1-1- نانو فناوری

 

نانو فناوری دانش و فنی است که اخیراً توجه زیادی را به خود معطوف کرده است. این فناوری که یک رویکرد جدید در تمامی رشته­هاست، توانایی تولید مواد، ابزار و سیستم­های نوین را با دست­کاری در سطوح اتمی و مولکولی دارد. امروزه حوزه­ی کاربردی این فناوری به تمامی علوم کشیده شده و محبوبیت بین­رشته­ای یافته است؛ به طوری که گستره­ی کاربردی این فناوری در علوم پزشکی، فناوری زیستی، مواد، فیزیک، مکانیک، برق، الکترونیک و شیمی به حدی است که می­توان از آن به عنوان یکی از انقلاب­های بزرگ علمی دنیا نام برد. این فناوری، روشی نو برای حل مشکلات و پاسخگویی به بسیاری از سوالات مطرح در علوم مختلف ارائه می­کند که تا کنون، بشر موفق به رفع و یا پاسخ دادن به آن­ها نشده است.

 

رفتار­های جدیدی که در مقیاس نانو مشاهده می‌­گردند، لزوماً بر­اساس رفتار­های مشاهده شده در ابعاد بزرگ­‌تر قابل پیش­‌بینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری که عمدتاً ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد هستند، به ‌علت نزدیکی و قابل مقایسه بودن اندازه­ی ذرات یا ریزساختار­ها، با مقیاس طولی میانگین پدیده­‌های فیزیکی و شیمیایی، رخ می­‌دهد. خصوصیات موجی­شکل الکترون­‌ها (مکانیک کوانتومی) در درون مواد و اتم­ها، توسط تغییرات مواد در مقیاس نانو­متری تحت­‌تأثیر قرار می­‌گیرد. با ایجاد ساختار­های نانو­متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد، مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی رنگ آن­ها بدون تغییر ترکیب شیمیایی مواد، ممکن خواهد بود[1].

 

 

 

1-2- تاریخچه­ی نانو فناوری

 

استفاده از نانوفناوری توسط انسان، برخلاف تصور عمومی، دارای سابقه­ی تاریخی طولانی می­باشد. در این رابطه شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی به کار برده شده توسط قوم مایا، وجود دارد. پس از آن رومی­ها از این مواد در ساخت جام­هایی با رنگ­های زنده استفاده کردند، به این صورت که آن­ها از ذرات طلا برای رنگ آمیزی این جام­ها بهره می­گرفتند. نمونه­ای از این جام­ها که برای اولین بار کشف شد، جام لیکورگوس[1] می­باشد؛ که متعلق به قرن چهارم قبل از میلاد بوده و دارای ذرات نانومتری طلا و نقره است که در هنگام قرار گرفتن در نورهای مختلف رنگ­های گوناگونی را از خود نشان می­دهد. بعدها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیساها استفاده می­کردند.

 

تحقیقات اولیه بر روی نانوذرات به سال ۱۸۳۱ برمی­گردد، وقتی که مایکل فارادی[2] روی کلوئید قرمزرنگ طلا کار می­کرد و اعلام کرد که رنگ کلوئید مزبور، به اندزه ذرات فلزی بستگی دارد. شاید بتوان بزرگترین تحول در تاریخ نانوفناوری را سخنرانی فیزیکدان بزرگ، ریچارد فاینمن[3]، درکنفرانس انجمن فیزیک آمریکا در سال ۱۹۵۹ دانست. در این کنفرانس، وی با ارائه مقاله­ای به نام “در آن پایین فضاهای خالی زیادی وجود دارد”[4]؛ درباره دستکاری مواد در ابعاد اتمی صحبت نمود. این مقاله امروزه به عنوان سرلوحه­ی انجمن نانوفناوری درآمده است. کمی بعد از آن در سال ۱۹۷۴ ناریو تانیگوچی[5]، یک محقق در دانشگاه توکیوی ژاپن، هنگام کار تحقیقاتی بر روی مواد در ابعاد نانومتری، از عبارت نانوفناوری استفاده کرد. امروزه مهندسی نانو به سرعت در حال گسترش است و امکان اداره­ی قابلیت­های مکانیکی کاتالیزوری، الکتریکی، مغناطیسی، نوری و الکترونیکی را فراهم می­کند[2].

 

 

 

1-3- اهمیت نانو تکنولوژی

 

شاید این ﺳﺆال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانو­متری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا نهاده­شده­است. آن­چه باعث ظهور نانو­تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو­مواد است. این موضوع یکی از مهم­ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو می­باشد. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می­کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده­ای ماده غلبه می­کند. در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می­شوند؛ برای مثال، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی­کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد، اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد، الکترون­ها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند، بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود.

 در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می­شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت[3].

 

 

 

1-4- نانو­مواد

 

نانو­مواد دروازه­ی ورود به دنیای نانو، و اولین گام برای رسیدن به اهداف بعدی نانو­تكنولوژی می­باشند و بدون توسعه­ی مواد جدید نانو­متری، ورود به عرصه­ی نانو­تكنولوژی غیرممكن خواهد بود. طبق یك تعریف، نانو­مواد، موادی هستند كه حداقل یكی از ابعاد آن­ها كوچك­تر از ١٠٠ نانومتر باشد.. در حالت کلی بنابر دلایل زیر خواص نانو­مواد به ابعاد­شان وابسته اند:

 

• نسبت سطح به حجم بالا

 

• تغییر در ساختار كریستالی

 

• كاهش نقص­های شبكه[4].

 

 

1-5- تقسیم­بندی نانو­مواد

 

نانو­مواد را می­توان برحسب ابعاد آن­ها به صورت زیر تقسیم­بندی نمود:

 

الف- نانو­مواد صفر­بعدی(0D)

 

نانو­موادی هستند كه هر سه بعد آن­ها كمتر از ١٠٠ نانو­متر می­باشد، و شامل نانو­پودرها[7] و نانو­ذرات[8] می­شوند. اگر نانو­مواد صفر­بعدی، نیمه­هادی باشند، به آن­ها نقطه كوانتومی[9] می­گویند.

 

ب- نانو­مواد یك­بعدی(1D)

 

نانو­موادی هستند كه دو بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانو­متر بوده و در بعد دیگر بیش از 100 نانو­متر می­باشند. برخی از نانو­مواد یك­بعدی عبارتند از: نانو­لوله­ها[10]، نانو­سیم­ها[11]، نانو­میله­ها[12]، نانو­تسمه­ها[13]، نانو­نوار­ها[14]، نانو­كابل­ها[15] و نانو­فنر­ها[16].

 

 

 

ج- نانو­مواد دو­بعدی(2D)

 

نانو­موادی هستند كه فقط یك بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانومتر بوده و دو بعد دیگرشان بیش از ١٠٠ نانومتر می­باشد. مانند نانولایه­ها[17] و نانو­حلقه­ها[18]

 

 

 

د- نانو­مواد سه­بعدی(3D)

 

نانو­ساختار­هایی هستند كه اجزاء آن­ها نانو­مواد صفر، یك، و یا دو­بعدی می­باشند. مثل؛   نانو­كامپوزیت­ها، مواد نانو­كریستالی و قطعاتی كه نانو­ذرات در آن­ها پراكنده شده­اند[5].

 

[1] Lycurgus

 

[2] Michael Faraday

 

[3] Richard Feynman

 

[4] “There are plenty of rooms at bottom.”

 

[5] Norio Taniguchi

 

[6] Dimension

 

[7] Nanopowders

 

[8] Nanoparticles

 

[9] Quantum dot

 

[10] Nanotubes

 

[11] Nanowires

 

[12] Nanorods

 

[13] Nanobelts

 

[14] Nanoribbons

 

[15] Nanocables

 

[16] Nanosprings

 

[17] Nanolayers

 

[18] Nanorings

 

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)