وبلاگ

ای بر نانو فناوری
فناوری نانو از نظر لغوی به معنای هرگونه فناوری‌ای است كه در مقیاس نانو قابل اجرا بوده و برای رفع نیازهای جهان واقعی به كار رود. این فناوری در برگیرنده تولید و كاربرد سیستمهای فیزیكی، شیمیایی و بیولوژیكی- در محدوده وسیعی از اندازه‌ اتمهای جداگانه یا مولكولها گرفته تا ابعاد زیر مولكولی- و همچنین تركیب سازه‌های ساده و تولید سازه‌های پیچیده‌تر می‌باشد.
نخستین بار در 29 دسامبر سال 1959 ریچارد فینمن1 برنده جایزه نوبل در نطق مشهورش تحت عنوان “آن پائین فضای بسیاری وجود دارد” در موسسه فناوری كالیفرنیا2 در نشست سالانه انجمن فیزیک آمریكا در مورد این انقلاب و فناوری نوین سخنرانی كرد. وی سالها پیش از اینكه میكروچیپها اختراع شوند به تشریح فناوریی پرداخت كه در آن می‌توان اجزایی با ابعاد مینیاتوری بسیار كوچك ایجاد كرد. او با این ایده كه می‌توان در ابعاد بسیار كوچك هم سازه‌هایی را به صورت اتم به اتم و یا مولكول به مولكول ساخت. تحقیقات و اكتشافاتی كه در زمینه تولید نانو ذرات از دهه هشتاد میلادی به بعد انجام شده، ادعاهای وی را تایید می‌كند[1].
یک سال بعد در سال 1960 ‏ راجر بیکن1 به تشریح خصوصیات نانو لوله پرداخت. تا اینکه در سال 1985 ریچارد اسمالی2 ساختار باکی بال را به کمک لیزر ساخت. یادآوری می‌شود که کربن خالص در ساختارهای گوناگونی ظاهر می‌شود که عبارتند از: ساختار الماس‌گونه3، به صورت صفحه‌ای از اتمهای کربن با فواصل معین4 ، به صورت کروی5 (با‏کی بال یا ساختار C60 ) ، ‏به صورت نانو لوله تک جداره6 یا چند جداره7، و به صورت رشته‌ای و دسته‌ای از نانو لوله‌ها در ‏کنار هم8 [1,2] .
‏در سال 1990 ‏در موسسه‌ی تحقیقاتی ماکس پلانک به وسیله تخلیه قوس الکتریکی، باکی بال ساخته شد و سرانجام در سال 1991 ‏سومیا ایجیما9 در موسسه NEC نانو لوله چند جداره را کشف کرد و آغازگر انقلاب فناوری نانو شد. ساخت نانو لوله‌های تک جداره مشکلتر از چند جداره است به همین دلیل این مساله از زمان کشف و تولید نانو لوله‌های چند جداره دو سال طول کشید تا اینکه در سال 1993 با همکاری دو موسسه IBM و NEC نانو لوله تک جداره ساخته شد. 
خصوصیات الکتریکی، مکانیکی، نوری، مغناطیسی، شیمیایی، کاتالیستی و بیولوژیکی هر یک، از نقاط قابل تأمل در این فناوری نوین است .
‏در بسیاری از موارد مایل هستیم رفتار مواد را در مقیاس نانو پیش بینی کنیم اما در این مسیر مشکلاتی وجود دارد. یکی از مشکلات تغییر خواص فیزیکی و در نتیجه تغییر قوانین فیزیکی است، چرا که در مقیاس اتمی کاربرد قوانین فیزیکی نیوتونی نتایج دقیقی را به دست نمی دهد و بایستی از قوانین فیزیک مولکولی یا فیزیک کوانتومی برای توجیه پدیده‌هایی که در این مقیاس روی می دهد استفاده کرد. به علاوه در این مقیاس دیگر نمی‌توان مواد و ساختار آنان را پیوسته فرض کرد. از آنجایی که فرمولها و روابط فیزیک مولکولی بسیار پیچیده‌اند و علاوه بر آن زمان محاسبه بسیاری طلب می‌کنند و به اصطلاح گران تمام می شوند، در سالهای اخیر روند حرکت به سمت استفاده از روابط موجود در مهندسی برای بررسی رفتار نانو سازه‌ها با در نظر گرفتن این نکته است که این روابط از نظر کیفی در بسیاری موارد مسیر فرایند را به خوبی توصیف می کنند؟ اما با توجه به اینکه دقت استفاده از این روابط به اندازه دقت قوانین دقیق فیزیک مولکولی برای توجیه پدیده‌ها و محاسبه کمی متغیرها نیست مسلماً خطاهایی وجود دارد که ممکن است حتی صحت نتایج را زیر سوال ببرند، اما برای حل این مساله می‌توان در برخی موارد روابط موجود را تصحیح کرد تا به واقعیت نزدیکتر باشند. البته حتی در مورد دقت کاربرد قوانین فیزیک مولکولی- که هر یک توصیف ریاضی مدل فیزیکی برای توجیه رفتار ذرات در مقیاس بسیار ریز است- تا زمانی که آزمایشهای عملی و دقیق انجام نشوند نمی‌توان اظهار نظر کرد.

‏مساله دیگری که وجود دارد این است که ما در علوم مهندسی کنونی در بسیاری از موارد به تفکیک پدیده‌ها ‏پرداخته و جداگانه پیرامون هر یک به بحث می پردازیم و برای ساده‌سازی روابط در بسیاری از موارد از اثر متغیرها و پدیده‌هایی که به گمان ما تأثیر چندانی بر روی پدیده مورد نظر ندارند چشم می پوشیم، در حالیکه این جداسازی در مقیاس نانو چندان امکان پذیر و درست نیست چرا که نتایج را به کلی تغییر می‌دهد به عبارت دقیقتر در این مقیاس بسیار ریز، غالباً خصوصیات مختلف روی هم تاثیر می‌گذارند و همین مساله ضرورت ایجاد دانشهای جدید، روابط دقیقتر و مدلسازی هوشمندانه‌تر از فرایندهای مورد نظر را ایجاب می کند.
با توجه به مطالبی که تاکنون بیان شد، در اینجا لزوم ارتباط میان مقیاسهای نانو تا میکرو و همچنین میکرو تا ماکرو مطرح می شود. همچنین لزوم ساخت دستگاه های منحصر بفردی برای اندازه‌گیری نیروهایی در اندازه پیکونیوتن و دیدن و محاسبه روی موادی به ابعاد نانومتر به خوبی احساس می‌شود. در ادامه به شرح مختصری از روش های تولید و کاربردهای نانو پرداخته خواهد شد.
3-1- دسته بندی و روش های معمول تولید نانو مواد
از زمان کشف نانو لوله‌های کربنی در سال 1991 ‏پیشرفت زیادی در جهت تولید و کاربرد این مواد حاصل شده که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
‏ – مواد:
‏جدا سازی شیمیایی و بیولوژیکی، خالص سازی مواد و ‏کاتالسیت‌ها
ذخیره سازهای انرژی نظیر ذخیره سازهای هیدروژن، پیلهای ‏سوختی و باتریهای لیتیومی
مواد کامپوزیتی جهت پوشش دادن، پرکردن و نیز به عنوان ‏مواد تشکیل دهنده سازه ها
– وسایل
پرابها، سنسورها و عملگرها برای تصویر برداری، حس کردن و ‏دستکاری ذرات در مقیاس مولکولی
ترانزیستورها، حافظه‌های رایانه‌ها و دیگر وسایل نانو الکترونیک
وسایل نانو الکترونیکی که در خلأ کار می‌کنند نظیر ‏صفحه‌های نمایش تخت.
از مزایای این نانو ساختارها می‌توان به اندازه‌ی کوچک، مصرف کم انرژی، وزن کم و عملکرد فوق العاده خوب اشاره کرد.
‏مهمترین گروه‌های نانو مواد عبارتند از: فیلمهای نازک، نانو کامپوزیتها، نانو خوشه‌ها،  نانو لوله‌ها و نانو ذرات. فیلمهای نازک معمولاً فلزی یا سرامیکی هستند و معمولاً خود از نانو ذرات به شکل رسوب شده به دست آمده و به منظور محافظت و افزایش کارایی سطوح به کار می‌روند.
بررسی خواص الکتریکی و حرارتی این نانو لایه‌ها از زمینه‌های مهم تحقیقاتی در این دسته از مواد است. نانو پوشش‌ها از زمینه‌های مهم عملی در زمینه‌ی کاربرد فناوری نانو می‌باشد که در انواع صنایع مثل اتومبیل، رنگرزی، لوازم خانگی، صنایع الکترونیکی، انرژی، محیط زیست، نظامی و… کاربرد دارد. در این عرصه سعی بر ساختن نوعی روکش برای تقویت سطوح مختلف، جلوگیری از هدر رفتن گرما و جذب و بازتابش پرتوهای ناشی از تشعشع می‌باشد . کاربردهای مهم آن امروزه در صنایع حفاری، نفت و گاز و صنایع هوایی می باشد.
‏کشف و مشاهده نانو خوشه‌ها یا نانو کریستالها به دهه نود بر می‌گردد. دانشمندان مشاهده کردند که اتمهای گازی به شکل خوشه‌هایی با اندازه‌های آنگستروم روی سطوح به همدیگر می‌چسبند. مهمترین خواص این مواد اثر چسبندگی آنها به یکدیگر است که در مقیاس ‏ریز اهمیت این مساله بیشتر است. از کاربردهای ساخت آنها ساخت نانو بلورهاست که سازگار با محیط زیست هستند.
مطالعه رفتار نانو لوله‌ها به همراه نانو سیم‌ها و نانو میله‌ها از مهمترین بخشهای فناوری نانو است که به دلیل خواص فوق العاده‌ی مکانیکی، الکتریکی و حرارتی توجه ویژه‌ای را به خود معطوف داشته‌اند.
‏امروزه می‌توان کاربرد نانو ذرات را در صیقل دهنده‌ها، رنگها، کاشیها، صفحات خورشیدی و انواع چسبها دید. هدف در این پایان نامه بررسی روابط حاکم بر نانو لوله‌های یک و دو جداره است که البته قابل تعمیم به نانو لوله‌های چند جداره نیز می‌باشد. بنابراین قبل از پرداختن به روابط آن در بخشهای بعدی، ابتدا اندکی به ویژگیها و نظریه‌هایی که در مورد تشکیل نانو لوله ها مطرح شده خواهیم پرداخت.
‏نانو لوله‌های تک جداره معمولاً قطری بین 1 ‏تا 5/1 ‏نانومتر و نانو لوله‌های چند جداره قطری بین 5 ‏تا 30 ‏نانومتر دارند. طول نانو لوله‌ها نیز بین 10 ‏نانومتر تا 10 ‏میکرومتر متغیر است (نسبت طول به قطر آنان می‌تواند بسیار زیاد باشد). سه روش مرسوم برای سنتز و ساختن نانو لوله‌ها وجود دارد که عبارتند از:
– روش تخلیه قوس الکتریکی 
– تابش لیزری
– رسوب شیمیایی در فاز بخار
در روش تخلیه قوس الکتریکی، جریان زیادی از میان دو الکترود گرافیتی مخالف داخل یک گاز بی اثر مثل هلیم عبور می‌کند، که در نتیجه اتمهای کربن از آند تبخیر می‌شود و روی کاتد شروع به رشد می‌کند. از آنجایی که این رشد کنترل شده نیست، می‌تواند نامنظم باشد بنابراین این روش در عمل زیاد به کار برده نمی شود زیرا “نظم در آرایش” از نکات بسیار مهم در فرایند تولید نانو مواد می‌باشد.
روش تابش لیزر نیز مشابه قوس الکتریکی است. در اثر تابش لیزر خوشه‌های کربنی جدا شده از این نمونه را در کوره و دماهای بسیار بالا حرارت می‌دهند. سپس در معرض گاز خنثی قرار می‌دهند تا در قسمت خنکتر محفظه نانو لوله ایجاد شود که این روش طولانی و پرهزینه می‌باشد.
‏روش رسوب شیمیایی در فاز بخار (CVD) معمولاً بهترین و به صرفه‌ترین روش برای تولید نانو لوله کامل و بی نقص است. در این روش یک هیدروکربن ( معمولاً متان) را در دمای 500 ‏تا 1000 ‏درجه سانتیگراد و در حضور یک کاتالیست حاوی فلزات واسطه، تجزیه حرارتی می‌کنند. اگرچه در این روش دما و مصرف انرژی بالاست اما به دلیل دقت بالاتر و صرفه اقتصادی بهتر (بازده بالاتر)، روشی معمول می باشد.