نانو ذرات چیست و کاربردهای آن
نانو ذرات (Nanoparticles) و کاربردهای آن

نانو ذرات از دیدگاه علمی به ذراتی با ابعاد 1 تا 100 نانومتر گفته می شود. در زبان لاتین از لفظ Nanoparticle برای بیان نانو ذره استفاده می کنند که شامل همه ذرات فلزی و غیر فلزی، عایق ها و نیمه هادی‌ها، نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته‌ لایه می گردد. همچنین بيشتر اکسيدهاي فلزي مانند نانوذرات نقره اکسيد، نانو بلورها و نقاط‌ کوانتومی نیمه‌ هادی زیرمجموعه نانوذرات محسوب می شوند.

نانو ذرات به شکل پایه یا ساختاری ترکیبی دارند که شامل چندین اتم یا مولکول بوده و در اندازه ها و اشکال مورفولوژی مختلفی دیده می شوند. دانمشندان با روش های مختلفی نانو ذره ها را تولید می کنند و هدف از تولید آنها، تغییر در لایه های هسته اتم هاست که در نتیجه آن خواص ماهیتی مواد تغییر می کند. نانو ذرات در مقیاس نانو خواص متفاوتي از خود بروز مي دهند که معمولاً خواص پیشین ذره که در ابعاد ماکرو بوده، به شکل شديدتری دیده می شود.

 

تاریخچه نانو ذرات

 

نانو ذرات از گذشته های دور بدون آگاهی از ماهیت دقیق آنها مورد استفاده بوده اند و در عصر حاضر با جهش بی سابقه ای رشد کرده است! اولین نانو ذرات در سرامیک ها و لعاب های چینی کسف شده در تمدن چین باستان مشاهده شده است. جام رومی لیکرگوس برجسته ترین اثر بجا مانده از قرون پیشین است که در ساخت آن نانو ذرات طلا بکار رفته است. نکته جالب این جام این است که برحسب نحوه تابش نور (از جلو یا عقب) رنگ های مختلفی از آن ظاهر می گردد، البته طبیعی است که دلیل این اتفاق برای سازندگان جام نامعلوم بوده است.

معروف ترین نانوذره ای که چندین دهه به تولید انبوه رسیده کربن سیاه یا Black Carbon است. کاربرد کربن سیاه جهت ساخت لاستیک های خودرو و همچنین افزایش طول عمر مفید تایرهاست و دلیل رنگ سیاه لاستیک های امروزی خودروها هم استفاده از کربن سیاه در ترکیبات اولیه آنها می باشد.

 

روش های تولید نانو ذرات

 

تا به امروز 3 روش کلی برای تولید ذرات نانو ابداع شده است:


الف-چگالش از بخار

ب-سنتز شیمیایی

ج- فرایندهای حالت جامد

 

الف-چگالش از بخار


استفاده از این روش برای تولید نانو ذرات موجب آلودگی نشده و از بهترین شیوه های روز دنیاست. به طور معمول از تبخیر یک فلز جامد و چگاش سریع از بخارات آن جهت تولید خوشه های نانو استفاده می شود. در این پروسه خوشه های نانو به شکل پودر ته نشین شده در خواهند آمد و از ماده جدا می شوند. خوشه های نانو در واقع همان نانو ذرات در اندازه پایین تر هستند که این اندازه با تغییر در دما، گاز و سرعت تبخیر می تواند به شکل کنترل شده ای تنظیم شود.

دو نوع چگالش از بخار در فناوری نانو استفاده می شود:

  • روش سیم انفجاری
  • تبخیر در خلا روی مایعات


ب-سنتز شیمیایی


رشد نانو ذرات در محیط کنترل شده حاوی واکنش گرها را روش تولید ذرات نانو با سنتز شیمیایی گویند. کنترل اندازه نهایی با توقف پروسه سنتز و مواد شیمیایی خاص کاملا امکان پذیر است. بر خلاف شیوه چگالش از بخار، این روش آلودگی شیمیایی بالاتری ایجاد می کند ولی نسبت به روش قبلی هزینه کمتری دارد و در مقیاس بالاتری قابل انجام است.


ج-فرایندهای حالت جامد


آسیاب کردن و پودر کردن نوعی شیوه تولید نانو ذرات است که از آن به نام روش فرایندهای جامد یاد می شود. این شیوه زمانی استفاده می شود که دو روش قبلی در مورد ماده ای خاص کارایی نداشته باشند. خواص هر ذره تولید شده ارتباط مستقیم به محیط اتمسفری، زمان آسیاب و نوع ماده آسیاب کننده دارد. مشخص کردن نوع ذره و خواص ذرات در زمان کاربرد اهمیت زیادی دارد.

 

 

نانو ذرات و ویژگی آنها

 

 

نحوه تعیین مشخصات نانوذرات:


تعیین مشخصات نانو ذرات جهت كنترل فرایند سنتز و نوع كاربرد آنها مهم است. خواص نانوذرات با استفاده از روش‌‌های مختلفی نظیر: میكروسكوپ‌های الكترونی (AFM (Atomic force microscopy میکروسکوپ نیروی اتمی، اشعه ایکس، طیف‌ سنجی فوتوالكترون، و FT-IR (طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز) و همچنین‌ روش‌های تعیین اندازه و سطح ویژه ذرات سنجیده می‌شود.

نانو ذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند، که متداول ترین آنها نانوذرات سرامیكی، فلزی و پلیمری و نانوذرات نیمه‌رسانا (نقاط کوانتومی) هستند.

 

زمینه های کاربرد نانوذرات

  1. مواد كامپوزیت
  2. كامپوزیت‌های ساختاری
  3. كاتالیزورها
  4. بسته‌بندی
  5. روكش‌ها
  6. افزودنی‌های سوخت و مواد منفجره
  7. ساینده‌ها
  8. باتری‌ها وپیل‌های سوختی
  9. روان‌كننده‌ها
  10. پزشكی، داروسازی و دارو رسانی
  11. محافظت‌كننده‌ها آنالیز زیستی و تشخیص پزشكی لوازم آرایشی

 

دامنه نامحدود کاربردهای ذرات نانو

امروزه اشکال متنوعی از مواد را می توان به شکل نانو ذرات یا بلورهای در مقیاس نانو تولید نمود، طیف نانوذرات فقط دربردارنده گونه های آشنایی مثل باکی بال ها، سلنید کادمیم(CdSe)، نانو لوله های کربنی و نقاط کوانتومی نیست. بلکه شامل طیف گسترده ای از فلزات و اکسیدهای فلزی، سولفیدها، کربنات ها، فلوئوریدها، سیلیکات ها و چندین گروه مواد دیگر نیز می گردد.

با پیشرفت روزافزون علم، به تدریج پیشرفت در عرصه شیمی نانوذرات و مبانی ریخت شناسی و کاربردهای گسترده آن  آشکار می گردد. برخی ازین موارد، به روشنی در ژورنال های علمی روز دنیا به چشم می آیند. بهره گیری از نانولوله های کربنی در بافت های انسانی و استفاده نانو ذرات فلز روی یا اکسید تیتانیم در پنل های خورشیدی، تنها بخشی ازین کاربردهای فراوان است.

 

کاربردهای صنعتی نانوذرات

از نخستین مرتبه ای که نسل انسان مواد مصنوعی را ساخت، افزودن مواد ریز به مواد زمینه یکی از راه های رایج جهت تغییر ویژگی های مواد بوده است. به هر حال ذرات اضافه شده که نخستین بار بکار برده شد بزرگ تر از مقیاس نانو بودند.

اولین کاربرد قابل تصور نانوذرات استفاده در تولید نانوکامپوزیت ها بوده است. با استفاده از نانو ذرات در ساختار نانوکامپوزیت ها، اکثر خواص نوری، مغناطیسی، الکترونیکی، شیمیایی و حرارتی آنها نیز تغییر خواهد نمود.

اولین تولید صنعتی نانو ذرات مربوط به قرن بیستم و با فرآوری “دوده” و بعد از آن تولید سیلیس فومی در سال 1940 بود. نانوذرات صنعتی در عصر ما به مقادیر خیلی بیشتری تولید و استفاده های گوناگونی دارند و برخی کمپانی های معروف مانند دگوسا  و کبوت قسمت اعظم دارایی هایشان را مدیون این مواد می دانند.

گفتنی است درسراسر جهان حدود بیش از 340 شرکت تولید کننده نانو مواد در اشکال مختلف و حدود 200 کمپانی تولیدکننده نانو ذرات موجود است. 

 

برای آشنایی با شرکت های تولید کننده نانو ذرات و نانو مواد ایرانی اینجا کلیک کنید.

 

Industrial_water_pollution nanoyab

Industrial_water_pollution nanoyab

 

 نانوذرات مغناطیسی 

یکی از نانوذرات با اهمیت و تجاری نانو ذرات آهن است که در مقیاس نانو خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي کند،  به اين ذرات نانو ذرات مغناطيس گفته می شود. توان آهنربا یا مغناطیس با افزایش سطح مقطع در واحد حجم، بیشتر می شود. مطالعات آزمایشگاهی ثابت کرده که مغناطیس های ساخته شده بر پایه نانو ذرات نانو بلوری ایتریم–ساماریم–کبالت، به واسطه ی سطح مقطع فوق العاده بالای آن ها، خواص مغناطیسی شدیدا غیر عادی دارند.

این آهنرباهای پر قدرت کاربردهای مختلفی و مهمی دارند: ساخت زیر دریایی های آرام تر، موتورهای کشتی، آلترناتورهای اتومبیل (مبدل های خودرو)، دستگاه های تجزیه ای فوق العاده حساس، دستگاه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) برای تشخیص های پزشکی و …

 

کاربردهای نوین و آینده تجاری نانو ذرات 

بتازگی نانو ذرات اکسید روی در شیشه های ضد آفتاب بکار رفته اند. استفاده ازین نانوذره کارایی این نوع شیشه ها را افزایش داده و بعلاوه عمر شیشه های ضدآفتاب را نیز چندین برابر می نماید.

همچنین از نانوذرات در تولید و ساخت انواع رنگ ها، کاتالیزوها، ساینده ها، کاشی و سرامیک ها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های خودرو و صنایع در و پنجره سازی استفاده شده است. پوشش های ضد نوشته دیوارها و پوشش های سرامیکی جهت ارتقا دوام سلول های خورشیدی نیز با کمک نانوذرات ساخته شده اند.

استفاده از نانوذرات به قدری رشد صعودی داشته که دانشمندان از آن بعنوان یکی از رشته های دگرگون کننده صنعت و زندگی آینده نام می برند. طبیعتا با این رشد بازار آن هم راستا با افزایش کاربرد نانو مواد و توسعه تجاری سازی نانوذرات، به طرز شگفت آوری در یک دهه پیش رو افزایش خواهد داشت.