درآمدی بر نانوذرات

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزورها و ساختارهائی همچون الکترودها ـ یا افزایش کارآئی فن‌آوری‌هائی همچون پیل سوختی و باتری‌ها ـ می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط شده در نانوکامپیوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیائی را موجب می‌شود.گذر از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به‌صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترودهای آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند.
علاوه بر این، کوچکتر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند.
برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که نانو کره‌های به خوبی شکل یافته سیلیکون به قطر ۴۰ تا ۱۰۰ نانومتر، نه تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند.نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدائی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاده شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوه تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.
کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به‌طور انبوه تولید شده است. حدود ۱/۵ میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. تولید نانو فن‌آوری راهی برای استفاده آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانو مقیاس ماده است و کربن بلک‌های موسوم نمی‌توانند برچسب نانو فن‌آوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجاد شد در درک نظری رفتار نانومواد ـ که قطعاً به معنای نانو فن‌آوری است ـ می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ که معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی ـ نظیر اکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن ـ نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانوم مقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازه یکسانی در هر بعد، از دو یا سه نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر دارند، (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به‌وسیله نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً ۱ نانومتر و عرض ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonte)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به‌وسیله آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگتر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، برمی‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک ـ چه بلوری و چه آمورف ـ مورد استفاده قرار گیرند.نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دماهای همتاهای غیرنانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینه ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانو ذره Polyhedral oligomeric Silsesquioxanex ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینه بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می‌گیرد. مثلاً نیروی دریائی آمریکا هم‌اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می‌کنند.اگرچه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به‌نام کیتوسان (Chitosan) که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های و پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده است. این فرآیند در اواخر سال ۲۰۰۱ ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.
روش‌های تولید
برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیائی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع کاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.
چگالش بخار
از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیکی فلزی و اکسید فلزی استفاده می‌شود. این روش شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که به‌صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. از روش‌های مختلفی می‌توان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی که امکان تبخیر را به‌وجود می‌آورد، طبیعت و اندازه ذرات را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اکسیداسیون از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود، حال آنکه برای تولید نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی از اکسیژن هوا استفاده می‌شود.مهمترین مزیت این روش میزان کمی آلودگی است.در نهایت اندازه ذره با تغییر پارامترهائی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود.یک روش که شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است که از آن توسط Argonide استفاده می‌کند. به‌خاطر اینکه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشه‌های فلزی تبدیل شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌شود (مشابه دمیدن با یک مفتول به درون حباب شیشه‌ای مذاب). این کار در یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود که سریعاً ذرات را فرو می‌نشاند.نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان (vac-cum Evaporation Running Liquids) است. در این روش فیلم نازکی از مواد نسبتاً ویسکوز ـ یک روغن یا پلیمر ـ در یک استوانه دوار استفاده می‌شود. در این دستگاه خلاء تبخیر یا پراکنده می‌شود؛ ذرات معلقی که در مایع تشکیل می‌شوند، می‌توانند به اشکال مختلفی رشد یابند.
توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیائی بخار (CVD) که عموماً برای تولید فیلم‌های نازک در صنعت مدارات مجتمع به‌کار می‌رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شکل مایع و گاز در یک رآکتور قرار داده می‌شود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوه افزایش گاز و مایع، دما و زمان حرارت‌دهی) اشکال مختلفی از ذرات را می‌توان تولید کرد.همسان بودن نانوذرات در برخی از کاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است: مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسک‌های ذخیره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. این شرکت فرآیند خود را با اکسید تیتانیوم آزمایش کرده و نانو کره‌هائی با ابعاد ۱-۰۰۱ nm پدید آورده است. همچنین با پوشش دادن یکی از آنها با چندمین ذره، خوشه‌ای از ذرات را ساخته است.
سنتز شیمیائی
عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیائی شامل ارشد نانوذرات در یک واسطه مایع، حاوی انواع واکنشگرهاست. روش سل‌ژل نمونه چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط کوانتومی نیز استفاده می‌شود. به‌طور کلی برای کنترل شکل نهائی ذرات، روش‌های شیمیائی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیائی، اندازه نهائی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی که اندازه مطلوب به‌دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیائی تشکیل دهنده ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یک اندازه خاص، کنترل نمود. اما این روش‌ها معمولاً کم‌هزینه و پرحجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیائی می‌تواند یک مشکل باشد و می‌تواند یکی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روکش‌های سطحی، را دچار مشکل نماید.فرآیندهای حالت جامد
از روش آسیاب یا پودر کردن می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل از تحت‌تأثیر نوع ماده آسیاب‌کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند. آلودگی حاصل از مواد آسیاب کننده خود می‌تواند یک مسئله باشد.
پیشرفت‌های روش‌های تولید
هرچه بازار نانوذرات در عرصه فن‌آوری‌های پیشرفته ـ همچون صنعت کامپیوتر و داروسازی ـ توسعه می‌یابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شکل تعریف شده در مقیاس نبوده و قیمت اندک افزایش می‌یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فن‌آوری‌های تولیدی موجود و پیشرفت روش‌های تولیدی نوین می‌گردد.
در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCF) ها به‌عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی کرده‌اند. فرآیندهای ته‌نشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریک می‌گردد. گازها در بالای فشار بحرانی (PC۹) و دمای بحرانی (TC) به سیالات فوق بحرانی تبدیل می‌شوند SCF ها واجد خواصی مابین گاز و مایع می‌باشند. عموماً به‌دلیل شرایط نسبتاً ملایم Pe=۷bar)،CO۲(Tc=۳c از آنها استفاده می‌شود. ضمن آنکه مشکلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یک راه اصلاح فن‌آوری سیال فوق بحرانی مخلوط نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یک نمک فلزی در Co۲ فوق بحرانی است. این فرآیند تولید میکروامولسیون‌ها منجر می‌شود که در زمره نانو آکتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به‌شمار می‌روند. Sumitomo Electric اخیراً یک فرآیند رسوبدهی الکتریکی‌ای را توسعه داده است که طی آن یون‌های فلزی در یک حلال آبی حل شده، سپس به‌صورت نانوذرات فلزی احیاء می‌شوند. این شرکت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهکارهای رسوبدهی شیمیائی بخار بسیار اقتصادی و به‌صرفه است.
روش‌های تولید نوین دیگری نیز گزارش شده‌اند، که بر استفاده از امواج مایکرویو، مافوق صورت، و تقلید از طبیعت استوارند. به‌دلیل قابلیت سیستم‌های طبیعی در خلق نانو ساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایع امعان نظرند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند نانوذرات مغناطیستی یا نقره‌ای را بسازند. از پروتئین‌های باکتریائی برای رشد مگنیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلول‌های مخمر می‌توانند نانوذرات سولفید کادمیوم را ایجاد کنند. به تازگی محققان هندی قارچی را یافته‌اند که می‌توان نانوذرات طلا را خلق کند. عده‌ای در آمریکا از پروتئین‌های ویروسی برای خلق نانوذرات نقره دارای شکل‌های جذاب استفاده کرده‌اند.پیوستگی بین راهکارهای تقلیدگرانه از طبیعت و سنتز شیمیائی با حلقه میانی ماکرومولکول‌هائی همچون درخت‌سان‌ها تکمیل می‌شود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف کربنات کلسیم ـ یک ماده کلیدی در سیستم‌های زیستی ـ استفاده شده است.
روکش‌دهی و اصلاح شیمیائی
روکش‌دهی یا اصلاح شیمیائی انواع نانوذرات شیوه‌ای رایج و زمینه‌ای است که نوآوری‌های جدید و ارزشمندی را ارائه می‌دهد.نانوذرات سیلیکات برای به‌دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به‌صورت شیمیائی اصلاح شوند؛ مثلاً یون‌های آمونیوم یا مولکول‌های بزرگتر نظیر سیلسزکیوکسان‌های الگومریک چند وجهی (polyhedral oligomeric soilsesquioxanes)، که هم برای روکش‌دهی نانوذرات سیلیکات و هم به‌عنوان پرکننده روی خودشان مناسب هستند POSS حاوی یک هسته معدنی (سیلکونی ـ اکسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، که این گروه نوعاً دارای شعاع ۱/۵ نانومتر هستند و می‌توانند به آسان‌تر شدن پیوند پلیمرها به یکدیگر کمک کنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیست مواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSS ها جزء نانوذرات طبقه‌بندی می‌شود.فروسیالات، که در اوایل دهه ۱۹۶۰ ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به کوچکی ۱۰ نانومتر استفاده می‌کنند که با یک ماده پایدار کننده همانند گرافیت پوشانده می‌شود و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق می‌شوند. هر ذره، آهن‌ربای کوچکی است که یک میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد می‌کند و اجازه کنترل فشار، ویکسوزیته، هدایت الکتریکی، هدایت گرمائی و ضریب انتقال نور را در سیال می‌دهد. جذب انرژی از محیط به‌صورت حرارت می‌باشد و لذا این سیالات را می‌توان به‌عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.