نانو مواد چیست | کاربرد نانو مواد

نانو مواد چیست؟ به موادی گفته می شود که اندازه ذرات آن ها حداقل در یک بعد بین 1 تا 100 نانومتر است. موادی که در اندازه نانو سنتز می شوند به دلیل ابعاد و اندازه ای که دارند خواص الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و نوری ویژه و منحصر بفردی دارند. این ترکیبات را با عنوان نانوساختار ها  نیز می شناسند. نانوتکنولوژی یا نانوفناوری ایجاد، پردازش، توصیف و کاربرد نانو مواد است. این علم می تواند به سیستم ها و فرآیندهایی که کالا یا خدمات را در این مقیاس ارائه می دهند نیز مرتبط باشند. به گفته K. E. Drexler فناوری نانو در اصل دستکاری ساختار ماده در سطح مولکولی است. به طور کلی نانوتکنولوژی کاربرد نانوساختارها به مواد و وسایل قابل استفاده و مفید است.

وقتی مواد در اندازه نانو هستند خواص ویژه ای را از خود نشان می دهند. به عنوان مثال مس در ابعاد نانو شفاف می شود. مواد بی اثر، مانند پلاتین و طلا، فعال می شوند و دمای ذوب نانو مواد به طور چشمگیری کاهش می یابد. نانوتکنولوژی پتانسیل این را دارد که زندگی ما را تغییر بدهد. برخی از کاربردهای آن شامل ذخیره و تولید انرژی (باتری ها)، فناوری اطلاعات، فناوری پزشکی، تصفیه و خالص سازی غذا و آب، ابزار دقیق اندازه گیری و محیط زیست می باشد. مواد بر پایه فناوری نانو و نانو مواد شامل اجزا الکترونیکی، نانو رنگ ها، وسایل ذخیره انرژی، پارچه های نانو و لوازم آرایشی و… هستند.

تاریخچه نانومواد

در سال 1959 ریچارد فاینمن، فیزیکدان مشهور و برنده جایزه نوبل، در موسسه فناوری کالیفرنیا سخنرانی با عنوان “آن پایین ها فضای زیادی وجود دارد” که سوالات بسیاری را در مورد علوم نانو و فناوری آن ایجاد کرد. فاینمن اهمیت کنترل و دستکاری مولکول ها را در مقیاس کوچک برجسته کرد. اگرچه در سال 1974 پروفسور نوریو تانیگوچی اولین فردی بود که از واژه فناوری نانو استفاده کرد، اما مفهوم فناوری نانو به فاینمن در سخنرانی او در سال 1959 نسبت داده شد ، که در 1960 منتشر شد. در دهه 1980، دانشمندان IBM زوریخ میکروسکوپ STM اختراع کردند که نقطه عطفی در نانوفناوری به شمار می رود. این میکروسکوپ به دانشمندان اجاره می داد تا مواد را در سطح اتمی تجزیه و تحلیل کنند.

اولین کاربرد تجاری نانوتکنولوژی، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بود که به عنوان میکروسکوپ پروب اسکن (SPM) نیز شناخته می شود. AFM از سوزن نوک تیز اتمی بر پایه سیلیکون برای تصویربرداری از توپوگرافی سطوح با دقتی در مقیاس اتمی استفاده می کند. تحقیقات در زمینه فناوری نانو به سرعت در حال افزایش است و انتظار می رود در چند سال آینده فناوری نانو یک تریلیون دلار بر اقتصاد جهانی تأثیر بگذارد. علاقه به فناوری نانو در چند سال گذشته به دلیل کاربردهای بالقوه علمی و فناوری و علایق تجاری به طرز چشمگیری افزایش یافته است.

امروزه نانو مواد را می توان در همه جا در زندگی روزمره مشاهده کرد. از خمیر دندان، لاستیک ماشین، دستگاه پخش سی دی، راکت تنیس و توپ تنیس گرفته تا سلول های خورشیدی، سلول های سوختی، توالت ها و حوضچه ها و بسیاری دیگر از اقلام تجاری و مصرفی می توان اثرات این علم را یافت.

بیشتر بخوانید: شیمی کوانتوم چیست؟ کوانتوم به زبان ساده

خواص فیزیکی و شیمیایی نانو مواد

ویزگی های جذاب نانو مواد مربوط به ذرات تشکیل دهنده آن ها موسوم به نانو ذرات است. از جمله خواص فیزیکی مهم این مواد می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اندازه، شکل، مساحت سطح ویژه
• تجمع و تراکم ذرات
• توزیع اندازه ذرات
• توپوگرافی و مورفولوژی سطح
• ساختار آن شامل کریستالی شدن و نقص ساختار
• حلالیت

خواص شیمیایی مهم آن ها نیز شامل موارد زیر است:

• فرمول ساختاری و ساختار مولکولی
• ترکیب نانو مواد (شامل درجه خلوص، ناخالصی ها و یا افزودنی های شناخته شده)
• نوع فاز
• شیمی سطح (ترکیب، بار، کشش، سایت های فعال، ساختار فیزیکی، خواص فتو کاتالیزوری، پتانسیل زتا)
• آبدوستی و آبگریزی

طبقه بندی نانو مواد

نانو مواد به طور کلی بر اسا پنج فاکتور طبقه بندی می شوند: ساختار هندسی نانوذرات، مورفولوژی، ترکیب، توزیع یکسان در اندازه ذرات.

ساختار هندسی

بر اساس ساختار هندسی به سه دسته یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی تقسیم می شوند.

• نانو مواد یک بعدی: در این مواد یک بعد از ذرات در مقیاس نانو قرار دارند. معمولا با عنوان ها نانو لایه ها، نانو کلی ها، نانوشیت ها، نانو پلاکت ها وجود دارند. نانو پلاکت های گرافیت، خاک رس و سیلیکات ها نمونه هایی از نانو مواد یک بعدی هستند.
• نانو مواد دو بعدی: موادی هستند که در آن ها دو بعد از ذرات تشکیل دهنده شان دارای مقیاس نانو هستند و بعد سوم آن ها می تواند دارای اندازه ای کمتر یا بزرگتر از این مقیاس باشد. این مواد یک ساختار کشیده را تشکیل می دهند و به طور کلی به عنوان نانو لوله ها، نانو الیاف و نانو میله شناخته می شوند. CNT ها و نانو الیاف های کربنی نمونه های خوبی از نانو مواد دو بعدی هستند.
• نانو مواد سه بعدی: ذرات تشکیل دهنده این مواد در هر سه بعد خود دارای مقیاس نانومتری هستند و با عنوان های نانو ذرات، نانو گرانول و نانو بلور شناخته می شوند. فولرن ها، دندریمر ها و کوانتوم دات ها نمونه هایی از این دست مواد هستند.

مورفولوژی

نانوذرات دارای مورفولوژی های مختلفی هستند که شامل مورفولوژی کروی، مسطح، سوزنی شکل و استوانه ای است. بر اساس مورفولوژی آن ها، نانوذرات به دو دسته مواد با نسبت بالا و نسبت پایین تقسیم بندی می شوند. نانولوله ها و نانوسیم ها با اشکال مختلف مانند مارپیچ، زیگزاگ و کمربند نمونه هایی از نانوذرات با نسبت بالا هستند. نانومواد با نسبت ابعاد پایین شامل نانوذرات با اشکال مختلف (مانند مارپیچ، کروی، مکعب، استوانه و بیضی) است. بسیاری از نانوذرات در شکل های پودری، سوسپانسیون و کلوئید هستند.

ترکیب

نانو مواد می توانند از یک ماده واحد و یا از ترکیبی از چندین ماده تشکیل شده باشند مانند فلزات، آلیاژها، پلیمرها یا سرامیک ها. نانوذرات تولید شده توسط فرایندهای طبیعی غالباً نانوذرات تک ترکیبه (نانومواد مهندسی شده) هستند که می توانند با فرایندهای مختلف مانند فرآیندهای مکانیکی، فرایندهای فاز گازی، سنتز رسوب بخار، هم رسوبی و غیره سنتز شوند.

توزیع

نانوذرات بر اساس ویژگی های شیمیایی و الکترواستاتیکی خود، به دو حالت توده ای یا توزیع یکسان در محیط وجود دارند. به علت انرژی سطحی بالایی که ذرات در این مقیاس دارند، می توانند به یکدیگر متصل شده و ساختارهای متراکم و خوشه ای را تشکیل دهند. این خاصیت را می توان با اصلاح ویژگی های شیمیایی ذرات و در نتیجه آن تغییر انرژی سطحی آن ها درست کرد و در نتیجه آن ذرات به صورت دانه ای و با توزیع یکسان در محیط قرار می گیرند.

انواع نانو مواد

نانو مواد انواع مختلفی دارند. برخی از این مواد شامل نانوذرات بر پایه کربن، سرامیکی، فلزی،  نیمه رسانا، پلیمری و نانوذرات بر پایه لیپید ها هستند. در ادامه به معرفی این مواد می پردازیم:

نانو مواد بر پایه کربن

نانوذرات بر پایه کربن شامل دو ماده اصلی هستند: نانو لوله های کربنی (CNT) و فولرن ها. CNT ها ورق های گرافنی هستند که در یک لوله رول شده اند. این مواد عمدتا در تقویت سازه ها استفاده می شوند و صد برابر قوی تر از فولاد هستند. نانولوله های کربنی را نیز می توان به دو دسته تک جداره و دو جداره تقسیم کرد. این ترکیبات به طور ویژه ای در طول لوله، رسانای حرارتی و در عرض لوله نارسانا هستند.

فولرن ها آلوتروپ های کربن هستند که ساختار آن ها مانند قفس توخالی حاوی شش یا تعداد بیشتری کربن هستند. ساختار C-60 Buckminsterfullerene نام دارد و شبیه یک توپ توخالی است. واحدهای کربنی در این ساختارها دارای آرایش پنج ضلعی و شش ضلعی هستند. اینها به دلیل هدایت الکتریکی، ساختار، استحکام بالا و میل الکترونی کاربردهای تجاری دارند.

نانو مواد سرامیکی

نانوذرات سرامیکی ترکیبات جامد معدنی هستند که از اکسیدها، کاربیدها، کربنات ها و فسفات ها ساخته شده اند. این نانو ذرات پایداری حرارتی بالایی دارند و از لحاظ شیمیایی بی اثر هستند. این ترکیبات کاربردهای زیادی در فتو کاتالیزورها، کاتالیزورهای تخریب کننده رنگ ها، دارو رسانی و تصویر برداری دارند. با کنترل برخی از کاراکترهای نانوذرات سرامیکی مانند اندازه، مساحت سطح، تخلخل، نسبت سطح به حجم و… می توان آن ها را به عنوان یک گزینه خوب به عنوان عامل دارو رسانی تبدیل کرد. این نانو مواد به طور موثری در سیستم های دارو رسانی برای تعداد زیادی از بیماری ها مانند عفونت های باکتریایی، گلوکوم، سرطان و… استفاده می شوند.

نانو مواد فلزی

نانو ذرات فلزی از پیش ماده های فلزی تهیه می شوند. این نانو ذرات را می توان از طریق سنتز شیمیایی، الکتروشیمیایی یا پتروشیمیایی تهیه کرد. در روش های شیمیایی، نانوذرات فلزی با کاهش پیش سازهای یون فلزی در محلول توسط عوامل احیا کننده شیمیایی به دست می آیند. این ها قابلیت جذب مولکول های کوچک را داشته و انرژی سطحی بالایی دارند.

این نانوذرات دارای کاربردهایی در زمینه های تحقیقاتی، تشخیص و تصویربرداری از مولکول های زیستی و کاربردهای زیست محیطی و تجزیه و تحلیل های زیستی هستند. به عنوان مثال از نانوذرات طلا برای پوشش نمونه قبل از تجزیه و تحلیل در SEM استفاده می شود. این کار معمولاً برای افزایش جریان الکترونیکی انجام می شود، که به ما در دریافت تصاویر SEM با کیفیت بالا کمک می کند.

نانو ذرات نیمه رسانا

نانوذرات نیمه رسانا دارای خواصی مانند فلزات و غیر فلزات هستند. آن ها در جدول تناوبی در گروه های II-VI ، III-V یا IV-VI یافت می شوند. این ذرات دارای نوارهای باند گسترده ای هستند که با تغییر ویژگی آن ها، خواص متفاوتی را نشان می دهد. آن ها در فتوکاتالیز، دستگاه های الکترونیکی، عکس های نوری و تجزیه آب استفاده می شوند. برخی از نمونه های نانوذرات نیمه رسانا عبارتند از GaN ، GaP ، InP ، InAs از گروه III-V ، ZnO ، سولفات روی، CdS ، CdSe ، CdTe نیمه هادی های II-VI و سیلیکون و ژرمانیوم از گروه IV هستند.

نانو مواد پلیمری

نانوذرات پلیمری نانوذرات بر پایه ترکیبات آلی هستند. بسته به روش آماده سازی، این ها دارای ساختارهایی مانند نانوکپسول یا نانوسفر هستند. یک ذره نانوسفر دارای ساختار ماتریس مانند است در حالی که ذره نانوکپسولی دارای مورفولوژی پوسته هسته است. در حالت اول، ترکیبات فعال و پلیمر به طور یکنواخت پراکنده شده اند در حالی که در مورد دوم ترکیبات فعال محدود شده و توسط یک پوسته پلیمری احاطه شده اند.

برخی از مزایای نانوذرات پلیمری کنترل انتشار آن ها، حفاظت از مولکول های دارویی، قابلیت ترکیب درمان و تصویربرداری، هدف گیری خاص و موارد دیگر است. آنها در دارو رسانی و تشخیص کاربرد دارند. دارو رسانی با نانوذرات پلیمری بسیار تجزیه پذیر و زیست سازگار است.

نانو مواد بر پایه لیپید

نانوذرات لیپیدی عموماً کروی شکل با قطر 10 تا 100 نانومتر هستند. این شامل یک هسته جامد ساخته شده از لیپید و یک ماتریس حاوی مولکول های چربی دوست محلول است. هسته خارجی این نانوذرات توسط سورفکتانت ها و امولسیفایرها تثبیت می شود. این نانوذرات در زمینه زیست پزشکی به عنوان حامل دارو و انتقال و انتشار RNA در درمان سرطان کاربرد دارند.

بیشتر بخوانید: شیمی آلی چیست؟ شیمی آلی به زبان ساده

جمع بندی

در این مقاله نگاهی کلی بر نانو مواد و مواد پایه آن ها که همان نانو ذرات هستند داشتیم. همانطور که دیده شد نانو مواد ترکیباتی هستند که از ذرات در مقیاس نانو ساخته شده اند. براساس ساختار هندسی، مورفولوژی، ترکیب و توزیع تقسیم بندی می شوند. همچنین به شش گروه کلی نانو مواد کربنی، سرامیکی، فلزی، نیمه رسانا، پلیمری و لیپیدی تقسیم بندی می شوند که هر کدام آن ها ویژگی های خاص خود را داشته و کاربردهای ویژه ای در صنعت دارند.

باید توجه داشت که حوزه فناوری نانو هنوز اشباع نشده است و همانطور که آمار می گوید، روی پله های یک الگوی رشد نمایی نشسته است. اساساً در همان مرحله ای است که فناوری اطلاعات در دهه 1960 و بیوتکنولوژی در سال 1980 وجود داشت. بنابراین به راحتی می توان پیش بینی کرد که این علم شاهد رشد نمایی مشابه دو حوزه فناوری دیگر است که قبلاً شاهد آن بودیم.

سوالات متداول

1- تعریف نانو مواد چیست؟

نانومواد معمولاً به عنوان موادی با حداقل یک بعد خارجی در نظر گرفته می شوند که 100 نانومتر یا کمتر اندازه دارند یا دارای ساختارهای داخلی 100 نانومتر یا کمتر هستند. آن ها ممکن است به شکل ذرات، لوله ها، میله ها یا الیاف باشند.

2- نان مواد در چه محصولاتی کاربرد دارند؟

در محصولات ورزشی، نانولوله های کربنی پرکاربردترین نانومواد هستند. آن ها به طور گسترده ای برای تولید تجهیزات سبک تر اما در عین حال سخت تر مانند راکت تنیس، چوب گلف و قاب دوچرخه استفاده می شوند.

3- تعریف نانو مواد طبیعی چیست؟

نانومواد طبیعی مواد ساخته شده توسط طبیعت از طریق فرآیندهای (بیولوژیکی) ژئوشیمیایی یا مکانیکی، بدون ارتباط مستقیم یا غیر مستقیم با فعالیت های انسانی یا فرایندهای انسانی است.

4- آیا نانو مواد خطرناک هستند؟

درست مانند هر ماده شیمیایی دیگر، برخی از نانومواد خطرناک هستند و برخی دیگر نه. در این ترکیبات ممکن است به علت اندازه کوچک و سطح وسیع آن ها، ممکن است خطر انفجار را در بر داشته باشند، در حالی که نسخه های غیر نانو از همان ماده ممکن است چنین نباشد.

5- معایب نانو مواد چه هستند؟

معایب این مواد عبارتند از خطرات احتمالی برای انسان و محیط زیست. همچنین از دست دادن مشاغل تولیدی و کشاورزی، سقوط بازارهای اقتصادی، ناشی از ارزش کمتر نفت به دلیل منابع انرژی کارآمدتر و طلا یا الماس، و موادی که می توانند با دستکاری مولکولی تولید شوند.