پاورپوینت مقاله با عنوان مطالعه ی نانو کامپوزیت های اتیلن پروپیلن دی ان/نانو ذرات خاک رس اصلاح شده
روش های سنتز نانوذرات
مقدمه ای کامل و جامع و بسیار مناسب برای پایان نامه
حاصل از ترجمه مقالات ISI با 29 رفرنس معتبر - 17 صفحه فایل word با فهرست مطالب، شکلها و با رعایت تمام نکات نگارشی
payannameht@gmail.com
فرآیند"سل-ژل" اولین بار در اواخر قرن نوزدهم کشف شد و از اوایل دهه 40 بهطور گستردهای مورد استفاده قرار گرفت. سلژل یک روش شیمیاییتر برای ساخت لایه های نازک[1]، پودرها و غشاءها[2]میباشد. با توجه به روند سنتز مواد در این روش، اکسیدهایی با خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف بدست میآیند. روش سل-ژل نسبت به دیگر روشها مزیتهایی دارد که سبب شده از آن بهعنوان یک روش مناسب، با دقت زیاد در تهیه نانوذرات و لایه های نازک استفاده شود. از جمله مزیتهای این روش: سادگی روش، قابل کنترل بودن مراحل سنتز، خلوص و همگنی محصول، کنترل تناصب عنصری[3]، واکنشپذیری شیمیایی بالا، دمای واکنش پایین و تهیه پوششها در مقیاس بزرگ را میتوان نام برد.
در اینجا لازم میدانیم ابتدا به شرح روش سلژل پرداخته و سپس مراحل دستیابی به محصول نهایی را تشریح میکنیم.
فرآیند سل-ژل در دو مسیر آلکوکسیدی[4]و غیر آلکوکسیدی رایج است. در روش غیرآلکوکسیدی از نمکهای غیرآلی (از قبیل نیتراتها، کلریدها، استاتها، کربناتها، استیلاستناتها[5]و...) [3-1] بهعنوان ماده اولیه استفاده میشود. در سنتز غیر آلکوکسیدی نیاز به مواد اضافی برای حذف آنیونهای غیرآلی است. چون در این مسیر اغلب هالیدها، در اکسیدهای نهایی باقی میمانند و حذف آنها بسیار مشکل است.
مهمترین و متداولترین روش فرایند سل-ژل، در تهیه مواد معدنی اعم از شیشه‌ها، پایه‌های کاتالیست و سرامیکها، مسیر آلکوکسیدی میباشد. در این روش از ترکیبات آلی-فلزی مانند آلکوکسیدهای فلزی بعنوان ماده آغازین[6] استفاده میکنند. بهطور کلی فرآیند سلژل عبارتست از انتقال سیستمی از یک فاز "سل" مایع به یک فاز "ژل" جامد. ...
فهرست مطالب
صفحه
1-1- روش سل ژل برای تهیه نانوذرات
1-2- مراحل فرایند سل-ژل
1-2-1- مخلوط کردن مواداولیه (mixing)
1-2-2- شکلدهی (forming)
1-2-3- ژل شدن (gelation)
1-2-4- زمان ماندگاری یا پیرشدگی (aging)
1-2-5- خشک کردن (drying)
1-2-6- آبزدایی یا تثبیت شیمیایی (dehydration, chemical stabilization)
1-2-7- متراکم کردن (densification and sintering)
2- روش همرسوبی
3- روش سولوترمال
4- روش هیدروترمال
5- روش میسلمعکوس یا میکروامولسیون (microemulsion method)
6- روش احتراقی (Combustion synthesis)
فهرست شکل ها
شکل1-1: نگاهی به فرایند سلژل و کاربردهای آن 5
شکل1-2: مراحل تولید ژل 6
شکل1-3: مراحل فرایند سل-ژل 6
شکل1-4: مراحل مختلف تهیه ژل (a) سل (b) ژلتر (c) آئروژل (d) اگزروژل 8
شکل1-5: تشکیل میسل معکوس 12
شکل1-6: مراحل فرایند سنتز نانوذرات به روش میسل معکوس 12
شکل1-7: سنتز BaFe12O9به روش احتراقی. شعله از چپ به راست در حال انتشار است. 13
مقاله تحت عنوان: مقایسه ریز ساختار و خواص مکانیکی نانو کامپوزیت AI-B4C تولید شده به روش ریخته گری گردابی , متالوژی پودر آلیاژسازی مکانیکی , برای رشته متالوژی در 9 صفحه
درباره نانو تکنولوژی :
در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوژی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد ، پیش می رود . برای احساس اندازه های مادون ریز ، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید ، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست 9- 10متر . تکنولوژی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل ، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند . درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است . همچنین خواص مکانیکی ، شیمیایی ، الکتریکی ، مغناطیسی ، نوری و... مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است . تکنولوژی درقرن گذشته در هرچه ریزتر کردن دانه های بزرگتر پیشرفت چشمگیری داشت ، بطوریکه به مزاح گفته شد که دیگر کشف ذرات ریز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جایزه نوبل ندارد ، بلکه به آن جریمه هم تعلق می گیرد ! تکنولوژی نو درقرن حاضر مسیر عکس را طی می کند . یعنی مواد مادون ریز را باید ترکیب کرد تا دانه های بزرگتر کارآمد به وجود آ ورد . درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است . مجموعه های طبیعی ، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است .
اثر تحقیقات در فناوریهای مادون ریز هم اکنون در درمان بیماریها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است . موارد بسیاری در مرحله تحقیقات کاربردی و آزمایشی است .اکنون ساخت رایانه های بسیار کوچکتر و میلیونها بار سریعتر در دستور کار شرکتهای تحقیقاتی قرار دارد .
در بیانی کوتاه نانوتکنولوژی یک فرایند تولید مولکولی است . همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاژ کرده است ، ما هم باید برای تولید محصولات جدید ، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست ، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم . البته منظور این نیست که چند هسته از مواد راپیدا کنیم و با رساندن انرژی و خوراک پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد . بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریزکه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راهی بیابیم . در اندازه های مادون ریز ، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و...جوابگو تیستند . برای ساختن ماشینهای ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد . با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژنها و DNA که ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوژی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد . تولید مواد جدید ، گیاهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد . اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران ، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد .آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی Multi- Disciplinary )) است ، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید .
هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه کرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروژن ) و نرم افزار یا برنامه ، قابلیت نهفته در خلقت آن است . اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروژن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد ، پیش خواهد رفت . طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد . احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند ، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند. به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت. از بیماری ، پیری ، درد ستون فقرات ، کم حافظه ای و... رنج نخواهند برد .قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد . در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از اینهمه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود . اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم ، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تکنولوژی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم . باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شکوهمند و
معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از کوتاه بینی و افکار فرسوده موروثی فاصله بگیریم . گفته شیخ اجل سعدی در آینده مصداق واقعی تری خواهد داشت : چه انتظاری باید از نانوتکنولوژی داشت :
این تکنولوژی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی که بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود .
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد .
نانوتکنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود . نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد . کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .
نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادیتری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش 10 بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند . انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود. در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتکنولوژی کسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهای سخت ، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است .
Eastern Kodak و 3M تکنولوژی ساخت فیلمهای نازک نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید کرده است و شرکت Merck ، داروهای نانوذره ای را عرضه کرده است . تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیکها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.
نانو تکنولوژی یا کاربرد فناوری در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است که در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفتهای پرشتابی که در این عرصه بوقوع می پیوندد، پیام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستیابی به توانایی های بی بدیلی برای تغییر محیط پیرامون خویش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای که در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدید پدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
به گزارش ایرنا نانو تکنولوژی نظیر هر فناوری دیگری چونان یک تیغ دولبه است که می توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای است که در خود جای داده است. در خصوص نانو تکنولوژی یک نکته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاکید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را که آن را در برگرفته ضخیمتر می کند و راه را برای گمانزنی های متنوع هموار می سازد.
کسانی بر این باورند که این فناوری نظیر هیولایی فرانکشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های یونان باستان، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند که به مدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان کرد. در حال حاضر 450 شرکت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمریکا و ژاپن با بودجه ای که در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تکنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا که کل طبیعت از همین ذرات تشکیل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی که در این قلمرو به کاوش مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی به همراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار کاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید.
از جمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روی یک صفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر روی صفحه نیکلی درج کنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوت ها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازک تر و مقاوم تر تولید کنند. در این میان ساخت یک نوع مولکول جدید کربن موسوم به باکمینسترفولرین یا کربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند که می تواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یک میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی هایی که در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشکار کرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیکن در این ابعاد از خود نور ساطع می کنند و لایه های فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلز برخوردارند. برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته های نانوتکنولوژی را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو در محصولات آرایشی خود استفاده می کند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید. ساخت دیودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80درصد در هزینه برق صرفه جویی شود. توپهای تنیسی که با کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده سبکتر و مستحکمتر از توپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد نانو پارچه هایی تولید کرده اند که با یک بار تکاندن آنها می توان حالت اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروکهایشان را زایل کرد. با همین یک بار تکان همه گردوخاکی که به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاک می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده که به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می سازند.
از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده که قابلیت خود- تمیزکردن دارند. لنزها و عدسیهای عینک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یک گروه از محققان تا آنجا پیش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید کنند که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی فناوری نانو آن است که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده اند که در تراز تک اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یک گروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقادند که می توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه های کنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین می رود. یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیت بخشهای داخلی آن است. ابزاری که این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف هایی از لوله ها یا سیمهای بسیار ظریفند که قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنکه هزاران پروتئینی را که به وسیله سلولها ترشح می شود شناسایی کند. گروههای دیگر از محققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصد علمی دیگر هستند. به عنوان نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئین های معینی را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها میان خود، ردوبدل کردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یک گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبکه استفاده کرده اند که ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطر تنها 8 نانومتر را امکان پذیر می سازد. هریک از این لوله های بسیار ریز بالقوه می توانند یک پادتن خاص یا یک اولیگو نوکلئو اسید و یا یک بخش کوچک از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند. با کمک هر تراشه می توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یک سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله آنکه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرار داد که مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می کند، اما یون موجود در این مایع می تواند سنجنده های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان سلولها را درون مایعی جای می دهند که چگالی یون آن کمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها چنانکه اشاره شد یک فیبر نوری است که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک نوعی پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است.
ز آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، از طول موج نوری که برای روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر مجتمع می شوند و یک میدان نوری بوجود می آورند که تنها می تواند مولکولهایی را که در تماس با نوک فیبر قرار می گیرند تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتن متصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوک فیبر را به درون یک سلول فرو می کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر، این مولکول را کنار می زند و خود جای آن را می گرد. به این ترتیب نوری که از مولکول فلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می آید روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یک تک مولکول را در درون سلول مشاهده کنند. مزیت بزرگ این روش در آن است که باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند. نانو تکنولوژی همچنین به محققان امکان می دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهای مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می کنند و از این نور می توان برای مشخص کردن مجموعه ای از مولکولهای زیستی و الصاق برچسب برای شناسایی آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ انگلستان یک گروه از محققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی را تکمیل کنند که قادر است حرکت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال کند و به دانشمندان در تشخیص نقایص زیست عصبی مدد رساند. از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می توان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی که بتازگی به انجام رسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش می دهد. محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولکول دی ان ای را در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه کامل سازند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 24 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
مقدمه
مواد نانوساختار، مواد توده ای پلی کریستالی هستند که اندازة دانه آن ها بین 1 تا 100 نانومتر است. به نوعی می توان گفت نانوذرات، اجزای تشکیل دهندة برخی از مواد نانوساختار هستند. همانطور که اشاره شد، به علت نسبت سطح به حجم زیاد نانوذرات، تمایل این مواد به آگلومره یا کلوخه شدن و واکنش با محیط اطراف بسیار زیاد است. بسیاری از خواص منحصر به فرد مواد نانو که در ادامه بحث خواهد شد، بخاطر نسبت سطح به حجم زیاد نانوذرات و یا مقدار زیاد مرز دانه ها در مواد نانوساختار نسبت به مواد معمولی است. در یک ماده نانوساختار تعداد زیادی از اتم ها (بیش از 49% اتم ها)، در مرز دانه ها قرار دارند.
همانگونه که در شکل (1) ملاحظه می شود، اتم های درون دانه های ماده، آرایش ساختاری و منظمی دارند حال آنکه اتم های موجود در مرز دانه ها دارای فواصل اتمی متفاوتی بوده و بی نظم هستند. بنابراین در مواد نانوساختار درصد حجمی مرز دانة بالایی وجود دارد که ساختار غیر تعادلی و ناپایدار دارند. در این جا به بررسی خواص، تولید و کاربرد فلزات و سرامیک های نانوساختار پرداخته شده است، منظور از مواد نانوساختار در این فصل همان فلزات و آلیاژها و سرامیک های نانوساختار می باشد.
خواص مواد نانوساختار
در بررسی خواص مواد نانوساختار مشکلات زیادی از جمله عدم امکان تهیه نمونة مطلوب، وجود تخلخل و میکروترک، تنش های داخلی شدید، وجود ناخالصی ها و گازهای حبس شده و نیز عدم امکان ارزیابی برخی کمیت ها نظیر اندازه گیری کرنش به دلیل کوچک بودن نمونه ها وجود دارد. وجود چنین مشکلاتی باعث شده تا داده های آزمایشگاهی برای این گروه از مواد محدود باشد.
نفوذ در مواد نانوساختار
همانگونه که ذکر شد، مواد نانوساختار دارای درصد حجمی بالائی از مرز دانه هستند. این امر باعث می شود که انتقال اتمی و نفوذ در مواد نانوساختار از آنچه در مواد تک کریستال و یا مواد با دانه های بزرگ تر اتفاق می افتد، سریع تر باشد چرا که در جامدات نانوساختار، فصل مشترک دانه ها مسیرهای بیشتری برای نفوذ اتم ها فراهم می کنند. به عبارت دیگر وجود این فصل مشترک های بین دانه ای باعث می شود که تقریباً در همة دماها نفوذ از طریق مرز دانه ها، مکانیزم غالب باشد. این در حالی است که در مواد پلی کریستال معمولی در دماهای بیش از نصف نقطه ذوب، نفوذ از داخل دانه ها (نفوذ حجمی)، مکانیزم غالب در نفوذ است.
افزایش ضریب نفوذ در مواد نانوساختار سبب تغییر برخی خواص مواد به شرح زیر می شود:
افزایش حد حلالیت در حالت جامد؛ به عنوان مثال حد حلالیت بیسموت در مس معممولی حدود 4-10 درصد اتمی است، در حالی که این مقدار برای مس نانوساختار حدود 4 درصد اتمی است.
تشکیل ترکیبات بین فلزی در دماهای بسیار کمتر. د واقع چون سرعت نفوذ عناصر درهم افزایش یافته، تشکیل چنین ترکیبات بین فلزی سریع تر و در دماهای کمتری نسبت به حالت معمولی رخ خواهد داد.
افزایش قابلیت سینتر شدن پودرهای نانو. به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم ذرات، قابلیت نفوذ و سینتر شدن پودرها افزایش می یابد.
لازم به ذکر است اگر مواد نانوساختار از طریق سینترینگ یا تف جوشی نانوذرات تولید شده باشند، دارای تخلخل هایی با ابعاد نانومتر نیز هستند. بنابراین در این دسته از مواد، تخلخل و حرکت مرز دانه ها از دیگر پدیده های مهم نفوذی هستند. در واقع تخلخل های احتمالی موجود در مواد نانوساختار اندازه ای در حد نانومتر دارند. بنابراین حضور این عوامل در مواد نانوساختار باعث افزایش فصل مشترک ساختارها شده و در نهایت منجر به افزایش میزان نفوذ در این مواد خواهد شد.
الف- نفوذ در فصل مشترک ساختارها
معمولاً بررسی رفتار نفوذی مواد نانوساختار در دماهای پایین انجام می گیرد. در این دماها نفوذ درون داده ها بسیار کند صورت می گیرد و عمدتاً نفوذ در حضور تخلخل های نانومتری به همراه مهاجرت فصل مشترک ساختارها اتفاق می افتد. در واقع به علت درصد حجمی بالای مرز دانه ها، انرژی داخلی این مواد بالاست که این امر منجر به رشد دانه ها در این مواد خواهد شد. این پدیده به وسیله مهاجرت فصل مشترک دانه ها اتفاق می افتد. در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها، اتم های نفوذ کننده در فصل مشترک، از مسیرهای نفوذ خارج شده و درون دانه ها ثابت نگه داشته می شوند (نفوذ در حجم دانه ها ناچیز است). بنابراین معادلات نفوذی در مواد نانوساختار (معادله 2) با معادلات مشابه در مواد معمولی (معادله 1) متفاوت خواهد بود.
(1)
در این معادله C میزان غلظت است که معمولاً برحسب تعداد اتم ها در واحد حجم بیان می شود. t , x عمق و زمان نفوذ هستند و DB ضریب نفوذ در فصل مشترک ساختارهاست.
(2)
در این معادله V سرعت حرکت فصل مشترک ساختارهاست که ثابت فرض می شود و زمان نفوذ است.
ب- نفوذ در فلزات نانوساختار
در این قسمت نفوذ در فلزات نانوساختار با متراکم (بدون حضور تخلخل) مورد بحث قرار می گیرد. تحقیقات انجام گرفته در مورد پالادیم نانوساختار نشان می دهد که چگالی تئوری به وسیله فشردن نانوذرات پالادیم با فشاری معادل 4 گیگاپاسکال و در دمای 380 درجة سانتیگراد تحت شرایط خلأ به دست می آید. در این ماده تقریباً تخلخلی وجود ندارد.
برای مطالعة نفوذ در پالادیم نانوساختار بدون تخلخل، از آهن به عنوان عنصر ردیاب استفاده شده است. نتایج بررسی ها نشان می دهد که در دماهای کمی بالاتر از دمای اتاق، آهن خیلی سریع در پالادیم نفوذ می کند. بنابراین انتقال اتمی و نفوذ آهن بیشتر در فصل مشترک دانه های پالادیم رخ می دهد.
ادامه فرایند نفوذ و رشد دانه ها باعث مهاجرت و حرکت فصل مشترک دانه ها شده که با گذشت زمان از میزان فعل و انفعالات فصل مشترک کاسته شده و در نهایت منجر به کاهش سرعت نفوذ عنصر ردیاب می شود. علت مهاجرت فصل مشترک دانه ها در پالادیم نانوساختار به خاطر این است که طی این عمل فصل مشترک های با ساختار غیرتعادلی به ساختار تعادلی نزدیک می شوند. به بیان دیگر، همانگونه که قبلاً ذکر شد، فصل مشترک دانه ها با مهاجرت خودشان باعث رشد دانه ها و کاهش مساحت مرز دانه ها در ماده و نهایتاً کاهش انرژی داخلی آن می شوند. بنابراین در اثر مهاجرت فصل مشترک دانه ها، میزان فضاهای خالی موجود در مرز دانه ها و همچنین کرنش داخلی مادة نانوساختار کاهش خواهد یافت. البته لازم به ذکر است که نفوذ شیمیایی و تشکیل ترکیبات بین فلزی و همچنین تشکیل اکسیدهای فلزی در مرز دانه ها می تواند عمل نفوذ را مختل نماید. به عنوان نمونه، رفتار نفوذی بیسموت در مس بسیار جالب است. بیسموت در مس نانوساختار نامحلول است. بنابراین تمایل زیادی به تجمع در فصل مشترک دانه ها دارد. بنابراین افزایش مقدار بیسموت در مس نانوساختار می تواند منجر به کاهش انرژی مرز دانه های مس نانوساختار شود. با کمی دقت در این مثال در می یابیم که می توان با اضافه کردن برخی عناصر، جلوی رشد ساختاری مواد نانوساختار را گرفت، و این مواد را به حالت پایدار رساند. چنین پایدارسازی در مورد سرب حاوی زیرکنیم نیز قابل مشاهده است.
نفوذ در سرامیک های نانوساختار
در مورد سرامیک های نانوساختار نفوذ بین فازی بسیار مهم است چرا که این امر در افزایش نرخ سینترینگ و بهبود خواص شکل پذیری سرامیک ها اثرات چشم گیری دارد. به عبارت دیگر با افزایش میزان نفوذ فازهای موجود در سرامیک های نانوساختار، سرعت تف جوشی این مواد افزایش یافته و همچنین با افزایش ضریب نفوذ در این مواد، تبدیل فازها به یکدیگر تسهیل یافته و بنابراین شکل پذیری آن ها بهبود خواهد یافت چرا که شکل پذیری سرامیک ها به میزان تبدیل فازهای درون سرامیک ها وابسته است. بیشتر مطالعات نفوذی در مورد سرامیک های نانوساختار، روی اکسیدهای فلزات انتقالی ZrO2 و TiO2 انجام گرفته است.
سرامیک های دارای ترکیب استوکیومتری، انرژی فعال سازی زیادی برای نفوذ درهم دارند که ناشی از پیوند قوی بین اجزای تشکیل دهنده آن هاست. انحراف از ترکیب استوکیومتری باعث افزایش انرژی داخلی ماده و کاهش میزان انرژی فعال سازی مورد نیاز برای نفوذ در این مواد می گردد. بنابراین استوکیومتری نقش بسیار مهمی در رفتار نفوذی سرامیک های نانوساختار دارد.
برای درک بیشتر نقش فصل مشترک ساختارها در رفتار نفوذی مثالی را مرور می کنیم. در این مثال از اکسیژن به عنوان ردیاب استفاده شده و طیف سنجی جرم یونی ثانویه برای اندازه گیری خواص نفوذی مورد استفاده قرار گرفته است. اکسید زیرکونیم نانوساختار دارای چگالی نسبی حود 97% و متوسط اندازه دانه 80 نانومتر است که توسط فشردن نانوذرات اکسید زیرکنیم در دمای سینترینگ 950 تا 970 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 3 ساعت به دست آمده است. نمودار نفوذ اکسیژن (شکل 2) دو فرایند نفوذی همزمان را نشان می دهد؛ نفوذ حجمی در دانه ها (Dv) و نفوذ در فصل مشترک دانه ها (DB) . آنالیز نمودارها و داده های نفوذ این ماده نشان می دهد که نفوذ در گسترة دمایی 450 تا 950 درجة سانتیگراد در فصل مشترک یا مرز دانه ها، 3 تا 4 برابر بیشتر از نفوذ حجمی است. افزایش عمق نفوذ اکسیژن (شکل 2) منتج از افزایش دمای آنیل نفوذی است.
در مقایسه با نتایج به دست آمده برای اکسید زیر کنیم، اکسید تیتانیم نیز مورد بررسی قرار گرفته است. اکسید تیتانیم مورد بررسی دارای چگالی نسبی 95% و اندازه دانه حدود 30 نانومتر است که با سینترینگ نانوپودر اکسید تیتانیوم در دمای 750 درجه سانتیگراد در فشار ** گیگاپاسکال ************ اکسید تیتانیم نانوساختار، نفوذ اکسیژن بسیار سریع تر از اکسید تیتانیم معمولی است و انرژی فعال سازی نفوذ بسیار کمتری از اکسید تیتانیم معمولی دارد. نفوذ اکسیژن از فصل مشترک در اکسید تیتانیم بسیار سریع تر از اکسید زیر کنیم است.
بنابراین به طور کلی می توان گفت مکانیزم غالب نفوذ در مواد نانوساختار به خاطر درصد حجمی بالای مرز دانه ها در این مواد، نفوذ از طریق مرز دانه هاست و بسیار سریع تر و بیشتر از مواد معمولی و مرسوم است.
خواص مکانیکی مواد نانوساختار
تولید فلزات و آلیاژهای با اندازه دانه در حد 50 تا 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام فوق العاده زیاد خواهد شد. در واقع کوچک کردن دانه ها در مواد، ابزار قدرتمندی برای تولید میکروساختارهای با خواص مکانیکی عالی شناخته شده است.
نکته مهم این است که مکانیزم تغییر شکل و خواص مکانیکی مواد نانوساختار فقط به متوسط اندازة دانه ها بستگی ندارد، بلکه شدیداً به توزیع اندازه دانه ها و ساختار مرز دانه ها وابسته است.
در رابطه با استحکام و سختی مواد، رابطه تجربی هال- پچ (معادله 3) نشان می دهد که با کاهش اندازه دانه ها، استحکام و سختی ماده افزایش می یابد.
(3)
در این معادله استحکام تسلیم ماده، تنش اصطکاکی لازم برای به حرکت درآوردن نابجایی ها، K ثابت معادله و d اندازه دانه است. رابطه متشابهی نیز برای سختی مواد بر اساس رابطه هال- پچ به صورت معادله (4) وجود دارد:
(4)
در این معادله H سختی ماده، Kh ثابت هال- پچ، ثابت معادله و d اندازه دانه است.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 25 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید