نانو مواد.خواص,تولید,کاربرد

من زنده ام به عشق نانو تکنولوژی

اینجا چقدر ادم هست فکر میکنید همسون خدا رو میشناسند؟

+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:36  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

چقدر ادم اینجاست همشون میدونند خدا هست شما چی فکر میکنید؟

+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:33  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

پیشگفتار

                                                      

نانو تکنولوژی شامل طراحی و تولید و کاربرد نانو مواد و فهم روابط و قوانین حاکم بین 

خواص فیزیکی و شیمیایی و مکانیکی وابعاد انهاست . این فناوری پتانسیل کاربردی 

 بسیار زیادی از الکترونیک و اپتییک گرفته تا سیستم های نانو بیولوژیکی نانو 

 پزشکی و مواد جدید دارد.

بنابراین در راه بهره برداری از این کاربردهای نیاز به اجتماع تیم قدرتمندی از                   

 فیزیکدان ها وشیمیدان ها ودانشمندان علم مواد و بیو لوژیست

 هاو داروسازها و دیگران میباشد تا در کنار هم به اهداف زیر برسند:

1.    سنتز و تولید نانو مواد

2.    درک خواص فیزیکی ’ شیمیایی’مکانیکی مرتبط با ابعادنانو متری این  مواد

3.    طراحی وتولید ابزاری برای مشخص یابی نانو مواد

 


       فن‌آوري نانو به كمك ديابتي‌ها آمد! فن‌آوري نانو به كمك ديابتي‌ها آمد!
                                         
فن‌آوری نانو به کمک دیابتی‌ها آمد!
نانوحسگر اپتیکی با قابلیت کنترل قند در غذای بیماران دیابتی ساخته شد

      دانشمندان ايتاليايي موفق به توليد نانوروبشگر اپتيكي براي شناسايي سريع شكر در غذابا قابليت كنترل قند در غذاي افراد ديابتي شدند.

       به گزارش سرويس فن‌آوري خبرگزاري دانشجويان ايران(ايسنا)، دانشمندان ايتاليايي با استفاده از قدرت آنتي‌اكسيداني غذا براي توليد نانوذرات طلا از محلولي با طلاي سه ظرفيت جهت توسعه يك حسگر قند تغيير رنگ دهنده مبتني بر غشاهاي نانواليافي نايلون بهره برده‌اند.

          اين غشاءها با استفاده از الكتروريسندگي توليد شده و با يون‌هاي طلاي سه ظرفيتي اشباع شده‌اند.

اين حقيقت كه انرژي موجود در غذا مي‌تواند موجب احيا شدن يون‌هاي طلا به نانوذرات طلا شود، قبلا به اثبات رسيده است.

اخيرا از اين يافته‌ها براي احياي شكر نيز استفاده شده است.

دانشمندان دانشگاه ميلان مشاهده كرده‌اند كه در محيط قليايي (هيدروكسيد سديم 1/0 مولار)، آلدوز و كتوز مي‌توانند به عنوان تركيب احيا كننده عمل كنند.

اين محققان سطح غشاهاي نانواليافي الكتروريسيده را با يون‌هاي طلاي سه ظرفيتي اشباع كردند.

الكتروريسندگي امكان توليد سريع و كم هزينه غشاهاي محكم و ارزان را فراهم مي‌كند. الياف در هم پيچيده حاصل داراي مساحت بالايي بوده و قابليت تثبيت مقادير بالايي از محلول طلاي سه ظرفيتي را دارند.

رشد نانوذرات باعث مي‌شود غشاي شفاف در عرض يك دقيقه به رنگ بنفش درآيد. نقطه حاصل نشان‌دهنده حضور قند احيا كننده است.

اين گروه تحقيقاتي بر اين باورند كه چنين نانوروبشگر اپتيكي مي‌تواند نقش مهمي در كنترل قند (به‌عنوان مثال در نوشيدني‌ها و غذاهاي ديابتي) ايفا كند.

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:38  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

نانو چیست ؟

پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است . معادل لاتین این کلمه ، Dwarf  است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است . این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردم است . بنابراین یک نانومتر ، یک میلیاردم متر است . این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی ، بهتر می توان حس کرد یک تار موی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000 نانومتر دارد .یک سلول باکتری ، قطری معادل چند صد نانومتر دارد کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیر مسلح اندازه ای حدود 10000نانو متر دارند . فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط ، یک نانومتر را می سازند برای درک بیشتر این مقیاس در شکل (1-2) مقایسه ای بین مقیاس های طولی گوناگون ، نشان داده شده است

نانو تکنولوژی چیست ؟

به بیان ساده علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکون ها و ساختارها ی با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می نامیم . نانوتکنولوژی ، کاربرد این ساختارها در دستگاه های با اندازه نانومتری است .

تعریف دیگری که می توان از نانوتکنولوژی ارائه نمود این است که نانو تکنولوژی شکل جدیدی از ساخت مواد به وسیله کنترل و دستکاری واحدهای ساختمانی آنها در مقیاس نانو می باشد  . می توان گفت نانو تکنولوژی کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند .

یکی از ویژگی های مهم نانو تکنولوژی جنبه چند رشته ای آن است . مفهوم چند رشته ای در نانو تکنولوژی بدان معنا ست که نیروی کاری نانوتکنولوژی باید دارای بینش وسیعی از مفاهیم زیست شناسی ، فیزیک ، شیمی ، اصول مهندسی طراحی ، کنترل فرایند و محصولات باشد . برای درک مفاهیم پایه ای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمامی علوم نیاز است . به عنوان مثال ، علم زیست شناسی به دو دلیل مورد نیاز است : اول آن که محصولات نانوتکنولوژی ، به شدت از سیستم های زیستی تبعیت می کنند ؛ و دوم این که محصولات نانو کاربردهای چشمگیری در زیست پزشکی دارند . علم فیزیک مورد نیاز است ، زیرا دنیای نانو دنیای توابع موج تونل زنی کوانتومی و کشف نیروهای اتمی ناشناخته است . علم شیمی مورد نیاز است زیرا روش های پیوند مولکول ها با همدیگر و چگونگی ترکیب مواد را به ما می آموزد . به اصول مهندسی نیز نیاز است تا بتوان قابلیت تولید  و حیات اقتصادی را تضمین نمود ، اصل چند رشته ای بودن نانو تکنولوژی بیانگر این حقیقت است که این علم ، رشته جدیدی نیست بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری رادربرمی گیرد [10-4].

چرا« نانو» تکنولوژی ؟!

شاید این سوال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا نهاده شده است . آنچه باعث ظهور نانوتکنولوژی شده ، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است . این موضوع یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو ( نانو مواد یا مواد نانو ) است . در مقیاس نانو ، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند . در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند ، نقض می شوند . برای مثال ، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی کنند . قاناون اهم ، به جریان ، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد . اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد ،الکترون ها 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 می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد ، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواند داشت [6] .

با هم مثال را برای درک بیشتر اهمیت مقیاس نانو ، مرور می کنیم یک مکعب از جنس طلا با ابعاد 3 سانتی متر را در نظر بگیرید . حال این مکعب را از طول ، عرض و ارتفاع نصف می کنیم تا 8 مکعب کوچکتر به دست آوریم . خواص ماده ( به جز ارزش مادی ) در هر 8 مکعب کوچکتر دقیقاً مشابه خواص مکعب اولیه است ؛ هر مکعب کوچکتر هنوز طلاست ، زرد است ، درخشنده و سنگین است . همه این مکعب ها نرم هستند یک فاز هادی الکتریسته هستند با همان نقطه ذوبی که قبل از تقسیم شدن به این مکعب های کوچکتر داشتند .

حال اگر یکی از این مکعب های کوچک شده را به روش مشابهی به 8 مکعب کوچکتر تقسیم کنیم ف مکعب های به دست آمده از این مرحله هم همان خواص مکعب اولیه را درهستند . اگر به این فرایند ادامه دهیم و مکعب های طلا را مرتباً کوچک و کوچکتر نماییم سرانجام قادر به دیدن تکه های ریز شده طلا با چشم غیر مسلح نخواهیم بود . اما همچنان خواص فیزیکی و شیمیایی تکه های طلا بدون تغییر باقی می ماند .

وقتی به مقیاس نانو پرسیم تقریباً همه چیز تغییر می کند . حتی رنگ طلا، نقطه ذوب و خواص شیمیایی آن کاملاً متحول می شود . مثلاً نانو ذرات طلا بسته به اندازه خود می توانند نارنجی ، ارغوانی ، قرمز یا آبی متمایل به سبز به نظر برسند . توسط میکروسکوپ می توان دید که یک نانو نقطه طلا ، قرمز به نظر می رسد اما وقتی این ذرات بهم متصل شوند رنگشان به زرد تبدیل می شود . اگر تعداد کافی نانو نقاط طلا بهم نزدیک شوند ، به طوریکه با هم ترکیب نشوند ، می توان رنگ قرمز ذرات را با چشم غیر مسلح نیز دید . این همان نحوه عملکرد این ذرات در لعاب سرامیک های قدیمی است . حال اگر اجازه ترکیب شدن این ذرات بهم داده شود ، مجدداً به رنگ طلایی دوست داشتنی قدیمی خود دیده خواهند شد .

آخرین مراحل کوچک کردن مکعب های طلا برای رسیدن به مقیاس نانو ، یکی از انواع ساخت و تولید در مقیاس نانو است .به این روش ساخت مواد نانو ، روش ساخت بالا به پایین گفته می شود زیرا فرایند ساخت ازساختاربزرگ شروع شده و عملیاتی انجام می گردد که قطعات بزرگ به تکه های کوچکتر تقسیم شوند . برعکس ، شروع از اتم های مجزا  و ساختن و رسیدن به یک نانو ساختار را روش ساخت پایین به بالا می نامند . در این راستا نانو ساختارهای طلای بسیار ریزی که ساخته شدند را نقاط کوانتومی یا نانو نقطه ها می نامند چراکه شکلی شبیه یک نقطه و قطری در ابعاد نانو دراند .

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:35  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

ابزار لازم برای ساخت و تولید نانوساختارها 

با توجه به تعریف ارائه شده برای روش های تولید پایین به بالا می توان گفت این روش تولید فقط مختص به مواد باساختارهای نانومتری است . اما روش های تولید بالا به پایین هم برای تولید مواد نانو وهم مواد معمولی کاربرد دارند . در ادامه برخی از وسایل و روش های مورد نیاز برای ساخت پایین به بالا مورد بررسی قرار می گیرد .                       

واین فرد نانو ساختار را تولید کرده است                             

پیمایشگر روبشی

پیمایشگر های روبشی فقط برای دیدن ساختارها استفاده نمی شوند بلکه برای دستکاری کردن آنها نیز کاربرد دارند . همانطور که می توان سطوح نرم را با استفاده از یک خراشنده روی سطح ، خراش داد ، سوراخ یا شماره گذاری کرد ، می توان یک سطح را در مقیاس اتمی با استفاده از نوک پروب روبشی اصلاح کرده و تغییر داد .

پروب های روبشی برای دستکاری در نحوه چیدن مولکول ها نیز بکار می روند این ابزارها همچنین برای تولید خطوطی در مقیاس نانو به وسیله ردیف کردن اتم ها یا مولکول ها در سطوح با ساختار مشخص ، کاربرد دارند ، به بیان دیگر با استفاده از این وسایل می توان اتم های مشخصی را روی یک سطح مشخص حرکت داده و برای نشان دادن و تست برخی مفاهیم علمی مثل ساختار شیمیایی ، نیروهای الکتریکی و رفتار مغناطیسی استفاده می شوند .

مونتاژکردن مواد به روش اتم به اتم یا مولکول به مولکول ، اساس رویایی است که شیمیدان ها سال ها است در ذهن خود پرورانده اند .

اصولاً اتم ها یا مولکول های مجزا را می توان به وسیله فشار دادن به جلو یا کندن از سطح و دوباره قرار دادن در مکانی دیگر از سطح ، روی سطح جابجا کرد در هر دو مورد ، نوک پر وب مثل یک دستگاه بولدوزر ویا جرثقیل در مقیاس نانو عمل می کند .

در رابطه با این فرایند باید خاطر نشان کرد که سرعت پایین و هزینه بالا از عمده محدودیت های مونتاژ سطح با استفاده از پروب های روبشی است .

لیتوگرافی در مقیاس نانو

کلمه لیتوگرافی در اصل به معنی ساخت اشیاء ازسنگ است لیتوگراف یک تصویر است که از حکاکی یک طرح روی سنگ بدست می آید . بدین منظور ابتدا طرح با مرکب روی سنگ کشیده شده و سپس با قرار دادن سنگ روی کاغذ و فشار دادن آن طرح روی کاغذ چاپ می شود .

در مقیاس کوچک نیز انواع مختلفی از لیتوگرافی بکار برده شده است . به عنوان مثال برای تولید تراشه های کامپیوتری ، از لیتوگرافی اپتیکی یا پرتوایکس استفاده می کنند . در این مورد با توجه به شکل تراشه مورد نظر ، با استفاده از روش های شیمیایی ، یک ماسک از طرح تراشه تولید شده و سپس پرتو لیزر از روی ماسک عبورکرده و ساختارهای دقیق تراشه را روی سطح مشخصی می سازد .

برای لیتوگرافی در مقیاس نانو نمی توان از نور مرئی استفاده کرد ، چون طول موج نور مرئی حداقل 400 نانومتر است ، بنابراین ساختارهای کوچکتر از 400 نانومتر را با استفاده از این روش نمی توان ایجاد نمود .

با این وجود، روش های مختلفی برای لیتوگرافی در مقیاس کوچک وجود دارد . یکی از روش های ساده و در عین حال ظریف ، لیتوگرافی مهر زنی در مقیاس میکرو است . در این روش مثل روش مهر زدن معمولی به وسیله استامپ ، عمل می شود . طرح مورد نظر روی سطح لاستیکی حکاکی شده ( در این مورد از پلیمرهای سیلیکون/اکسیژنی شبه لاستیکی استفاده می شود ) ، سپس سطح این لاستیک با یک نوع جوهر مولکولی آغشته می شود .جوهر می تواند روی سطح دیگری برگردانده شود و طرح مورد نظر را ایجاد نماید . این سطح می تواند یک فلز، پلیمر ، اکسید یا هر سطح دیگری باشد. مهر زدن در مقیاس کوچک علیرغم پیچیده بودن ، بسیار کم هزینه است و می تواند یک فلز ، پلیمر ، اکسید یا هر سطح دیگری باشد . مهر زدن در مقیاس کوچک علیرغم پیچیده بودن ، بسیار کم هزینه است و می تواند برای تولید کپی های زیادی بکار رود . اصولاً ، مهرها در مقیاس بیش از میکرون (1000 نانومتر ) کار می کنند ، اما پیشرفت های اخیر ، کاربرد آن ها را تا مقیاس نانومتر توسعه داده است .

 

نانولیتوگرافی قلم غوطه ور شده (DPN)

یک راه برای تولید ساختارهای دلخواه روی سطوح ، نوشتن آن هاست . درست مشابه خطی که با خودکار روی کاغذ کشیده می شود . برای تولید چنین خطوطی در مقیاس نانو ، به یک نانو خود کار نیاز است . خوشبختانه ، نوک پر وب میکروسکوپ های نیروی اتمی ، نانوخود کارهای ایده آلی برای این کار هستند . در (DPN) مخزن جوهر ( اتم ها یا مولکول ها ) در بالای نوک پر وب روبشی قرار داده شده است . و روی سطح نشانده می شود .

DPN توسط چدمیرکین و همکارانش در آمریکا توسعه یافت . این روش مزایای زیادی دارد . از مهمترین مزیت های این روش آن است که اولاً اکثر مواد می توانند به عنوان نانو جوهر استفاده شوند و بسیاری از سطوح را می توان با این روش حکاکی نمود . همچنین از DPN برای ساخت تقریباً هر نوع ساختاری چه ساده و چه پیچیده می توان استفاده کرد چرا که دستکاری کردن سطح با نوک میکروسکوپ نیروی اتمی ، کار ساده ای است . این امر ، روش DPN برای ساخت تقریباً هر نوع ساختاری چه ساده چه پیچیده می توان استفاده کرد چرا که دستکاری کردن سطح با نوک میکروسکوپ نیروی اتمی ، کار ساده ای است . این امر ، روش DPN را یکی از بهترین گزینه های تولید ساختارهای پیچیده در حجم های کوچک نموده است . مشکل عمده این روش ، سرعت پایین آن است .

لیتوگرافی با پرتوهای الکترونی

همان طور که قبلاً اشاره شد ، محدودیتی که در مورد لیتوگرافی های بر پایه نورهای معمولی وجود دارد آن است که نمی تون ساختارهای کوچکتر از طول موج نور را ایجاد نمود حتی اگر بتوان از نورهای با طول موج بسیارکوچک استفاده کرد ف باز هم مشکلات دیگری وجود دارند ، نورهای با طول موج کوچکتر انرژی بیشتری دارند و این امر می تواند باعث آسیب رسیدن به ساختارهای تولیدی با این روش شود . درست مثل این است که بخواهیم باغچه را با استفاده از ماشین آتش نشانی آبیاری کنیم !

راه حل پیشنهاد شده برای رفع ای مشکل ، استفاده از الکترون ها به جای نور مرئی است . شکل (1/5) دو الکترود را نشان می دهد که با استفاده از لیتوگرافی اشعه الکترونی تولید شده اند .

لیتوگرافی با استفاده از کره های نانومتری

اگر تعدادی گلوله شیشه ای هم اندازه روی یک تخته د رکنار هم قرار گیرند و تا جایی که امکان دارد بهم بچسبند ، یک گروه متحد را تشکیل می دهند که در آن هر گلوله شیشه ای با 6 گلوله دیگر احاطه شده است . اگر این مجموعه از بالا توسط رنگ اسپری شود و سپس گلوله ها از تخته کنار بروند طرحی مثل نقاط نقاشی شده روی تخته مشاهده می شود . هر نقطه دارای شکلی شبیه مثلث می باشد که اضلاع آن مقعر است .  حال اگر گلوله های شیشه ای در مقیاس نانو باشند ،نقاط به وجود آمده هم در مقیاس نانو خواهند بود .

این روش ، لیتوگرافی با استفاده از کره های نانومتری یا NSL  نامیده می شود .

این روش خصوصیات بارزی دارد از جمله ، تخته ها (سطوح ) و رنگ های (فلزات ، مولکول ها ) زیادی می توانند استفاده شوند و لایه های مختلفی از رنگ (مولکول ها ) می توانند به طور متناوب روی نقاط مورد نظر قرار گیرد .

ساخت حافظه ی نانو لوله ای با سرعت بالا

تیم تحقیقاتی


محققاني در فنلاند براي اولين بار موفق به ساخت حافظه‌هاي مبتني بر ترانزيستور اثر ميداني نانولوله‌اي شده‌‌اند؛ اين حافظه‌ها داراي سرعت عملياتي بالاي 100 نانوثانيه ( 105 برابر سرعت بهترين افزاره‌هاي نانولوله‌اي قبلي)هستند، كه ميزان قابل رقابت با حافظه‌هاي فلش مبتني بر سيليکون تجاري با زمان‌هاي نوشتن و پاک‌کردن بيش از 100 ميکروثانيه است.


+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:34  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

خود آرائی

در برخی روش های مونتاژ کردن نانو ساختارها سعی می شود سیستم به گونه ای طراحی شود که فقط مواد شیمیایی با هم ترکیب شده و بعد اجازه منظم شدن خودبخودی به مولکول ها داده شود . این روش ، مونتاژ خودبخود یا خود آرائی نامیده می شود و یکی از مهمترین روش های تولید در مقیاس نانو است چرا که قابلیت تولید ساختارهایی با ابعاد بزرگ در این روش وجود دارد و همچنین هزینه تولید قطعات توسط این روش خیلی زیاد نیست .

مولکولها همیشه به دنبال سطح انرژی پایین تری برای خودشان هستند . اگر پیوند با مولکول مجاور ، این امر را میسر کند ، آن ها بهم پیوند می خورند . اگر تغییر موقعیت فیزیکی ، رمز این کار باشد ، آن ها موقعیت خود را تغییر می دهند . به بیان ساده ، خود آرائی نیروی محرکه ای است که منجر به سقوط سنگ از بالای تپه به پایین می شود . اینکه چگونه سنگ بلند شود ، پرتاب گردد ، غلتیده شود ،بشکند ، و یا دستکاری شود فرقی نمی کند و به هر حال سنگ پایین تپه سقوط می کند . می توان از این فرایند جلوگیری کرد اما این امر نیازمند دخالت یک نیروی مخالف است . در هنگام سقوط ، سنگ تلاش می کند تا انرژی جاذبه خود را کاهش دهد . در مورد مولکول ها آن ها سعی می کنند انواع دیگر انرژی خود را کاهش دهند .

برای درک بهتر خودآرائی ف یک قطب نما را در نظر بگیرید . اگر یک قطب نما تکان داده شود ، سوزن آن نوسان می کند و هر لحظه در یک جهت متفاوت می ایستد ف اما وقتی تکان دادن قطع می شود ، نوسان سوزن متوقف شده و درجهت اولیه خود از جنوب به شمال قرار می گیرد . یکی آهن ربای کوچک درون سوزن وجود دارد ، و این جهت گیری جنوب به شمال باعث به حداقل رسیدن انرژی آن می شود . در این راستا نیازی به انجام کار بر روی سوزن نیست . به بیان دیگر سوزن خودش این جهت گیری را انجام می دهد . روش خودآرائی ، برپایه ساخت اجزائی است که مثل یک سوزن قطب نما بطور طبیعی خود را در جهتی که مورد نظر است سازمان دهی کنند .

در روش خودآرائی ، فرد سازنده ساختار نانومتری ، اتم ها یا مولکول های مشخصی را روی یک سطح ازپیش ساخته شده ای می برد، سپس مولکول ها ، خودشان روی موقعیت های مخصوصی آرایش یافته و منظم می شوند ف این مولکول ها برخی اوقات پیوندهای ضعیف و برخی اوقات پیوندهای قوی برقرار می کنند و انرژی کل را کاهش می دهند . یکی از مزایای  چشم گیر روش خودآرائی این است که ساختارهای بزرگی را  با این روش می توان به وجود آورد ، بنابریان نیازی به مونتاژ قطعات بهم نیست . خود آرائی یکی از بهترین روش ها برای تولید نانو ساختارهای بزرگ ف مثل حافظه های کامپیوتری و مدارهای منطقی کامپیوتر است .

البته خود آرائی محدود به کاربردهای الکترونیکی نیست . نانو ساختارهای خودآرا برخی اوقات برای تولید سطوح مقاوم به خوردگی ، سطوح لغزنده ، خشک ویا مرطوب بکار می روند .

تمام روش های بحث شده را می توان جزء روش ساخت پایین به بالا ویا اتم به اتم دانست . ریچارد اسملی که برنده جایزه نوبل علم نانو در سال 1996 شد ، تخمین زد که  یک نانو ماشین ، زمانی حدود نوزده میلیون سال نیاز دارد تا به وسیله روش اتم به اتم تبدیل به ماده ای به وزی چند گرم شود . چرا که تعداد اتم های چنین ماده ای چیزی حدود 1023*6  اتم خواهد بود . اگر یک اتم به اندازه یک قاشق چای خوری تصور شود ، این تعداد از اتم ها به اندازه اقیانوس آرام هستند .

ساختنیک اقیانوس با استفاده از یک قاشق چای خوری بسیار کند و زمان گیر است . بنابراین تولید ماده توده ای با روش اتم کاری وقت گیر است . مونتاژ کردن با سرعتی حدود یک میلیون اتم در ثانیه برای تولید چند گرم از یک ماده ، زمانی حدود دو سال نیاز دارد . به همین دلیل معمولاً نانوساختارها به وسیله بلوک های بزرگتر از اتم یا مولکول ها ساخته می شوند . به عنوان مثال اخیراً از بلوک های نانو لوله های کربنی یا نانوسیم ها برای تولید نانوساختارها استفاده شده است .

 

برخی از کاربردهای نانو مواد و نانو تکنولوژی

با توجه به مباحث ارائه شده در بخش های قبلی ، می توان فهمید که نانوتکنولوژی منجر به انقلاب فناوری در هزاره جدید خواهد شد و کاربردهای آن پتانسیل عظیمی برای تاثیر در جهان دارد از کالاهای مصرفی گرفته تا الکترونیک ، فناوری اطلاعات ، بیوتکنولوژی صنایع هوا فضا ، محیط زیست و مواد و حتی تمام بخش های اقتصادی نیز به طور عمده با نانو تکنولوژی در ارتباط خواهند بود .

به بیانی ساده نانو تکنولوژی تقریباً تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تاثیر قرار خواهد داد از داروهایی که مصرف می شود تا توان و سرعت رایانه ها ، منابع انرژی مورد نیاز غذایی که خورده می شود ، ماشینی که رانده می شود ، خانه هایی که در آن ها زندگی می شود و لباسی که به تن می شود ، مهمتر آن که در هر زمینه ای که تصور تغییری در آن وجود داشته باشد تاثیرات جدیدی به وجود خواهد آورد که کسی فکرش را هم نمی کند قابلیت های نو ، محصولات نو ، بازارهای جدید و ...

همانگونه که قبلاً اشاره شد نانوتکنولوژی رشته علمی جدیدی نیست بلکه رویکردی جدید در همه رشته های علمی و مهندسی است . بنابراین ، کاربردهای این تکنولوژی هم بسیار گسترده خواهد بود . مسلماً پرداختن به توضیح تمام این کاربردها امری بسیار مشکل و شاید غیر ممکن باشد . بخشی که از نظر خواهد گذشت مروری اجمالی و مختصر بر برخی از کاربردهای ویژه نانو مواد در دنیای نانو تکنولوژی است .

قوانین مور

یکی از مهمترین کاربردهای نانوتکنولوژی در قوانین مور بیان شده است . اولین قانون مور بیان می کند که مقدار فضایی که یک ترانزیستور برای نصب در یک تراشه اشتغال می کند ف هر 18 ماه تقریباً نصف خواهد شد . این بدان معنی است که نقطه ای که یک ترانزیستور در 15 سال پیش از نظر حجمی اشغال می کرده است ، در حال حاضر توانایی جادادن 1000 ترانزیستور را درون خود دارد . این قانون در واقع بیانگر میزان پیشرفت صنایعی مثل صنعت الکترونیک است .

اولین قانون مورد خبر خوبی برای ما داشت . اما خبر بد ، قانون دوم مور است که نتیجه قانون اول است . این قانون پیش بینی می کند که هزینه ساخت یک تراشه (خط تولید تراشه ) ، هر 36 ماه تقریباً دوبرابر می شود . به بیانی دیگر با کوچک شدن تراشه های الکترونیکی ، هزینه تولید آن ها بالا می رود . از طرفی با توجه به قانون اول مور ، تصور تولید نانو تراشه های مغناطیسی دور از ذهن نیست . حال سوال این است که چگونه می توان هزینه تولید نانو تراشه های مغناطیسی را کاهش داد .

این همان جایی است که نانوتکنولوژی بر مبنای نانو مواد دست بکار شده و سعی در بهینه سازی روش های تولید نانو تراشته ها و بهره برداری از آن ها را دارد . در واقع برای ادامه پیشرفت جامعه در زمینه های اقتصادی ، پزشکی و بهبود کیفیت عمر انسان که اغلب به وسیله انقلاب الکترونیک به وجود آمده است . به نانو تکنولوژی و نانو مواد احتیاج خواهد بود . ادامه و تصحیح تکنولوژی های قدیمی ممکن است ما را تا بعضی چشم اندازهای آینده بشریت پیش برند ، اما بعضاً موانعی بر سر راه این تکنولوژی ها دیده می شود که غیر قابل حل می نماید . نانو تکنولوژی مبتی بر نانو مواد می تواند راهی برای گذر از این موانع برای بشر فراهم نماید .

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:33  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

نانو سرامیک

سرامیک های نانو ، سرامیک هایی هستند که اندازه دانه یا اجزای سازنده آن ها در حد نانومتر است . سرامیک های نانو ساختار مستحکم تر و انعطاف پذیر تر از سرامیک های میکروساختار هستند .

اصولاً سرامیک های پیشرفته به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر به فرد ، در بسیاری از صنایع در لیست اجزای بسیار مهم و استراتژیک قرار گرفته اند . به عنوان مثال در صنایع شیمیایی ، مقاومت خوب این مواد در برابر اسید ها و سایر مواد خورنده بسیار مورد توجه است . در صنایع هوا – فضا مقاومت این مواد در برابر حرارت اهمیت ویژه ای دارد . در صنایع الکترونیک و ارتباطات به علت خواص نوری و الکتریکی خوبی که دارند ، از اجزای مهم محسوب می شوند . سرامیک های پیشرفته و نانو سرامیک ها در سال های آینده احتمالاً کاربردهای بسیار حساس و دقیق تری در زمینه های مختلف خواهند داشت .

ابررساناهای نانوسرامیکی امروزه دربرخی کابل ها و میدان های الکتریکی بکار رفته اند . مغناطیس های فریتی  نانوسرامیکی در ساخت تلفن های همراه کوچک تر و قدرتمندتر کاربرد وسیعی دارند .

امروزه در بیوتکنولوژی در مورد کاشت های میکرونی در بدن تحقیق می شود که قرار است به عنوان رآکتور در بدن انسان کار کنند . در این زمینه به حسگرهای سرامیکی در مقیاس نانومتری احتیاج خواهد بود .

در تکنولوژی ساخت کامپیوتر ها نیز امکان وقوع تحولاتی در راستای استفاده از تراشه های نانو سرامیکی به جای تراشه های سیلیکونی امروزی ، وجود دارد .

 

 NEMS

NEMS به معنی سیستم های نانو الکترومکانیکی است . سیستم های الکتریکی فقط با سیگنال های الکتریکی سروکار دارند . اگر این سیستم ها کار مکانیکی هم انجام دهند سیستم الکترومکانیکی نامیده می شوند . حال اگر ابعاد این سیستم ها به محدوده نانومتر برسد سیستم های نانو الکترومکانیکی خوانده می شوند .

این سیستم ها با هزینه کم و سرعتی بالا و اغلب با کمک فناوری ساخت مدارات مجتمع (l c) ساخته می شوند . در واقع این سیستم ها را می توان چشم و بازوی تراشه های کامپیوتری دانست . به بیان دیگر این سیستم ها پدیده های مختلفی همچون گشتاور ف سرعت ، فشار ، دما ، غیره را حس کرده و پس از تصمیم گیری ، موارد کنترلی لازم را اعمال نموده ویا مخابره می نمایند .

ابعاد نانومتری این سیستم ها باعث می شود که در همه جا قابل استفاده بوده و به راحتی جایگزین شوند و به همین علت ، انرژی مصرفی فوق العاده کمی دارند . علاوه بر موارد ذکر شده این سیستم ها دقت بسیار زیادی نسبت به سیستم های الکترومغناطیسی معمولی دارند .

از سیستم های نانو الکترو مکانیکی در تولید حسگرهای مختلف در صنایعی نظیر خودروسازی یا هوا – فضا استفاده می شود . به عنوان مثال می توان از این حسگرها در اندازه گیری فشار روغن ، فشار خلا و شتاب استفاده کرد .

Schematic representation of the NEMS modeling system

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:32  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

نانوپزشکی

مطمئناً افراد بسیاری سال ها پیش فیلم تخیلی « سفر دریایی خیالی » را دیده اند . در این فیلم یک کشتی مینیاتوری به تصویر کشیده شد که جریان خون انسان را درمی نوردید و با گلبول های قرمز و اجزای تشکیل دهنده خون برخورد می نمود . شاید کارگردان این فیلم خود نیز این تصور را نمی کرد که فیلمش به تحقیق بپیوندد . اما این تخیل هم اکنون به وسیله نانوتکنولوژی به حقیقت تبدیل شده است .

در روش های فعلی درمان بیماری ها (مثلاً  در مورد بیماری سرطان ) ، دارو را وارد تمام بدن می کنند و این دارو به تمام بافت های بدن ( چه سالم و چه مریض ) حمله کرده و در کنار اثری که بر بافت های مریض دارد اثرات بسیار مخربی نیز بر بافت های سالم بدن می گذارد .

در نانو پزشکی از نانو روبوت هایی استفاده می شود که به راحتی آشامیدن یک لیوان نوشیدنی ، وارد بدن انسان شده و به ترمیم سلول ها و بافت ها می پردازند . نانو روبرت ها به قدری ریز هستند که حتی می توان آن ها را مثل یک پودر شکر درون آب حل کرده و نوشید ویا می توان آن ها را به وسیله سرنگ به درون رگ های بدن تزریق نمود . این روبوت ها می توانند به عنوان یک سرباز همواره در بدن انسان وجود داشته و چگونگی کارکرد اعضای بدن را با کنترل توسط نانوکامپیوتر تنظیم نمایند و یا مثل گلبول های سفید به مبارزه به میکروب ها بپردازند .

اخیراً نانوروبوت هایی طراحی و برنامه ریزی شده اند که قادر به جستجو ، و برطرف کردن رسوبات کلسترول ودر نتیجه باز کردن مجدد رگ ها هستند .

نانوروبوت های ترمیم کننده سلول ها ، می توانند در مسیر جریان خون حرکت کنند و همانگونه که ویروس ها داخل سلول ها می شوند ، به سلول  ها وارد شوند . نانوماشین ها با ارزیابی محتوا و فعالیت سلول ها ، مشکلات موجود را مشخص می کنند و بر حسب مشکل تعیین می کنند که آیا سلول باید ترمیم شود ویا اینکه از بین برود . این روش برای درمان سرطان نیز کاربرد دارد .

مشکل کهولت نیز توسط نانوماشین ها برطرف می شود . ناتوان شدن استخوان ها ، چروک شدن پوست ، کاهش فعالیت آنزیم ها ، التیام کند و آهسته زخم ها ، ضعیف شدن حافظه و تمامی مشکلات ناشی از کهولت در اثر آسیب مولکول ها ، موجب عدم توازن شیمیایی و تغییر ساختارهای مولکولی بدن انسان می شوند . اگر ماشین های ترمیم کننده سلول ها بتوانند سلول ها و ساختارهای آسیب دیده را ترمیم کنند ، روند کهولت ، خیلی آرامتر طی خواهد شد در نتیجه ی پیشرفت نانو تکنولوژی و نانو پزشکی ف ممکن است میانگین عمر انسان ، زمانی به صدها تا هزاران سال برسد.

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:31  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

نانو نساجی

صنعت دیگری که به واسطه فناوری نانو تکان خورد صنعت نساجی است . هم اکنون شرکت های بسیاری در تلاشند تا پارچه های  هوشمندی بسازند که ویژگی های خود را با توجه به شرایط محیطی تغییر داده و حتی مراقب علایم حیاتی بدن باشند . هم اینک شاهد تولید پارچه هایی بر مبنای فناوری نانو در بازار جهانی هستیم که نسبت به آب ، چروک و تنش بسیار مقاومند . به عنوان نمونه پارچه های شرکت صنعتی  پارچه بافی سوئیس ، ضد آب و ضد لک بوده و چربی های روی آن ها خود به خود از بین می رود .

این پارچه ها از طبیعت الهام گرفته و تولید ان ها با نانو تکنولوژی تحقق یافته است . برگ های برخی گیاهان ( مثل نیلوفر آبی ) ، پوست سوسک و بال حشرات همیشه تمیز باقی می مانند زیرا ناهمواری های بی نهایت کوچک روی سطوح آن ها مانع از چسبیدن ذرات گرد و خاک به این سطوح شده و کوچکترین بارشی سطح آن ها را پاکیزه می کند . با بکارگیری فناوری نانو در پارچه ها ، ساختار سه بعدی خاصی بر روی سطوح ایجاد شده و سطح تماس برای ذرات گرد و خاک محدود می گردد . ذرات باقیمانده بر روی سطح ، در قطرات آب معلق شده و به آسانی توسط این قطرات خارج می گردند .

در حال حاضر برخی از متخصصان نانوتکنولوژی در حال کار بر روی مواد و پارچه های هوشمندی هستند که علاوه بر توانایی استتار خود ، بتوانند پارگی های خودشان را نیز ترمیم کنند . اصل این کار بر مبنای موادی است که می توانند بر اساس نوری که به آن ها می رسد واکنش های مختلفی از خود نشان دهند . هم اکنون این کار فقط از عهده مواد طبیعی بر می آید و سیستم های مصنوعی یا سنتزی از این قابلیت بی بهره اند . به همین دلیل نانوتکنولوژیست ها قصد دارند از بعضی از ارگانیسم های زنده (نظر برخی ماهی ها و دیگر موجودات دریایی مثل هشت پا ) تقلید کنند .

رویای انسان نامرئی هم با نانوتکنولوژی قابل تحقیق است . با استفاده از نانو تکنولوژی ، نانوحسگرهایی در سرتاسر یک پارچه کار گذاشته می شود . این نانوحسگرها تصاویر منظره پشت لباس را دریافت کرده و به حسگرهای جلوی لباس منتقل می نمایند . حسگرهای جلوی لباس ، تصویر منظره پشت فرد را به ما نشان می دهند . بنابراین فردی که این لباس را پوشیده است ، تقریباً نامرئی به نظر می رسد .

موارد ذکر شده در این بخش تنها قسمت کوچکی از کاربردهای فراوان نانوتکنولوژی در زندگی انسان است . به طور کلی برخی از کاربردهای نانو مواد در زندگی بشری و صنایع مختلف را می توان به شکل زیر خلاصه نمود .

صنایع اتومبیل سازی و هوانوردی :

بدنه های سبک با استفاده از نانو کامپوزیت ها ، لاستیک هایی با مقاومت سایش بهتر ، پلاستیک های ارزان غیر قابل اشتغال ، پوشش های خود ترمیم و ....

محیط زیست : پره های انتخاب کننده که می توانند آلودگی ها و حتی نمک را از آب جدا کنند ، امکان بازیافت بسیاری از مواد و ...

تولید : اندازه گیری های دقیق با نسل جدید میکروسکوپ ها ، فرایندو ابزار مدرن برای تهیه مواد در سطحد اتم ها ، پرداخت مکانیکی – شیمیایی با نانو ذرات و ....

مواد و شیمی : کاتالیزورهایی که راندمان واکنش های شیمیایی را به شدت بالا می برند . دریل های خیلی مقاوم و سخت ، ابزار آلات برش ، فولادها و آلیاژهای حتی مقاومتر از الماس ، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپ های مکنده و روان سازه ها و ....

الکترونیک و ارتباطات : تکنولوژی بی سیم ، ذخیره بیشتر داده ها و سرعت پردازش در سطح پایین تر قیمت و کارائی بالاتر در مقایسه با مدارات فعلی الکترونیکی و ...

داروسازی ، بهداشت و علوم زندگی : ژن ها و سیستم های ارسال دارو که به سوی مکان های مشخصی از بدن هدف گیری شده اند . قطعات سازگار برای جایگزینی اعضای بدن ، موادی برای استخوان و بازسازی بافت ها و ...

تکنولوژی انرژی : انواع جدید باطری ها ، ذخیره ایمن هیدروژن به عنوان سوخت تمیز ، ذخیره انرژی با استفاده از مواد سبکتر و مدارات کوچکتر .....

امنیت ملی : آشکار سازها و مسمویت زداهای موسسات بیولوژیکی و شیمیایی ، مدارات الکترونیکی تواناتر ، منسوجات سبک و خود ترمیم و ....

 

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:30  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

خواص مواد نانو ساختار

در بررسی خواص مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونه ی مطلوب ، وجود تخلخل و میکروترک ، تنش های داخلی شدید ، وجود ناخالصی ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت ها نظیر اندازه گیری کردنش به دلیل کوچک بودن نمونه ها وجود دارد ، وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده های آزمایشگاهی برای  این گروه از مواد محدود باشد .

نفوذ در مواد نانوساختار

همانگونه که ذکر شد ، مواد نانوساختار دارای درصد حجمی بالائی از مرز دانه هستند . این امر باعث می شود که انتقال اتمی و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تک کریستال و یا مواد با دانه های بزرگ تر اتفاق می افتد ، سریع تر باشد چرا که در جامدات نانوساختار ، فصل مشترک دانه ها مسیرهای بیشتری برای نفوذ اتم ها فراهم می کنند . به عبارت دیگر وجود این فصل مشترک های بین دانه ای زیاد باعث می شود که تقریباً درهمه ی دما ها نفوذ از طریق مرز دانه ها ف مکانیزم غالب باشد . این در  حالی است  که در مواد پلی کریستال معمولی د ردماهای بیش از نصف نقطه ذوب ، نفوذ از داخل دانه ها ( نفوذ حجمی ) ، مکانیزم غالب در نفوذ است .

افزایش ضریب نفوذ در مواد نانوساختار سبب تغییر برخی خواص مواد به شرحد زیر می شود :

-  افزایش حد حلالیت در حالت جامد ، به عنوان مثال حد حلالیت بیسموت در مس معمولی حدود 10-4 در صد اتمی است د رحالی که این مقدار برای مس نانو ساختار حدود 4 در صد اتمی است .

-  - تشکیل ترکیبات بین فلزی در دماهای بسیار کمتر ، در واقع چون سرعت نفوذ عناصر در هم افزایش یافته ، تشکیل چنین ترکیبات بین فلزی سریع تر و در دماهای کمتری نسبت به حالت معمولی رخ خواهد داد .

-  افزایش قابلیت سینتر شدن پودرهای نانو ، به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات ، قابلیت نفوذ و سینتر شدن پودرها افزایش می یابد .

لازم به ذکر است اگر مواد نانوساختار از طریق سینترینگ یا تف جوشی نانوذرات تولید شده باشند ، دارای  تخلخل هایی با ابعاد نانومتر نیز هستند . بنابراین در این دسته از مواد ، تخلخل و حرکت مرز دانه ها از دیگر پدیده های مهم نفوذی هستند . در واقع تخلخل های احتمالی موجود در مواد نانوساختار باعث افزایش فصل مشترک ساختارها شده و در نهایت منجر به افزایش میزان نفوذ در این مواد خواهد شد .

در ادامه توضیح داده خواهد شد که نفوذ در مواد به ساختار فصل مشترک ساختارها بستگی دارد . اما قبل از آن و برای درک بیشتر چگونگی نفوذ در جامدات نانوساختار به مطالعه ساختار فصل مشترک ساختارها پرداخته می شود .

الف – معمولاً بررسی رفتار نفوذی مواد نانو ساختار در دماهای پایین انجام می گیرد . در این دماها نفوذ درون دانه بسیار کند صورت می گیرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل های نانومتری به همراه مهاجرت فصل مشترک ساختار اتفاق می افتد . در واقع به علت درصد حجمی بالای مرز دانه ها ، انرژی داخلی این مواد بالا ست که این امر منجر به رشد دانه ها در این مواد خواهد شد . این پدیده به وسیله مهاجرت فصل مشترک دانه ها اتفاق می افتد .در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها ، اتم های نفوذ کننده در فصل مشترک از مسیر های نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته می شوند ( نفوذ در حجم دانه ها ناچیز است ). بنابراین معادلات نفوذی در مواد نانو ساختار ( معادله 3-2 ) با مشابه در مواد معمولی ( معادله 3-1 ) متفاوت خواهد بود *

 در این معادله c میزان غلظت است که معمولا ً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بیان می شود ؛ t و x عمق و زمان نفوذ هستند و * ضریب نفوذ در فصل مشترک ساختار ها ست .*

دراین معادله * سرعت حرکت فصل مشترک ساختار هاست که ثابت فرض می شود و * زمان نفوذ است .

 

ب نفوذ در فلزات نانو ساختار

در این قسمت نفوذ در فلزات نانو ساختار با متراکم ( بدون حضور تخلخل ) مورد بحث قرار می گیرد . تحقیقات انجام گرفته در مورد پالادیم نانو ساختار نشان می دهد که چگالی تئوری به وسیله فشردن نانو ذرات پالادیوم با فشاری معادل 4 گیگا  پاسکال و در دمای 380 درجه سانتیگراد تحت شرایط خلا بدست می آید . در این ماده تقریبا تخلخلی وجود ندارد .

برای مطالعه نفوذ در پالادیوم نانو ساختار بدون تخلخل ، از آهن به عنوان عنصر ردیاب استفاده شده است . نتایج بررسی ها نشان می دهد که در دماهای کمی بالاتر از دمای اتاق ، اهن خیلی سریع در پالادیوم نفوذ می کند . بنابراین انتقال اتمی و نفوذ آهن بیشتر در فصل مشترک دانه های پالادیوم رخ می دهد .

ادامه فرآیند نفوذ و رشد دانه باعث مهاجرت و حرکت فصل مشترک دانه شده که  با گذشت زمان از میزان فعل و انفعالات فصل مشترک کاسته شده و در نهایت منجر به کاهش سرعت نفوذ عنصر ردیاب می شود . علت مهاجرت فصل مشترک  دانه ها در پالادیوم نانو ساختار به خاطر این است که طی این عمل فصل مشترک های با ساختار غیر تعادلی به ساختار تعادلی نزدیک می شوند. به بیان دیگر همانگونه که قبلا ً ذکر شد فصل مشترک دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و کاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهایتا کاهش انرژی داخلی آن می شوند . بنابراین در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها میزان فضاهای خالی موجود در مرز دانه ها و همچنین کرنش داخلی ماده نانو ساختار کاهش خواهد یافت (4و3) . البته لازم به ذکر است که نفوذ شیمیایی و تشکیل ترکیبات بین فلزی و همچنین تشکیل اکسید های فلزی در مرز دانه هامی تواند عمل نفوذ را مختل نماید . به عنوان نمونه رفتار نفوذی بیسموت در مس بسیار جالب است . بیسموت در مس نانو ساختار نا محلول است . بنابراین تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دانه ها دارد . بنابراین افزایش مقدار بیسموت در مس نانو ساختار می تواند منجر به کاهش انرژی مرز دانه های مس نانوساختار شود. با کمی دقت در این مثال در می یابیم که می توان با اضافه کردن برخی عناصر جلوی رشد ساختاری مواد نانو ساختاری مواد نانو ساختار را گرفت ، و این مواد را به حالت پایدار رساند . چنین پایدارسازی در مورد سرب حاوی زیر کنیم نیز قابل مشاهده است .

ج – نفوذ در سرامیک نانو ساختار نفوذ بین فازی بسیار مهم است چرا که این امر در افزایش نرخ سینترینگ و بهبود خواص شکل پذیری سرامیک ها اثرات چشم گیری دارد . به عبارت دیگر با افزایش میزان نفوذ فازهای موجود در سرامیک های نانو ساختار ، سرعت تف جوشی این مواد افزایش یافته و همچنین با افزایش ضریب نفوذ در این مواد تبدیل فازها به یکدیگر تسهیل یافته و بنابراین شکل پذیری آنها بهبود خواهد یافت چرا که شکل پذیری سرامیک ها به میزان تبدیل فازهای درون سرامیک ها وابسته است . بیشتر مطالعات نفوذی در مورد سرامیک های نانو ساختار ، روی اکسید های فلزات انتقالی * و انجام گرفته است .

سرامیک های دارای ترکیب استو کیومتری انرژی فعال سازی زیادی برای نفوذ در هم دارند که ناشی از پیوند قوی بین اجزای تشکیل دهنده آنهاست . انحراف از ترکیب استو کیومتری باعث افزایش انرژی داخلی ماده و کاهش میزان انرژی فعال سازی مورد نیاز برای نفوذ در این مواد می گردد . بنابراین استو کیومتری نقش بسیار مهمی در رفتار نفوذی سرامیک های نانو ساختار دارد .

برای درک بیشتر نقش فصل مشترک ساختار ها در رفتار نفوذی مثالی را مرور می کنیم . در این مثال از اکسیژن به عنوان ردیاب استفاده شده و طیف سنجی جرم یونی ثانویه برای اندازه گیری خواص نفوذی مورد استفاده قرار گرفته است . اکسید زیر کونیم نانو ساختار دارای چگالی نسبی حدود 97% و متوسط اندازه دانه 80 نانومتر است که توسط فشردن نانو ذرات اکسید زیر کنیم در دمای سینتر ینگ 950 تا 970 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 3 ساعت به دست آمده است . نمودار نفوذ اکسیژن دو فرآیند نفوذی همزمان را نشان می دهد ؛ نفوذ حجمی در دانه ها * و نوذ در فصل مشترک دانه ها * . آنالیز نمودار و داده های نفوذ این ماده نشان می دهد که نفوذ در گستره دمایی 450 تا 950 درجه سانتیگراد ، در فصل مشترک یا مرز دانه ها ، 3 تا4 برابر بیشتر از نفوذ حجمی است . افزایش عمق نفوذ اکسیژن منتج از افزایش دمای آنیل نفوذی است .

در مقایسه با نتایج به دست آمده برای اکسید زیر کنیم ، اکسید تیتانیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است . اکسید تیتانیم مورد بررسی دارای چگالی نسبی 95% و اندازه دانه حدود 30 نانومتر است که با سینترینگ نانو پودر اکسید تیتانیم در دمای 750 درجه سانتی گراد در فشار 5/1 گیگا پاسکال به دست آمده است . در اکسید تیتانیم نانو ساختار ، نفوذ اکسیژن بسیار سریع تر از اکسید تیتانیم معمولی است و انرژی فعال سازی نفوذ بسیار کمتری از اکسید تیتانیم معمولی دارد . نفوذ اکسیژن از فصل مشترک در اکسید تیتانیم بسیار سریع تر از اکسید زیرکنیم است .

بنابراین به طور کلی می توان گفت مکانیزم غالب نفوذ در موارد نانوساختار به خاطر درصد حجمی بالای مرز دانه ها در این مواد نفوذ از طریق مرز دانه هاست و بسیار سریع تر و بیشتر از مواد معمولی و مرسوم است .

خواص مکانیکی مواد نانوساختار

تولید فلزات و آلیاژهای با اندازه ی دانه در حد 50 تا 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی بااستحکام فوق العاده زیاد خواهد شد . در واقع کوچک کردن دانه ها در مواد  ابزار قدرتمندی برای تولید میکروساختارهای با خواص مکانیکی عالی شناخته شده است .

نکته مهم این است که مکانیزم تغییر شکل و خواص مکانیکی مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازه ی دانه ها بستگی ندارد ، بلکه شدیداً به توزیع اندازه به دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است .

در رابطه با استحکام و سختی مواد ، رابطه تجری هال – پیچ (معادله 3-3 ) نشان می دهد که با کاهش اندازه دانه ها ، استحکام و سختی ماده افزایش می یابد .***

در این معادله * استحکام تسلیم ماده ، * تنش اصطکاکی لازم برای به حرکت درآوردن نابجایی ها Kثابت معادله و d اندازه دانه است . رابطه مشابهی نیز برای سختی مواد بر اساس رابطه هال – پچ به صورت معادله (3-4 ) وجود دارد :**

در این معادله H  سختی ماده ، Kh ثابت هال پچ ، H0 ثابت معادله و d اندازه دانه است .

استحکام مواد به ریزشدن دانه ها تا یک اندازه ی دانه بحرانی (dc) ، افزایش می یابد . این اندازه ی بحرانی برای اکثر مواد ، بین 10 تا 15 نانومتر گزارش شده است . با ریزتر شدن اندازه ی دانه ، به اصطلاح شیب نمودار هال – پیچ منفی شده و استحکام ماده کاهش می یابد .

به عبارت دیگر با کوچکتر شدن اندازه ی دانه ، زیر 10 نانومتر ، استحکام کاهش می یابد . در واقع بیشترین استحکام و سختی ماده زمانی است که اندازه ی دانه ای حدود 10 تا 15 نانومتر داشته باشد ، علت این رفتار هنوز مورد بحث جوامع علمی است اما می توان گفت در مواد نانوساختار با اندازه دانه ی کمتر از اندازه ی دانه ی بحرانی ، منابع تولید نابجایی عمل نمی کنند و بنابراین مکانیزم حرکت نابجایی ها و تغییر شکل ماده مختل می شود . به علاوه در گزارشاتی اعلام شده که در موادی با این اندازه دانه ، تجمع نابجایی ها دیده نمی شود . در برخی موارد گفته می شود که وقتی اندازه ی دانه از اندازه ی دانه ی بحرانی کمتر شود ، مکانیزم خزشی کوبل و یا لغزش مرز دانه ها در تغییر شکل ماده نقش موثری دارند .

کاترل ، تنش ردیف جلوی نابجایی ها را در مرز دانه تجمع یافته بودند ، محاسبه نمود . وی دریافت طول نابجایی های تجمع یافته ، وابسته به اندازه ی دانه d است . وقتی که تنش تولید شده در اثر تجمع نابجایی ها در دانه مجاور به میزان کافی برای فعال کردن منابع فرانک – رید برسد ، تسلیم در مرز دانه اتفاق می افتد و این تسلیم د رکل ماده رخ می دهد .

با توجه به تئوری کاترل ، در اندازه دانه های بسیار ریز (کمی بیشتر از اندازه دانه ی بحرانی ) برای رسیدن به استحکام تئوری ماده ، نیاز به تجمع تعداد زیادی نابجایی درمرز دانه هاست تا بتوان منابع فرانک رید را در دانه ی مجاور فعال نمود .

نیه و وادس ورث ، استحکام تسلیم تعداد زیادی فلز نانو ساختار را اندازه گیری کردند تا بدین وسیله بتوانند کوچکترین اندازه ی دانه ی لازم برای قرارگیری دو نابجایی را محاسبه کنند . ( حداقل تعداد نابجایی برای ایجاد یک توده ی نابجایی دو عدد است ) . مقدار استحکام در موادی با اندازه ی دانه ی زیر این مقدار بحرانی ، با کاهش بیشتر اندازه ی دانه ، ثابت باقی می ماند و یا حتی کاهش می یابد . این همان اندازه ی دانه ی بحرانی است که به آن اشاره شد . مدل های دیگری نیز برای توضیح رفتار هال – پیچ در مواد گوناگون ارائه شده اند که از اعتبار کمتری برخوردارند .

اثر توزیع اندازه ی دانه در استحکام فلزات نانوساختار در مقالات زیادی اشاره شده است . در تمامی این مقالات فرض شده که برای یک تنش اعمالی مشخص ، همه ی دانه هایی که از اندازه ی بحرانی بزرگتر هستند متحمل تغییرشکل پلاستیک می شوند در حالیکه دانه های کوچکتر در محدوده الاستیک باقی می مانند . نشان دهنده ی منحنی های تنش کرنش برای یک متوسط اندازه دانه ی ثابت ، با توزیع اندازه دانه ی متفاوت است . مشاهده می شود که با کمی تغییر در میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها ، استحکام تسلیم به اندازه 0/2 ./ . تغییر می کند .

قبل از اینکه بتوان مقایسه ای بین اندازه گیری خواص مکانیکی فلزات نانوساختارو پیش بینی های مدل های مختلف داشت ، لازم است اطمینان نمود که داده های آزمایشگاهی به علت حضور معایب موجود در نمونه ، مخدوش نشده باشند . همانطور که در ابتدای فصل اشاره شد بیشتر روش های تولید نمونه های نانوساختار منجر به ایجاد معایب ساختاری در این مواد می شود و همانگونه که در بخش قبل ملاحظه شد میزان توزیع و پراکندگی اندازه ی دانه ها در خواص مکانیکی ماده اثر گذار است و باید در محاسبات آزمایش منظور گردد . فاکتور دیگری که آزمایش های مکانیکی را ممکن است مخدوش کند ، اندازه ی کوچک بیشتر نمونه های نانوساختار است .

در مقالات مختلف راجع به مواد نانوساختار ، چگالی نسبی نمونه بین 70 تا 90./. است . تخلخل هم تاثیر زیادی روی مدول الاستیک و دیگر خواص مکانیکی دارد. بنابراین دانستن چگالی و تعداد حفره ها در آزمایش های خواص مکانیکی نمونه ها مهم است .

در مواد نانوساختار معمولاً 3 نوع تخلخل از نظر اندازه وجود دارد :

1- نرخ رساندن اتم ها به منطقه فوق اشباع که کندانس شدن در آنجا صورت می گیرد .

2-  حفرات با اندازه متوسط در محل تلاقی 3 دانه مجاور هم اندازه این حفرات به اندازه ی ده ها جای خالی شبکه است .

3-  حفرات بزرگ که مربوط به دم وجود دانه ها در مواد نانوساختار است .

با توجه به این دسته بندی ، تخلخل های نوع دو و سه نقش اصلی را در کاهش چگالی مواد نانوساختار دارند. میزان این دو نوع تخلخل وابستگی شدیدی به دمای فشرده سازی و سینترینگ مواد نانوساختار دارد . با افزایش دمای فشرده سازی ، در صد تخلخل های موجود در ماده کاهش یافته و بنابراین چگالی افزایش می یابد . ساختار مرز دانه در مواد نانوساختار به خاطر حضور حفرات و تخلخل ها معمولاً در حالت غیر تعادلی و ناپایدار است . اگر ماده نانوساختار با استفاده ازروش های تغییر شکل پلاستیکی شدید تولید شده باشد ، حاوی تعداد زیادی نابجایی در نزدیکی مرز دانه هاست . شبیه سازی های انجام شده در تغییر شکل نیکل نانوساختار نشان می دهد که بازیابی مرزدانه به وسیله عملیاتی مثل آنیل ، منجر به کاهش پلاستسیته و افزایش استحکام ماده نانوساختار می شود . این در حالی است که د رمواد با اندازه دانه ی بزرگتر عکس این مطلب اتفاق می افتد ، چون دانه ها در این نوع مواد به حالت تعادلی نزدیک تر هستند .

الف – خستگی مواد نانوساختار

همانگونه که ملاحظه شد با کاهش اندازه ی دانه ها به طور کلی استحکام ماده افزایش می یابد . این امر می تواند باعث افزایش حد تحمل خستگی ماده نیز شود . عمر خستگی مواد در بیشتر موارد توسط جوانه زنی ترک در سطح آزاد ماده تعیین می شود . کوچک شدن اندازه دانه ها سبب کاهش میزان پستی و بلندی های اتمی روی سطح ماده شده و سبب تشکیل سطح آزاد صاف تری در ماده می گردد . بنابراین انتظار می رود با کوچکتر شدن اندازه ی دانه ها عمر خستگی و حد تحمل ماده بهبود یابد .البته این امر بیشتر در مورد خستگی با سیکل زیاد صادق است . هرچه اندازه ی دانه کوچکتر شود ، رشد ترک درون ماده کندتر خواهد بود چرا که با کوچک شدن اندازه دانه ها ، مرزدانه ها افزایش یافته و مسیرهای منحرف کننده ترک درون ماده افزایش یافتته و رشد طولی ترک به تاخیر می افتد .

ب- خواص الاستیک فلزات نانوساختار

مطالعات نشان می دهد که مدول الاستیک یا مدول یانگ فلزات نانوساختار کسر کوچکی از مدول الاستیک مواد با اندازه دانه بزرگتر است . محققین گزارش داده اند که مدول یانگ نمونه سربی با اندازه دانه 8 نانومتر حدود 88 گیگاپاسکال است . ( این مقدار برای اندازه دانه ی بزرگ حدود 123 گیگا پاسکال است  ) . البته در برخی مقالات نیز اشاره شده است که خواص الاستیک با کوچک شدن اندازه دانه مواد تغییر زیادی نمی کند . نتایج مطالعات مختلف روی مدول یانگ مواد نانوساختار نشان می دهد که تخلخل های با ابعاد نانومتری فاکتور مهمی در کاهش مقادیر مدول است . بحث در مورد علت این امر بسیار زیاد است اما گفته می شود که این تخلخل ها همانند ترک هایی درون ماده عمل کرده و مدول الاستیک را کاهش می دهند .

در انتهای این بخش و به منظور مقایسه ، برخی از خواص مکانیکی نیکل نانوساختار و نیکل معمولی در جدول (3-1) خلاصه شده است .

 

 

+ نوشته شده در  چهارشنبه یکم اردیبهشت 1389ساعت 15:29  توسط *zahra khani@@@zahra kargar*  | 

مطالب قدیمی‌تر