بخشی از مقاله
نانوتکنولوژی
مقدمه
اولين كسي كه مفاهيم نانوتكنولوژي را پيشنهاد نمود، ريچارد فينمن- برنده جايزه نوبل فيزيك در سال 1965 بود. او در سخنراني تاريخي خود با عنوان “در آن پايين اتاقها (فضاهاي) بسياري وجود دارد” چشم انداز جالبي را از ساخت و ساز در مقياس اتمي و مولكولي را متصور ساخت. او عقيده داشت در مقياسهاي بسيار كوچك خواص مواد با خواص فعلي اشان فرق مي كند و لذا با كنترل ماده در مقياس اتمي و مولكولي مي توان به خواصي از مواد دست يافت كه اكنون از آنها استفاده نمي كنيم.
در سال 1974، Taniguchi ايده هاي فينمن را نانوتكنولوژي ناميد. او بين مهندسي در اندازه ميكرومتر مانند ميكروالكترونيك كه در آنها روزها دوران اوجش را مي‌گذارند و مهندسي در مقياس زير ميكرومتر تفاوت قائل شد.
از آن زمان تا كنون تلاش براي كشف خواص جديدي از مواد در در مقايس نانومتر با سرعت روبه پيشرفت است. دو تا از دستاوردهاي بزرگ آن ميكروسكوپهاي SPM (Scanning Probe Microscope) و كشف آلوتروپي جديدي از كربن به نام Buckminister Fullerenene يا Buckyball هستند. اختراع ميكروسكوپهاي SPM كه دو تا از معروفترين آنها STM و AFM هستند كار مطالعه و بررسي ساختارهاي بسيار ريز و در حد نانومتر را تسهيل كردند و كشف باكي بال ها باعث ايجاد ساختارهاي تيوب- مانند شد كه در آنها ورقه هاي گرافيت به شكل لوله در مي آيند و دو سر آنها با دو نيم فولرن بسته مي شود.
ضخامت اين لوله ها فقط چند ميليونيم متر يا چند نانومتر و طول آنها به حدود 100 ميكرومتر مي رسد. اين نانولوله ها از فولاد محكمتر اما سبك وزن اند، خم شدنهاي پي در پي، تابيدن و پيچيدن را تحمل مي كنند، مي توانند به اندازه مس رساناي الكتريسيته و يا مانند سيليسيم خاصيت نيم رسانايي از خود نشان بدهند. بهتر از هر ماده شناخته شده ديگري گرما را منتقل مي كنند و خاصيت جذب هيدروژن را نيز دارا مي باشند.
علم و تكنولوژي نانو در واقع يك نگاه و يك رويكرد جديد در علوم و مهندسي با كنترل ماده از مقياس اتم و مولكول و يا از مقياس نانومتر مي باشد و لذا در تمامي حوزه هاي علم و تكنولوژي و صنايع مختلف تحول و تغيير ايجاد خواهد كرد.
سير پيشرفت مواد با ساختار بسيار ظريف يا نانو ساختار :
در زمينه علم مواد مي توان دو مرحله را به عنوان مراحل توسعه و پيشرفت مواد با ساختار Ultrafine يا همان مواد با ساختار نانومتر مشخص كرد.
اولين مرحله را مي توان از سال 1870 تا سال 1970 دانست. در اين مرحله ميكرو ساختار به عنوان پارامتر اصلي كنترل كننده خواص مكانيكي، مغناطيسي و الكتريكي معرفي شد. سرآغاز آن كارهاي Sorby روي خواص مكانيكي آهن بود كه نشان داده سختي مارتنزيت بخاطر تغييرات آلوتروپيك در آلياژهاي آهن و ميكروساختار بسيار ظريف باقي مانده است. پديده رسوب سختي نيز ارتباط بين ميكروساختار و خواص را پيشنهاد نمود.
Wilm در سال 1906 آلياژ Ag-Co-Mg-Mn را كوئينچ نمود و بعد از چند هفته مشاهده نمود كه سختي آن بيشتر شده است. بعدها متوجه شدند كه اين افزايش سختي ناشي از رسوب يك فاز جديد در مقياس زير ميكرومتر است. در سال هاي بعد نظريه هاي عيوب شبكه ايي و مشخصه هاي آن روي جامدات كريستالي و اختراع ميكروسكوپهاي با قدرت تفكيك پذيري بالا باعث پيشرفت بسيار زيادي در درك خواص وابسته به ساختار و ميكرو ساختار شد.
و دومين مرحله را نيز مي توان بعد از سال 1970 دانست. در اين زمان Gleiter، Turnball و ديگران با روشهاي گوناگون مواد با ساختار بسيار ريز (Ultrafine) يا نانومتري توليد مي كردند و سپس خواص آنها را بررسي مي نمودند. به عنوان مثال Gleiter و همكارانش توسط روش Inert Gas Condensation پودرهاي نانومتري فلزي توليد مي كردند و سپس تحت محيط با خلاء بسيار بالا آنها را به صورت ديسكهاي كوچكي متراكم مي نمودند و آنها را آناليز مي كردند. مطالعات آنها نشان داد كه با تغيير آرايش مواد و دستكاري در ميكروساختار مواد مي توان جامداتي با ساختار اتمي/ الكتروني جديد ساخت. اين پيشرفتها ايده هاي فينمن در مورد نانوتكنولوژي را به حقيقت بيشتر نزديك كرد.
معرفي مواد نانوساختار (Introduction to Nanostructured Materials):
مواد نانو ساختار جامداتي هستند كه اجزاي ساختار آنها حداقل در يك بعد در حد نانومتر باشد. در واقع فقط نانوساختار به موادي (فلز، سراميك، پليمر، كامپوزيت، نيمه هادي، شيشه) گفته مي شود كه شامل دانه ها يا كلاسترها يا لايه ها و يا فيلامنت هايي كمتر از 100 نانومتر باشند و در واقع مي توان آنها را به چهار گروه زير تقسيم بندي نمود.
تقسيم بندي (Classification):
1- صفر بعدي يا همان كلاسترهاي اتمي.
2- تك بعدي يا لايه هاي نانوساختار كه در آنها طول و پهنا از ضخامت بيشتر است. مثل thin filmها و thin winrها.
3- ساختارهاي دوبعدي كه در آنها طول از پهنا يا قطر بسيار بيشتر است. مثل فيلامنت‌ها و يا سطوح آزاد با ضخامت نانومتر مثل پوششهاي نانومتري.
4- ساختارهاي سه بعدي مانند كريستالهاي نانو ساختار يا مواد آمورف يا quasicrystalline نانو ساختار .
بيشترين توجه متخصصين مواد به ساختارهاي سه بعدي و نانوكريستالي است.
و نانو ساختارهاي تك بعدي بيشتري در صنايع الكترونيك و نانو ساختارهاي صفر بعدي و دو بعدي بيشتر در صنايع اپتيك كاربرد دارند.
ساختار (Structure)
نتايج مطالعات و آناليزهاي Gleiter و ديگران در ساختار مواد نانوكريستالي نشان مي دهد كه در ساختار اين مواد دو نوع اتم قابل تشخيص است.
اتمهاي كريستالي با تركيبي از نزديكترين همسايه هاي اتمي متعلق به شبكه و اتمهاي مربوط به مرز با فواصل اتمي متفاوت در هر مرز. يك فلز نانوكريستال با اندازه دانه حدود 10 نانومتر حدود m-3 25 10*6 فصل مشترك با جهت هاي كريستالي رندوم دارد و بنابراين تعداد زيادي از اتمها در فصل مشترك واقعند.
اگر فرض كنيم كه دانه ها به صورت كره يا مكعب هستند، آنگاه
: ضخامت متوسط مرزدانه
:d قطر متوسط دانه
بنابر اين درصد حجمي اتمها در مرزدانه ها مي تواند تا حدود 50% براي يك ماده با اندازه دانه 5 نانومتر برسد، در حاليكه براي ماده ايي با اندازه دانه 3 10 نانومتر 3% است.
(همچنين در سالهاي اخير متوجه شده اند كه علاوه بر مرزدانه ها، triple junctions خطوط تقاطع سه يا چند كريستال جامد) نيز در اندازه دانه هاي كوچك اثرات بسياري روي ميكروساختار دارد. لذا كل منطقه بين كريستالي (intercrystalline) را محاسبه مي كنند.
for
ic= intercrystalline
gd= grainboundary
ti= triple junction
همانطور كه در شكل مشاهده مي شود در اندازه دانه هاي 3-2 نانومتر اين مقادير به 80-70 هم درصد مي رسند. به طور كلي مواد نانو كريستالي از دو جز ساخته شده‌‌اند.
كريستالهاي كوچك با نظم اتمي با دامنه بالا و جهت هاي كريستالي متفاوت كه «جزء كريستالي» ناميده مي شود و شبكه بين مناطق كريستالي كه ساختار آن از منطقه‌ايي به منطقه ديگر فرق مي كند و «جزء فصل مشترك» ناميده مي شود. چگالي مناطق فصل مشترك كمتر از 10 تا 30 درصد كمتر از چگالي مناطق كريستالي است. (با توجه به باند شيميايي بين اتمها) علاوه بر اين، بين فواصل اتمي در مرزها يك نظم با دامنه كوتاه وجود دارد و يا اصلاً وجود ندارد.
