تعریف ناتوتکنولوژی
موسسه ملی پیشگامی نانوتکنولوژی در آمریکا www.nano.gov تعریف زیر را ارائه میدهد: توسعه تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی، مولکولی، و ماکرومولکولی با طول تقریبی 1 تا 100 نانومتر ، به منظور فراهم آوردن شناخت اصولی از پدیده ها و مواد در نانو مقیاس و به منظور ایجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سیستم هایی که به خاطر اندازه کوچک و یا متوسط خود دارای خواص و عملکردهای جدیدی هستند.
زیر ساختارها
1- مواد نانوساختارها:
ماده نانوساختاری به هر ماده ای اطلاق میشود که ابعاد آن در مقیاس نانومتری باشد« مانند نانوذرات و نقاط کوانتومی » مواد در مقیاس نانومتری رفتار کاملا متفاوتی از خود بروز میدهند، مواد توده ای که ما بصورت معمول با آنها سرو کار داریم در مقیاسهای کوچک رفتارغیرکنترل شده و نامنظمی دارند. همانطور که ذرات کوچکتر میشوند خواص ماده تغییر میکند، فلزات سخت تر و سرامیکها نرمتر، خصوصیت نور یا دیگر تابشهای الکترومغناطیسی که بوسیله اندازه تحت تاثیر واقع می شوند نیز تغییر می کند.
موادی که دارای ساختار دقیق اتمی هستند ( نظیر نانولوله های کربنی) نسبت به مواد توده ای مشابه که ساختار و ترکیب اتمی در آنها بصورت تصادفی تغییر میکند. خواص کاملا متفاوتی دارند. یک لوله تو خالی منظم کوچک از کربنها (نانو لوله های کربنی) بطرز شگفت انگیزی محکم است و خواص الکتریکی و گرمایی جالب توجه و مفیدی دارد.
2- مواد نانوبلوری:
اگر اندازه دانه بلور در یک فلز به سمت نانو مقیاس حرکت می کند ، نسبت اتمهای موجود بر روی مرزهای دانه های این جسم جامد افزایش پیدا می کند و انها رفتاری کاملاً متفاوت از اتمهایی که روی مرزها نیستند بروز می دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثیر قرار دادن رفتار ماده مینماید. نتیجه آن در فلزات شامل افزایش استحکام، سختی، مقاومت الکتریکی، ظرفیت حرارتی ویژه، بهبود انبساط حرارتی و خواص مغناطیسی و کاهش رسانایی حرارتی است.
فولاد متعارف دارای افزودنیهای ذرات کربنی است، اگر بتوان از افزودنیها با ساختارهای بسیار ریز استفاده کرد نتیجه کار یک فولاد جدیدی است که فوق العاده مستحکمتر است(پروژه شرکت تویوتای ژاپن)
تولید مواد آمورف(موادی که دارای هیچگونه ساختار بلوری یا الگوی خاصی در مقیاس اتمی خود نیستند) و تهیه روکش آمورف از فولاد بسیار سخت که دارای خاصیت ارتجاعی جالب توجهی است (پروژه وزارت انرژی امریکا)
افزایش سطح دانه در مورد نانو بلوری اغلب واکنش پذیری و حلالیت را افزایش می دهد روش های نانوبلوری کردن مواد عبارتند از رسوب دهی یا الکترو رسوب دهی با لیزر پالسی یا روشهای رسوب دهی شیمیایی بخار که می توانند هر سطحی را با فلزات ، نیمه هادی ها و دیگر مواد روکش دهند.
اگر بلورهای داخل فلزات تحت فشار زیاد در معرض نقش برشی بالا قرار گیرد. توانایی تبدیل شدن به ذرات کوچکی که باعث افزایش استحکام، و افزایش چکشی خواری می شود.
کاربردها: فلزات نانوبلوری در صنایع خودروسازی، هوافضا، صنایع ساختمانی کاربرد دارد و میتوانند بجای فلزات و آلیاژها به خدمت گرفته شود. در سالهای اخیر سرامیکهایی ساخته شده است که در دماهای بالاتر از دمای کنونی ابر رسانا میشوند. (پروژه عملی در سوئد)
کاربرد روکشهای نانو بلوری در ماشین آلات و یا روکش در استحکام پیلهای خورشیدی و یا کاربرد نانوبلورهای تیتانیوم در ساختمان اعضای مصنوعی برای استحکام بیشتر و افزایش انعطاف پذیری بیشتر را می توان نام برد.
3- نانوذرات:
روشهای مختلف در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون و امکان کنترل بر روی اندازه، ترکیب و یکنواختی وجود دارد. نانوذرات در زمینه های زیست پزشکی– داروسازی، حاملهای دارو- تشخیص بیماری ها صفحات خورشیدی– کاربرد دارد. نانوذرات در صیقل دهنده ها- رنگها، روکشهای عینک– کاشیها– روکشهای الکتروترومیک برای شیشه اتومبیلها و پنجره ها مورد استفاده قرار می گیرند–روکشها غیر قابل رنگ آمیزی یا ضد دست نوشته– و یا دیوارهای خود تمیز کن مورد توجه می باشد نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی, نظیر اکسید تیتانیوم– روی آلومینیوم، آهن سیلیکات (سرامیکها) می باشند.
اگر نانوذرات فلزی بدون اینکه ذوب شوند وادار به آمیخته شدن در یک جامد شوند در بهبود کیفیت آن (نظیر خازنها) موثر می باشند.
نانوذرات چون دارای ابعاد کمتر از طول موج نور مرئی هستند به نور مرئی شفاف هستند که نسبت سطح موثر به حجم ذرات افزایش یابد (کاتالیزورها) میتوانند سطح واکنشها را افزایش دهند.
روشهای تولید نانوذرات عبارتند از:
چگالش از یک بخار
سنتوشیمیایی
روش آسیاب یا پودر کردن
4- مواد کامپوزیت
استفاده از نانوذرات در مواد کامپوزیت میتواند استحکام انها را افزایش و یا وزن آنها را کاهش دهد، مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را افزایش داده و خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الکتریکی را افزایش دهد. مشهورترین بازار مواد کامپوزیت اجزاء ساختاری مبتنی بر پلیمرها مثلاً پلاستیک است در صنایع خودروسازی و هوا فضا، کاهش وزن در عین یکسان نگهداشتن استحکام فاکتور مهمی است. جایگزینی مواد ساختاری فولاد- آلومینیوم و بتن با مواد کامپوزیت پلیمری در صورتی رخ میدهد که نسبت به استحکام به وزن را افزایش دهد. کامپوزیتهای پر شده بوسیله خاک رس در شرکت تویوتا کاربرد فراوانی دارد.
نانوالیاف (مخلوط الیاف حاوی نانو لوله های کربنی چند دیواره برای ایجاد خاصیت رسانایی میتواند کاربردهای چند منظوره داشته باشد.) مواد بسته بندی و روکشهای مورد استفاده توانسته است بازار خوبی برای محصولات نانو تولید نمایند.
5- نانو کپسول ها
لفظ نانو کپسول شامل هر نانو ذره ای است که دارای یک پوسته و یک فضای خالی جهت قرار دادن مواد مورد نظر باشد. مثال جالب توجه نانو کپسولی که طبیعت ساخته دیواره های سلولهای بدن انسان میباشد. (لیپوزوم ها) کارنانوکپسول برای جابجایی مواد و کنترل و رهایش و محافظت در برابر محیط میباشد (دارها توسط سلولها وارد خون و توسط نانوکپسولها در بدن جابجا و محافظت می شوند تا به محل مورد توجه برسند) فرایند عمومی ساخت کپسولها یک اموسیون روغن در آب یا آب در روغن به ترتیب نانوکپسولهای روغنی و آبی هستند مثلاً تزریق ورید نانوکپسولها مستلزم یک پایه آبی پس اموسیون روغن در آب میباشد برای روکش دادن کپسولها میتوان از پروتئین ها، پلیمرها و مواد طبیعی یا مصنوعی استفاده کرد. بزرگترین کاربرد نانون کپسول ها در دارورسانی هدفمند میباشد. پیچیدگی سیستم زیستی و مکانیسم ساخت نانو کپسول ها – روش وارد نمودن داروها به درون آنها برای ایجاد اثرات فیزیولوژیکی گوناگون همگی زمینه ساز تحقیقات امروزه را فراهم میکند. بطور مثال میتوان نانو کپسولهای پلیمری را در اندازه ها و اشکال مشخص تولید کرد و با جایدهی یک مولکول خاص در دیواره این نانو کپسولها آنها را کارکردی کرد. که این یک سیستم داروسارزی هدفمند را طراحی میکنم و وقتی به یک زیست مولکول خاص رسید محتوی نانو کپسول را ازاد می کنم بهترین مثال دارورسانی با نانو کپسول ها – پروتئین هایی هستند که به سرعت در بدن تجزیه میشوند. از کاربردها دیگر نانو کپسولها رسانش مواد شیمیایی جهت مصارف کشاورزی و صنعت مواد آرایشی میباشند. این مواد میتوانند رهایش مواد به درون پوست یا مو را به تاخیر انداخته یا از موادی باشد که در برابر محیط بیرون محافظت کنند یا بعنوان عوامل شناسایی در علوم حیات استفاده کرد.
6- مواد نانو حفره ای:
مواد نانو حفره ای دارای حفراتی کوچکتر از 100 نانومتر هستند دیواره سلولها مملو از غشاهای نانوحفره ای است. در حال حاضر صنعت نفت و دیگر صنایع سالها از مواد نانو حفره ای طبیعی موسوم به زئولیتها بعنوان کاتالیست سود جسته اند. سطح ویژه این مواد نانوساختاری بالا میباشد لذا جذب سطحی قابل توجه است (سطح ویژه معمولاً درحد چند صد متر مربع بر گرم است.)
(علاوه بر اثرات کاتالیزوری) قرار دادن مواد درون نانو حفرات موجب تغییر گوناگونی در خواص آن میشود. از دیگر کاربردهای جالب توجه حفرات دارای اندازه مشخص توانایی آنها در اجازه عبور دادن به برخی مواد و ممانعت از بقیه می باشد.
راههای بسیار زیادی برای ساخت مواد نانو حفره ای وجود دارد مثلا موادی را از یک جامد استخراج و حفراتی در آن بوجود آورد، یا مخلوطی از پلیمرها را با حرارت دهی بصورت جامدات نانو حفره ای در آورد، روش سل ژل ( ) یا روش انروزلها (انتشار یک گارد در یک ژل به جامدی بسیار سبک تبدیل می شود روش پرتویونی و با استفاده از روش نور ماوراء بنفش (مولکولها را در لایه نازک سیلیکای شکنه (دانشگاه هاروارد – دانشگاه نیومکزیکو)
از کاربردهای فیلتراسیون غشایی برای خالص سازی آب- خالص سازی داروها و آنزیم ها و فرایند تولید نیمه هادی میتوان نام برد که ارزش بازار یابی آن صدها میلیون دلار است. یک سیستم انسولین رسانی حاوی سلولهای لوزالمعده موش در یک ماده نانو حفره ای است که میتواند از سلولها در برابر سیستم ایمنی بدن محافظت کرده به گلولز اجازه ورود و به انسولین اجازه خروج میدهد. ساختن نیروهای حالت جامد از سیلیکون نانو حفره ای ایده های ایده آل اند و تاکنون مراحل مقدماتی آن انجام شده (دانشگاه پوردو)
7- نانوالیاف (نانوسیمها)
نانوالیافهای کربنی، جامد و توخالی با چند میکرون طول و100 نانومتر قطر مصارفی در مواد کامپوزیت و روکشها دارند. که موجب افزایش استحکام و رسانا سازی بالقوه مواد میشوند. در این فناوری مایعات بار دار شده بصورت جریانهای کوچک به درون یک میدان الکتریکی کشیده میشوند که بعداً بصورت الیاف پلیمریزه میشوند. مواد دیگر مثل نانو ذرات و حتی نانو لوله ها را میتوان در این الیاف جای داد.
این الیاف بر اثر نیروهای الکترواستاتیک، ویروسها و دیگر ذرات را به خود می چسبانند پس در زیست فیلتراسیون برای الودگی زدایی بکار میروند. این الیاف با فرایند سل ژل و حرارت دهی بعدی خلق می شوند.
البسه ساخته شده از نانو الیاف به عبور هر چیزی غیر از مولکولهای بسیار کوچک مقاوم اند و در پوشاک مقاوم به مواد شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین توانایی آنها در اجتناب از آب، روغن به لباسهای ضد لک مشهور خواهد شد. (کره جنوبی20 میلیون دلار به مدت9 سال سرمایه گذاری کرده است. )
8- نانوسیمها
در راستای دستیابی به قطعات الکترونیکی نانو مقیاس، برای اتصال دهی آنها به سیمهای نانو مقیاس نیاز داریم. نانو سیمها میتوانند همچون حافظه باشد. سه راه عمده برای ساخت نانو سیمها عبارتند از:
الف- استفاده از لیتوگرافی یا چاپ روی یک سطح با تیوکساهای میکروسکوپی نیروی اتمی.
ب- استفاده از فرآیند شیمیایی در یک محیط گازی یا مایع، مثلا روی یک سطح جایی بوسیله میدان الکتریکی و یا یک سیال طراحی کرد.
ج- روش خودآرایی برای رشد مستقیم یک نانو سیم روی یک سطح
نانو سیمها می توانند از فلزات، نیمه هادی چون سیلیکون و گالیم و یا از جنس مواد الی باشند. در این زمینه مقاله ای ارائه شده که از نانوسیمها بعنوان آشکارهای شیمیایی و زیستی میتوان استفاده کرد ..در دا نشگاه کالیفرنیا قابلیت یک نانوسیم پلیمری برای آشکار سازی مقادیر ناچیز مواد منفجره را بررسی نموده است. این آشکار سازی حاصل از تشعشع سیمها تحت نور ماوراء بنفش است که تحت تاثیر مقدار اندکی TNT اثر آن متوقف میشود. نانوسیمها در سیستم میکرو آنالیز، تجهیزات آشکار سازی رادیویی سیستم بینایی در شب و شناسایی معدن دارند.
9- فولرین ها
فولرین ها قفس هایی با شبکه کروی از 60 اتم کربن آرایش یافته بصورت شش ضلعیها و پنج ضلعی های بهم زنجیره شده (مثل توپ فوتبال) هستند.(جایزه نوبل در سال1996 برای کشف این ساختار بود.)
نانو لوله های کربنی از رول شدن صفحات گرافیتی حاوی آرایه های شش ضلعی کربنی بصورت لوله ایجاد میشوند دارای خواص و روش تولید مشابه با فولرینها هستند. اولین روش تولید آن بدین صورت بود که: 150 آمپر از یک میله کربنی عبور داده و دوده با بنزن استخراج میشود که محلول ارغوانی حاصل حاوی C60 است. فولرینها (باکی بالها) از نظر فیزیکی مولکولهای بیش از حد قوی هستند.
و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند. پس از تحمل3000 اتمسفر فشار به شکل اولیه خود منبسط می شوند نیروهای آن بجای پیوند شیمیایی با نیروهای بسیار ضعیف واندروالس بهم میچسبند که مشابه نیروهای نگهدارنده لایه های گرافیت است این مسئله موجب میشود باکی بالها دارای قابلیت روان کنندگی شوند.
وارد کردن مقادیر اندک از آنها در یک ماتریس پلیمری استحکام را بالا و دانستیه آن را پایین می آورد. اگر برخی از اتمهای کربن باکی بال را با نیتروزن جایگزینی کرده موجب پیوند آنها با هم به صورت ماده ای سخت اما الاستیک شدند. تحمل بالای سیستمهای زیستی به کربن باعث قابلیت بالای باکی بالها در مصارف پزشکی شود هر چه در باکی بال قرار داده شود بخوبی در برابر بدن محافظت میشود نکته خیلی مهم این است که باکی بالها به اندازه کافی کوچک هستند که از کلیه بدن عبور کرده و دفع میشوند. از دیگر ویژگی باکی بالها توانایی آنها برای درمان عفونت HIV (HIV پرونتاژ هدف داروهای موجود ایدز است.)
قیمت کنونی فولرینها حدود20 دلار برگرم است که این قیمت برای مصارف پزشکی مناسب ولی برای مواد کامپوزیت مناسب نیست. شرکت میتسوبیشی در2004 تولید سالانه به مقدار1500 تن رسانده است.
توانایی دیگر وارد نمودن عناصر رادیواکتیو به درون باکی بالها جهت رسانش مواد به سلولهای سرطانی بدن میباشد اگر بتوان اتمهای فلزات مغناطیسی به درون باکی بالها فرستاد میتوان در تصویر برداری تشدید مغناطیسی برای دیدن درون بدن استفاده کرد.
10- نانو لوله های کربنی
نانولوله های کربنی در واقع لوله هایی از گرافیت میباشد گرافیت شکلی از کربن است که از لایه های حاوی آرایش های شش ضلعی حاوی اتم کربن است یک خصوصیت مشهور آنها استحکام کششی برجسته آنهاست. (100 گیگا پاکسال)100 برابر محکم تر از فولاد که این تنها براثر نیروهای ضعیف واندروالس. نانولوله ها به مواد دیگر براحتی نمی چسبند که بااصلاح شیمیایی نانولوله ها میتوان در مواد کامپیوزیت جدید که نسبت استحکام به وزن آن زیاد است استفاده نمود. خواص الکتریکی نانولوله ها دامنه وسیعی از کاربردهای این مواد است. (پروژه مطالعاتی دانشگاه کالیفرنیا)
یکی از خواص نانولوله های کربنی نشر میدانی است (یعنی تحت تاثیر میدان الکتریکی از خود الکترون منتشر می کند) یک تیم مشترک در فرانسه و کمبریچ در انگلستان با رشد نانولوله های کربنی درون حفره های یک لایه که کنترل نشر الکترون را بعهده داشت دریچه جدیدی از کاربردها این مواد را تجربه نمودند.
در سال 2001 پژوهشی از احتمال ابررسانی نانولوله ها در دمای اتاق حکایت کرد. اگر چنین چیزی عملی شود صنعت انتقال نیرو با تغییرات عظیمی روبرو خواهد شد. نانولوله ها برای نگهداری هیدروژن کربنها جهت استفاده از پیلهای سوختی مورد مطالعه قرار داد. ( NEC از تولید یک پیل سوختی در سه سال آینده خبر داده) نانولوله ها قابلیت خود را برای دو برابر کردن ظرفیت باندهای قابل شارژ لیتیوم بجای گرافیت نشان داده است.
روشهای ساخت نانو لوله ها کربنی عبارتند از :
الف- تخلیه قوس الکتریکی: جرقه ای بین دو الکترود گرافیتی ایجاد میشود، کربن یک الکترود راکنده و بصورت دوده روی دیگری متراکم می سازد. فشار منطقه تبخیر و جریان مهمترین عوامل موثر در راندمان میباشد و شاید این روش مناسب برای تولید انبوه نانو لوله ها جهت استفاده در مواد کامپیوزیتی مناسب است.
ب- از لیزر برای تبخیر هدف گرافیتی در کوره ای به دمای C 12000 حاوی هلیوم و نیتروژن با فشار بالا می توان استفاده کرد.
پ- رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت[روش CVD]
د- رسوب دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما [روش CVD]
CVDحاصل از پلاسما را در دماهای پایین تری ازCVDحرارتی میتوان انجام داد. این نانولوله های کربنی را می توان روی شیشه سود آهکی رشد داد.
هـ- رشد فاز بخار– با مخلوط کردن هیدروکربنها و فلزکاتالیست در محفظه نانولوله ها ساخته می شود.
د- الکترولیز– در اثر الکترولیز کلرید لیتیوم مذاب در یک محفظه گرافیتی که آند یک بوته گرافیتی است.
پ- سنتوشعله
احتراق متان باعث ایجاد شعله می شود و وارد نمودن هیدروکربنهای دیگر و کاتالیستها می تواند راهی برای تولید انبوه سازی باشد.
کلید پیشرفت کامپوزیتهای نانولوله ای تولید حجیم و تا حد امکان یکنواخت آنهاست. شرکت (Bvsiness.c.c. ) در سال 2000 قیمت 300 تا 1500 دلار برای هر گرم بوده و در حال حاضر به 20 دلار به گرم رساننده است.
