تاریخ بروزرسانی : 1397/08/02
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.
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 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.
نوشتههای تازه
آخرین دیدگاه ها