خواص نانومواد

به طور کلی مواد دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع هستند. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس فناوری نانو (100-1 نانومتر) باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. مواد نانوساختار بر حسب اینکه چند بعد در مقیاس فناوری نانو داشته باشند، تقسیم بندی‌های مختلفی می‌شوند. یکی از این تقسیم بندی‌ها بر حسب تعداد ابعاد آزاد است. منظور از بعد آزاد، بعدی است که در مقیاس نانو نباشد و هر مقداری بتواند داشته باشد. بر این اساس مواد به چهار دسته نانوذرات (Nano Particles)، نانوسیم‌ها (Nano Wiers)، لایه‌های نازک (Thin Films) و نانومواد حجیم (Bulk Nanomaterials) تقسیم می‌شوند.
ساختارهای انرژی (تراز و یا نوار) مواد در راستای هر کدام از ابعاد طول، عرض و ارتفاع وجود دارد. به عبارت دیگر هر جسم سه‌بعدی دارای سه ساختار انرژی مجزا در راستای سه بعد خود است که برآیند آن‌ها ساختار انرژی کل ماده را بیان می‌کند. ابعادی از مواد نانوساختار که در مقیاس نانو هستند، اصطلاحا محدودیت کوانتومی (Quantum Confinement) دارند. برای مثال لایه‌های نازک که در یک بعد دارای ترازهای انرژی گسسته می‌باشند. محدودیت کوانتومی به این معنی است که به دلیل محدودیت ابعاد در مقیاس نانو، نوارهای انرژی به صورت گسسته در می‌آید و هر چه محدودیت بیشتر باشد (ابعاد کوچک‌تر باشد)، فاصله ترازهای انرژی از هم بیشتر می‌شود. بنابراین یکی از تفاوت‌های اصلی انواع مختلف مواد نانوساختار در تعداد نوارهای انرژی پیوسته و ترازهای انرژی گسسته در سه بعد است که منجر به تغییرات زیادی در خلوص آن‌ها می‌شود.
روش‌های از بالا به پایین و از پایین به بالا (شکل 1)، برای ساخت تمامی نانوساختارهای ذکر شده به کار می‌روند و مربوط به گروه خاصی از نانوساختارها نیستند.


1. نانوذرات
تجمعی از واحدهای سازنده (اتم و یا مولکول) با اندازه‌ای بین 1 تا 100 نانومتر را نانوذرات می‌گویند. از لحاظ تعداد اتم، معمولا ذراتی که بین 10 تا 106اتم دارند را نانوذرات می‌گویند. ذراتی که بین 1 تا 10 اتم دارند، معمولا مولکول‌ها هستند. البته در بعضی موارد مخصوصا در مورد مولکول‌های زیستی، مولکول‌هایی نیز پیدا می‌شود که تا 25 اتم نیز دارند.
به طور کلی با تغییر اندازه نانوذرات در محدوده 1 تا 100 نانومتر، نسبت سطح به حجم و فاصله ترازهای انرژی تغییر می‌کند. این دو متغیر عامل بسیاری از تغییر خواص و ویژگی‌ها می‌باشند. به عبارت دیگر با کنترل اندازه نانوذرات می‌توان خواص آن‌ها را کنترل کرد که از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است و در بحث خواص و کاربردها بررسی می‌شود.

1.1. خواص
خواص و ویژگی‌های نانوذرات به طور کلی به جنس و اندازه آن‌ها بستگی دارد و کاربردهای بسیار زیادی در صنایع گوناگون دارند که بررسی همه آن‌ها امکان‌پذیر نیست. همه خواص و ویژگی‌هایی که در نانوذرات ایجاد می‌شود را می‌توان با دو عامل افزایش سطح نسبت به حجم و گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه کرد. در ادامه به برخی از آن‌ها به صورت خلاصه اشاره می‌شود.
خواص نوری
به طور کلی وقتی نور به یک اتم برخورد می‌کند، ممکن است جذب، بازتاب و یا عبور کند. در صورتی که انرژی فوتون نور (امواج الکترومغناطیس) فرودی (فوتون ذرات تشکیل دهنده امواج الکترومغناطیس است. انرژی فوتون نور برابر با E=hf است. در این رابطه h ثابت پلانک و f فرکانس موج فرودی است و مقدار ثابت پلانک Js 6.63×10-34 است.)، برابر با فاصله بین ترازهای انرژی اتم باشد، الکترون‌های موجود در ترازهای انرژی اتم، انرژی نور را جذب و به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند. در سمت چپ شکل 2 برانگیختگی الکترون‌ها در اتم نشان داده شده است.

همان‌طور که در قسمت وسط شکل 2 نیز مشخص است، جذب نور در مواد معمولی که نوار انرژی پیوسته دارند نیز اتفاق می‌افتد و الکترون‌ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شوند (البته در اینجا انرژی گرمایی نیز می‌تواند باعث برانگیختگی الکترون‌ها به نوار رسانش شود). در قسمت راست شکل 2 نیز سازوکار جذب نور توسط نانوذرات نشان داده شده است. همان‌طور که در شکل نیز مشخص است نانوذرات نیز مانند اتم‌ها دارای ترازهای انرژی گسسته هستند. از این رو به نانوذرات اتم‌های مصنوعی نیز گفته می‌شود. همچنین به نانوذرات زیر 10 نانومتر، نقطه کوانتومی (Quantum Dot) گفته می‌شود.
با تغییر اندازه نانوذرات فاصله ترازهای انرژی در آن‌ها تغییر می‌کند. هر چه اندازه نانوذرات کوچک‌تر شود، فاصله بین ترازهای انرژی بیشتر می‌شود و هر چه اندازه بزرگ‌تر باشد، فاصله بین ترازهای انرژی کمتر می‌شود. این نکته باعث می‌شود که بتوان با تغییر اندازه نانوذرات، فاصله بین ترازهای انرژی آن‌ها را طوری تنظیم کرد که امواج خاصی را جذب با فرکانس مشخص کنند. به عنوان مثال می‌توان ابعاد نانوذرات از جنس مشخص را طوری تنظیم کرد که امواج فروسرخ، فرابنفش، رادیویی و غیره را جذب کنند. از این خاصیت در صنایع نظامی و الکترونیک استفاده‌های زیادی می‌شود.
رنگ‌های مختلف نانوذرات شکل 3 در ابعاد مختلف، نشان از تفاوت در فاصله بین ترازهای انرژی آن‌ها دارد. در شکل 3 رنگ نانوذرات طلا و نقره در ابعاد مختلف و تصویر میکروسکوپ الکترونی آن‌ها در زیر هر کدام نشان داده شده است.

خواص مغناطیسی
همان‌طور که می‌دانید در طبیعت سه عنصر آهن، نیکل، کبالت و ترکیب سایر عناصر با این سه عنصر خواص مغناطیسی دارند. عناصر و یا ترکیبات دیگر به تنهایی خواص مغناطیسی ندارند. در دنیای اطراف ما آهن‌رباها و مواد مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی دارند. از کاربردهای ساده مانند شیشه بالابرها و برف پاک‌کن اتومبیل‌ها، پرینتر، اسکنر، موتورهای وسایل الکتریکی در آشپزخانه‌ها، بلندگو و غیره تا کاربردهای بسیار پیچیده مانند موتورهای ژنراتورها و غیره. اینکه تنها ترکیبات خاصی می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند، یک محدودیت به شمار می‌آید.
یکی از تغییر خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانو ایجاد می‌شود، این است که بسیاری از موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند اما زیر یک اندازه مشخص در محدود فناوری نانو می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند. برای مثال می‌توان به نانوذرات اکسید آلمینیوم، طلا و غیره اشاره کرد. این امر باعث می‌شود محدودیت ذکر شده در بالا برداشته شود و با توجه به محدود وسیع کاربرد مواد مغناطیسی، مواد جدیدی با خواص بهبود یافته تولید شود. برای مثال از خاصیت مغناطیسی بعضی نانوذرات در پزشکی در امر دارورسانی استفاده می‌شود.
دلیل ایجاد خواص مغناطیسی در موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند، افزایش بسیار زیاد سطح و ایجاد پیوندهای شکسته شده روی سطح است. هنگامی که یک پیوند برقرار می‌شود، دو الکترون در یک اوربیتال در دو جهت مخالف هم قرار می‌گیرند. این طرز قرار گرفتن باعث می‌شود تا میدان‌های مغناطیسی یکدیگر (الکترون‌ها ذرات باردار هستند. از حرکت ذرات باردار، اطراف آن‌ها میدان مغناطیسی تولید می‌شود. در اتم الکترون‌ها هم دارای دو نوع حرکت اسپینی (به دور خود) و مداری (به دور هسته) هستند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی اطراف آن‌ها می‌شود.) را خنثی کنند (همان‌طور که می‌دانید میدان مغناطیسی یک کمیت برداری است و جهت آن هم از اهمیت بالایی برخورد است). اما پیوند شکسته شده و یا ناقص به این مفهوم است که در اوربیتال یک تک الکترون موجود است و الکترون دیگری میدان مغناطیسی آن را خنثی نمی‌کند. در مقیاس نانو چون کسر اتم‌های روی سطح و پیوندهای شکسته شده خیلی زیاد است، باعث می‌شود اکثر مواد بتوانند خواص مغناطیسی داشته باشند.

خواص آنتی باکتریال
برخی از نانوذرات مانند نقره و طلا دارای خواص ضدمیکروب و یا آنتی باکتریال هستند بدین معنی که میکروب‌ها نمی‌توانند روی آن‌ها رشد کنند. از این ذرات معمولا در لوازم آرایشی، بهداشتی، نساجی و غیره استفاده می‌شود. از کاربردهای آن می‌توان به ساخت ژل‌های تمیزکننده دست بدون استفاده از آب، استفاده در صابون‌ها و شامپوها، استفاده در لباس‌ها و ساخت لباس‌های ضدمیکروب، استفاده در تجهیزات پزشکی و غیره اشاره کرد.
برخی دیگر از نانوذرات مانند اکسید روی و یا اکسید تیتانیم خواص فوتوکاتالیسی دارند. این نانوذرات نیمه رسانا بوده و دارای یک گاف انرژی هستند. از این مواد معمولا برای تصفیه آب‌ها و آلاینده‌ها استفاده می‌شود. با برخورد نور به این ذرات الکترون موجود در نوار ظرفیت برانگیخته شده و به نوار هدایت می‌رود. در آنجا این الکترون به آلاینده منتقل شده و باعث از بین رفتن آن می‌شود. منظور از واژه فوتوکاتالیست این است که با برخورد نور، خواص کاتالیزگری آن‌ها فعال می‌شود.

خواص کاتالیزگری
کاتالیزگر به ماده‌ای گفته می‌شود که باعث تغییر آهنگ واکنش شیمیایی (افزایش و یا کاهش) می‌شود اما خود در واکنش شیمیایی شرکت نمی‌کند. عاملی که در کیفیت و عملکرد کاتالیزگرها تاثیر زیادی دارد، متغیری به نام مساحت ویژه آن است. هر چه مساحت یک ماده کاتالیزگر بیشتر باشد، خواص کاتالیزگری آن مناسب‌تر است. مساحت ویژه یک کاتالیست با استفاده از رابطه 1 به دست می‌آید:

این کمیت معمولا بر حسب واحد مترمربع بر گرم گزارش می‌شود و مقدار آن برای کاتالیزگرهای تجاری، بین 100 تا 400 متر مربع بر گرم است. 100 مترمربع بر گرم به این مفهوم است که 1 گرم از این ماده، 100 مترمربع مساحت دارد.
نانوذرات نیز به دلیل سطح بالایی که دارند می‌توانند به عنوان کاتالیزگر مورد استفاده قرار گیرند. البته خواص کاتالیزگری نیز مانند خواص مغناطیسی در ابعاد مشخصی اتفاق می‌افتد. به عبارت دیگر معمولا در صورتی نانوذرات خواص کاتالیزگری دارند که سطح ویژه آن‌ها بین 100 تا 400 مترمربع بر گرم باشد. بنابراین در بین نانوذرات با حجم مشخص، نانوذره‌ای که سطح بیشتری دارد، خواص کاتالیزگری مناسب‌تری از خود نشان می‌دهد.
نمونه‌ای از نانوذرات که به عنوان کاتالیزگر عمل می‌کنند در شکل 5 نشان داده شده است که مواد مختلف بر روی سطح آن‌ها قرار گرفته و واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود. غیر از موارد گفته شده، نانوذرات کاربردهای زیاد دیگری در صنایع مختلف پزشکی (دارورسانی و غیره)، اتومبیل (ضدبخار کردن شیشه‌ها، سبک کردن بدنه، مقاوم‌کردن لاستیک)، الکترونیک (ساخت ترانزیستورها) و غیره دارند.