آشنایی مقدماتی با نانوکپسول‌ها و نانولوله‌ها

در ساخت مواد نانومتری الزاماً لازم نیست هر سه بعد در مقیاس فناوری نانو (۱ تا ۱۰۰ نانومتر) باشند، بلکه گاهی فقط دو بعد (نانو لوله‌ها) یا حتی یک بعد (لایه‌های نانومتری) در مقیاس فناوری نانو قرار دارد.

کپسول‌های نانو دارای قطری با ابعاد نانومتری هستند و می‌توان از آنها به عنوان حامل مواد استفاده کرد. این مواد مانند یک کپسول مواد مورد نظر را در بر گرفته و در شرایط خاص آنها را آزاد می‌کنند. مولکول‌های موسوم به فسفر-لبپید‌ که یک سر آنها آب‌گریز و سر دیگر آنها آب‌دوست است، اگر به شکل یک توپ که غشاء داخلی آن آب‌گریز و بیرون آن آب دوست است تولید شوند، می‌توانند مواد روغنی را در آب حل و تا رسیدن به مقصد درون خود حفاظت کنند.

نانولوله‌های ساختارهای بلند و زنجیره‌ای هستند که قطر سطح مقطع آنها در مقیاس فناوری نانو قرار دارد اما طول آنها الزاما در این مقیاس نیست. به دلیل رشد خواص سطحی به حجمی در مواد نانومتری معمولا استحکام این دسته ساختارها نسبت به حالت توده‌ای آنها بسیار بیشتر است. این مواد را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم‌بندی کرد:

۱. نانو لوله‌های کربنی یا CNTها
۲. نانو لوله‌های نیترید بور
۳. نانو لوله‌های آلی

کاربرد نانو این مواد بسیار متنوع و وسیع است اما در کل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
* به عنوان عامل موثر در تصویربرداری‌های زیستی دقیق
* به عنوان حسگرهای شیمیایی و زیستی بسیار دقیق و با دوام
* به عنوان حامل عامل‌های ژنتیکی به DNA
* از بین بردن باکتری‌ها
* به عنوان افزودنی به مصالح ساختمانی
* در صنایع الکترونیک به عنوان حامل بار و قطعات نیمه‌رسانا
* به عنوان ساختار قطعات حافظه الکترونیکی مغناطیسی مانند کارهای حافظه با ظرفیت بسیار بالا
* پیل‌های سوختی و باطری‌های با دوام و با سرعت شارژ بالا

مقدمه‌ای بر خواص، انواع و کاربردهای کلی نانو ذرات

یک نانو ذره یا نانو پودر کی ذره‌ی بسیار کوچک است که حداقل یک بعد زیر ۱۰۰ نانومتر دارد. در حاضر در زمینه‌ی تولید نانو ذرات حوزه‌های بیوپزشکی، اپتیکی و الکترونیک بیشترین حجم فعالیت تحقیقاتی را دارند.

خواص نانو ذرات
با کاهش سایز ذرات خواص سطحی به حجی آنها افزایش می‌یابد از سوی دیگر با کاهش ابعاد مواد خواص کوانتومی در آنها بروز کرده و رفتاری متفاوت با رفتار مواد معمول از خود نشان می‌دهند. برای مثال سیم مسی را در نظر بگیرید، در حالت عادی بسیار انعطاف پذیر است در حالی که از دیدگاه نانومتری هنگام خم کردن میله، ساختار مس در واحد‌های ۵۰ نانومتری خم شده و اگر ذرات آن را تا زیر ۵۰ نانومتر کوچک کنیم به یکی از مستحکم‌ترین مواد شناخته شده تبدیل می‌شود. یا به عنوان مثالی دیگر بعضی از مواد نانومتری وقتی به زیر ۱۰ نانومتر می‌رسند نسبت به تغییرات دما به شدت حساس شده و خواص نیمه‌هادی از خود بروز نمی‌دهند و نمی‌توان از آنها به عنوان کلید‌های حافظه‌های الکترونیکی مانند SD Ramها استفاده کرد.

ذکر این نکته لازم است که با افزایش خواص سطحی به حجمی، شدت واکنش پذیری مواد بیشتر شده و برای مهار آن باید از تکنیک‌های پیشرفته استفاده کرد.

انواع نانو ذرات
* با توجه به نوع عناصر سازنده، نانو ذرات را می‌توان در انواع فلزی، سرامیکی، پیلیمری و نیمه‌هادی تقسیم کرد.

* از نظر شکل ظاهری نانوذرات را می‌توان در دست‌های نانو کره‌ها، نانومیله‌ها و نانو صفحه‌های موج‌دار دشته‌بندی کرد.

* از دیدگاه فیزیک نیز نانوذرات در دسته‌های نانوخوشه‌ها، نانوبلورها و نقاط کوانتومی جای میگیرند.

کاربرد نانو ذرات

۱. در بیوفناوری به عنوان حامل دارو استفاده می‌شوند
۲. در عکس‌برداری از بخش‌های مختلف بدن به عنوان عامل ایجاد تصویر عمل می‌کنند
۳. به عنوان لایه‌ی ضد ویروس و میکروب در بانداژهای بدون نیاز به تجدید
۴. حرکت در دستگاه گردش خون بدن شناسایی و تجمع در اطراف سلول‌های سرطانی
۵. به عنوان یکی از اجزاء سازنده کامپوزیت‌ها
۶. به عنوان یکی از اجزاء سازنده کامپوزیت‌های طبیعی
۷. کاتالیزورهای ذره‌ای
۸. به عنوان علامت دهنده در نایلون‌های مقاوم در برابر کشش
۹. روکش‌های ضد خش و مقاوم
۱۰. افزودنی سوخت و شستشوی داخل موتورها
۱۱. به عنوان پودرهای سایش بسیار مقاوم و ریز
۱۲. حامل بار الکتریکی در باطری‌ها و پیل‌های سوختی
۱۳. به عنوان عامل بهبود خواص روان کنندهگی در روغن‌ها
۱۴. اکسید شونده و محافظت کننده از سایر مواد
۱۵. آنالیزهای زیستی در پزشکی
۱۶. لوازم آرایش مانند کرم‌های ضد آفتاب
۱۷. تجزیه مواد آلوده و پاکسازی محیط زیست

بررسی مقدماتی رویکرد‌های مختلف ساخت نانو مواد

همگام با توسعه فناوری نانو و رشد روز افزون این فناوری روش‌های ساخت هم تغییر می‌کنند. در حال حاضر روش‌های تولید مواد نانومتری دقیق بسیار اندک هستند و بیشتر روش‌های فعلی از دقت لازم برخورد نیستند. بهترین الگو برای کشف روش‌های مدرن و دقیق تولید مواد نانومتری طبیعت است! طبیعت به عنوان اولین مخترع دنیای نانومتری روش‌های بسیاری دقیقی دارد. روش اول طبیعی «خود آرایی» نام دارد و در آینده‌ای نزدیک بشر هم به این روش مواد جدیدی خلق خواهد کرد. محققان در این حوزه بسیار فعال هستند و قطعاً گره‌ی بسیاری از مشکلات تولید به دست این روش باز خواهد شد.

در روش «خود آرایی» ذرات با دقت بالا روی هم چیده شده و مواد را می‌سازند. در این روش به طور هم زمان می‌توان چند «خود آرایی» را پیش برد. مزایای اصلی «خود آرایی» دقت بالا، ساخت سازه‌های سه بعدی، امکان کنترل فرایند تولید، ایجاد الگوی منظم تکرار شوند در فضا و ...

اما روش‌های معمول تولید نانو ذرات در حال حاضر در دو دسته فیزیکی و شیمیایی زیر تقسیم می‌شوند:

۱. لایه نشانی تبخیر شیمیایی یا CVD (روش فیزیکی): در این روش که انواع مختلفی دارد، یک ماده مانند یک فلز جامد به دلیل شرایطی که در سیستم فراهم شده است تبخیر شده و روی سطح زیر لایه خوشه‌های نانومتری ایجاد می‌کند. در نهایت یک لایه روی زیر لایه ایجاد می‌شود که از مواد نانومتری ایجاد شده است.

۲. سنتز شیمیایی یا سل ژن (روش شیمیایی): در این روش نانو ذرات در یک محیط مایع (محلول) تشکیل می‌شوند. محلول شامل انواع واکنشگر هاست و با تایین حجم مواد وروی به واکنش می‌توان قطر ذرات و نوع نانومواد را تعیین کرد. در واقع با ورود مواد اولیه، واکنش شروع شده و با تشکر نانو ذرات و اتمام مواد اولیه متوقف می‌شود. معمولا به دلیل سایز بسیار کوچک محصولات واکنش، نانو ذرات به صورت ذرات کلوییدی در محلول باقی می‌مانند. عوامل بسیاری چون دمای محیط، pH و بسیار دیگر از فاکتورها بر کیفیت محصول موثر هستند.

مقدمه‌ای بر فناوری نانو

معنای فناوری نانو به طور ساده عبارت است از: «بررسی و مرتب کردن ساختار ماده در مقیاس ۱ تا ۱۰۰ نانومتر». ۱ تا ۱۰۰ نانومتر بسیار کوچکتر از طولی است که چشم انسان می‌تواند ببیند (۱۰ میکرومتر)، از اینرو چشم انسان قادر به مشاهده آنها نیست. رفتار مواد نانومتری به دلیل رشد خواص سطحی به حجمی با مواد توده‌ای متفاوت است و این امر موجب ناشناخته و جدید بودن این حوزه علم برای بشر شده است.

فناوری نانو یکی از مدرن‌ترین حوره‌های علم است و هدف اصلی آن بهبود و ارتقاع سطح کیفیت بشر است. قطعاً حل بسیاری از مشکلات امروز بشر به پیشرفت فناوری نانو گره خورده است.

فناوری نانو در حوزه‌های بسیاری فعالیت دارد البته در حال حاضر فعال‌ترین بخش‌های آن در صنایع مرتبط با بیوپزشکی، اپتیک و الکترونیک است.

فناوری نانو کاربردهای وسیعی دارد برای مثال اگر سطح شیشه‌ی اتومبیل را با لایه‌ای از مواد نانومتری که مرتب کنار هم چیده شده‌اند بپوشانیم، دیگر گرد و غبار و قطره‌های آب به حفره‌های نانومتری سطح شیشه گیر نمی‌کنند و سطح آن همواره روان و تمیز خواهند ماند. از سوی دیگر به دلیل ابعاد بسیار کوچک این ذرات از نگاه انسان هیچ لایه‌ی کِدِری روی شیشه نیست و کاملاً شفاف به نظر می‌رسد.

با به عنوان مثالی دیگر از فناوری نانو می‌توان در صنایع نساجی استفاده کرد و لباس‌هایی تولید کرد که با توجه به دمای محیط خود را تنظیم کرده و بدن را خنک و گرم می‌کنند و خاک و آلودگی روی آنها نمی‌چسبد. اگر بتوان بر مقیاس اتمی و مولکولی تسلط یافت، می‌توان به تمام این آرزوها رسید.

البته استفاده از فناوری نانو در زندگی انسان امری جدید نیست و ساخت صفحه‌های نمایش سطح و رایانه‌ی همراه و بسیار دیگر از وسایل به کمک فناوری نانو از حدود ۲۰ سال پیش مهیا شده است.

ذره نانومتری درواقع یک توده از اتم‌ها و مولکول‌ها است که حداقل یک بعد آن زیر ۱۰۰ طول دارد.