هنگامی­ که در سال ۱۹۵۹، ریچارد فاینمن، متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود با عنوان “فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد” به بررسی بعد رشد نیافته ­ای از علم مواد پرداخت، ایده فناوری نانو مطرح شد. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم. واژه فناوری نانو برای اولین بار توسط نوریو تاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبان ها جاری شد. نام نانو از واژه یونانی به معنی کوتوله گرفته شده است.

نانوفناوری علم کوچک و کوچک ترین ها است. این علم به بررسی مواد در اندازه های بسیار کوچک می پردازد. در نانو مواد تنها کوچک بودن اندازه مورد نظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در مقیاس نانو قرار می گیرد، اتم ها و مولکول ها رفتارهای متفاوتی از آن چه در طبیعت می بینیم، نشان می دهند و همین رفتارهای متفاوت باعث می شود تا خواص منحصر به فردی در مواد تولید شده مشاهده شود و برخی خصوصیات ذاتی آن ها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و غیره تغییر یابد. پس در واقع، خواص مواد در اندازه نانو با خواص آن ها در اندازه بزرگ تر متفاوت است.

یک نانومتر، چیزی در حدود ۱ بر ۸۰۰۰۰ قطر تار موی یک انسان است. البته همان طور که انتظار می رود، اندازه نانو در برابر مقیاس اندازه های اتمی بسیار بزرگ است. یک اتم اندازه ای در حدود یک دهم یک نانومتر دارد و هسته آن نیز در حدود یک صد هزارم نانومتر است. منظور از مقیاس نانو ابعادی نیز اندازه هایی در حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است.

نانو مواد به علت کارایی بالایی که در حوزه­ های وسیعی از زمینه ­های مختلف دانش مانند الکترونیک، کاتالیست، سرامیک، ذخیره داده ­های مغناطیسی، پزشکی و … از خود نشان داده اند، در سال ­های اخیر گسترش قابل توجهی یافته ­اند. نانو فناوری کمک کرده است تا برای تحقق نیازهای فناورانه در زمینه ­های یاد شده، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتری کاهش یافته و خواص فیزیکی و مکانیکی آن ها بهبود قابل توجهی پیدا کند. به­ عنوان مثال، استحکام مکانیکی و مقاومت الکتریکی و حرارتی نانو مواد افزایش قابل توجهی یابد.

نانو مواد را می ­توان در یک طبقه ­بندی کلی، به دو دسته نانو بلورها و نانو ذرات تقسیم کرد:

نانو بلورها:

عبارتند از مواد چند بلوری با اندازه دانه­ های کمتر از ۱۰۰ نانومتر. کاربردی ترین مواد نانو بلوری، فلزات نانوبلوری هستند که در صنایع خودروسازی، هوافضا و صنایع ساختمانی کاربرد دارند. فلزات نانوبلوری می توانند به جای فلزات و آلیاژهای ساختاری موجود مصرف شوند. یکی از زمینه هایی که فلزات نانوبلوری مورد استفاده قرار می گیرند، تولید قطعات مستحکم مورد استفاده در صنایع خودروسازی است.

نانوذرات:

عبارتند از ذرات بسیار کوچک با ابعاد نانومتری (کمتر از ۱۰۰ نانومتر) در سه بعد که به عنوان بلوک­ های ساختمانی نانو بلوری در نظر گرفته می ­شوند. نانوذرات رایج ترین عناصر پایه در علم و فناوری نانو بوده و خواص قابل توجه آن ها باعث گردیده است کاربردهای بسیار متنوعی در صنایع شیمیایی، پزشکی و دارویی، الکترونیک و کشاورزی داشته باشند. موادی همچون کربن، گرافیت، فولرین و نانو لوله­ های کربنی که در ادامه ی این مطلب به شرح خصوصیات و ویژگی­ های آن ­ها می پردازیم، در طبقه ­بندی نانوذرات قرار می گیرند.

علاوه بر این، موادی همچون نانوسرامیک ­ها و نانوکامپوزیت­ ها به دلیل داشتن فازهای ثانویه ا­­ی در ابعاد نانو، مانند نانو ذرات گرافیت، کربن، نانو لوله­ کربنی و … به عنوان نانو مواد شناخته می ­شوند. همچنین مواد نانومتخلخل به علت داشتن حفراتی در ابعاد نانومتری در ساختار خود، جزء نانو مواد شناخته می ­شوند. در ادامه ی مطلب، به شرح و تفصیل خصوصیات این سه دسته از نانو مواد، یعنی مواد نانومتخلخل، نانوسرامیک ­ها و نانوکامپوزیت ­ها هم خواهیم پرداخت.

• تولید نانوذرات

روش­ های تولید نانوذرات عمدتاً فرایند­هایی بر پایه حالت بخار، مایع و جامد می ­باشد. روش ­های بر پایه بخار شامل فرایندهایی چون رسوب ­دهی فیزیکی فاز بخار (PVD)، رسوب­ دهی شیمیایی فاز بخار (CVD) و پاشش حرارتی است. روش ­های بر پایه مایع شامل فرایندهایی چون سل-ژل و روش­ های شیمیایی تر و روش ­های بر پایه جامد شامل فرایندهایی چون آلیاژسازی مکانیکی و روش مکانیکی-شیمیایی است. امروزه آلیاژسازی مکانیکی و روش ­های پاششی برای تولید مقادیر زیادی از نانو ذرات به­ کار می ­روند. نانو ذرات تولید شده به روش ­های مختلف، ممکن است دارای ریزساختار گوناگونی باشند که این تنوع، می­ تواند بر خواص این نانو ذرات شدیداً موثر باشد.

• ساختار نانوذارت

یکی از مهم ­ترین خواص نانوذرات، نسبت سطح به حجم بسیار بالای آن ­ها است، یعنی اتم­ های موجود در سطح، کسر بالایی از اتم های یک ذره را تشکیل می ­دهند، لذا این نسبت به همراه اندازه و شکل تقریباً یکنواخت، باعث خواص کاملاً متفاوت نانو ذرات در مقایسه با ذرات درشت ­تر و مواد بالک شده است. تشکیل تدریجی نانو ذرات، در فازهای مایع یا جامد در طی سه مرحله جوانه ­زنی، ادغام و رشد اتفاق می ­افتد.

وقتی گفته می شود نسبت سطح به حجم در اجسام با مقياس نانو به مراتب بيشتر از حالت عادی است، يعنی با تغيير در مقياس اتمی (يا کوچک تر)، اجزاء سازنده ی ماده به گونه ای در کنار هم قرار می گيرند که بيشترين سطح ممکن را ايجاد کنند و چون اين حالت در مقياسی است که اندازه ها بسيار بسيار کوچک اند، به همان نسبت افزايش سطح بسيار بسيار زياد می شود که نتيجه ی آن هم اغلب سبک تر شدن ماده و … خواهد بود.

• نانو پودرها

نانو پودر، به مجموعه ­ای از ذرات گفته می ­شود که برآیند اضلاع آن ­ها، در محدوده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. اندازه بسیار ریز واحدهای ساختمانی و نسبت بالای سطح به حجم نانوپودرها، موجب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی، نوری، الکترونیکی و مغناطیسی آن ­ها می شود. استفاده از نانوپودرها در تهیه نانوکامپوزیت­ ها موجب کاهش دمای تف ­جوشی و افزایش سختی، استحکام، چقرمگی و مقاومت به سایش می شود.

نانو پودر آلومینیوم

بهبود خواص مغناطیسی با ریزشدن اندازه ذرات سبب شده است که از نظر کاربرد، نانوپودرهای مغناطیسی نیز به­ عنوان یکی از دسته های وسیع نانوپودرها قرار گیرند. یکی از مهم ­ترین نانوپودرهای مغناطیسی، فریت ­ها می ­باشند که ترکیب عمده آن ­ها اکسید آهن است.

کربن

کربن یکی از عناصر شگفت ­انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به ­خوبی این نکته را تایید می­ کند. کربن در طبیعت دارای پنج نوع آلوتروپی الماس، گرافیت، نانولوله، کربن بی ­شکل و فولرین می ­باشد، که همگی جامدند. خواص فیزیکی این آلوتروپ ها به دلیل تفاوت در ساختار بلوری کاملاً متفاوت است. 

• گرافیت

جامدی سیاه، نرم و با کمی جلای فلزی است. بلور گرافیت از لایه­ های موازی تشکیل شده که در هر لایه، حلقه ­های شش ­گوشه از اتم های کربن در کنار هم آرایش یافته ­اند. این لایه ­ها با نیروهای نسبتاً ضعیف واندروالس به­ هم متصل ­اند. فاصله بین اتم کربن یک سطح با سطح مجاور ۳٫۵۳ آنگستروم است؛ در صورتی­ک ه فاصله بین اتم های کربنی که در سطح به­ هم پیوند یافته ­اند، ۱٫۴۲ آنگستروم می­ باشد.

• فولرین

پایه فولرین ­ها، صفحات موجود در گرافیت می ­باشد، با این تفاوت که در ساختار اتمی فولرین ­ها به جای شش ضلعی ­های منظم موجود در صفحات گرافیت، یک سری شش ضلعی و پنج ضلعی منظم وجود دارد که به­ صورت یک در میان در کنار هم قرار گرفته و کره فولرین را تشکیل می ­دهند. مولکول­ های این ماده به­ وسیله پیوند­های ضعیفی که ناشی از نیروهای واندروالس بین آن ­ها است به هم می ­چسبند.­ فولرین ­ها از نظر مکانیکی، مولکول­ هایی بسیار قوی می­ باشند، به ­طوری­ که پس از تحمل فشاری در حدود ۳۰۰۰ اتمسفر به شکل اولیه خود باز می گردند. اخیراً از خاصیت این ماده در تولید نانوکامپوزیت ­ها استفاده شده است. به این ترتیب که فلورین ­ها را به ­عنوان ماده پرکننده وارد زمینه کرده و تنش تسلیم کامپوزیت­ ها را بهبود می ­بخشند. همچنین می­ توان درون فولرین ­ها برخی آنزیم ­ها، داروها و یا هورمون ­های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب می ­توان از این مواد در نانو پزشکی نیز استفاده نمود.

کره فلورین

• نانولوله ­های کربنی

در سال ۱۹۹۱ سومیو ایجیما در شرکت NEC در هنگام تولید فولرین ­ها موفق به کشف و شناسایی نانولوله ­ها شد. این کشف نشان داد که چگونه مولکول­ های ایجاد شده از کربن می ­توانند ساختارهای متقارن جدیدی با ویژگی ­های بسیار جالب و مفید ایجاد کنند. در حال حاضر پیشرفت ­های بسیاری در تکنیک­ های تولید این ساختار کربنی به وجود آمده است، به ­طوری­ که امکان ساخت نانولوله­ های کربنی با خلوص بالا فراهم شده است. نانولوله ­ها مثل لایه­ های گرافیتی به یکدیگر نمی ­چسبند و تنها بر اثر نیروهای ضعیف واندروالس جذب یکدیگر می­ شوند. نانولوله ­ها به دیگر مواد نیز به ­راحتی نمی­ چسبند. این امر به ­کارگیری خواص سطح مولکولی آن ­ها در مواد توده ­ای را با مشکل مواجه می ­سازد که البته با اصلاح شیمیایی نانولوله­ ها می­ توان چسبندگی آن ­ها را بهبود داد.

نانولوله کربنی

نانولوله­ های کربنی تک دیواره، یک دیواره استوانه ­ای گرافیتی با قطری بین ۱ تا ۲ نانومتر است. نانولوله ­های کربنی چند دیواره با قطری بزرگ ­تر، از چندین دیواره استوانه ­ای گرافیتی متحدالمرکز تشکیل می ­شوند که فاصله دیواره ها از یکدیگر ۰٫۳۴ نانومتر است. این فاصله تقریباً با فاصله بین صفحات گرافیت برابر است. قطر خارجی نانولوله ­های کربنی چند دیواره از ۲ تا ۲۵ نانومتر متغیر است و قطر داخلی نیز از ۱ تا ۸ نانومتر تغییر می ­کند.

هدایت الکتریکی در نانولوله ­ها به ­صورت کوانتومی صورت می­ گیرد زیرا الکترون ­ها برای حرکت شعاعی روی سطوح صاف گرافیت، محدودیت دارند. از آن جایی که نانولوله ‌های کربنی قادرند جریان الکتریسته را به­ وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاک از سطح خود عبور دهند، این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است که از سیم مسی عبور می‌ کند، لذا نانولوله‌ ها انتخاب ایده ‌آلی برای بسیاری از کاربردهای میکروالکترونیک می ‌باشند. جدا از خواص منحصر به فرد الکترونی، خواص مکانیکی نانولوله ­ها نیز جالب توجه است، چرا که این مواد می ­توانند به عنوان فاز تقویت ­کننده در مواد کامپوزیتی مورد استفاده قرار بگیرند. نانولوله­ ها یکی از مستحکم ­ترین موادی هستند که تاکنون ساخته شده ­اند. از آنجایی که پیوندهای کووالانسی کربن یکی از قوی ­ترین نوع پیوند­ها در طبیعت است، لذا ساختاری که از چنین پیوندهایی تشکیل می شود، استحکام فوق­ العاده ­ای را به ارمغان می آورد. رسانایی حرارتی  نانولوله ­ها نیز مشابه با رسانایی الکتریکی آن­ ها در راستای محور، بالا می ­باشد و هدایت حرارتی بالایی را خود به نمایش می ­گذارد.

مواد نانومتخلخل

مواد نانومتخلخل یا نانوحفره ­ای، دارای حفراتی کوچک ­تر از ۱۰۰ نانومتر هستند و مانند برخی دیگر از نانو مواد از مدت ­ها پیش وجود داشته ­اند. به ­طور کلی مواد متخلخل، موادی هستند که منافذی تودرتو دارند. این منافذ یک الگوی تکراری انتقالی در فضای سه بعدی دارند و نیاز به هیچ نظم و قاعده خاصی در آرایش منافذ نیست تا ماده­ ای را متخلخل بنامیم. جامدات نانومتخلخل می­ توانند ترکیبات گوناگونی نظیر کربن، سیلیکون، سیلیکات ­ها، پلیمرها، سرامیک ­ها، فلزات، ترکیبات فلزی و آلی داشته باشند. متداول ­ترین نوع مواد متخلخل، موادی با فصول مشترک جامد-گاز می ­باشند.

نانوسرامیک ­ها

نانوسرامیک­ ها، سرامیک ­هایی هستند که در ساخت آن ­ها از اجزای اولیه در مقیاس نانو (مانند نانو ذرات، نانولوله­ ها و نانولایه ­ها) استفاده شده است. هرکدام از این اجزای اولیه، خود از اتم ها و مولکول ­ها به دست آمده ­اند. نانوسرامیک­ ها دارای خواصی نظیر سختی بالا، استحکام بالا، انعطاف پذیری، داشتن نسبت سطح به حجم بالا، دمای زینتر پایین و خاصیت زیست سازگاری می ­باشند.

نانوکامپوزیت ­ها

واژه نانوکامپوزیت، به کامپوزیت ­هایی که حداقل یکی از ابعاد فاز پرکننده در آن در مقیاس نانو باشد، اطلاق می شود. نانوکامپوزیت ­ها بر اساس ابعاد ذرات پراکنده به سه بخش تقسیم می ­شوند، که عبارتند از:

– هر سه بعد فاز پراکنده در مقیاس نانومتری باشد

– دو بعد از فاز پراکنده در مقیاس نانومتری باشد

– تنها یکی از ابعاد فاز پراکنده در مقیاس نانومتری باشد

نانوکامپوزیت ­ها خواص فیزیکی و مکانیکی (نظیر استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی) بالایی در محدوده وسیعی از دما را دارند. افزودن ۵ تا ۱۰ درصد حجمی فاز ثانویه نانومتری به زمینه، باعث افزایش چشمگیری در خواص ذکر شده می شود.

نانو کامپوزیت

منابع مورد استفاده:

– کتاب نانومواد؛ تعاریف, روش­ های تولید, خواص و کاربردها. تالیف: مهندس مهدی حبیب نژاد کورایم

– کتاب مقدمه ای بر مواد پیشرفته. تالیف: دکتر سید مجتبی زبرجد

– کتاب NANO MATERIALS. تالیف: GOGOTSI YURY