متخلخل در سال 1965 و یا کار روی تولید ذرات نانومتری فلزات قلیایی به وسیله تبخیر فلز سدیم ، پتاسیم و چگالش سریع آن ها، از جمله این فعالیت ها بود. سیال های مغناطیسی نیز در دهه 60 توسعه یافتند. این مواد شامل نانوذرات مغناطیسی هستند که در یک مایع توزیع شده اند.

1-2) نانوتکنولوژی چیست؟

پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است. معادل لاتین این کلمه، Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است. این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردم است.

بنابراین این یک نانومتر، یک میلیاردم متر است. این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد.  یک تار موی انسان بطور متوسط قطری حدود 50000 نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلح اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند.

به بیان ساده تر علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکول ها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است. این ساختارها را نانوساختار می نامیم. نانوتکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاه­های با اندازه نانومتری است.

تعریف دیگری که می توان از نانوتکنولوژی ارائه نمود این است که نانوتکنولوژی شکل جدیدی از ساخت مواد بوسیله کنترل و دستکاری واحدهای ساختمانی آن ها در مقیاس نانو است. می توان گفت نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه­ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.

یکی از ویژگی های مهم نانوتکنولوژی، جنبه چندرشته ای بودن آن است. مفهوم چند رشته ای در نانوتکنولوژی بدان معناست که نیروی کاری نانوتکنولوژی باید دارای بینش وسیعی از مفاهیم زیست شناسی، فیزیک، شیمی، اصول مهندسی طراحی، کنترل فرآیند و محصولات باشد. برای درک مفاهیم پایه ای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمامی علوم نیاز است. اصل چند رشته ای بودن نانوتکنولوژی بیانگر این حقیقت است که این علم رشته جدیدی نیست بلکه رویکردی جدیدی در تمام رشته هاست و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را در برمی گیرد. آنچه باعث ظهورنانوتکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است. این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتاری می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند.

 در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می شوند. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت.

1-3) عناصر پایه در فناوری نانو

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت به خوردگی و ... تغییر می یابد.

در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره[3] است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و ... .

دومین عنصر پایه، نانوکپسول[4] است. همان طور که از اسم آن مشخص است، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد.

عنصر پایۀ بعدی نانو لوله کربنی[5] است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شد و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانو لوله های کربنی می رسیم. این نانو لوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیاری جالبی دارند که منجر به ایحاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.

عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارند، مانند مواد نانو بلوری توده ای، مواد نانوحفره ای، نانوالیاف ها، نانو سیم ها، فولرین ها و ... . در قسمت های بعدی، با توجه به کاربردی که این عناصر پایه در ساخت نانوکامپوزیت ها دارند، به توضیح برخی از آنها خواهیم پرداخت.

1-3-1) روش های ساخت عناصر پایه

به طور کلی عناصر پایه با دو رویکرد «بالا به پایین» و «پایین به بالا» قابل ساخت می باشند. در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، یک ماده توده ای را، شکل دهی و اصلاح می کنند. در حقیقت دراین روش، یک ماده بزرگ را بر می داریم و با کاهش ابعاد و شکل دهی آن، به یک محصول با ابعاد نانو می رسیم. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده توده ای را به طور متناوب کاهش دهیم تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسیم، از رویکرد بالا به پایین استفاده کرده ایم. این کار اغلب و نه همیشه، شامل حذف بعضی از مواد به شکل ضایعات است. مثل ماشین کاری یک بخش فلزی از یک موتور یا نانو ساختاری کردن فلزات به طریق تغییر شکل دهی که شامل ضایعات نیست. از دیگر روشهای ساخت این نوع از مواد، می توان به لیتوگرافی، فرآوری مکانیکی،  فرآوری حرارتی و ریسندگی اشاره کرد.

رویکرد پایین به بالا درست عکس رویکرد بالا به پایین می باشد. دراین رویکرد محصول از کنار هم قرار دادن مواد ساده تر بوجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن، در حقیقت کاری که در اینجا انجام میشود، کنار هم قراردادن اتم ها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید قادریم اتم ها و مولکول ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش های پایین به بالا ضایعاتی ندارند.

رسوبی دهی فاز گاز، رسوب دهی از فاز مایع، الگو برداری از نانو ساختارها، قوس الکتریکی، خودآرایی در محلول و ...، برخی از روشهای ساخت مواد با رویکرد پایین به بالا هستند.

1-4) نانوذرات

نانو ذرات رایج ترین عناصر در علم و فناوری نانو بوده و خواص جالب توجه آنها باعث گردیده است کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع شمیایی، پزشکی و دارویی، الکترونیک و کشاورزی داشته باشند.

طبق تعریف یک نانو ذره به ذره ای گفته ای می شود که ابعادی بین 1 تا 100 نانو متر داشته باشد. نانوذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. متداولترین و پرکارترین آنها، نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود آید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهد ماند. اما در واقع چنین نیست و نیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را در کنار هم قرار می دهد.

نانوذرات در اندازه های پایین نانو خوشه به حساب می آیند. همچنین نانوکره ها، نانو میله ها، و نانو فنجان ها تنها اشکالی از نانوذرات در نظر گرفته می شوند. نانو بلورها و نقاط کوانتومی نیمه هادی زیر مجموعه نانوذرات هستند.

چنین نانوذراتی در زمینه های مختلف الکترونیکی و الکتریکی و بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصویر برداری کاربرد دارند.

تعیین مشخصات نانوذرات برای کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروری است. مشخصات این ترکیبات با استفاده از روش های گوناگون نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی، AFM طیف سنجی فوتوالکترونی، x-ray و FT-IR سنجیده می شود.

نانوذرات زمینه های کاربردی زیادی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:

1- مواد کامپوزیت                                     7- باتری ها و پیل های سوختی

2- کامپوزیت های ساختاری                          8- روان کننده ها

3- کاتالیزور                                            9- پزشکی و داروسازی

4- بسته بندی                                         10- محافظت کننده ها

5- روکش ها                                           11- آنالیززیستی و تشخیص پزشکی

6- افزودنی های سوخت و مواد منفجره    12- ساینده ها

1-4-1) خواص نانوذرات

با توجه به تعریفی که از نانو ذرات ارائه کردیم، یکی از سؤال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی و پایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟

اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیاری بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد که با استفاده از آن می توان کارآیی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو موثری بهبود بخشید و یا در تولید کامپوزیت ها با استفاده از این ذرات پیوندهای شمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام کامپیوزیت به شدت افزایش می یابد. همچنین این ویژگی در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) نیز تاثیر گذار است.

 تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیرگذاراست که پی بردن به چگونگی این تغییرات و میزان آنها کاری مشکل است. اما پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات، تاثیر برخواص مغناطیسی ماده است، ممکن است این تصور بوجود آید که وقتی به اندازه های کوچکتر می رویم، به عنوان مثال در مورد نانوذرات، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصورمی شود که در این مواد سیستم های ساده تری وجود خواهند داشت. اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.

 ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیرمغناطیسی با اندازه دانه کوچک، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متأثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است. در جدول-1 خلاصه ای از رفتار مغناطیس مشاهده شده در فلزات به شکل ذرات ریز را در مقایسه با همان فلزات بصورت توده ای نشان می دهد.

فلز

توده ای

نانوذرات

K, Na

Fe, Co, Ni

Gd, Tb

Rh

پارامغناطیس

فرومغناطیس

فرومغناطیس

پارامغناطیس

فرومغناطیس

سوپرمغناطیس

سوپرمغناطیس

فرومغناطیس

جدول 1) مقایسه رفتار مغناطیسی فلزات به شکل توده ای و نانوذرات

1-4-2) روش های تولید نانوذرات

برای تولید نانوذرات روش های بسیاری متنوعی وجود دارد. این روش ها اساساً به سه دسته تقسیم می شوند:

چگالش از یک بخار، سنتز شمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن.

روش چگالش از بخار که شامل تبخیر فلز جامد سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می شوند. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان (VERL)[6] ، ذوب در محیط فوق سرد[7] و روش سیم انفجاری جزء روش های چگالش از بخار محسوب می شوند.

روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در محیط مایع حاوی انواع واکنشگرها است. روش سل ژل[8] نمونه چنین روشی است، در روش های شمیایی اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل نمود. این روش ها معمولاً کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از آنها می تواند یک مشکل باشد.

 از روش فرآیندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می توان برا ایجاد نانوذرات استفاده نمود. ازاین روش می توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند. در این روش خواص نانوذرات حاصل، تحت تاثیر نوع ماده آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می گیرد.

1-4-3) متداولترین نانوذرات

نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند، معمولی ترین آنها نانوذرات سرامیکی، فلزی و پلیمری و نانوذرات نیمه رسانا هستند.

نانوذرات نیمه رسانا که به آنها نقاط  کوانتومی هم می گویند، نانو ساختارهایی سه بعدی هستند که در مصارف اپتیکی کاربرد زیادی دارند. این نقاط کوانتومی نیمه هادی با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موج ها در فرکانس های کاملاً مشخص به فلورسانس می پردازند، به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده و در فرکانسی مشخص- که تابع اندازه آنهاست- به نشر نور می پردازند. این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعکاس، انکسار یا جذب نور بپردازند. این ویژگی کاربردهایی در موارد فتوکرومیک و الکتروکرمیک (موادی که ترتیب بر اثر اعمال نوریا الکتریسته تغییر رنگ می دهند) و پیل های خورشیدی خواهد داشت. از دیگر کاربردهای آنها می توان به لیزرهای دارای طول موج های بسیار دقیق و کامپیوترهای کوانتومی اشاره کرد.

نانوذرات سرامیکی، متداولترین هستند که به سرامیک های اکسید فلزی، نظیراکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیکاتی که عموماً به شکل ذرات نانومقیاس خاک رس هستند، تقسیم می شوند. این مواد به علت داشتن نسبت سطح به حجم مناسب به عنوان کاتالیزور در زمینه هایی نظیر باتری ها، پیل های سوختی و انواع فرآیندهای صنعتی قابل استفاده هستند.

یکی از مهمترین کاربردهای این ذرات در کامپوزیت هاست. استفاده ا این نانوذرات در مواد کامپوزیتی می تواند استحکام آنها را افزایش یا وزن آنها را کاهش دهد، مقاومت شمیایی یا حرارتی آنها را زیاد کند، خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الکتریکی را به آنها بیفزاید و فعل و انفعال آنها با نور یا دیگر تشعشعات را تغییر دهد. یکی از خواص کامپوزیت های نانو ذره ای سرامیکی در صنعت بسته بندی، کاهش نفوذ پذیری گازهاست. همچنین مقاومت در برابر آتش و مواد شمیایی نیز افزایش یافته و بازیافت این مواد نیز آسانتر می شود.

نانوذرات فلزی نیز دسته دیگری از این ذرات هستند که از فلزات مختلف بدست آمده و خواص جالبی را از خود نشان می دهند.ک این نانوذرات فلزی نیز در کامپوزیت ها به کار می روند، به خصوص کامپوزیتهایی که زمینه پلیمری دارند. این نانوکامپوزیت ها، به دلیل ممانعت خوبی که در مقابل تداخل الکترومغناطیسی به وجود می آورند، می توانند در رایانه و تجهیزات الکترونیکی به کار رود. نانوکامپوزیت های نانوذره ای فلزی قابلیت ها ویژه ای در هدایت گرمایی و الکتریکی دارند که کارآیی آنها را افزایش می دهد.