کد خبر: 4751

تاریخ بروزرسانی : 1396/11/24

سرفصل های درس نانو مواد

No votes yet.
Please wait...
کانال تلگرام آزمون دکتری

نام بسته درسی : نانو مواد

—————————————————

فهرست:

فصل اول: مفاهیم اساسی نانو فناوری

فصل دوم: نانو ساختارهای بدون بُعد

فصل سوم: نانو ساختارهای یک بُعدی

فصل چهارم: نانو ساختارهای دو بُعدی

فصل پنجم: نانو ساختارهای توده­ای

منابع این بسته درسی

 بخش هایی از بسته درسی نانو مواد

 نانو چیست؟

در دنیای علمی و نیز زندگی روزمره­ی بشر، همواره از پیشوندها و پسوندهایی برای بیان ابعاد و اندازه­ها بهره گرفته شده است. پیشوندهایی مانند کیلو[1]، مگا[2] و … اصطلاحاتی آشنا با کاربردی روزمره برای ما هستند. از جدیدترین پیشوندهای یونانی که وارد دایره لغات امروزه شده است “نانو”[3] است. نانو دارای معنای لغوی “کوتوله” است و در حال حاضر به یک میلیاردم (9-10) یک کمیت گفته می­شود.

پیش از این استفاده از پیشوند نانو در زمینه­هایی مانند الکترونیک برای بیان کمیت­هایی مانند ظرفیت خازن­های سرامیکی کاربرد داشته است. اما در حال حاضر و به­طور متدوال نانو به مجموعه­ای از علوم و فناوری اشاره دارد که با ریز کردن و بررسی خواص ذرات حاصل از ریز شدن   سر و کار دارد. در این حیطه علوم بسیاری به کمک علم و فناوری نانو می­آیند تا  نگاه جامعی بر پدیده­های حاکم در ابعاد نانو داشته باشد. این امر موجب می­شود تا علوم و فنون نانو بسیار گسترده بوده و نیازمند به­کار بستن مجموعه­ای از علوم و فناوری­های شناخته شده و متداول بشری باشد. بر این اساس گفته می­شود که نانو یک علم بین رشته­ای می­باشد و درک و فهم صحیح از آن نیازمند تسلط کافی بر علوم پایه مانند فیزیک و شیمی و نیز یک رشته فنی بسته به رویکرد کار در عرصه نانو است.

  • زیر شاخه­های نانو

با توجه به آنچه بیان گردید نانو نیازمند مجموعه­ای از علوم مختلف می­باشد؛ این امر موجب افزایش حجم زیادی از اطلاعات در این رشته نو ظهور می­شود که جدایش برخی گرایش­ها از دل این علم را در پی خواهد داشت. به­طور کلی در حال حاضر سه زیر شاخه اصلی برای نانو وجود دارد. در نتیجه­ی این سه زیر شاخه اصلی بسته به رویکرد کاری و رشته هدف، تخصص­های بسیاری در این عرصه به­وجود آمده است که نانو الکترونیک، نانوبیوتکنولوژی، نانودارو و … مثال­های از این تخصص­ها است. در ادامه، سه زیرشاخه اصلی نانو معرفی می­گردد.

1-2-1- نانو علم

نانو علم[4] به مجموعه علومی گفته می­شود که به بررسی چیستی و چرایی پدیده­ها در ابعاد نانو می­پردازد. در عمل این شاخه در حیطه نانو همان وظیفه­ای را بر عهده دارد که علوم پایه­ای مانند فیزیک و شیمی برعهده داشته اند. این شاخه بیشتر به بررسی مباحث تئوری و بنیادی در علوم پایه می­پردازد تا از این طریق پدیده­های موجود در دنیای نانو را توجیه کند و بتواند شناخت جامعی بر آنها پیدا نماید.

نانو علم در جست و جوی راهی برای دست یابی به روش­های دست کاری مواد در ابعاد مولکولی و رسیدن به خواص مورد نظر می­باشد. هیچ یک از پدیده­های خلقت مستقل از هم نبوده و به­طور هم­زمان تأثیر بسیاری در رفتار مواد و پدیده­ها دارند. با کاهش اندازه ذرات و رسیدن به ابعاد نانو، در هم­کنش پدیده­های مختلف و تأثیر آنها به­قدری زیاد می­شود که امکان تفکیک آنها از هم و بررسی جداگانه آنها مقدور نمی­باشد. این امر موجب می­گردد تا بررسی پدیده­ها در ابعاد نانو نیازمند دید کلی و جامعی به رخدادهای ابعاد نانو باشد. این نگرش کلی و در عین حال ظریف و دقیق، نیازمند مهارت و تسلّط بالایی در علوم پایه­ای همچون فیزیک و شیمی می­باشد.

1-2-2- نانو فناوری

پس از درک و فهم اصول و قوانین حاکم در ابعاد نانو، نیاز است تا این درک از اصول بنیادی کاربردی شده و محصولات تولید شده با آن وارد زندگی بشر شود. بر این اساس نیاز است تخصص و رشته­ای جدید ایجاد گردد تا خلاء میان دست­آوردهای دانشمندان عرصه نانو علم و بازار مصرف را پر کند؛ این همان وظیفه­ای است که پیش از این مهندسان ایفا کرده­اند. لذا نانو فناوری[5] علم و فن تولید محصولاتی در ابعاد نانو و یا با ویژگی­های حاصل از پدیده­های دنیای نانو است. البته تعاریف مختلفی برای نانو فناوری وجود دارد؛ از مهم­ترین تعاریف ارائه شده برای نانو فناوری می­توان به تعریف ستاد توسعه ملی ایالات متحده[6] اشاره کرد:

“نانو فناوری درک و کنترل ماده در ابعاد بین 1 تا nm 100 است که در آن پدیده­های منحصر به­فردی موجب کاربردهای جدید ماده می­شود.  نانو فناوری شامل تصویر برداری، اندازه­گیری، مدل سازی و دستکاری ماده در این ابعاد می­باشد که با احاطه یافتن به علوم ، فناوری و مهندسی ابعاد نانو حاصل می­شود.”

به عبارت دیگر نانو فناوری کار در ابعاد اتمی، مولکولی و درشت مولکولی در محدوده 1 – nm 100 از طریق دستکاری و کنترل خارجی ماده، به منظور طراحی، ساخت و استفاده از مواد، تجهیزات و سامانه­ها با خواص و عملکرد بنیادی جدید که ناشی از اندازه کوچک آنهاست، می­باشد. به­طور خلاصه می­توان گفت نانو فناوری، مهندسی مواد و سامانه­ها در ابعاد اتمی و ملکولی است.

1-2-3- نانو مواد

نانو مواد[7] به­عنوان زیر شاخه­ای از نانو، زمینه­ای است که روش­های مبتنی بر علم مواد را به­عنوان رویکردی به سوی نانو فناوری به کار می­برد. این زمینه به مطالعه خواص مواد در ابعاد نانو که حاصل اندازه آنها در ابعاد نانو است می­پردازد. در حال حاضر نانو مواد یا مواد نانو ساختار[8] به موادی گفته می­شود که با استفاده از فناوری نانو تولید شده باشد. در سال 2011 اتحادیه اروپا تعریف زیر را برای نانو مواد بیان کرد:

“نانو مواد یا ماده نانو ساختار ماده­ای طبیعی یا مصنوعی است که دارای ذراتی در حالت آزاد، به هم چسبیده و یا کلوخه شده­ای است که50% یا بیشتر ذرات تشکیل دهنده آن حداقل در یکی از ابعاد خارجی (طول، عرض یا ارتفاع) دارای اندازه­ای در محدوده 1 – nm 100 باشد. در موارد خاص و هنگامی که با در نظر گرفتن شرایط محیط، بهداشت، ایمنی و یا رقابت، توجیه پذیر باشد؛ حد آستانه تعداد ذرات بیش از 50% قابل معاوضه با 1 الی 50% می­باشد.”

با توجه به آنچه بیان شد، می­توان به­صورت خلاصه گفت که نانو مواد یا مواد نانو ساختار به موادی گفته می­شود که تمام ذرات تشکیل دهنده آن، یا یکی از اجزای سازنده آن حداقل در یکی از ابعاد محدود به nm 100 باشد. در این حالت باید بتوان ذرات سازنده را به­صورت مجزا مورد بررسی قرار داد. یا به­عبارت بهتر ذرات باید به­نحوی کنار هم قرار گیرند که مستقل از هم باشند و بتوانند خواص وابسته به ابعاد نانوی خود را بروز دهند.

ساخت و تولید نانو مواد نیازمند دانش جامع و کافی از رخ­دادها و پدیده­های حاکم در ابعاد نانو بوده و بایستی از روش­های پیشرفته­ای که توسط نانو فناوران ایجاد شده و بر اساس علم نانو توسعه یافته است، استفاده گردد. نانو موادها محصولاتی پیشرفته با قابلیت­ها و کارایی­های جدیدی هستند که توانایی دگرگون کردن صنایع و نیز زندگی بشر را دارند.

  • تاریخچه نانو فناوری

تاریخچه نانو فناوری را می­توان از دو دیدگاه توسعه مفهومی و پژوهش­های عملی و اجرایی شدن آن بررسی کرد. با وجود اینکه نانو فناوری به دوره­های اخیر در تحقیقات علمی توسعه یافته است، توسعه مفاهیم اصلی و بنیادی آن در دوره طولانی صورت گرفته است. ظهور نانو فناوری به معنی توان دستکاری و کنترل خارجی مواد در ابعاد مولکولی و اتمی در دهه 1980 و با اختراع میکروسکوپ تونلی پویش سطحی (STM)[9] در سال 1981 و کشف فلورین­ها در سال 1985 صورت گرفت؛ که منجر به شفاف سازی و تعمیم چهارچوب فکری و اهداف این فناوری شده است.

با این حال ریچارد فایمن[10]، فیزیکدان آمریکایی، با سخنرانی مشهور خود در سال 1959 آغازگر توجه به ابعاد اتمی و مولکولی بوده است؛ به همین دلیل از پیشروان نانو به­شمار می­رود. با این حال پیش از آن استفاده از لفظ نانو در موارد بسیاری وجود داشت که صرفاً اشاره به کوچکی ابعاد کمیت مورد بررسی داشت و هیچ شناختی از بروز رفتار جدید در مواد وجود نداشت. ریچارد آدولف زیگموندی[11]، شیمی­دان اتریشی، در طی مطالعات خود بر روی ذرات کلوئیدی طلا (سُل­های طلا) اولین کسی بود که به بررسی ذرات نانومتری پرداخت و در سال 1914 در کتابی که در این زمینه منتشر کرد از لفظ نانو ذرات طلا استفاده کرد. بعدها در سال 1920 لانگویر و بلاجت[12] مفهوم تک لایه­های اتمی را ارائه کردند. این لایه­ها دارای ضخامتی به اندازه یک مولکول بود. این دو نمونه از اقداماتی است که پیش از توسعه مفهوم نانو فناوری و دست­یابی به شناختی صحیح از این ابعاد صورت گرفته است.

یکی دیگر از پیش­رفت­های مرتبط با عرصه نانو با ساخت ترانزیستورها و علاقه مهندسان الکترونیک به کوچک­سازی[13] محصولات صورت گرفت. گوردون مور[14]، از بنیانگذاران شرکت اینتل، در سال 1965 پیش بینی کرد که تعداد ترانزیستورهایی که امکان قرار دادن آن در یک تراشه وجود دارد هر 18 ماه دو برابر خواهد شد. از این سال تا سال 1971 این پیش بینی به حقیقت تبدیل شد که به قانون مور شهرت یافت. به­طوری که تعداد ترانزیستورهای موجود در تراشه­ی 4004 در سال 1971 به 2000 عدد رسید و هم اکنون این عدد در پردازنده­های امروزی به بیش از یک میلیارد رسیده است. شکل 1-1 نشان دهنده­ی تحقق قانون مور از سال­های 1971 تا 2011 را نشان می­دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ویژه داوطلبان آزمون دکتری
No votes yet.
Please wait...
ارسال دیدگاه