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 بسياري 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 خنثي 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 كاربردهاي مختلفي در صنایع شیمیایی به عنوان حامل ­های دارویی، كاتاليزگر و حسگرهاي الکتروشيميايي دارا هستند.


نانو تکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم هاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر مي­شود. از همين تعريف ساده برمي­آيد که نانوتکنولوژي يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردي جديد 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: 


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.
براي نانوتکنولوژي کاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوتکنولوژي تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حمل­و­نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن ­ آوري را به­ عنوان يک زمينه فرا رشته ­اي و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمايش ­ها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردني نانوتکنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يکي از مهم ترين اولويت هاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند .
استفاده از اين فن­آوري در کليه علوم پزشکي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الکترونيک، کامپوترهاي کوانتومي و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو به­ عنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يک بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامه­ ريزي علمي دقيق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض­ اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين کاري طراحي يک برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب­ ناپذير است.

کاربردهای فناوری نانو
 علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درک بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ي نده، همکاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تاثيرات و کاربردهاي نانوتکنولوژي به شرح زير مي‌باشد:

۱ – توليد مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژي تغيير بنياني مسيري است که در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌هاي ساختماني نانو با اندازه و ترکيب به دقت کنترل‌شده و سپس چيدن آن ها در ساختارهاي بزرگتر، که داراي خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آن ها، ايجاد مي‌کند.
محققين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد که در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزي ؛ کاهش هزينة عمر کاري از طريق کاهش دفعات نقص فني ؛ ابزارهايي نوين بر پاية اصول و معماري جديد ؛ بکارگيري کارخانجات مولکولي يا خوشه‌ا‌ي که مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲-نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولي در مقياس نانومتر، سيستم هاي زنده را اداره مي‌کند. يعني مقياسي که شيمي، فيزيک، زيست‌شناسي و شبيه‌سازي کامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.
مواد زیست سازگار با کارآيي بالا، از توانايي بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعال، مي‌توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات کوانتومي که براي مرئي‌سازي بکار مي‌رود) درون سلول ها وارد نمود. افزايش توان محاسباتي بوسيلة نانوتکنولوژي، ترسيم وضعيت شبکه های ماکروملکولی را در محيط‌هاي واقعي ممکن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ ها براي بهبود قطعات کاشته‌شدة زيست‌ سازگار در بدن و جهت فرآيند کشف دارو، الزامي خواهدبود.

۳- دوام‌پذيري منابع: کشاورزی ، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاک:
نانوتکنولوژي چنان چه ذکر شد، منجر به تغييراتي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس اب و آلودگي را کاهش خواهدداد. همچنين فناوري‌هاي جديد، امکان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمينه محيط زيست، علوم و مهندسي نانو، مي‌تواند تاثير قابل ملاحظه‌ا‌ي ، در درک مولکولي فرآيندهاي مقياس نانو که در طبيعت رخ مي‌دهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌ محيطي از طريق کنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعة فناوری سبز جديد که محصولات جانبي ناخواستة کمتري دارند و ي ا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژي توان حذف آلودگي‌هاي کوچک از منابع آبي (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمينه انرژي ، نانوتکنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي کارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شرکت هاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌ شده با نانوذرات را ساخته‌اند که مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيل ها شود. استفاده گسترد ه ازاين نانوکامپوزيت‌ ها مي‌ تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌باشد .
يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فناوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه‌ هادي‌ هاي مورد استفاده در ديودهاي نورانی را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد کرد. در ا مريکا ، تقريبا” ۲۰% کل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپ هاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفت هايي از اين دست مي‌تواند مصرف جهاني را بيش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويي و ۲۰۰ ميليون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

۴ – تکنولوژي نانو در هوا و فضا :
محدوديت‌هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي ماموريت هاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب‌ ناپذير مي‌ سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشکل را بوجود آورده‌است.

۵- کاربرد ریزذره ها در صنایع نظامی و امنيت ملي:
برخي کاربردهاي دفاعي ریز ذره ها عبارتند از: تسلط اطلاعاتي از طريق نانوالکترونيک پيشرفته بعنوان يک قابليت مهم نظامي، امکان آموزش موثرتر نيرو، به کمک سيستم هاي واقعيت مجازي پيچيده‌ تر حاصله از الکترونيک نانوساختاري، استفادة بيشتر از اتوماسيون و نانوربات های پيشرفته براي جبران کاهش نيروي انساني نظامي، کاهش خطر براي سربازان و بهبود کارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به کارآيي بالاتر (وزن کمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فني کمتر و هز ينة کمتر در عمر کاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طراحي در سيستم هاي مورد استفاده در کنترل و مديريت عدم تکثير سلاح هاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميکرومکانيکي جهت کنترل سيستم هاي دفاع هسته‌ا‌ي. در بسياري موارد، فرصت هاي اقتصادي و نظامي مکمل هم هستند. کاربردهاي درازمدت نانوتکنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني کننده امنيت ملي است و بالعکس.

۶- کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونیک
ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از اين فناوري مي‌توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به کوچکي يک ساعت مچي منتهي شود.
ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود که ذخيره‌ سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباري شود.
ساخت تراشه‌ها در اندازه­ هاي فوق­العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه­ هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسک‌ هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه ­هاي کوچک نيز مي­باشد.در دو دهه‌ اخیر نانوتکنولوژی به سرعت گسترش یافته است. نانوساختارها به خاطر خصوصیات ساختاری شان از جمله اندازه کوچک و سطح ويژه بالايي كه دارند، ويژگي هاي منحصر به فردي در زمینه­ های مختلف علوم از خود نشان مي ­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 مي‌توانند در فرمولاسيون و مسيرهاي رهايش دارو مؤثر باشند و به ‌نحو حيرت‌ انگيزي توان درماني داروها را افزايش 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