1-1- نانوفناوری

 

رفتار­های جدیدی که در مقیاس نانو مشاهده می‌­گردند، لزوماً بر­اساس رفتار­های مشاهده شده در ابعاد بزرگ­‌تر قابل پیش­‌بینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری که عمدتاً ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد هستند، به ‌علت نزدیکی و قابل مقایسه بودن اندازه­ی ذرات یا ریزساختار­ها، با مقیاس طولی میانگین پدیده­‌های فیزیکی و شیمیایی، رخ می­‌دهد. خصوصیات موجی­شکل الکترون­‌ها (مکانیک کوانتومی) در درون مواد و اتم­ها، توسط تغییرات مواد در مقیاس نانو­متری تحت­‌تأثیر قرار می­‌گیرد. با ایجاد ساختار­های نانو­متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد، مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی رنگ آن­ها بدون تغییر ترکیب شیمیایی مواد، ممکن خواهد بود[1].

 

2-1- تاریخچه نانوفناوری

 

استفاده از نانوفناوری توسط انسان، برخلاف تصور عمومی، دارای سابقه­ی تاریخی طولانی می­باشد. در این رابطه شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی به کار برده شده توسط قوم مایا، وجود دارد. پس از آن رومی­ها از این مواد در ساخت جام­هایی با رنگ­های زنده استفاده کردند، به این صورت که آن­ها از ذرات طلا برای رنگ آمیزی این جام­ها بهره می­گرفتند. نمونه­ای از این جام­ها که برای اولین بار کشف شد، جام لیکورگوس[1] می­باشد؛ که متعلق به قرن چهارم قبل از میلاد بوده و دارای ذرات نانومتری طلا و نقره است که در هنگام قرار گرفتن در نورهای مختلف رنگ­های گوناگونی را از خود نشان می­دهد. بعدها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیساها استفاده می­کردند.

 

3-1- اهمیت نانو تکنولوژی

 

شاید این ﺳﺆال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانو­متری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا نهاده­شده­است. آن­چه باعث ظهور نانو­تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو­مواد است. این موضوع یکی از مهم­ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو می­باشد. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می­کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده­ای ماده غلبه می­کند. در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می­شوند؛ برای مثال، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی­کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد، اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد، الکترون­ها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند، بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می­شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت[3].

 

4-1- نانومواد

 

نانو­مواد دروازه­ی ورود به دنیای نانو، و اولین گام برای رسیدن به اهداف بعدی نانو­تكنولوژی می­باشند و بدون توسعه­ی مواد جدید نانو­متری، ورود به عرصه­ی نانو­تكنولوژی غیرممكن خواهد بود. طبق یك تعریف، نانو­مواد، موادی هستند كه حداقل یكی از ابعاد آن­ها كوچك­تر از ١٠٠ نانومتر باشد.. در حالت کلی بنابر دلایل زیر خواص نانو­مواد به ابعاد­شان وابسته اند:

 

– نسبت سطح به حجم بالا

 

– تغییر در ساختار كریستالی

 

– كاهش نقص­های شبكه[4].

 

5-1- تقسیم ­بندی نانو­مواد

 

نانو­مواد را می­توان برحسب ابعاد آن­ها به صورت زیر تقسیم­بندی نمود:

 

الف- نانو­مواد صفر­بعدی[1](0D)

 

نانو­موادی هستند كه هر سه بعد آن­ها كمتر از ١٠٠ نانو­متر می­باشد، و شامل نانو­پودرها[2] و نانو­ذرات[3] می­شوند. اگر نانو­مواد صفر­بعدی، نیمه­هادی باشند، به آن­ها نقطه كوانتومی[4] می­گویند.

 

ب- نانو­مواد یك ­بعدی(1D)

 

نانو­موادی هستند كه دو بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانو­متر بوده و در بعد دیگر بیش از 100 نانو­متر می­باشند. برخی از نانو­مواد یك­بعدی عبارتند از: 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  نانو­لوله­ ها[5]، نانو­سیم­ها[6]، نانو­میله­ها[7]، نانو­تسمه­ها[8]، نانو­نوار­ها[9]، نانو­كابل­ها[10] و نانو­فنر­ها[11].

 

ج- نانو­مواد دو­بعدی(2D)

 

نانو­موادی هستند كه فقط یك بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانومتر بوده و دو بعد دیگرشان بیش از ١٠٠ نانومتر می­باشد. مانند نانولایه­ها[12] و نانو­حلقه­ها[13]

 

د- نانو­مواد سه­ بعدی(3D)

 

نانو­ساختار­هایی هستند كه اجزاء آن­ها نانو­مواد صفر، یك، و یا دو­بعدی می­باشند. مثل؛   نانو­كامپوزیت­ها، مواد نانو­كریستالی و قطعاتی كه نانو­ذرات در آن­ها پراكنده شده ­اند[5].

 

6-1- نانو­مواد و انواع روش­های تولید آن

 

باید خاطر­نشان کرد که روش­های ساخت مواد نانو بسیار گسترده می­باشد، اما به طور كلی فرآیند­های مختلفی كه برای تولید مواد نانو ارائه شده­ اند دو رویكرد عمده را تعقیب می­كنند که رویكرد از بالا به پایین و رویكرد از پایین به بالا می­باشد و سایر روش­ها به صورت زیر­مجموعه ­هایی از دو رویکرد ذکر شده در­نظر­گرفته می­شوند.

 

1-6-1- روش بالا به پایین

 

در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، یک ماده توده­ای را شکل­دهی[1] و اصلاح می­کنند، به عبارت دیگر، اگر اندازه­ی یک ماده­ی توده­ای به طور متناوب کاهش داده شود تا به یک ماده با ابعاد نانو­متری برسد، از رویکرد بالا به پایین استفاده­شده­است. این کار اغلب، ولی نه همیشه، شامل حذف بعضی از مواد به شکل ضایعات است، مانند ماشین­کاری یک بخش فلزی از یک موتور. در ادامه نمونه­های مختلف روش بالا به پایین معرفی می­گردد[6,1]:

 

الف- لیتوگرافی

 

الف-1- لیتوگرافی مستقیم (بدون ماسک)

 

الف-2- لیتوگرافی پروب پیمایشی

 

الف-3- لیتوگرافی نرم

 

الف-4- لیتوگرافی غیر مستقیم (مبتنی بر ماسک)

 

ب- فرآوری مکانیکی

 

ب-1- تغییر شکل­دهی پلاستیکی شدید[2]

 

ب-2- اختلاط شدید

 

ب-3- فشرده­سازی پودر

 

ب-4- آسیاب­های پرانرژی

 

ج- فرآوری حرارتی

 

ج-1- روش زینتر[3]

 

ج-2- روش آنیلینگ[4] (متبلور­سازی مواد آمورف)

 

د- ریسندگی

 

د-1- ریسندگی الکتریکی

 

د-2- ریسندگی مذاب

 

[1] Deformation

 

[2] Serve Plastic Deformation Processing

 

[3] Sinter

 

[4]Annealing

 

[1] Dimension

 

[2] Nanopowders

 

[3] Nanoparticles

 

[4] Quantum dot

 

[5] Nanotubes

 

[6] Nanowires

 

[7] Nanorods

 

[8] Nanobelts

 

[9] Nanoribbons

 

[10] Nanocables

 

[11] Nanosprings

 

[12] Nanolayers

 

[13] Nanorings

 

[1] Lycurgus

 

[2] Michael Faraday

 

[3] Richard Feynman