۲-۱-۱- روش بالا به پایین
در این روش با بهره گرفتن از یک سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم کوچک می‌شود تا به اندازه‌های نانومتری برسد.
۲-۱-۲- روش پایین به بالا
این روش درست در جهت مخالف روش بالا به پایین میباشد، در این روش مواد نانو با بهره گرفتن از به هم پیوستن بلوک‌های سازنده مانند اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی تولید می‌شوند. خودآرایی عبارت است از طراحی مولکول‌ها و ابر مولکول‌هایی که اساس تشکیل آنها مکمل بودن شکل ساختاری است. باید توجه داشت که اتم‌ها و مولکول‌ها همیشه در جایی که مورد نظر ماست قرار نخواهند گرفت و عاملی که محل قرارگیری آنها را تعیین می‌کند انرژی آن‌هاست، به این صورت که مولکول‌ها در جایی قرار خواهند گرفت که کم‌ترین انرژی آزاد را داشته باشند و به سمت انرژی آزاد منفی تمایل دارند. انرژی آزاد در یک سیستم به وسیله استحکام پیوندها و آنتروپی تعیین می‌شود]۱۲[.
۲-۲- روش‌های تولید نانو طلا و نقره
۲-۲-۱- سنتز فاز بخار
سنتز فاز بخار ذرات، برای تولید نانوذرات فلزی مناسب است به این صورت که مخلوط فاز بخار به طور دینامیکی ناپایدار است تا مواد در حد نانو تهیه شود، ذرات به صورت همگن هسته‌گذاری می‌کنند و بعد از یک بار مرحله هسته‌گذاری، بخار فوق اشباع باقی مانده به وسیله متراکم شدن و واکنش با ذرات باعث رشد ذره‌ها می‌شود، در این جا رشد ذره بیش از مرحله هسته‌گذاری اتفاق می‌افتد (در ابتدا باید بخار فوق اشباع تشکیل داد به این صورت که یک جامد را حرارت می‌دهیم تا به صورت بخار در یک گاز پایه درآید، سپس با یک گاز سرد آن را مخلوط می‌کنیم تا دمای آن کاهش یابد بعد از این مرحله باید سیستم را خاموش کرد که با برداشتن منبع بخار فوق اشباع یا کاهش سینیتیکی واکنش انجام می‌شود و از رشد ذرات جلوگیری می‌شود).
۲-۲-۲- الکتروشیمیایی
برای تهیه نانوذرات طلا و نقره از طریق روش‌های الکتروشیمیایی نیز اقداماتی شده است که سایز ذرات با تنظیم شدت جریان تغییر می‌کند. در روش‌های الکتروشیمیایی در تولید نانوذرات اثرات پارامترهای گوناگون مثل دما، جنس کاتد، اورولتاژ، دانسیته جریان، زمان، نوع الکترولیت بر روی اندازه و ساختار ذرات بررسی شده است یکی از روش‌های سنتز نانوذرات فلزی طی روش الکتروشیمی الکتروپالس است این روش بر پایه استفاده از الکتروشیمی پالسی و شیمی صوت است و به تجهیزات بالا احتیاج دارد. روشی برای جانشینی الکتروستاتیکی طلا روی سطح الکترود در الکتروشیمی و ایجاد باند بین طلا با تیول‌ها و دی‌سولفیدها گزارش شده است.
رسوب‌گذاری الکتروشیمیایی بر پایه، سولفات، کلرید، برمید و یدید نقره انجام می‌شود. در تمام مواد لایه‌ای از نقره تشکیل می‌شود. از جمله فواید روش‌های الکتروشیمیایی برای تهیه نانو پودرها این است که به راحتی ایزوله و جدا می‌شوند و محصول فرعی حاصل از ماده کاهنده را هم تولید نمی‌کنند و بسیار انتخابی عمل می‌کنند. برای جلوگیری از جانشینی خودبه‌خودی Ag+ روی سطح پتانسیل را باید کنترل کرد.
۲-۲-۳- سنتز فوتولیز
نانوذرات به روش پرتو کافت گاما نیز میسر است طی این کاهنده قوی به وجود می‌آید که باعث کاهش یون فلز شده و عدد اکسایش فلز را به صفر می‌رسانند.
۲-۲-۴- کاهش شیمیایی
سنتز نانوذرات توسط کاهش شیمیایی در حضور یک پایدارکننده مثل سورفاکتانت‌ها و پلیمرها (مثل پلی‌وینیل پرولیدین) بسیار معمول میباشد، که میتوان اندازه ذرات را با تغییر دما، PH و کنترل هم زدن تغییر داد. با وجود سهولت در این روش معایبی نیز وجود دارد مثل زمان انجام واکنش که معمولاً بسیار طولانی است. مرحله مهم در طول تهیه نانوذرات در ابعاد مورد نظر، کنترل رشد و جلوگیری از تجمع ذرات میباشد که به وسیله لیگاندها، پلیمرها و یا سورفاکتانت‌ها از رشد میتوان جلوگیری کرد.
واکنش‌های کاهشی با وجود سهولت معایبی نیز دارند که مهم‌ترین آن زمان انجام واکنش میباشد که معمولاً بسیار طولانی است البته بعضی از کاهنده‌ها در دمای اتاق عمل می‌کنند.
کاهش یون نقره با یک کاهنده می‌تواند در دمای اتاق رخ دهد البته سرعت واکنش آن‌قدر کند است که تشکیل اجزای نقره ساعت‌ها طول می‌کشد. افزایش دمای واکنش منجر به زمان کمتر می‌شود و این تغییر مربوط به اختلاف پتانسیل بین اکسیداسیون حلال و کاهش گونه فلزی است]۱۳ و ۱۴[.
۲-۳- خواص نانوذرات
افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می‌شود که اتم‌های واقع در سطح، اثر بسیار بیش‌تری بر خواص فیزیکی ذرات، نسبت به اتم‌های درون حجم ذرات داشته باشند. این ویژگی، واکنش‌پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می‌دهد به گونه‌ای که این ذرات به شدت تمایل به کلوخه‌ای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرارگیری در هوا، به سرعت اکسید می‌شوند. تغییر در فاصله بین اتم‌های ذرات و نسبت سطح به حجم زیاد در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد، پتانسیل شیمیایی را تغییر می‌دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیرگذار است]۱۵[.
تغییر در فاصله بین اتم‌های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تأثیرگذار است. وقتی اندازه ذرات کاهش می‌یابد، پیوندهای الکتریکی در فلزات ظریف‌تر می‌شود. کمیت الکترونیکی که راحت‌تر در دسترس میباشد، پتانسیل یونیزاسیون است. مطالعات نشان داده‌اند که پتانسیل یونیزاسیون در اندازه دانه‌های ریزتر، بیشتر است.
پیچیده‌ترین تأثیر اندازه ذرات، بر خواص مغناطیسی ماده است. یک ماده توده‌ای فرومغناطیسی با حوزه‌های مغناطیسی که هر کدام حاوی هزاران اتم هستند، شناخته می‌شود. در یک حوزه مغناطیسی، جهت چرخش الکترون‌ها یکسان است، اما حوزه‌های مغناطیسی متفاوت، جهات چرخش متفاوتی دارند. تغییر فاز مغناطیسی وقتی رخ می‌دهد که یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را یک جهت کند. ذرات مغناطیسی کوچک و جامدات غیر مغناطیسی با اندازه دانه کوچک، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می‌دهند. این خواص متأثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است]۱۶[.
۲-۴- کاربرد نانوذرات
۲-۴-۱- نانو ذرات غیرفلزی
کاربرد نانوذرات بسیار متنوع است در این جا به اختصار به برخی از آنها اشاره می‌شود:
نانوذرات در صیقل‌دهنده‌ها، رنگ‌ها، در پوشش‌های جدید عینک (آنها را ضد خش و نشکن می‌سازد)، کاشی‌ها، صفحات خورشیدی، در پوشش‌های الکتروکرومیک برای شیشه جلوی اتومبیل‌ها یا پنجره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به کمک این ذرات میتوان پوشش‌های غیر قابل رنگ‌آمیزی نیز برای دیوارها ساخت. چسب‌های حاوی نانوذرات دارای خواص نوری هستند که در اپتوالکترونیک کاربرد دارند. پوشش وسایل الکترونیک مانند رایانه‌ها حاوی ذراتی است که حفاظ پیشرفته‌ای را در برابر تداخل امواج الکترومغناطیسی به وجود می‌آورد. نانو کامپوزیت‌های پلیمر – سیلیکات که حاوی نانوذرات سیلیکاتی هستند، دارای نسبت استحکام به وزن بالاتر، مقاومت حرارتی بیشتر، امکان بازیافت بهتر و نفوذپذیری کم‌تری می‌باشند. نانوذرات آلومینیوم به عنوان افزودنی به سوخت راکت‌ها برای افزایش انرژی احتراق مصرف می‌شوند. از نانوذرات همچنین میتوان در ساخت کاتالیست‌ها با بازدهی بالا استفاده کرد.
صنایع مختلفی نظیر حمل و نقل زمینی، هوا – فضا، دفاعی و نظامی، آرایشی و بهداشتی، پزشکی، دارورسانی و بسته‌بندی از این مواد استفاده می‌کنند]۱۷[.
۲-۴-۲- نانوذرات فلزی
۲-۴-۲-۱- نانو طلا و کاربردهای آن
با توجه به مطالب بیان شده در بخش نانو مشخص است که تغییر خواص فیزیکی مواد با آرایش اتمی، اندازه جامد و ترکیب شیمیایی آنها ارتباط مستقیمی دارد. از گذشته نیز اثر ذرات کوانتومی روی خواص مواد مورد بررسی قرار گرفته بوده است. در کنار افزایش مطالعات بر روی خواص فیزیکی نانوذرات به روش‌های مختلف نانوذرات فلزی توجه ویژه‌ای شد به ویژه در زمینه هسته‌گذاری، رشد بلور و انباشتگی ذرات. نانوذرات طلا در وسایل نوری و الکترونیک بیوشیمی و بیوتکنولوژی کاربرد فراوان دارد. از نانوذرات طلا برای تولید الکترود با حساسیت و قابلیت انتخابی بالا بر پایه خودآرایی نانوذرات طلا و همچنین نشاندن ذرات طلا روی الکترود از طریق پیوندهای کووالانسی یا الکتروستاتیکی یا الکتروشیمیایی بررسی شده‌اند. به طور کلی نانوذرات در الکتروشیمی به علت خواص فیزیکی و شیمیایی خود مورد استفاده قرار گرفته‌اند همچنین استفاده از الکتروشیمی در نانوتکنولوژی بسیار مورد توجه بوده است]۱۸[.
۲-۴-۲-۲- نانو نقره و کاربردهای آن
نانوذرات نقره در طی دهه های گذشته به علت خصوصیات نوری، کاتالیستی، مغناطیسی، الکتریکی و خصوصیات فوتونی‌شان مورد توجه شایانی قرار گرفته‌اند، و در نتیجه کاربردهایی در زمینه‌های الکترونیک و اپتوالکترونیک، بلورهای نوری کاتالیست‌ها، حس‌گرها، مواد ضد باکتری و برچسب‌زنی بیولوژیکی پیدا کرده است. از بین کاربردهای فوق استفاده از نانوذرات نقره به عنوان مواد ضد باکتری و برچسب‌های بیولوژیکی مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفته است. نتایج نشان داده شده است که خواص و ویژگی‌های کاربردی این نانوذرات به شدت وابسته به اندازه، شکل، ساختار و بلوری بودن آن‌هاست.
از خصوصیات نانوذرات نقره میتوان به تأثیر بسیار زیاد، تأثیر سریع، غیرسمی، غیر محرک، غیر حساسیت‌زا، قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)، آب‌دوست بودن، سازگاری با محیط زیست، مقاوم در برابر حرارت، عدم ایجاد و افزایش مقاومت و سازگاری در میکروارگانیسم اشاره نمود. از دیگر قابلیت‌های نانوذرات نقره، اضافه شدن به الیاف، پلیمر، سرامیک، سنگ، رنگ و … بدون تغییر دادن خواص ماده است]۱۹[.
۲-۵- فرمول بندی کلاسیکی
ابتدا به بررسی معادلات الکترومغناطیسی ماکسول می پردازیم.
(۱-۲a)
(۱-۲b) (۱-۲c)
(۱-۲d)
این معادلات چهار میدان ماکروسکوپیک D (جابجایی دی‌الکتریک)، E (میدان الکتریکی)، H (میدان مغناطیسی) و B (القاء مغناطیسی یا چگالی شار مغناطیسی) را با چگالی بار الکتریکی خارجی و چگالی‌های جریان Jext مرتبط می‌سازند]۱۹[.
در این جا، میان چگالی‌های جریان و بار الکتریکی خارجی و داخلی تمایز قائل می‌شویم به طوری که در حالت کلی و . مجموعه‌ی خارجی، سیستم را تحریک می‌کند در حالی که مجموعه‌ی داخلی به محرک خارجی، واکنش نشان می‌دهد]۲۰[. به علاوه این چهار میدان ماکروسکوپیک، از طریق قطبش الکتریکی P و قطبش مغناطیسی M به صورت زیر با هم ارتباط دارند :
(۲-۲a)
(۲-۲b)
که به ترتیب ثابت دی‌الکتریک و ثابت نفوذپذیری مغناطیسی خلاء هستند.
به دلیل آن که در این کار ما فقط در مورد محیط‌های غیر مغناطیسی بحث خواهیم کرد، به واکنش مغناطیسی از طریق M نیاز نداریم. P گشتاور دوقطبی الکتریکی در واحد حجم در فلز توصیف می‌کند که با هم محور شدن دوقطبی‌های میکروسکوپیک توسط میدان الکتریکی تولید می‌شود و از طریق با چگالی بار الکتریکی داخلی مرتبط می‌شود. همچنین، بقاء الکتریکی نیازمند آن است که بار الکتریکی داخلی و چگالی‌های جریان از طریق معادله‌ی زیر به هم مربوط گردند:
(۳-۲)
مزیت بزرگ این روش، آن است که میدان الکتریکی ماکروسکپی دربردارنده‌ی تمامی تأثیرات قطبش میباشد:
به عبارت دیگر، هم میدان‌های خارجی و هم میدان‌های القایی، درون آن جذب شده‌اند که این می‌تواند از طریق جاگذاری (۲-۲a) در (۱-۲a) به شکل زیر نشان داده شود:
(۴-۲)
در ادامه، خود را به محیط‌های غیر مغناطیسی ایزوتروپیک خطی محدود می‌کنیم. بنابراین روابط به شکل زیر تعریف می‌گردند:
|
[جمعه 1400-08-14] [ 12:50:00 ب.ظ ]
|
