سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017

نانو ساختارها - جلسه اول

در این پروژه با نانو تکنولوژی، کاربردهای آن و انواع نانوساختارها آشنا می شویم. دو گروه بزرگ نانوساختارها یعنی نانوساختارهای متخلخل و غیر متخلخل را مورد مطالعه قرار داده و با روش های سنتز آن ها، کاربرد آن ها و هم چنین انواع واکنش های آن ها مثل عاملدار شدن و ... ، آشنا می شویم.
عکس نویسنده
عکس نویسنده
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
نانو ساختارها - جلسه اول
عنوان:
نانو ساختار سیلیکاتی

خلاصه پروژه: در این پروژه با نانو تکنولوژی، کاربردهای آن و انواع نانوساختارها آشنا میشویم. دو گروه بزرگ نانوساختارها یعنی نانوساختارهای متخلخل و غیر متخلخل را مورد مطالعه قرار داده و با روش های سنتز آن ها، کاربرد آن ها و هم چنین انواع واکنش های آن ها مثل عاملدار شدن و ... ، آشنا می شویم.

اهداف جلسه:
·‏آشنایی با نانو تکنولوژی
·آشنایی با نانو ساختارهای سیلیکاتی
·آشنایی با مواد متخلخل

وسایل مورد نیاز:
. دسترسی به اینترنت
· آب
· اسید ‏کلریدریک ‏
· پلورونیک ‏
· تترااتیل ارتوسیلیکات ‏
· اتوکلاو

مقدمه:
از آنجا که در دنیای مدرن امروز تمایل به استفاده از سیستم های هرچه کوچک تر و در عین حال کاراتر رو به فزونی است، تحقیقات در حیطه علوم و فناوری نانو از پر رونق ترین حوزه­ هایی است که دانشمندان شاخه ­های مختلف علمی از جمله شیمی را به سمت خود جلب کرده است. نانو فناوری عبارت است از: تحقیق و توسعه در باب سنتز، ساخت و کنترل ابزارها و سیستم­ هایی که به دلیل دارا بودن اندازه­ هایی در مقیاس طول 1 تا 100 نانومتر (در سطح اتمی، مولکولی یا ماکرومولکولی[Macromolecular]) دارای خواص و کاربردهای ویژه­ای می­ باشند.

نانو ساختارها
نانوساختارها به دو صورت بدون حفره (غیرمتخلخل)[Nonporous] و یا با حفرات باز (متخلخل)[Porous] وجود دارند. در این زمینه ترکیبات غیر متخلخل کمتر مورد توجه قرار گرفته ­­اند.
برخلاف ترکیبات غیر متخلخل که کمتر به آن­ ها توجه شده، طی سال ­های گذشته ترکیبات متخلخل مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته ­اند.

بر اساس تعریف آیوپاک ‏ مواد متخلخل با توجه به اندازه قطر حفراتشان در سه دسته کلی زیر قرار می گیرند‎ ‎. ‏
• میکرومتخلخل ها ‏ با اندازه قطر حفره کمتر از 2 نانومتر
• مزومتخلخل ها ‏ با اندازه قطر حفرات بین 2 تا 50 نانومتر
• ماکرومتخلخل ها ‏ با اندازه قطر حفرات بیش از 50 نانومتر

نانو ساختارهای سیلیکاتی
در این میان، مواد متخلخل[Mesoporous] سیلیکاتی به عنوان زیر مجموعه­ ای از مواد نانو ساختار، با داشتن حفراتی در مقیاس 2 تا50 نانومتر و مساحت سطح درونی بسیار بالا، قابلیت بسیار زیادی در جذب و برهمکنش با اتم­ ها، مولکول­ ها و یون ­ها داشته و اهمیت زیادی از لحاظ تئوری و کاربردی پیدا کرده­اند. از آنجا که ساختار سیلیکا خنثی است، سطح آن را با گونه­ های اسیدی، بازی و یا عناصر واسطه اصلاح می­ کنند تا به خواص مورد نظر دست یابند. سیلیکاهای اصلاح شده كاربردهای مختلفی در صنایع شیمیایی به عنوان حامل ­های دارویی، كاتالیزگر و حسگرهای الکتروشیمیایی دارا هستند.

نانو ساختارها - جلسه اول

نانو تکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر می­شود. از همین تعریف ساده برمی­آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. از آنجا که در دنیای مدرن امروز تمایل به استفاده از سیستم­ های هرچه کوچک تر و در عین حال کاراتر رو به فزونی است، تحقیقات در حیطه علوم و فناوری نانو از پر رونق ترین حوزه­ هایی است که دانشمندان شاخه­ های مختلف علمی از جمله شیمی را به سمت خود جلب کرده است. نانوتکنولوژی عبارت است از: تحقیق و توسعه در باب سنتز، ساخت و کنترل ابزارها و سیستم­هایی که به دلیل دارا بودن اندازه ­هایی در مقیاس طول 1 تا 100 نانومتر (در سطح اتمی، مولکولی یا ماکرومولکولی[Macromolecular]) دارای خواص و کاربردهای ویژه ­ای می­ باشند.
چه موادی نانومواد یا نانوساختار شمرده میشوند؟ همان طور که می دانید هر ماده ای از سه بعد تشکیل شده است. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس نانو باشد (بین 1 تا 100 نانومتر) به این ماده، یک مـاده نانوساختـار گفتـه مـی شود. هم چنین به بعدی کـه در مقیـاس نانو نباشد اصطلاحا بعـد آزاد گفته می شود، زیرا هر مقداری می تواند داشته باشد. . 

طبقه‌بندی انواع نانو ساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد
انواع نانو ساختارها (با رنگ نارنجی) نشان داده شده است. نانوساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد به دسته‌های زیر تقسیم می شوند: 
نانو ساختارها - جلسه اول


نانومواد صفر بعدی
موادی که در هر سه بعد دارای اندازه نانومتری می باشند و هیچ بعد آزادی ندارند. بر اساس برخی دسته‌بندی‌ها به این دسته از نانوساختارها، نانو ذرات نیز گفته می شود. عوامل تاثیرگذار بر خواص نانو  ذرات، اندازه و جنس ذرات هستند. نانوذرات کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف مانند اتومبیل (ضد خش کردن بدنه، ضد بخار کردن شیشه ها، لاستیک های مقاوم و...)، پزشکی (ساخت دارو های جدید، تشخیص علایم بیماری ها و ...)، تصفیه آب و فاضلاب، الکترونیک، صنایع نظامی و... دارند. نانو  ذرات می‌توانند بسته به کاربردشان در اشکال مختلف مانند کروی، بیضوی، مکعبی، منشوری، ستونی و... ساخته شوند. نانوذرات ممکن است از یک جزء تشکیل شده باشند یا اینکه ترکیبی از چند جزء (ماده) باشند. هم چنین نانوذرات می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند. 

نانومواد تک بعدی
نانو مواد تک بعدی دارای دو بعد در مقیاس نانو و یک بعـد آزاد می باشند. نانو سیم ها، نانو میله ها، نانو لوله ها، نانو الیاف همگی جز مواد نانو ساختار تک بعدی می باشند. عوامل تاثیرگذار روی خواص نانو ساختارهای تک بعدی، جنس و نسبت طول به قطر(L/d) آن می باشند. مهم‌ترین ویژگی نانو ساختارهای تک بعدی فلزی هدایت الکتریکی آن ها در راستای محور سیم است. نانوسیم ها کاربرد های زیادی در بخش های مختلف مانند ساخت رایانه های بسیار کوچک با سرعت بسیار بالا، ساخت لیزرهای بسیار کوچک، تشخیص بیماری ها، حافظه های منغاطیسی و ... دارند. نانو سیم ها نیز می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند نوع ماده مختلف باشند.

نانومواد دو بعدی
این مواد دارای دو بعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو می باشند. مواد با یک بعد در مقیاس نانو عمدتا شامل لایه های نازک  یا پوشش های سطحی می باشد. عوامل تاثیرگذار در خواص نانو پوشش ها، جنس و ضخامت آن ها می باشد. برای مثال سلفون های نگه دارنده مواد غذایی یک نوع پوشش هستند. حال اگر ضخامت آن ها در ابعاد نانو باشد، به آن ها نانوپوشش گفته می شود. نانوپوشش ها لایه هایی با ضخامت 1 تا 100 نانو متر هستند که به صورت پوشش روی مواد دیگر قرار می گیرند و باعث تغییر خواص و ویژگی های آن ها می شوند. لایه های نازک نیز می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.

نانو مواد سه بعدی
یعنی هر سه بعد آن ها در مقیاس آزاد است. همان طور که مشاهده می کنید این تعریف با تعریف مواد نانو ساختار در تناقض است، زیرا هیچ یک از سه بعد آن در مقیاس نانو نیست. این دسته شامل نانوکامپوزیت ها (مواد مرکبی که شامل چند ماده است) و مواد حجیم نانو ساختار (یا مواد توده‌ ای نانوساختار) می باشد. مواد حجیم نانوساختار موادی هستند که اندازه واحدهای سازنده مجزای آن ها حداقل در یک بعد کمتر از 100 نانومتر باشد. بعضی مواد یک سری خواص را ندارند. برای مثال پلاستیک خاصیت رسانایی الکتریکی ندارد. اما اگر ماده‌ ای همانند ذرات فازی که خاصیت رسانایی دارند را به آن اضافه کنیم، ماده مخلوط تولید شده می‌تواند خاصیت رسانایی داشته باشد. به این مواد کامپوزیت یا ماده مرکب گفته می‌شود. ماده مرکب ممکن است از بیش از دو ماده تشکیل شده باشد که هر یک از مواد اضافه شده می‌تواند قابلیت تقویت یکی از خواص را داشته باشد. در صورتی که حداقل یکی از اجزای کامپوزیت نانوساختار باشد، به آن نانوکامپوزیت می‌گوییم. به عنوان مثال می‌توان رسانایی پلیمرها را با استفاده از نانولوله‌های کربنی افزایش داد.
برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل­و­نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن ­ آوری را به­ عنوان یک زمینه فرا رشته ­ای و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمایش ­ها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .
استفاده از این فن­آوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو به­ عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامه­ ریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرض­ اندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب­ ناپذیر است.

کاربردهای فناوری نانو
 علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاریهای تحقیقاتی میان‌رشته‌ا‌ی، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح زیر می‌باشد:

۱ – تولید مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقت کنترل‌شده و سپس چیدن آن ها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آن ها، ایجاد می‌کند.
محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده‌است. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی ؛ کاهش هزینة عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی ؛ ابزارهایی نوین بر پایة اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه‌ا‌ی که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲-نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم های زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلول ها وارد نمود. افزایش توان محاسباتی بوسیلة نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه های ماکروملکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ ها برای بهبود قطعات کاشته‌شدة زیست‌ سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

۳- دوام‌پذیری منابع: کشاورزی ، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چه ذکر شد، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس اب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فناوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفادة مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تاثیر قابل ملاحظه‌ا‌ی ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیست‌ محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها ؛ در توسعة فناوری سبز جدید که محصولات جانبی ناخواستة کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تاثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال، شرکت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌ شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنة اتومبیل ها شود. استفاده گسترد ه ازاین نانوکامپوزیت‌ ها می‌ تواند سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌باشد .
یا انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ا‌ی در فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌ هادی‌ های مورد استفاده در دیودهای نورانی را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در ا مریکا ، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپ های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده ، پیشرفت هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

۴ – تکنولوژی نانو در هوا و فضا :
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای ماموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ ناپذیر می‌ سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.

۵- کاربرد ریزذره ها در صنایع نظامی و امنیت ملی:
برخی کاربردهای دفاعی ریز ذره ها عبارتند از: تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش موثرتر نیرو، به کمک سیستم های واقعیت مجازی پیچیده‌ تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفادة بیشتر از اتوماسیون و نانوربات های پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی ، دستیابی به کارآیی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر و هز ینة کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی ، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح های هسته‌ا‌ی ، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم های دفاع هسته‌ا‌ی. در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملی است و بالعکس.

۶- کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش دهد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود.
ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ ربع برسد، و این امر موجب می‌شود که ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری شود.
ساخت تراشه‌ها در اندازه­ های فوق­العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه­ های ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، تولید دیسک‌ های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه ­های کوچک نیز می­باشد.در دو دهه‌ اخیر نانوتکنولوژی به سرعت گسترش یافته است. نانوساختارها به خاطر خصوصیات ساختاری شان از جمله اندازه کوچک و سطح ویژه بالایی كه دارند، ویژگی های منحصر به فردی در زمینه­ های مختلف علوم از خود نشان می ­دهند. البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می­گیرد، خصوصیات ذاتی آن­ ها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و غیره تغییر می­ یابند که این خواص مزایایی در بر دارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می­توان کارایی کاتالیزگرهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید یا در پزشکی، نانوذرات می‌توانند در فرمولاسیون و مسیرهای رهایش دارو مؤثر باشند و به ‌نحو حیرت‌ انگیزی توان درمانی داروها را افزایش دهند.

برای درک بهتر اهمیت این ساختارهای بسیار کوچک، در بخش آینده به ارائه مثال‌هایی از تغییر خواص مواد در مقیاس نانو می‌پردازیم.

روش کار
1. به بالن 500 میلی لیتری حاوی 30 گرم آب، 120 گرم اسید کلریدریک 2 مولار و 4 گرم پلورونیک اضافه کنید.
2.تحت دمایºC  40 محلول را قرار داده و به شدت هم بزنیم، 5/8 گرم تترااتیل ارتوسیلیکات [Tetraethyl orthosilicate](TEOS) اضافه شد و به مدت 8 ساعت هم زده شد.
3. مخلوط حاصل به اتوکلاو[Autoclave] فولادی ضد زنگ با پوشش تفلونی منتقل شده و به مدت 20 ساعت بدون هم زدن نگهداری می‌شود.
5.  ترکیب ژل به صورت P123: HCl: H2O: TEOS با نسبت مولی 1: 681/162: 854/5: 0168/0 می‌باشد.
6. پس از خنک شدن مخلوط تا دمای محیط، محصول واکنش صاف شده و با آب مقطر بشویید
7. ماده را  طی 24 ساعت در دمایºC  60 خشک می‌شود.
8. در پایان رسوب سفید رنگ حاصل در دمایºC 550 به مدت 6 ساعت نگهداری می شود و سپس کلسینه می‌شود.

سوالات
1. کلسینه کردن جیست؟


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی
تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین