همانطور که از اسم نانوتکنولوژی پیداست، علمی است که به ذرات میپردازند و در عصر ما اهمیت اتم ها و ذرات که پایه های اصلی و تشکلیل دهنده ویژگی چیزها هستند از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند.
در این مقاله میخواهیم به بررسی کوتاه و ساده مفهوم “نانومواد” بپردازیم و بفهمیم که در درون ذرات چه میگذرد و مواد چگونه به نانومواد تبدیل میشوند.

نانومواد:

نانومواد به موادی اطلاق میشود که حداقل یکی از ابعاد ماده(طول، عرض، ارتفاع) به اندازه نانومتر( بین 1 تا 100 نانومتر) باشد.

اما چه اتفاقی در مواد می افتد وقتی که ما حداقل یکی از ابعاد ماده را به اندازه نانومتر کوچک میکنیم؟
برای درک چرایی این اتفاق ما بطور کل با سه مفهوم اساسی سطح، حجم و اتم روبرو هستیم.
در ترکیبات و تغییرات شیمیایی که در نتیجه باعث تغییر خواص ماده میشود، اتفاق از سطح ماده رخ میدهد. به عنوان مثال اکسایش یک آلومینوم یا آهن در سطح اتفاق میافتد.
با توجه به تعریف بالا، ما میتوانیم بگوییم که با افزایش سطح یک ماده، دسترسی ما به تغییر و واکنش تعداد اتم ها افزایش می یابد. در نتیجه ما میتوانیم با تغییر آرایش این اتم ها خواص ماده را تغییر دهیم و در کاربردهای گوناگونی از آنها بهره ببریم.

برای یک مثال ساده در مورد نسبت سطح به حجم میتوانیم به سوزاندن تنه درخت یا خرد کردن آن تنه به قسمت های ریزتر(که باعث میشود حجم کلی درخت همان باشد اما مساحت آن در خرد شدن افزایش یابد) اشاره کنیم.
وقتی بخواهیم تنه کامل یک درخت را آتش بزنیم (که یک کنش شیمیایی است) چون این واکنش فقط از سطح تنه صورت میگیرد با سرعت آهسته ای، حجم کلی تنه میسوزد.
اما اگر تنه درخت را به قسمت های کوچکی تقسیم کنیم، حجم تنه به نسبت قبل یکسان است اما سطح آن افزایش یافته و در نهایت با سرعت بیشتری عمل سوختن صورت میگیرد. همچنین اگر این قسمت های کوچک را به خاک اره تبدیل کنیم مشاهده میکنیم که بخاطر سطح بالایی که به نسبت حجم بوجود می آوریم عمل سوختن به شدت سریع تر اتفاق می افتد.
پس ما مواد را تا ابعاد نانو متر کوچک میکنیم تا با افزایش سطوح، دسترسی نزدیکتری به اتم ها داشته و با تغییرات آنها، خواص ماده را بهبود ببخشیم.
لازم به ذکر است نوع دیگری از مواد وجود دارند که لازم نیست آنها به مقیاس نانو برسند تا جزء نانو مواد به حساب آیند ، فقط کافی که با کوچک کردن ابعاد آنها (بدون اینکه به حد نانو، ریز شوند) بتوانیم تغییراتی در خواص آنها به وجود آوریم که به آنها نیز نانو مواد میگوییم.
در مثال پایین مشاهده میکنیم که اگر یک مکعب را به مکعب های ریز تر تبدیل کنیم از سطوح بیشتری برای واکنش و تغییرهای اتم های آن برخورداریم.

دسته بندی نانو مواد:

دسته بندی های متنوعی در نانومواد وجود دارد که مهم ترین آنها دسته بندی بر اساس ابعاد نانویی آنهاست.
همانطور که آشنایی دارید هر ماده در فضا دارای سه بعد طول،عرض و ارتفاع است. اگر حداقل یکی از این ابعاد تا مقیاس نانو کوچک شده باشد به آن ماده نانوساختار میگویند و بعدی که در مقیاس نانو نیست را بعد آزاد میگوییم.
بطور کلی این دسته بندی ها صفربعدی، یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی هستند که از لحاظ کاربرد و خواص کاملاً با یکدیگر تفاوت دارند.

در ادامه به جزییات هرکدام خواهیم پرداخت.
لازم به ذکر است عمل تبدیل مواد یا تبدیل آنها به نانومواد تک بعدی، دوبعدی و … را سنتز میگوییم.

نانومواد صفربعدی (Fullerene 0D):

نانو مواد صفربعدی که عمدتاً به نانوذرات(Nano Particle) معروف اند، در همه ابعاد خود (طول، عرض، ارتفاع) به اندازه نانومتر کوچک شده اند و هیچ بعد آزادی ندارند.
این نانوذرات که به شکل طبیعی یا مهندسی شده در اشکال کروی، استوانه ای، لوله ای،توخالی یا مکعبی … وجود دارند، عمدتاً به شکل کروی هستند. همچنین این ذرات میتوانند خالص و تک جزیی و یا تشکیل و ترکیب شده از چند جز باشند.
یکی دیگر از خصیصه های مهم نانوذرات، سنتز آسانتر آنها به نسبت سایر دسته بندی های نانوذرات است که به همین دلیل به صورت انبوه تولید میشوند.
کاربردهای این نانو ساختارها:
صنعت اتومبیل: ضدخش کردن بدنه، لاستیک های مستحکم، ضد بخار کردن شیشه و…
پزشکی:تشخیص علائم بیماری، داروسازی، دارورسانی و…
نظامی، ورزشی،الکترونیک و…

نانو ساختار های تک بعدی (Carbon NanoTube (1D:

دو شکل از نانومواد وجود دارند که به آنها ساختار تک بعد میگویند. موادی که دوبعد آنها اندازه نانومقیاس اند و بعد دیگر، آزاد است. و دسته بعدی به موادی که هر سه بعد در مقیاس نانو باشند اما یکی از بعدها بزرگتر از دو بعد دیگر باشد. به همین دلیل ساختارعمده شکل آنها به صورت استوانه است که به اسامی مختلفی مانند نانولوله، نانو میله، نانوسیم و نانوالیاف میباشند. مهمترین مصرف این نوع ساختارها در صنایع حسگرهای زیستی و شیمیایی و همچنین در صنعت الکترونیک میباشد که هدایتگرهای خوبی در راستای سیم میباشند.
از کاربرد و خواص دیگر آنها میتوان به خواص نوری و لیزی و انواع حسگرها و همچنین خاصیت پایدرای و انتقال حرارت و… نام برد.
اما این مواد به دلیل ساختاری که دارند ازعمل سنتز سختی برخورداند و به نسبت نانوذرات چندان توجیه اقتصادی ندارند اما به دلیل خواص منحصر خود در موارد خاصی استفاده و تولید میشوند.

نانو ساختار دوبعدی (Graphene 2D) :

این نوع از نانو ساختارها دارای دوبعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو هستند. همین خاصیت باعث شده که آنها در اشکال صفحه مانند و تخت به خود فرم بگیرند و به عنوان لایه های نازک و پوشش کاربرد داشته باشند.
این نوع لایه ها که به دلیل نازک بودن خود ظاهر بدی ندارند، در کاربردهای مختلف مانند بسته بندی و یا ایجاد لایه های پوششی مانند ضد آب و غیره کاربرد فراوانی دارند.
این لایه های نازک که در چندین سال اخیر کابردهای گوناگونی در زمینه های مختلف مانند الکترونیک شیمی و فیزیک دارند میتوانند به شکل خالص و یا ترکیبی از چند جز باشند.

نانو مواد سه بعدی (Ghraphite 3D) :

این نانومواد در هر سه بعد آزاد هستند. اما شاید سوالی برای شما پیش بیاید که ” پس چطور جز نانومواد حساب میشوند؟”
این اسم به نانومواد کامپوزیتی اطلاق میشود که با ترکیب چند جز مختلف که حداقل یکی از این اجزا ساختار نانویی دارند اطلاق میشود.
و همانطور که گفته شد در نانوکامپوزیت ها کاربردهای فراوانی دارند.