نانو پودرها

نانوفناوری را هم از نظر شاخه های علمی و فنی آن و هم از نظر کاربردهای صنعتی می توان دسته بندی نمود. برخی از شاخه های علمی و فنی آن عبارتند از :

الف) نانوپودر

ب) نانوسرامیک

ج)  نانوالکتریک

د) نانوپزشکی

ه) نانوزیست فناوری

که در این مقاله به توصیف و بیان کاربردهای نانوپودرها می پردازیم.

تعریف

پودرها ذرات ریزی هستند که از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، یا تهنشین شدن ذرات جامدِ معلق در محلولها به دست میآیند. بنابراین، نانوپودرها را میتوان مجموعهی از ذرات دانست که اندازهی آنها کمتر از 100 نانومتر است. طور کلی نانوپودرها را نیز مانند دیگر موادّ نانومتری می‌توان به دو روش پایین به بالا یا بالا به پایین تولید کرد. در روش بالا به پایین قطعه را از اندازه‌های بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد می‌کنیم تا به اندازه‌های نانومتری برسد. در روش پایین به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه کنار هم می‌چینیم تا یک ساختار نانومتری به وجود آید.

 به چه پودری نانوپودر می گوییم؟

پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آیند:

-حالت اول: ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.

یعنی اگر ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشکال منظم هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترین اشکال هندسی، کُره و مکعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر را کُره فرض کنیم، باید قطر کُره کمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مکعب فرض شود، میانگین اضلاع مکعب باید در محدوده‌ی 1تا 100 نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابی‌تر، میانگین اضلاع مکعب باید در این رابطه صدق کند: برای مثال، بلورهای نمک طعام ساختاری مکعب‌شکل دارند.

 یادآوری: اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهنده پودر، ابعادی میان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

-حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهنده پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.

در حالتی که اندازه‌ی ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد، کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هایی که آنها را "دانه" می‌نامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری جامد نیز از سلول‌های ریزی تشکیل شده‌اند که به آنها دانه می‌گویند. درون هر دانه، اتم‌ها در یک جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو دانه مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست. در دانه‌ی 1، اتم‌ها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی 45 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی 2اتم‌ها با زاویه‌ی 90درجه و در دانه‌ی 3اتم‌ها با زاویه‌ی 120 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. وقتی این سه دانه در کنار یکدیگر قرار بگیرند، یک ذره تشکیل می‌شود. به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه محلی است که جهت چیده شدن اتم‌ها عوض می‌شود. همچنین دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهای یک دیوار فرض کرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین 1تا 100نانومتر باشد، ذرات حاصل تشکیل نانوپودر می‌دهند. هر چه قطر دانه‌های یک ذره کمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود (واضح است که هر چه آجرهای تشکیل‌دهنده‌ی یک دیوار 1 متر در 1 متر کوچکتر باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود، مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محکمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین استحکام محصول بیشتر خواهد بود.

یادآوری: اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.

در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» می‌نامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای کامپوزیت، کاه‌گل است. در کاه‌گل رشته‌های کاه در زمینه‌ی گِل پراکنده شده‌اند. در نانوپودرهای کامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراکنده شده‌اند. علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌کند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد.

کاربردهای نانوپودرها

1. پوشش‌دهی

یکی از مهمترین کاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهی» است. وقتی مقداری پودر روی یک سطح ریخته می‌شود، می‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمین پودر گچ بپاشیم، تمام سطح پوشیده می‌شود و یک سطح یکدست سفید به وجود می‌آید. اما در این حالت هنوز فضاهای خیلی ریزی بین پودرها وجود دارد، یعنی پوشش یکپارچه نیست. اکنون مقداری آب به گچ اضافه می‌کنیم و صبر می‌کنیم تا آب توسط حرارت خشک شود. می‌بینیم که ذرات پودر به هم چسبیده‌اند و یک پوشش یکدست بر روی سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهی توسط نانوپودرها نیز دقیقاً همین است، یعنی پودرها را(عمدتاً باشدت )به سطح می‌پاشند و بعد توسط یک عامل اضافه‌شونده (عمدتاً گازهای اکسیژن یا آرگون که همان نقش آب را در مثال گچ بازی می‌کنند ) و حرارت، این ذرات را به هم می‌چسبانند تا یک پوشش یکپارچه بر روی سطح ایجاد شود. پوشش روی داشبورد ماشین دقیقاً به این روش تولید می‌شود.

2. ساخت قطعات

همان‌طور که دیدیم، ذراتِ پودر میل زیادی دارند که مانند بُراده‌های آهنربا به هم بچسبند. از طرفی این میل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ی حرارت به‌شدت افزایش می‌یابد، و بنابراین، با اِعمال فشار و افزایش درجه‌ی حرارت می‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و یک قطعه را تولید کنند. این روش عمدتاً برای تولید قطعات با شکل‌های پیچیده به کار می‌رود. (این پدیده به طور طبیعی در نمک طعام اتفاق می‌افتد. اگر مقداری نمک طعام در داخل یک نمکدان باقی بماند، بعد از مدتی ذرات نمک به هم می‌چسبند و نمکدان دیگر نمک نمی‌پاشد. بنابراین، باید به نمکدان چند ضربه وارد کنیم تا ذرات از همدیگر جدا شوند.)

3. استفاده در کِرِم‌ها

همان‌طور که می‌دانیم، نانوپودرها ذراتی با قطر یک تا 100 نانومتر هستند. وقتی از این ذرات در ساخت کِرِم استفاده می‌شود، چون قطر آنها کوچک است، اشعه‌های مُضرّ نور خورشید را که طول موج‌های بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمی‌دهند. این در حالی است که اشعه‌های نور مرئی را که موجب دیده شدن قطعات‌اند از خود عبور می‌دهند. بنابراین، به صورت شفاف دیده می‌شوند. در این حالت ما کِرِمی داریم که شفاف است و اشعه‌های مُضرّ را از خود عبور نمی‌دهد.

4. شناسایی آلودگی ها

ذراتی که نانوپودرها را تشکیل می‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحی خود، وقتی به یک محلول حاوی آلودگی (مثل باکتری، سلول سرطان زا و...) اضافه می‌شوند، روی آلودگی‌ها می‌چسبند و در اثر واکنش با آنها تغییر رنگ می‌دهند و باعث شناسایی آنها می‌شوند. البته هر ذره کوچکتر از آن است که تغییر رنگِ حاصل از آن دیده شود، اما تغییر رنگِ مجموعه‌ی این ذرات، آلودگی‌ها را قابل تشخیص و شناسایی می‌کند.

در فیلم زیر که به عنوان مثالی از کاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سیلیکون در محلول، قطرات روغن را شناسایی می‌کنند و با نفوذ مقداری از مایع به داخل حفره‌های آنها، تغییر رنگ می‌دهند و هدف را قابل تشخیص می‌نمایند.

بخش دانش و فناوری سایت تبیان

http://www.tebyan.net/science_technology/nanotechnology/2008/1/20/58565.html