مباحث و مقالات مهم زیر مجموعه نانو مواد

نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر


مقدمه :

نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر بهبود فوق‌العاده‌اي در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي پليمرهايي که در آنها از مقدار کمي پرکننده استفاده مي‌شود، ايجاد مي‌کند. اين تکنولوژي که امروزه مي‌تواند کاربرد تجاري نيز پيدا کند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب کرده است. عمدة پيشرفت‌هايي که در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشکلات آن خواهيم پرداخت.
هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمده‌اي در توسعة روشهاي سنتزي و کاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مکانيزم‌هايي که باعث افزايش کارايي در نانوکامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت مي‌شوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار کامپوزيتهايي که در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد کند.
موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزاينده‌اي مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌اي بين ابعاد ميکرو و ابعاد مولکولي است و اين محدوده‌اي است که دانشمندان مواد و شيميدان‌ها در آن به مطالعاتي پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تکنولوژي که توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتکنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتکنولوژي ايجاد کاربردهاي انقلابي و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو مي‌باشد.
تعريف

نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر يک مثال موردي از نانوتکنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاک رس‌هاي نوع اسمکتيت ( Smectite-type ) از قبيل هکتوريت، مونت موريلونيت و ميکاي سنتزي، به عنوان پرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رس‌هاي نوع اسمکتيت، ساختاري لايه‌اي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم کوئورانيه شده بصورت چهار وجهي که به يک صفحه هشت وجهي با لبه‌هاي مشترک از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار مي‌رود اين مواد خواص مکانيکي فوق‌العاده‌اي را در جهت موازي اين لايه‌ها نشان دهند ولي خواص مکانيکي دقيق اين لايه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدل‌سازي تخمين زده شده که ضريب يانگ در راستاي لايه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يک پليمر عادي است. لايه‌ها نسبت صفحه‌اي ( aspect ratio ) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد، در حاليکه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميکرون، متفاوت مي‌باشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها بوسيله يک نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب اين امکان وجود دراد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهاي گوناگوني، درون يک پليمر، به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.
در گذشته، عمدتاً به اين شکل از دانه‌هاي رسي براي افزايش کارايي پليمر استفاده مي‌شود که آنها را در حد ميکروني خرد مي‌کردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پرکننده‌هاي در اندازه ميکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده.
مي‌توان تصور کرد که خواص مکانيکي فوق‌العاده لايه‌هاي منفرد در اجزاي خاک رس نتوانند در يک سيستم به طرز موثري عمل کنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين کار مي‌باشد. معمول است که از ميزان بالايي از خاک رس استفاده شود تا به بهبود کافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليکه اين کار باعث کاهش استحکام و سختي پليمر مي‌شود.

شکل 1: اصول کاربردي متفاوت در ساخت ميکرو و نانوکامپوزيت‌هاي رايج
اصلي که در نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر رعايت مي‌شود، اين است که نه تنها دانه‌هاي رسي را از هم جدا مي‌کنند، بلکه لايه‌هاي هر دانه را نيز از هم جدا مي‌کنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتيک نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مکانيکي فوق‌العاده هر لايه نيز بطور موثر بکار مي‌آيد و اين در حالي است که در اجزاي تقويت شده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا مي‌کند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشکيل شده است.
ويژگي ها نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

يکي از دستاوردهاي تحقيقات اين است که مشخص شده که بسياري از خواص مهندسي هنگاميکه از ميزان کمي معمولاً چيزي کمتر از 5% وزني، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد. در پليمرهايي چون نايلون ( nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان کمي پرکننده استفاده شود، يک افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت کشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شکل بر اثر گرما، از خود نشان مي‌دهد. ساير خواص فيزيکي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير ( barrier resistance ) و هدايت يوني.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رس - پليمر اين است که تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيکي پليمر ندارند. ضخامت يک لايه رس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيکي شفاف مي‌باشد. ميکرو نانوکامپوزيت‌هايي که تصويرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکيب خاک رس و پلي پروپيلن و با استفاده از روش سرد کردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر کريستاليزاسيون، ساخته شده‌اند. ميکروکامپوزيت‌هاي مرسوم، قهوه‌اي و مات به نظر مي‌رسند، در حاليکه نانوکامپوزيت‌ها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه مي‌گيريم که نانوکامپوزيتهاي خاك رس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتکنولوژي مي‌باشد. با سازماندهي و چينش ساختار کلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شده‌اند. نکته ديگر در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر اين است که اين تکنولوژي، فوراً مي‌تواند کاربرد تجاري پيدا کند، در حاليکه بيشتر نانوتکنولوژي‌هاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند.
كاربردهاي نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر
اولين کاربرد تجاري اين مواد با استفاده از نانوکامپوزيت خاك رس / نايلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشينهاي تويوتا در همکاري با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمي بعد از آن Unikita نانوکامپوزيت نايلون6 را بعنوان محافظ روي موتورهاي GDI شرکت ميتسوبيشي معرفي کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاري و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. اين امر با کاربرد اين نانوکامپوزيت‌ها در درب‌هاي شورلت ايمپالاز ( Impalas ) صورت گرفت.
اخيراً شرکت نوبل پليمرز ( Noble/Polymers ) نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس / پلي‌پروپيلن را براي استفاده در صندلي‌هاي هندا آکورد ساخته است و اين در حالي است که Ube دارد نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس / نايلون12 ( clay/nylon-12 ) را براي استفاده در اجزاي سيستم سوخت‌رساني، توليد مي‌کند.
علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، به صنايع نوشيدني‌ها نيز راه يافته‌اند. Alcos CSZ نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر چندلايه را در کاربردهاي جديد خود (بعنوان مواد خطي – سدي) ( barrier liner materials ) بکار مي‌برد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزيت خاك رس - پليمري Aegis TM NC resin را در بسته‌بندي نوشيدني‌ها بکار مي‌برد و اخيراً شرکت‌هاي Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزيتهاي Nylon-MXD6 را براي ساخت بطري‌هاي چند لايه ( polyethylene terephtalate) PET ساخته است.
تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر

اگرچه تحقيقات در مورد ترکيب خاك رس/ پليمر به قبل از 1980 برمي‌گردد، ولي کارهايي که در آن زمان صورت گرفت را نبايد در تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر به حساب آورد، چرا که هيچگاه به نتيجه چشمگيري براي بهبود خواص فيزيکي و مهندس آنها ختم نشد. در حقيقت مي‌توان منشاء نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر را کارهاي شرکت تويوتا که تلاش براي لايه‌لايه کردن دانه‌هاي رسي در نايلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانسته‌اند بهبود قابل توجهي در خواص پليمرها، با تقويتشان بوسيله خاک رس در مقياس نانومتر، ايجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقيقات وسيعي در اين زمينه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر اين بهبودها به ساير پليمرهاي مهندسي از جمله پلي پروپيلن ( PP ) ، پلي اتيلن ، پلي استايرن، پلي وينيل کلريد، آکريلونيتريل، پليمرهاي بوتا اي ان اسنايرن ( ABS ) ، پلي متيل متاکريلات، PET ، کوپليمرهاي اتيلن سوينيل استات، پلي اکريلونيتريل، پلي کربنات، پلي اتيلن اکسيد ( PEO ) ، اپوکسي رزين، پلي اميد، پلي لاکتيد، پلي کاپرولاکتون، فنوليک رزين، پلي-پي فنيلن وينيلن، پلي پيرول، لاستيک، استارک (آهار)، پلي اوراتان، پلي وينيل پيريدين، سرايت کرده.
تکنولوژي ساخت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

مرحله نهايي در ساخت نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، جدا جدا کردن لايه‌هاي رسي و پخش آن در پليمر مي‌باشد. استراتژي کار بستگي دارد به سازگاري و همگون بودن رس و پليمري که استفاده مي‌شود. اين تعيين مي‌کند که آيا نياز به عمليات مقدماتي روي خاك رس يا پليمر قبل از مخلوط کردن هست يا نه. اگر سطح لايه‌هاي سيليکاتي با پليمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقيم بين اين دو مي‌تواند اتفاق بيفتد، بدون اينکه نياز به عمليات مقدماتي باشد. چنين مواردي بيشتر وقتي اتفاق مي‌افتد که پليمر قابل حل در آب، مانند PEO يا PVP استفاده کنيم، چرا که اين پليمرها و سطح لايه‌هاي سيليکات، هر دو آبدوست هستند و نيروهاي دوقطبي يا وان‌دروالسي بين لايه‌هاي سيليکات، باعث سهولت جذب مولکولهاي آبدوست و ايجاد فشارهاي عمودي روي لايه مي‌شود که در نتيجه باعث جداکردن تک‌تک لايه‌هاي رسي در اين پليمرها مي‌گردد.
اما به هر حال، بيشتر پليمرها آب گريز و در نتيجه با دانه‌هاي رسي آبدوست، ناسازگار هستند. در اين موارد نياز به يکسري عمليات مقدماتي روي خاک رس يا پليمر داريم. پرکاربردترين روش‌هاي براي اصلاح دانه‌هاي رسي، استفاده از آمينواسيدها، نمکهاي آمونيم آلي و يا فسفونيم تترا ارگانيک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گريز تبديل کنيم. دانه‌هاي رسي که به اين روش اصلاح مي‌شوند، ارگانوکلي ناميده مي‌شوند. در مورد پليمرهايي که فاقد هرگونه گروه عاملي مي‌باشند، مانند پلي پروپيلن ( PP ) ، معمولاً از تکنيک هاي افزودن گروه عاملي قطبي روي زنجيره پليمري استفاده مي‌شود و يا اينکه در طي فرآيند ساخت، پليمرهاي پيوند خورده را بصورت مستقيم وارد مي‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزيت هاي رسي / پلي پروپيلن ( clay PP ) از مالئيک اسيد پيوند خورده به پلي پروپيلن، بصورت مستقيم استفاده شده است. در طي پيشرفتهاي اخير، از مخلوطي که پلي پروپيلن، پروپيلن پيوند خورده با مالئيک ايندريد و ارگانوکلي استفاده شده است.
روشهاي زيادي در توليد نانوکامپوزيتها استفاده شده، ولي سه روشي که از ابتداي کار توسعه بيشتري يافته‌اند عباراند از: پليمريزاسيون in situ ، ترکيب محلول القاشدن و فرآيند ذوبي .
روش اينسيتو عبارت است از وارد نمودن يک پيش ماده پليمري بين لايه‌هاي رسي و آنگاه پهن کردن و سپس پاشيدن لايه‌هاي رسي درون ماده زمينه ( matrix ) با پليمريزاسيون. ابتکار اين روش بوسيله گروه تحقيقاتي شرکت تويوتا بود و زماني رخ داد که مي‌خواستند نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر6 را بسازند. اين روش قابليت و توانايي توليد نانوکامپوزيتهايي با لايه لايه شدگي خوب را دارد و در محدوده وسيعي از سيستم هاي پليمري، کاربرد دارد. اين روش براي کارخانه‌هاي پليمر خام مناسب است تا در فرآيندهاي سنتزي پليمر، نانوکامپوزيت‌هاي رسي - پليمر بسازند و مخصوصاً براي پليمرهاي ترموستينگ (پليمرهايي که در برابر گرما مستحکم‌تر مي‌شوند) بسيار مفيد است.
روش ترکيب محلول القا شده ( solution induced interceletion ) از يک حلال براي بارگيري و پخش رس‌ها در محلول پليمري استفاده مي‌شود. اين روش هنوز مشکلات و موانع زيادي را در راه توليد تجاري نانوکامپوزيت‌ها پيش رو دارد. قيمت بالاي حلال هاي مورد نياز و همچنين مشکل جداسازي فاز حلال از فاز محلول توليد شده، از جمله اين موانع هستند. همينطور در اين روش، نگرانيهايي از نظر امنيت و سلامتي وجود دارد . با اين وجود اين روش در مورد پليمرهاي محلول در آب قابل بعنوان حلال استفاده مي‌شود و همچنين امنيت بيشتر و خطر اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قيمت پايين آب که کمتر آن براي سلامتي.
در روش فرآيند ذوبي، ترکيب خاك رس و پليمر در حين ذوب شدن انجام مي‌شود. بازده و کارآيي اين روش به اندازه روش اينسيتو نيست و کامپوزيتهاي توليد شده، ورقه‌ورقه شدگي کمي دارند. به هر حال اين روش مي‌تواند در صنايع توليد پليمر قديمي که در آنها از روشهاي قديمي مانند قالبگيري و تزريق ( Extrution and injection molding ) استفاده مي‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمي در افزايش سرعت پيشرفت توليد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي رس - پليمر ايفا کرده است.
علاوه بر اين سه روش با روش‌هاي ديگر نيز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکيب جامد، کوولکانيزاسيون و روش سل-ژل. اين روشها بعضاً در مراحل ابتدايي توسعه هستند و هنوز کاربرد وسيع پيدا نکرده‌اند.
رقابت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر با کامپوزيتهاي اليافي

با پيدا شدن سروکله تکنولوژي نانوکامپوزيت، جهشي در زمينه تقويت پليمرها بوجود آمده، و معقول به نظر مي‌رسد که فکر کنيم نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، بتوانند جاي کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف مرسوم را بگيرند.
از نظر تئوري، تقويت پليمرها در مقياس نانويي، امتيازات برتري نسبت به کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف دارند. ضعف کامپوزيت-هاي تقويت شده با الياف، در واقع يک شکست در راه استفاده مفيد از خواص ذاتي و طبيعي مواد است. مثلاً سعي مي‌کنيم که با بکارگيري پيوندهاي قوي کووالانسي و استفاده از صفحه‌هاي آروماتيک ساختار گرافيتي، مواد کربني را مستحکم‌تر کنيم. در حاليکه الياف کربني که امروزه استفاده مي‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظري صفحات آروماتيک را به دست مي‌دهند. عدم اتصال داخلي بين صفحات آروماتيک در ساختار الياف کربني، مانع دستيابي به استحکام مطلوب مواد مي‌شود، در حاليکه اين مشکل در مورد نانوکامپوزيتهاي تقويت شده با پرکننده‌هاي لايه‌اي وجود ندارد. هنگاميکه از پرکننده‌هاي لايه‌اي و ورقه‌اي در زمينه پليمري استفاده مي‌شود، اتصالات و پيوندهاي داخلي بوجود آيد و بنابراين حداکثر استفاده از خواص ذاتي و طبيعي لايه‌هاي منفرد مي‌شود.
در حقيقت خواص مکانيکي بدست آمده، در بهترين نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر بسيار کمتر از کامپوزيتهايي است که از درصد بالايي الياف، براي تقويت استفاده مي‌کنند. در حال حاضر بيشترين پيشرفتها و بهبودها در خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي خاك رس / نايلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزني از خاك رس بارگذاري شده است. شکل 2 ضريب و قدرت کشساني اين نانوکامپوزيت را با نايلون 60 و نايلون 60 تقويت شده با 48 درصد وزني، الياف خرده شيشه‌اي نشان مي‌دهد. مشاهده مي‌شود که بهترين نانوکامپوزيت خاك رس - پليمري، هنگاميکه حجم بالايي از جز را تقويت‌کننده اليافي مطرح باشد، نمي‌تواند با کامپوزيتهاي اليافي همساني و رقابت کند. به منظور دستيابي به خواص مکانيکي بهتر عناصر تقويت‌کننده بيشتري در نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر مورد نياز است، در حاليکه چنين کاري غيرممکن است. زيرا هنگاميکه عمل لايه لايه شدن اتفاق مي‌افتد، سطح تماس لايه‌هاي رسي صدها و بلکه هزاران برابر مي‌شود و اين باعث مي‌شود که مولکولهاي پليمر کاني، براي خيس کردن تمام سطح تقويت‌کننده‌هاي رسي نداشته باشيم.

شکل 2
در هر حال، هنگاميکه بحث استفاده از درصد پايين پرکننده مطرح باشد، در اين حالت نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر را با کامپوزيتهاي تقويت شده بوسيله الياف، مقايسه کنيم، مي‌بينيم که نانوکامپوزيتها تقويت بهتري را نسبت به کامپوزيتهاي اليافي مرسوم، نشان مي‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسيله تحقيقات Fornes و Panl در مورد ضريب يانگ نانوکامپوزيتهاي خاك رس / نايلون6 و کامپوزيت هاي نايلون6 تقويت شده با الياف شيشه‌اي در محدوده استفاده از 10 درصد وزني پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. مي‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزيتها کارآيي بيشتري را در بهبود ضريب يانگ نسبت به کامپوزيتهاي اليافي نشان مي‌دهند.

] شکل 3
از مقايسه بالا مشهود مي‌گردد نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر در محدوده بارگذاري درصد پايين از الياف، امتيازاتي نسبت به کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف دارند و مطمئناً بازار کامپوزيتهاي اليافي مرسوم با حجم پايين از جزء اليافي، با پيشرفت نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمري تحت تاثير قرار خواهد گرفت، ولي فعلاً تابحال، پيشرفت در نانوکامپوزيت ها تاثير کمي روي بازار کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف گذاشته است.
مشكلات توسعه نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پيش روي پيشرفت نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانيزمهاي موثر در افزايش کارايي، به کاربردي پليمرهاي ترموستينگ و عدم پايداري ارگانوکلي‌ها در برابر حرارت.
اگرچه مدل‌سازي‌هاي زيادي در جهت پيشبرد درک از مکانيزم افزايش کارايي عمده خواص فيزيکي و مهندسي در استفاده از نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر انجام شده، ولي هنوز مسافت زيادي را پيش رو داريم. به عنوان مثال، هنوز خواص فيزيکي مهندسي لايه‌هاي منفرد سيليکات، دقيقا شناخته نشده‌اند. از اين رو مشکل است که يک مکانيزم تقويت‌کننده ايجاد کنيم، و از طرفي، ساختار ذغال باقيمانده ناشي از احتراق نانوکامپوزيت خاك رس - پليمر هنوز روشن نيست. بدون آن ممکن نيست مکانيزمي براي ايجاد مقاومت در برابر آتش، براي آن طراحي کنيم. مدل‌سازيها و تحقيقات تجربي اساسي، بايد در جهتي هدايت شود که در آينده اين موانع برطرف شوند.
به کاربردن پليمرهاي ترموستينگ، مشکل عمده ديگري در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر مي‌باشد. ترکيب خاک رس با يک پيش ماده پليمر ترموستينگ مي‌تواند عامليت يک پليمر را تغيير دهد. تغيير در عامليت بر ميزان اتصالات عرضي تاثير مي‌گذارد و بخوبي مشخص است که عمده خواص مهندسي پليمر‌هاي ترموستينگ، تابعي از ميزان تعداد اتصالات عرضي است. با اين وجود گزارش‌هايي هم وجود داشته مبني بر بهبود خواص مکانيکي سيستمهاي پليمري تروستينگي که ميزان اتصالات عرضي آن پايين بوده است، از جمله اپوکسي رزين با T g پايين و پلي اوراتان‌ها. آخرين مسئله مستقيماً بر مي‌گردد به نگراني در مورد تجاري‌سازي نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر، کمبود ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما و نيز از نظر تجاري در دسترس، از موانع ثبت شده در اين مسير هستند. بيشتر ارگانوکلي‌هاي در دسترس، از جايگزيني کاتيون فلزي درون ساختار رس، با نمکهاي آمونياک آلي تهيه مي‌شوند. اين نمکهاي آمونيم در مقابل گرما ناپايدارند و حتي در دماهاي کمتر از 170 درجه سانتيگراد از بين مي‌روند. مسلماً چنين مواد فعال سطعي (سورفکتنت) براي بيشتر پلاستيکهاي مهندسي هنگاميکه از تکنولوژي فرآيند ذوب شدن براي ساختن نانوکامپوزيت‌ها استفاده شود، صاحب نيستند و ساخت نانوکامپوزيتهايي که در آن از ارگانوکلي‌هاي اصلاح شده بوسيله نمکهاي آمونيم بکار رفته، با استفاده از تکنيک‌هاي ديگر، به يک معضل تبديل شده است. اگرچه تعداد زيادي سورفکتنت پايدار در برابر گرما، مثل فسفونيم شناخته شده‌اند، ولي اين سورفکتنت‌ها براي کاربرد تجاري، مقرون به صرفه نيستند. نوآوري‌هايي در جهت اصلاح رس‌هاي آبدوست با استفاده از پليمرها و اليکومرهاي چند عاملي انجام شده تا ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما براي توليد نانوکامپوزيتهاي رس - پليمر بسازند.
خلاصه و نتيجه‌گيري:

پيشرفت‌هاي عمده در توسعه نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر به پانزده ساله اخير بر مي‌گردد و مزيتها و محدوديتهاي اين تکنولوژي روشن شده است. با اين حال، تا شناخت مکانيزم‌هاي افزايش کارايي و بهبود خواص مهندسي آنها و اينکه بتوانيم ريزساختارهاي آنها را سازماندهي و چينش کنيم تا به خواص مهندسي ويژه دست پيداي کنيم، راه طولاني در پيش رو داريم. در مواقعي که از درصد پايين پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر اين پتانسيل را دارند تا جايگزين کامپوزيتهاي مرسوم تقويت شده با الياف شوند.

 

تاريخچه نانو
تهیه: هادی جاویدان


در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند ...
و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي‌دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژة اتم را كه به معني تقسيم‌ نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد.
با تحقيقات و آزمايش‌هاي بسيار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم‌ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكيل شده‌اند. با اين حال اين كشف‌ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست.
نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست‌ها شيشه‌گران قرون وسطايي بوده‌اند كه از قالب‌هاي قديمي(Medieal forges) براي شكل‌دادن شيشه‌هايشان استفاده مي‌كرده‌اند. البته اين شيشه‌گران نمي‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي‌كند. در آن زمان براي ساخت شيشه‌هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي‌‌شده است و با اين كار شيشه‌هاي رنگي بسيار جذابي بدست مي‌آمده است. اين قبيل شيشه‌ها هم‌اكنون در بين شيشه‌هاي بسيار قديمي يافت مي‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در اين شيشه‌ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي‌باشند.
در واقع يافتن مثالهايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست.رنگدانه‌هاي تزييني جام مشهور ليکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه‌اي از آنهاست. اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگهاي متفاوتي دارد. نور انعکاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي‌شود. آناليز اين شيشه حکايت از وجود مقادير بسيار اندکي از بلورهاي فلزي ريز700 (nm) دارد ، که حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا 14 به 1 است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليکرگوس گشته است.
در سال1959 ريچارد فاينمن مقاله‌اي را دربارة قابليت‌هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت‌هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب‌شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي‌شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد درآن سال در يک مهماني شام كه توسط انجمن فيزيک آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت.
عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بودهادی جاویدان.
سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي‌توان تمام دايره‌المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد.يعني ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي‌كردن اتم‌ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش‌بيني نمود.

تاريخ رويدادهاي مهم در زمينه فناوري نانو:

1857 مايکل فارادي محلول کلوئيدي طلا را کشف کرد
1905 تشريح رفتار محلول‌هاي کلوئيدي توسط آلبرت انيشتين
1932 ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يک مولکول توسط لنگموير (Langmuir)
1959 فاينمن ايده " فضاي زياد در سطوح پايين " را براي کار با مواد در مقياس نانو مطرح کرد
1974 براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد
1981 IBM دستگاهي اختراع کرد که به کمک آن مي‌توان اتم‌ها را تک تک جا‌به‌جا کرد.
1985 کشف ساختار جديدي از کربن C60
1990 شرکت IBM توانايي کنترل نحوه قرارگيري اتم‌ها را نمايش گذاشت
1991 کشف نانو لوله‌هاي کربني
1993 توليد اولين نقاط کوانتومي با کيفيت بالا
1997 ساخت اولين نانو ترانزيستور
2000 ساخت اولين موتور DNA
2001 ساخت يک مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله
2002 شلوارهاي ضدلك به بازار آمد
2003 توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي نانوسلول‌هاي خورشيدي
2004 تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد

عناصر پايه در نانو



عناصر پايه :
در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود "عناصر پايه" را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص‌شان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند...


1- نانو ذرات : رايج ‌ترين عناصر در علم و فناوري نانو بوده و خواص جالب‌ توجه آنها باعث گرديده است کاربردهاي بسيار متنوعي در صنايع شيميايي، پزشکي و دارويي ، الکترونيک و کشاورزي داشته باشند. با توجه به ترکيب شيميايي،هادی جاویدان اين ذرات به انواع فلزي، سراميکي، پليمري و نيمه‌هادي تقسيم مي‌شوند.

2 نانوكپسول : همان طوري كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌هايي هستند كه قطر نانومتري دارند و مي‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبيعت توليد مي‌شوند؛ مولكول‌هاي موسوم به فسفوليپيدها كه يك سر آنها آبگريز و سر ديگر آنها آبدوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي‌گيرند، خود به خود كپسول‌هايي را تشكيل مي‌دهند كه قسمت‌هاي آبگريز مولكول در درون آنها واقع مي‌شود و از تماس با آب محافظت مي‌شود. حالت برعكس نيز قابل تصور است.
3نانولوله هاي كربني : اين عنصر پايه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقيقت لوله‌هايي از گرافيت مي‌باشند. اگر صفحات گرافيت را پيچيده و به شكل لوله در بياوريم، به نانولوله‌هاي كربني مي‌رسيم. اين نانولوله‌ها داراي اشكال و اندازه‌هاي مختلفي هستند و مي‌توانند تك ديواره يا چند ديواره باشند. اين لوله‌ها خواص بسيار جالبي دارند که منجر به ايجاد کاربردهاي جالب توجهي از آنها مي‌شود.

4نانوسيم : يک نانوساختار دو بعدي است و چون دراين ابعاد اثرات کوانتمي مهم هستند اين سيم‌ها، سيم‌هاي كوانتومي نيز ناميده مي‌شوند نانوسيم‌ها براي ساختن‌ مدارات الكتريكي در اندازه‌هاي كوچك استفاده مي‌شوند.


1- نانو ذرات : رايج ‌ترين عناصر در علم و فناوري نانو بوده و خواص جالب‌ توجه آنها باعث گرديده است کاربردهاي بسيار متنوعي در صنايع شيميايي، پزشکي و دارويي ، الکترونيک و کشاورزي داشته باشند. با توجه به ترکيب شيميايي، اين ذرات به انواع فلزي، سراميکي، پليمري و نيمه‌هادي تقسيم مي‌شوند.
نانوذرات


تعريف:
يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد. نانوذرات علاوه‌بر نوع فلزي، عايقها و نيمه هادي‌ها، نانوذرات ترکيبي نظير ساختارهاي هسته‌لايه را نيز در بر مي‌گيرند. همچنين نانوكره‌ها، نانوميله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته ميشوند. نانوذرات در اندازه‌هاي پايين نانوخوشه به حساب مي‌آيند. نانوبلور‌ها و نقاط‌كوانتومي نيمه‌هادي نيز زيرمجموعه نانوذرات هستند. چنين نانوذراتي در كاربردهاي بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوير‌برداري استفاده مي‌شوند.
کاربردها:
گوناگوني مواد نانوذره‌اي به اندازه تنوع كاربرد‌هاي آنها است، زمينه‌هايي كه نانوذرات كاربرد دارند، عبارتند از:
1. مواد كامپوزيت
2. كامپوزيت‌هاي ساختاري
3. كاتاليزور
4. بسته‌بندي
5. روكش‌ها
6. افزودني‌هاي سوخت و مواد منفجره
7. ساينده‌ها 1. کاربرد نانوذرات در باتري‌ها وپيل‌هاي سوختي
2. روان‌كننده‌ها
3. پزشكي و داروسازي
4. دارو رساني
5. محافظت‌كننده‌ها
6. آناليز زيستي و تشخيص پزشكي
7. لوازم آرايشي
روش‌هاي ساخت:
براي توليد نانوذرات روش‌هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش‌ها اساساً به سه گروه تقسيم مي‌شوند كه در ذيل به شرح هر يك مي پردازيم:
a. چگالش از يک بخار: روش چگالش از يک بخار شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه‌هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته‌نشين مي‌شوند. مهمترين مزيت اين روش ميزان كم آلودگي است. در نهايت اندازه ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي‌شود. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان (VERL ) و روش سيم انفجاري جزء روش‌هاي چگالش از يک بخار محسوب مي شود.
b. سنتز شيميايي: استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك محيط مايع حاوي انواع واكنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنين روشي است، در روش‌هاي شيميايي اندازه نهايي ذره را مي‌توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازه مطلوب به دست آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازه ‌خاص كنترل نمود. اين روش‌ها معمولاً‌ كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي‌تواند يك مشكل باشد.
c. فرآيندهاي حالت جامد: از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي‌توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع ماده آسياب‌كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي‌گيرد.هادی جاویدان از اين روش مي‌توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي‌شوند
تعيين مشخصات:
تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز و كاربرد آنها ضروري است. خواص اين تركيبات با استفاده از روش‌‌هاي گوناگوني نظير: ميكروسكوپ‌هاي الكتروني، AFM، طيف‌سنجي فوتوالكترون، Xray و FT-IR و همچنين‌ روش‌هاي تعيين اندازه و سطح ويژه ذرات سنجيده مي‌شود.
نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند، معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي و پليمري و نانوذرات نيمه‌رسانا هستند.
متداولترين نانو ذرات


1. نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي )
• تعريف:
نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور نيمه‌رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون خوانده مي‌شود) را درسه بعد در برمي‌گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي‌شود. در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم موقعيت‌هاي گسسته‌اي از انرژي را اشغال‌ مي‌كنند. به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي‌شود. در مقايسه با سيم كوانتمي که در دو بعد و لايه‌هاي كوانتومي در يک بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند. همچنين اين ترکيبات به دليل بازده كوانتومي بالا در مصارف اپتيكي كاربرد زيادي دارند.
• کاربردها:
نقاط كوانتومي نيمه‌هادي با تحريك الكتريكي يا توسط گستره وسيعي از طول موج‌ها در فركانس‌هاي كاملاً مشخصي به فلورسانس مي‌پردازند، ‌به اين شكل كه فركانسي از نور را جذب كرده و در فركانسي مشخص- كه تابع اندازه آنهاست- به نشر نور مي‌پردازند. اين ذرات همچنين مي‌توانند بر حسب ولتاژ اعمال‌شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي كاربردهايي در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي‌دهند) و پيل‌هاي خورشيدي خواهد داشت.
علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از:
o ليزرهاي داراي طول موج‌هاي بسيار دقيق
o كامپيوترهاي كوانتومي
o نشانگرهاي زيستي
• روش‌هاي ساخت:
سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، که يكي از روش‌ها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واکنش است.
در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيمه‌هادي يا در نزديك آن پديد مي‌آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري که در دو بعد نانو باشد) استفاده مي‌شد، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذکور حكاكي صورت مي‌گيرد.
در روش سوم، با رسوب‌دهي يك ماده نيمه‌رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيمه‌هادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش ) نقاط «خودآراشده» رشد داده مي‌شوند.
2. نانوذرات سراميکي
• تعريف: معمول‌ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك‌هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات‌ها يا اكسيد‌هاي سيليكون نيز سراميك هستند)، که عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس، تقسيم مي‌شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد نانوذرات كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازه يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر دارند که به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند. نانوذرات سيليكاتي ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول‌ترين نوع خاك رس که نانوذرات سيليكاتي هستند مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي مي‌باشد
• کاربردها: وقتي اندازه نانوذرات كاهش مي‌يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي قوي‌تر ‌شده و خواص کاتاليستي افزايش مي‌يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان کاتاليزور در زمينه‌هايي نظير باتري‌ها، پيل‌هاي سوختي و انواع فرآيند‌هاي صنعتي قابل استفاده هستند. بيشتر بودن سهم اتم‌ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را تغيير مي‌دهد مثلا سراميك‌هايي كه به طور عادي شكننده‌اند، نرم‌تر مي‌شوند.
سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر حلال يت را افزايش مي‌دهد، براي مثال قدرت تركيبات ضد باكتري را بهبود مي‌بخشد.
اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در کارايي و کاربرد آنها دارد. هادی جاویدان هادی جاویدان ايجاد خواص آبدوستي وآبگريزي جزء روش‌‌هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي‌شوند. براي نمونه، نانوذرات سيليكاتي براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي‌توان با استفاده از يون‌هاي آمونيوم يا مولكول‌هاي بزرگتري نظير سيلسزكيوكسان‌هاي اليگومريك چند وجهي (POSS )، كه هم براي روكش‌دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد.
مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي با پليمريزاسيون يا به وسيله آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب‌توجهي را حاصل مي‌آورند.
• روش‌هاي ساخت:
نانوذرات سراميکي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست ميآيند.
3.
• نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي
o تعريف: نانوکامپوزيت نانوذره‌اي سراميکي ترکيبي است که در آن نانوذرات سراميکي در داخل يک زمينه پليمري توزيع شدهاند.
o خواص وکاربردها: استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزيتي مي‌تواند استحكام آنها را افزايش و يا وزن آنها را كاهش دهد، ‌مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را زياد کند، خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بيفزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگر تشعشعات را تغيير دهد. يكي از خواص كامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي سراميکي در صنعت بسته‌بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است. اين خاصيت ناشي از شكل دانه‌اي نانوذرات است كه مولكول‌ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم‌هاي ماده مي‌نمايند. پركننده‌هاي سيليكات دانه‌اي نيز مي‌توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن صرفاً در يك جهت به دو جهت تغيير دهند.
هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك‌رس) به عنوان پركننده در پلاستيك‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با پراكنده‌سازي تنش‌ها استحكام فوق‌العاده‌اي را به وجود مي‌آورند، ‌آب‌رفتگي، تاب برداشتگي (در كامپوزيت‌هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي‌يابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شيميايي افزايش ‌يافته، بازيافت اين مواد آسانتر مي‌شود. پركننده‌هاي خاك‌رس با مقدار پركننده‌كمتري نسبت به پركننده‌هاي معمولي، استحكام را افزايش مي‌‌دهد. مثلاً با افزايش 5 درصداز پركننده‌هاي نانورُس به كامپوزيت‌ها همان نتيجه‌اي حاصل مي‌شود، كه با افزايش 20 درصد از پركننده‌هايي همچون الياف شيشه‌اي به دست مي‌آيد. همچنين ميزان پركننده را مي‌توان بدون تغيير در خاصيت چكش‌خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با پركننده‌هاي متعارف ممكن نيست.
4. نانوذرات فلزي :

نانوذرات آهن ساخته شده به روش چگالش گاز

• تعريف:
طبق تعريف عمومي نانوذرات فلزي، ذراتي به ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.

• روش ساخت:
نانوذرات فلزي با استفاده از روش‌هاي چگالش بخار و سيم انفجاري بدست ميآيند

• خواص و کاربرد: اين نانوذرات مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند ( تحت نام پخت) در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار منجر به سهل‌تر شدن فرآيند توليد روكش‌ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن‌ها مي‌گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده‌اي تبديل مي‌شوند و هزينه ساخت را كاهش مي‌دهند.
o نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي
تعريف:
نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي (باتوجه به خواصشان) با پليمر بدست مي‌آيند
خواص و کاربرد:
اين نانوکامپوزيت‌ها، به دليل ممانعت خوبي که در مقابل تداخل الکترومغناطيسي به وجود مي‌آورند، مي‌توانند در رايانه و تجهيزات الکترونيکي به کار روند.
نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي قابليت‌هاي ويژه‌اي در هدايت گرمايي والکتريکي دارند که کارايي آن‌ها را افزايش مي‌دهد.





2- نانوكپسول : همان طوري كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌هايي هستند كه قطر نانومتري دارند و مي‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبيعت توليد مي‌شوند؛ مولكول‌هاي موسوم به فسفوليپيدها كه يك سر آنها آبگريز و سر ديگر آنها آبدوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي‌گيرند، خود به خود كپسول‌هايي را تشكيل مي‌دهند كه قسمت‌هاي آبگريز مولكول در درون آنها واقع مي‌شود و از تماس با آب محافظت مي‌شود. حالت برعكس نيز قابل تصور است.ا
نانوكپسول



نانوکپسول‌ به هر نانوذره‌اي گفته مي‌شود که داراي يک پوسته و يک فضاي خالي جهت قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد.
روشهاي ساخت:
فرآيندهاي اصلي ساخت کپسول‌ها شکل عمومي يکساني دارند: از يک امولسيون روغن در آب يا آب در روغن براي خلق به ترتيب نانوکپسول‌هاي روغني و آبي استفاده مي‌شود. زمينه کاربرد کپسول‌ها به نوع امولسيون مورد استفاده بستگي دارد؛ مثلاً تزريق وريدي مستلزم استفاده از نانوکپسول‌هاي آبي است ، بنابراين براي ساخت کپسول‌هاي مذکور بايستي از امولسيون آب در روغن استفاده شود. با اين حال، طبيعت مواد کپسوله شده- يعني آب‌دوست يا آب‌گريز بودن آنها- نيز نوع نانوکپسول مورد نياز را ديکته مي‌کند. كه ممکن است با کاربرد مورد نظر تطابق نداشته باشد. روکش‌دهي کپسول‌ها با لايه‌هاي ديگر ممکن است اين مغايرت را رفع نمايد. براي روکش‌دهي مي‌توان از پروتئين‌ها، پليمرها و ديگر مواد طبيعي و مصنوعي سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگوني به غير از آب‌دوستي يا آب‌گريزي، نظير چسبندگي، مقاومت در برابر محيط‌هاي مختلف و غيره انتخاب کرد. علاوه بر اين، مي‌توان از کپسول‌هاي موقتي (يا الگوها) به عنوان شالوده لايه‌هاي ديگر استفاده کرده و سپس آنها را از بين ببرد. شرايط ساخت نانوکپسول‌ها بحراني و حاد نيست و به همين علت از منظر زيست‌شناسي، داراي جذابيت خاصي براي رسانش مواد زيستي حساس مي‌باشند.
انواع نانوكپسول‌ها
عبارتند از:
• نانوكپسول‌هاي پليمري
• نانوامولسيون‌ها
نانوکپسول‌هاي پليمري
اخيراً از پليمرها براي ساخت نانوکپسول‌ها استفاده شده است. فرآيند اصلي ساخت اين نانوکپسول‌ها پليمريزاسيون امولسيوني مي‌باشد. هم اکنون مي‌توان نانوکپسول‌هاي پليمري را در اندازه‌ها و اشکال گوناگون و در مقادير مناسب توليد کرد.هادی جاویدان هادی جاویدان سپس با الصاق يا جايدهي يک مولکول خاص در ديواره اين نانوکپسول‌ها، آنها را "کارکردي" نمود.
كاربرد:
اين نانوکپسول‌ها مي‌توانند به صورت ماشه يك سيستم دارورساني هدفمند عمل كرده و در پاسخ به يک زيست‌مولکول خاص، محتواي نانوکپسول را آزاد نمايند. کپسول‌هاي پليمري بر خلاف نانوامولسيون‌ها با پيوندهاي کووالانسي قدرتمندي به يکديگر مي‌چسبند و بنابراين از استحکام خاصي برخوردارند. بسياري از نانوکپسول‌ها در هر دو شکل مايع و خشک پايدارند.
براي داروسازي به جاي مکانيسم ماشه‌کشي، مي‌توان محموله را- در صورت ريز بودن مولکول محموله- با مکانيسم ساده نفوذ رها کرد، يا به صورت تخريب طبيعي و يا به کمک امواج ماوراء صوت آن را باز کرد.
ساخت نانوکپسول‌ها نوعي از خودآرايي محسوب مي‌شود.

نانوكپسول‌هاي كربني شماي يك مولكول بدام افتاده در نانوكپسول
نانوامولسيون‌ها
نانوامولسيون‌ها از مولکولهاي سورفکتانت، نظير فسفوليپيدها که از يک طرف آبگريز (هيدورفوبيک) و از يک سمت آب‌دوست (هيدروفيليک) هستند تشکيل مي‌شوند. هنگامي که اين مولکول‌‌ها در يک محيط آبي قرار گيرند، خود به خود کپسولهايي را شکل مي‌دهند که قسمت‌هاي آب‌گريز مولکول در درون آنها واقع مي‌شود و لذا از تماس با آب محافظت مي‌شوند. ليپوزوم‌ها ساختارهايي از جنس چربي هستند که در اين دسته قرار مي‌گيرند.

ليپوزوم ( دو لايه چربي يك قطره آب را احاطه كرده‌اند) نانوامولسيون( يك لايه چربي هسته چربي يا آبي را احاطه كرده است)
كاربردها:
اين تركيبات در دارورساني ساده‌تر از طريق وريدي و خوراكي و همچنين براي رهايش كنترل‌شده وتاخيري آفت‌كشها كاربرد دارند. از مصارف ديگر اين تركيبات مي‌توان به كاربرد آنها در پودرهاي رختشويي خوشبوكننده لباس و افزايش طول عمر آنزيمها در خارج از سلول اشاره كرد



نانولوله هاي كربني : اين عنصر پايه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقيقت لوله‌هايي از گرافيت مي‌باشند. اگر صفحات گرافيت را پيچيده و به شكل لوله در بياوريم، به نانولوله‌هاي كربني مي‌رسيم. اين نانولوله‌ها داراي اشكال و اندازه‌هاي مختلفي هستند و مي‌توانند تك ديواره يا چند ديواره باشند. اين لوله‌ها خواص بسيار جالبي دارند که منجر به ايجاد کاربردهاي جالب توجهي از آنها مي‌شود.

انو لوله هاي كربن




اگر قبول كنيم كه روش‌هاي توليد به كمك فناوري نانو به دوران طلايي خود رسيده است بايد نانولوله‌هاي كربني را بچه‌هاي طلايي اين دوران به شمار آوريم. خواص منحصر به فرد (مكانيكي- الكترونيكي- شيميايي- مغناطيسي- ) اين مواد رويايي موجب شده است كه قابليت‌هاي كاربردي زيادي براي آن ها به وجود آيد. پيش‌بيني يك بازار 12 ميليارد دلاري در مدت 5 سال ( 2002تا 2007) حاكي از آن است نانولوله‌هاي كربني تأثير بيشتري از ترانزيستور در جامعه امروزي خواهند داشت. خبرنامه فناوري نانو در راستاي رسالت مشخص خود، مطالعات مختلف وگسترده اي را در زمينه نانو لوله ها صورت داده و آن ها را به صورت خبر يا مقاله (در ماه نامه و سايت ستاد) در دسترس علاقه مندان قرار داده است هادی جاویدان هادی جاویدان هادی جاویدان . در تحقيق حاضر با بررسي تمامي مقالات و خبرهاي منتشر شده در100 شماره پيشين خبرنامه، ضمن جمع‌بندي خلاصه ويژگي‌ها و موانع توليد نانولوله‌ها، روند حاكم بر اين محصول از سنتز تا كاربرد به طور اجمالي ارائه شده است.


ويژگي هاي نانو لوله هاي كربني
- اندازه بسيار كوچك (قطر كوچكتر از 4/0 نانومتر)

2-حالت رسانا و نيمه‌رسانايي آن ها بر حسب شكل هندسي‌شان
نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافيتي سازندۀ‌شان به صورت رسانا يا نيمه‌رسانا در مي‌آيند. به عبارت ديگر از آنجا كه نانولوله‌ها در سطح مولكولي همچون يك باريكه سيمي در هم تنيده به نظر مي‌رسند اتم‌هاي كربن در قالب شش وجهي به يكديگر متصل مي‌شوند و اين الگوهاي شش وجهي ديواره‌هاي استوانه‌اي را تشكيل مي‌دهند كه اندازه آن تنها چند نانومتر مي‌باشد. زاويه پيچش نوعي نانولوله، كه به صورت زاويه بين محور الگوي شش وجهي آن و محور لوله تعريف مي‌شود، رسانا يا نارسانا بودن را تعيين مي‌كند. تحقيقات دي گري نيز نشان داده‌اند كه تغيير شعاع نيز امكان بستن طول باند و عايق نمودن نانولوله فلزي را فراهم مي‌كند. پس مي‌توان گفت دوپارامتر اساسي که در اين بين نقش اساسي بازي مي‌كنند، يكي ساختار نانولوله و ديگري قطر و اندازه آن است. بررسي‌هاي ديگري نشان داده‌اند که خصوصيات الكتريكي نانولوله‌ها بسته به اينكه مولكول C60 در كجا قرار داده شود از يك هادي به يك نيمه‌هادي و يا يك عايق قابل تغيير مي‌باشد. از آنجايي كه نانولوله‌هاي كربني قادرند جريان الكتريسته را به وسيله انتقال بالستيك الكترون بدون اصطكاك از سطح خود عبور دهند- اين جريان صد برابر بيشتر از جرياني است كه از سيم مسي عبور مي‌كند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ايده‌آلي براي بسياري از كاربردهاي ميكروالكترونيك مي‌باشند.
3- برخورداري از خاصيت منحصر به فرد ترابري پرتابه اي

4- قدرت رسانايي گرمايي خيلي بالا

5- سطح جداره صاف يا قدرت تفكيك بالا
سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه ميزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بيشتر از غشاهاي ميكروحفره‌اي معمولي كه در جداسازي گازها مورد استفاده قرار مي‌گيرند باشد. لذا مي‌توان گازهايي مانند هيدروژن و دي‌اكسيد كربن را با هدايت در نانولوله از هم جدا كرد. اين كه آيا نانولوله‌ها واقعاً مي‌توانند در خارج از آزمايشگاه نيز گازها را به طور انتخابي از خود عبور دهند يا نه باعث شده كه اميدهاي زيادي به توليد هيدروژن و نيتروژن از هوا باشد.
6- بروز خواص الكتريكي و مكانيكي منحصر به فرد در طول آن ها

7- مدول يانگ بالا

8- حساس به تغييرات كوچك نيروهاي اعمال شده
اعمال فشار بر يك نانولوله مي‌تواند ويژگي‌هاي الكتريكي آن را تغيير دهد كه بسته به نوع كشش يك نانولوله مي‌توان رسانايي آن را افزايش يا كاهش داد. اين امر به دليل تغيير ساختار كوانتومي الكترون‌ها صورت مي‌گيرد. لذا اين امكان به فيزيكدان ها داده مي‌شود كه ترانسفورماتور يا دستگاه‌هاي انتقال دهنده بر پايه نانولوله‌ها بسازند كه حساسيت زيادي به اعمال نيروهاي بسيار كوچك دارند. همچنين توانايي نانولوله‌ها در احساس تغييرات بسيار كوچك فشار و باز تبديل اين فشار به صورت يك علامت الكتريكي مي‌تواند در آينده امكان ساخت سوئيچ‌هاي نانولوله‌اي حساس به تغييرات بسيار كوچك فشار را به محققان بدهد.
9- گسيل و جذب نور
نانولوله‌ها مي‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع كنند. همچنين تزريق همزمان الكترون از يك سر و تزريق حفره از سر ديگر نانولوله‌كربني، موجب مي‌شود كه نوري با طول موج 5/1 ميكرومتر از نانولوله منتشر شود.

10- ضريب تحرك الكتريسيته بسيار بالا
نانولوله‌ها در دماي اتاق داراي بالاترين ضريب تحرك الكتريسته نسبت به هر ماده شناخته شده ديگري هستند.
11-خاصيت مغناطيسي ، ممان مغناطيسي بسيار بزرگ
با قرار دادن يك نانولوله در زير لايه مغناطيسي يا با افزودن الكترون يا حفره به نانولوله مي‌توان خاصيت مغناطيسي در نانولوله ايجاد كرد .اين خاصيت باعث مي‌شود كه بتوان ساخت وسايلي را پيش‌بيني كرد كه در آن ها اتصالات مغناطيسي و الكتريكي از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطيسي را مي‌توان براي قطبي كردن مغناطيسي نانولوله‌ها- دستكاري در اسپين‌ها- به كار برد و از اتصال‌هاي غيرمغناطيسي براي الكترودهاي ولتاژ - جريان استفاده كرد. همچنين ممان مغناطيسي آن ها نيز قابل اندازه‌گيري است (1/0 مگنتون بور در هر اتم كربن).
12- چگالي سطحي بسيار بالا
نانولوله‌ها داراي چگالي سطحي بسيار بالايي مي‌باشند كه باعث استحكام بالاي نانولوله مي‌شود. مي‌توان گفت اين خاصيت در اثر ريز بودن قابل توجه آن ها پديدار مي‌شود.

13-قابليت ذخيره‌سازي
در نانولوله‌ها هر سه اتم كربن قابليت ذخيره يك يون ليتيم را دارند در حالي كه در گرافيت هر شش اتم كربن توانايي ذخيره يك يون ليتيم را دارند. همچنين توانايي ذخيره انرژي در نانولوله‌ها چند برابر حجم الكترودهاي گرافيتي است. لذا محققان اميدوارند بتوانند هيدروژن زيادي را در نانولوله‌ها براي كاربردهاي انرژي و پيل‌هاي سوختي ذخيره كنند.


14-داشتن خاصيت ابررسانايي
نانولوله‌ها در دماي زير k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع اين نانولوله‌هاي ابررسانا فقط 4/0 نانومتر است. اين كشف در نانولوله‌هاي كربني نه تنها حيرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضايايي را كه حدود 40 سال پيش انتقال فاز را در سيستم‌هاي يك يا دو بعدي ممنوع مي‌دانستند، رد كرده است. همچنين دانشمندان دلايلي را ارائه كرده‌اند كه مي‌توان ابررسانايي دماي اتاق را در نانولوله‌هاي كربني يافت. آن ها بيش از 20 دليل ارائه كرده‌اند كه نانولوله‌هاي كربني از خود خواصي را نشان مي‌دهند كه بيانگر ابررسانايي دماي اتاق در آن هاست.

15- توليد ولتاژ
با عبور مايع از ميان كلاف‌هايي از نانولوله‌هاي كربني تك جداره، ولتاژ الكتريكي ايجاد مي‌شود. از اين تكنيك براي ساخت حسگرهاي جريان مايع براي تشخيص مقادير بسيار اندك مايعات و نيز براي ايجاد ولتاژ در كاربردهاي زيست پزشكي استفاده مي‌شود. همچنين نشان داده شده است كه مايعات با قدرت يوني بالا ولتاژ بيشتري توليد مي‌كنند.

16- استحكام و مقاومت كششي بالا
ميزان افزايش نيروي گرمايي و مقاومت نانولوله‌ها با ريشه سوم جرم اتم‌ها و مولكول‌ها متناسب است. همچنين حرارت دادن موجب افزايش استحكام نانولوله شده و مقاومت كششي آن را شش برابر مي‌كند و هدايت آن نيز افزايش مي‌يابد. تحقيقات اخير نشان مي دهد كه در اثر برخورد اتم‌ها يا مولكول‌ها با نانولوله‌ كربني مقاومت الكتريكي آن تغيير مي‌كند.

انواع نانو لوله هاي كربني
نانولوله‌ها به دو دسته تك جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) تقسيم مي‌شوند،‌ نانو لوله هاي تك جداره نيز بر حسب آرايش اتم‌هاي كربني مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلي (Armchair) و كايرال( chiral ) كه داراي خاصيت فلزي هستند و زيگزاگ (Zigzag) كه خاصيت نيمه‌رسانايي دارد، تقسيم مي‌شوند.

(n,0)
Zig-Zag
(n,n)
armchair
chiral
نانولوله‌هاي كربني تك جداره فقط از كربن و يك ساختارساده (ورقه‌اي از شش ضلعي‌هاي منظم) تشكيل شده‌اند. برخي پيش‌بيني‌ها حاكي از آن است كه تك جداره ها مي‌توانند رسانا يا نيمه‌رسانا باشند. اين هدايت الكتريكي بالا بستگي به هندسه دقيق اتم‌هاي كربن دارد. از آغاز كار روي تك جداره ها از آن ها به عنوان يك پديده تك بعدي نام برده مي‌شد تا اين كه اين نظريه مرحله به مرحله پيشرفت كرد. علت علاقه به اين نانولوله‌هاي تك جداره و تلاش براي جايگزين كردن آن ها در صنعت، بر اساس محاسبات نظري و تأثيرات آزمايشگاهي، بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آن ها مانند فلزات مي‌باشد. البته توليد نانو لوله هاي تك جداره داراي هزينه بالايي است و توليد به همراه پايدار كردن خصوصيات آن ها در حين فراوري پليمر- نانولوله مشكل مي‌باشد. هر چند نانولوله‌هايي كه با استفاده از تكنيك لانگهوري- بلاجت كه شامل حركاتي افقي و عمودي شبيه نقاشي سنتي ژاپن مي‌باشد توليد شده‌اند، علاوه بر اين كه ثابت نگه داشته مي‌شوند- توسط ژلاتين و تشكيل نانوژل كربني- از لحاظ نوري نيز يكدست و همگن و از لحاظ ساختاري قابل كنترل مي‌باشند.
بر عكس در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي كربني چند جداره باعث شده كه پيشرفت‌هاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم تا حدي كه محصولاتي در آستانه تجاري‌شدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌هاي كربني چند جداره (جايگزين كربن بلك Carbon-black) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.
يكي از معايب نانولوله‌هاي چند جداره نسبت به تك جداره اين است كه استحكام‌دهي آن ها كمتر مي‌باشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف مي‌باشند. اما از آنجا كه‌ در حال حاضر كاربردهاي نانولوله‌ها در تقويت پليمرها باعث بهبود خواص گرمايي و الكتريكي مي‌شود تا بهبود خواص مكانيكي، كاربرد نانولوله‌هاي كربني چند جداره بسيار زياد مي‌باشد. ازطرفي تكنيك‌هاي موجود نيز براي توليد نانولوله‌هاي تك جداره به اندازه كافي بازدهي ندارد و خلوص لازم را نيز به همراه نمي آورد. تخليص اين مواد بسيار زحمت‌آور است و در نهايت ممكن است به ساختار نانولوله‌ صدمه نيز بزند.

روش‌هاي توليد نانو لوله هاي کربني
بعد از آن كه در سال 1991 ايجيما اولين نانولوله‌ را دركربن دوده‌اي حاصل از تخليه قوس الكتريكي مشاهده كرد، محققان زيادي در جهت بسط و گسترش روش‌هاي رشد برآمده‌اند تا بتوانند مواد خالص‌تر با خواص كنترل شده مورد نظر توليد كنند. اما با آن كه روش‌هاي زيادي براي توليد نانولوله‌هاي كربني ارائه شده است،‌ سنتز آن ها در دماي اتاق تاكنون به صورت مشكلي لاينحل باقي مانده است. دانشمندان تاكنون اين مواد را در محدوده دمايي 200 تا700 درجه سانتيگراد با بازده كمتر از 70 درصد و حتي پس از چندين بار خالص‌سازي با درجهخلوص حداكثر 95 -70 درصد توليد كرده‌اند. در زير چند روش عمده در سنتز نانولوله‌ها مورد بحث اجمالي قرار مي‌گيرد. بدون شك بهينه سازي و كنترل اين روش‌ها مي‌تواند توان بالقوهنانولوله‌ها را پديدار نمايد.

1- روش تخليه قوس
در اين روش اتم‌هاي كربن به وسيله عبور جريان بالا از دو قطب آندو كاتد در داخل پلاسماي گاز هليم داغ شده و بخار مي‌شوند.

2- روش تابش ليزر
در اين روش پالس‌هاي قوي شده اشعه ليزر به طرف يك هدف كربني كه شامل 5 درصد اتمي نيكل و كبالت است پرتاب مي‌شوند.

3- رسوب بخار شيميايي(CVD)
اين روش شامل حرارت دادن مواد كاتاليزوري تا درجه حرارت هاي بالا در يك كوره لوله‌اي شكل و عبور يك گاز هيدروكربني در سراسر لوله براي يك مدت زمان معين مي‌باشد.
دو روش تخليه قوس و تابش ليزر براي زمان طولاني، روش‌هاي تقريباً كاملي براي توليد نانولوله‌هاي تك جداره بودند. اما از آنجايي كه هر دو روش مبتني بر بخار اتم‌هاي كربن درون محفظه كوچك هستند اولاً ميزان توليد نانولوله پايين مي‌باشد، ثانياً نانولوله‌هايي كه به صورت تبخيري تهيه مي‌شوند به صورت در هم پيچيده هستند؛در اين صورت براي خالص و تميز كردن آن ها با مشكل مواجه‌اند. روش رسوب بخار نيز با چالش‌هايي مواجه است چرا كه براي توليد نانولوله‌هاي كربني چند جداره چگالي بالايي از عيوب در ساختارشان به وجود مي‌آيد. اين عيوب به خاطر دماي پايين رشد مي‌باشد كه مقدار انرژي لازم براي بازپخت (آنيل) نانولوله‌ و تكميل ساختارش را فراهم نمي‌كند. همچنين اين روش منجر به مداري شامل هر نوع نانولوله‌هاي هادي و نيمه‌هادي مي‌شود. همچنين رشد نانولوله‌ها دلخواه بوده و قطر آن ها بزرگ است در حالي كه نانولوله‌هاي با قطر كمتر در كليد زني مناسب‌ترند. با اين وجود تمركز محققان بر روي روش رسوب‌دهي بخار است زيرا توليد انبوه در حد كيلوگرم را ميسر مي‌سازد و مي‌توان كنترل قابل قبولي بر مكانيزم رشد داشت.



كاربردهاي نانو لوله هاي كربني
وجود يك سري مختصات ويژه نانولوله‌هاي كربني، آن ها را به انتخاب ايده آلي براي بسياري از كاربردها تبديل كرده است.
امروزه در روند تحقيق درباره نانولوله‌ها توجه و تعمق ويژه‌اي بر روي استفاده از آن ها در ساخت ابزارها متمركز شده است. اكثر پژوهشگراني كه در دانشگاه‌ها و آزمايشگاه‌هاي تحققاتي سرتاسر دنيا بر روي نانولوله‌ها كار مي‌كنند با خوش‌بيني پيش‌بيني مي‌كنند كه در آينده‌اي نزديك نانولوله‌ها كاربردهاي صنعتي وسيعي خواهند داشت.
هم‌اكنون امكان ساخت ابزارهاي بسيار جالبي وجود دارد،‌ اما در خصوص موفقيت تجاري‌ آن ها، بايد در آينده قضاوت كرد. تقريباً تمام مقالات به طور ضمني به كاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداري تجاري از آن ها در آينده اشاره دارند. آينده كاربرد نانولوله‌ها در بخش الكترونيك روشن است؛ خواص الكتريكي و پايداري شيميايي بي بديل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از اين خواص سوق خواهد‌ داد. بنابراين در ادامه به شرح چند مورد از حوزه‌هاي مهم كاربرد نانولوله‌ها مي پردازيم.

1) ترانزيستورها
نانولوله‌ها در آستانه كاربرد در ترانزيستورهاي سريع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلي استفاده مي‌شوند. بسياري از طراحان دستگاه‌ها تمايل دارند به پيشرفت‌هايي دست يابند كه آن ها را به افزايش تعداد اتصالات داخلي دستگاه‌ها در فضاي كوچك تر، قادر نمايد. ترانزيستورهاي ساخته شده از نانولوله‌ها داراي آستانه مي‌باشند (يعني سيگنال بايد از يك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزيستور بتواند آن را آشكار كند) كه مي‌توانند سيگنال‌هاي الكتريكي زير آستانه را در شرايط اختلال الكتريكي يا نويزآشكار و رديابي نمايند. همچنين از آنجايي كه ضريب تحرك، شاخص حساسيت يك ترانزيستور براي كشف بار يا شناسايي مولكول مجاور مي‌باشد، لذا ضريب تحرك مشخص مي‌كند كه قطعه تا چه حد مي‌تواند خوب كار كند. ضريب تحرك تعيين مي‌كند كه بارها در يك قطعه چقدر سريع حركت مي‌كنند و اين نيز سرعت‌ نهايي يك ترانزيستور را تعيين مي‌نمايد.
لذا اهميت استفاده از نانولوله‌ها و توليد ترانزيستورهاي نانولوله‌اي با داشتن ضريب تحرك برابر با 100 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه در مقابل سيليكون با ضريب تحرك 1500 سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه و اينديم آنتيمونيد (بالاترين ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضريب تحرك 77 هزار سانتيمتر مربع بر ولت ثانيه بيش از پيش مشخص مي‌شود.

2) حسگرها
حسگرها ابزارهايي هستند كه تحت شرايط خاص، از خود واكنش‌هاي پيش‌بيني شده و مورد انتظار نشان مي‌دهند. شايد دماسنج را بتوان جزء اولين حسگرهاي كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسايل الكترونيكي و تحولات عظيمي كه در چند دهه اخير و در خلال قرن بيستم به وقوع پيوسته است، امروزه نياز به ساخت حسگرهاي دقيق‌تر، كوچك تر و با قابليت‌هاي بيشتر احساس مي‌شود.
حسگرهايي كه امروزه مورد استفاده قرار مي‌گيرند،‌ داراي حساسيت بالايي هستند به طوري كه به مقادير ناچيزي از هر گاز، گرما يا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسيت،‌ بهره و دقت اين حسگرها نياز به كشف مواد و ابزارهاي جديد دارد. با آغاز عصر نانوفناوري، حسگرها نيز تغييرات شگرفي خواهند داشت. يكي از نامزدهاي ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها مي‌توان،‌ هم حسگر شيميايي و هم حسگر مكانيكي ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد اين حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسيار زياد خواهد بود، به گونه‌اي كه حتي به چند اتم از يك گاز نيز واكنش نشان خواهند داد.
تحقيقات نشان مي‌دهد كه نانولوله‌ها به نوع گازي كه جذب آن ها مي‌شود حساس مي باشند؛ همچنين ميدان الكتريكي خارجي،‌ قدرت تغيير دادن ساختارهاي گروهي از نانولوله‌ها را دارد؛ و نيزمعلوم شده است كه نانولوله‌هاي كربني به تغيير شكل مكانيكي از قبيل كشش حساس هستند. گاف انرژي نانولوله‌هاي كربني به طور چشمگيري در پاسخ به اين تغيير شكل‌ها مي‌تواند تغيير كندهادی جاویدان . همچنين مي‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پليمرها، در فاصله ميان نانولوله‌هاي كربني و سيستم، نانولوله‌هاي كربني را براي ساخت زيست حسگرها نيز توسعه داد. تحقيق در زمينه كاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پيشرفت است و مطمئناً در آينده‌اي نه چندان دور شاهد بكارگيري آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانيكي، شيميايي، تشعشي، حرارتي و ..) خواهيم بود.

3) نمايشگرهاي گسيل ميداني
بسياري از متخصصان بر اين باورند كه فناوري نمايشگرهاي با صفحه تخت امروزي از نظر هزينه، كيفيت و اندازه صفحه نمايش، براي مصارف خانگي مناسب نيستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمايشگرهايي كه از نانولوله‌هاي كربني به عنوان منبع انتشار استفاده مي‌كنند، مي توانند اين مشكلات را بر طرف ‌كنند .
نانولوله‌هاي كربني مي‌توانند عنوان بهترين گسيل كننده ميداني را به خود اختصاص داده و ابزارهاي الكتروني با راندمان وكارايي بالاتري توليد كنند. خصوصيات منحصر به فرد اين نانولوله‌ها، توليدكنندگان را قادر به توليد نوعي جديد از صفحه نمايش‌هاي تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اينچ بوده و نسبت به فناوري‌هاي فعلي از قيمت مناسب‌تري برخوردار باشد. به علاوه كيفيت تصوير آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.
در پديده گسيل ميداني، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فيلم‌هاي ضخيم داراي نانولوله به سمت صفحه نمايش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن مي‌شوند. هر نقطه از اين فيلم، يك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكتروني) كوچك است كه تصوير را روي صفحه نمايش ايجاد مي‌كند. ولتاژ لازم براي نمايشگر گسيل ميداني از طريق صفحه نمايش صاف متكي بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتي در روش اشعه كاتدي استفاده مي‌شد، كمتر مي‌باشد و اين نانولوله‌ها با ولتاژ كمتر، نور بيشتري توليد مي‌كنند.

4) حافظه‌هاي نانولوله‌اي
به دليل كوچكي بسيار زياد نانولوله‌هاي كربني ‌(كه در حد مولكولي است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها يك بيت اطلاعات در خود جاي دهد، حافظه‌هايي كه از اين نانولوله‌ها ساخته مي‌شوند مي‌توانند مقادير بسيار زيادي اطلاعات را در خود ذخيره نمايند. با در نظر داشتن اين مطلب، بسياري از محققان در حال كار بر روي ساخت حافظه‌هاي نانولوله‌اي مي‌باشند؛ بنابراين رؤياي ساخت رايانه‌هاي با سرعت بالا عملي خواهد شد.

4) استحكام‌دهي كامپوزيت‌ها
توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه كامپوزيت و بهبود چسبندگي نانولوله‌ با زمينه در فرآوري اين نانوكامپوزيت‌ها از موضوعات بسيار مهم است.
شيوه توزيع نانولوله‌ها در زمينه پليمري از پارامترهاي مهم در استحكام‌دهي به كامپوزيت مي‌باشد. آنچه از تحقيقات بر مي‌آيد اين است كه استفاده از خواص عالي نانولوله‌ها در نانوكامپوزيت‌ها وابسته به استحكام پيوند فصل مشترك نانولوله و زمينه مي‌باشد. نكته ديگر آنكه خواص غير همسانگردي نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه در كسر حجمي كمي از نانولوله‌ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيت‌ها پيدا شود.
از كاربردهاي ديگر نانو لوله ها مي توان به امكان ذخيره هيدروژن در پيل‌هاي سوختي، افزايش ظرفيت باتري‌ها و پيل‌هاي سوختي، افزايش راندمان پيل‌هاي خورشيدي، جليقه‌هاي ضدگلوله سبك و مستحكم، كابل‌هاي ابررسانا يا رساناي سبك، رنگ‌هاي رسانا،‌ روكش‌‌هاي كامپوزيتي ضد رادار، حصار حفاظتي الكترومغناطيسي در تجهيزات الكترونيكي، پليمرهاي رسانا، فيبرهاي بسيار مقاوم، پارچه هاي با قابليت ذخيره انرژي الكتريكي جهت راه اندازي ادوات الكتريكي، ماهيچه‌هاي مصنوعي با قدرت توليد نيروي 100 مرتبه بيشتر از ماهيچه‌هاي طبيعي، صنايع نساجي، افزايش كارايي سراميك‌ها، مواد پلاستيكي مستحكم، تشخيص گلوكز، محلولي براي اتصال دروني تراشه‌هاي بسيار سريع، مدارهاي منطقي و پردازنده‌هاي فوق سريع، كمك به درمان آسيب‌ديدگي مغز، دارورساني به سلول‌هاي آسيب ديده، از بين بردن تومورهاي سرطاني، تجزيه هيدروژن، ژن‌درماني، تصويربرداري، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهاي شيميايي ، SET و LED، پيل‌هاي خورشيدي و نهايتاً LSI اشاره كرد. البته در چند مورد اخير بيشتر از نوع تك جداره آن استفاده مي‌شود.
لذا اين فناوري با اين گستره كاربردها مي‌تواند در آينده‌اي نه چندان دور بازار بزرگي را به خود اختصاص داده و زندگي بشر را تحت تأثير خود قرار دهد.
در پايان در پاسخ به اين سؤال كه چرا دانشمندان به فناوري نانو روي آورده ومي‌خواهند بر تمام مشكلات جابه‌جايي اتم فائق آيند مي‌توان گفت که تغييرات در مقياس نانومتري بر خواص موج گونه الكترون‌هاي درون مواد اثر مي‌گذارد لذا با جابه جا كردن اتم‌ها در اين مقياس مي‌توان خواص اصلي مواد (به عنوان مثال دماي ذوب، اثرات مغناطيسي، ظرفيت بار) را بدون تغيير كلي تركيب شيميايي مواد دگرگون ساخت. بنابر اين پيش‌بيني رفتار و خواص در محدوده‌اي از ابعاد براي نانوتكنولوژيست‌ها حياتي است

چالش هاي فراوري
با وجود ويژگي‌هاي بالاي نانولوله‌ها و كاربردهاي فراوان آن، توليد و استفاده مستمر از اين محصولات با اهداف مورد نظر مشكل مي‌باشد، لذا محققان زيادي در جهت رفع مشكلات آن برآمده‌اند. در زير چند مورد از مشكلات اساسي استفاده از نانولوله‌ها ذكر مي‌گردد.

1) توليد انبوه با قيمت مناسب
از آنجا كه توليد انبوه نانولوله‌ها در مقياس تني با قيمت مناسب، بزرگ ترين مانع تجاري‌سازي اختراعات در اين زمينه بوده است، لذا شركت‌هاي مختلفي درصددند تا بتوانند اين مشكل را حل نمايند. امروزه قيمت هر گرم نانولوله چند دلار مي‌باشد. هر چند كه قيمت نانولوله‌ها نسبت به قيمت اوليه آن كاهش زيادي يافته اما هنوز هم براي تجاري‌سازي و استفاده در صنايع مختلف مناسب نمي‌باشد، لذا دانشمندان ابراز اميدواري كرده‌اند كه بتوانند در چند سال آينده ضمن توليد چند تني آن، قيمت آن را به زير يك دلار كاهش دهند.

2) خالص‌سازي نانولوله‌ها
يكي از مسائل كليدي در الكترونيك، استفاده از نانولوله‌هاي كربني با كيفيت بالا (نانولوله‌هاي خالص) مي‌باشد. توليد محصولات جانبي نا مطلوب در حين فرايند رشد نانولوله‌هاسبب كوتاه‌ شدن مدارها مي‌شود. بزرگ ترين چالش محققان، در خالص‌سازي، ميزان نانولوله‌هاي توليد شده است. در فرايند استفاده شده توسط محققان براي ساخت نانولوله‌ها، ناخالصي‌ها دائماً افزايش يافته و مقدار زيادي از كربن‌ به هدر رفته و كاتاليست‌ها را بِلا استفاده مي كند، كه اين عوامل در نهايت منجر به افت كيفيت نانولوله‌ها مي‌شود.
براي رسيدن به نانولوله‌هاي كربني خالص بايد از دماي بالا استفاده هادی جاویدان نماييم اما در اين روش مقداري كربن آمورف حاصل مي‌شود كه يك لايه رساناي نامطلوب بر روي زيرلايه ايجاد مي‌نمايد. لذا راهبرد جديد، استفاده از روش رشد سريع مي‌باشد. اين روش رسوب‌دهي، توليد نانولوله‌كربني حاصل را تضمين مي‌كند زيرا رشد نانولوله‌ها سريع‌تر از رشد محصولات جانبي نامطلوب است. بنابراين مي توان گفت حذف فرايندهاي هزينه‌بر، زمان‌بر و اغلب مخرب در تخليص نانولوله‌ها به معني دسترسي به نمونه‌هايي با درجه‌اي از خلوص كربن است كه مي‌توانند در زمينه‌هاي مختلفي از جمله زيست شناسي، شيمي و تحقيقات مغناطيسي وادوات گسيل ميداني كه خلوص نانولوله‌ها از اهميت بسيار بالايي برخوردار مي‌باشد به كار روند.

3) اتصال نانولوله‌ها و ايجاد رشته‌ها
از آنجا كه براي بسياري از مقاصد، نياز به اتصال نانولوله‌ها به صورت پشت سر هم يا به صورت عمود بر هم و تشكيل آرايه مي باشد لذا اتصال نانولوله‌ها ضروري به نظر مي‌رسد. به طوري كه اگر بتوان نانولوله‌هاي كربني را به هم پيوند داد به موادي كامل و تمام عيار دست مي يابيم. اما براي ايجاد اين اتصالات بين لوله‌ها بايد پيوندهاي كربني بين لوله‌اي ايجاد كرد.
دو روش ايجاد رشته‌هايي از نانولوله‌ها عبارتند از معلق ساختن نانولوله‌ها در مايع و عبور جريان از آن به منظور رديف ساختن نانولوله‌ها و دوم استفاده از جريان گاز هيدروژن براي رديف كردن نانولوله‌ها به طوري كه آن ها به شكل بخاري از اتم‌هاي كربن درآيند. دانشمندان معتقدند كه امروزه استفاده از آرايه‌هاي منظم نانولوله‌هاي مجزا جاي استفاده تصادفي از نانولوله‌هاي متراكم و توده‌اي را گرفته است.

4) جلوگيري از توده‌اي شدن نانولوله‌ها
اگر نانولوله‌ها به آساني در محلول غوطه‌ور شوند، به آساني مي‌توانند قابليت عظيم خود را در الكترونيك و مواد به نمايش گذارند،‌ اما اين استوانه‌هاي كربني به شدت نامحلول بوده و تمايل به دسته‌ شدن با همديگر در رشته‌هاي كروي كنترل ناپذير دارند؛ لذا مانع از دستيابي به بسياري از اين كاربردها مي‌شوند.
دانشمندان روش‌هايي را براي جداسازي ارائه كرده اند، مثلاً با يك نيروي قوي (لوله‌ها با امواج مافوق صوت در فرايندي موسوم به اختلاط صوتي از هم جدا مي‌شوند) يا با استفاده از گروه‌هاي شيميايي آلي بزرگ كه از چسبيدن نانولوله‌ها به يكديگر جلوگيري مي‌كنند. همچنين با استفاده از مواد شيميايي شوينده‌هاي غيرصابوني نيز ‌توانسته اند نانولوله‌ها را از هم جدا كنند.
از دلايلي كه براي به هم چسبيدن اين نانو لوله ها ارائه شده، وجود نيروهاي واندروالس بين اتم‌هاي كربن مي‌باشد. نانولوله‌ها به واسطه نيروي واندروالس كه نيروي جاذبه الكتروستاتيك طبيعي بين اتم‌ها و مولكول‌هاي بدون بار است، از انتها به يكديگر متصل مي‌شوند،‌ بارها مثبت و منفي اتم‌ها و مولكول‌ها كه با هم برابر اما از يك بخش به بخش ديگر تغيير مي‌كنند، منجر به نيروي جاذبه‌اي بين اتم‌ها و مولكول‌هاي مجاور مي‌شوند. نيروي واندروالس تنها براي اشياء بسيار كوچك نمود پيدا مي‌كند؛ اما سئوال اساسي اينجاست كه آيا، اگر نانولوله هايي را كه به هم چسبيده اند جدا كنيم همواره جدا مي‌مانند، يا بعد از مدت زماني دوباره به هم مي‌چسبند و اين مدت چقدر است؟

5) چگونگي حفظ نانولوله‌ها بعد از فراوري
حفظ نانولوله‌ها بعد از فراوري بسيار مشكل است. تا به حال محيط انتخابي، محلول‌هاي متشكل از ماده پاك كننده وآب بوده است كه حاوي كمتر از 1 درصد حجمي نانولوله‌هاي پراكنده بوده و به وسيله محلول‌هاي پليمري فراوري شده اند؛ چنين غلظت‌هايي براي استفاده در فرايندهاي صنعتي به منظور ساخت الياف‌هاي نانولوله‌اي بزرگ، بسيار پايين هستند. ضمناً دانشمندان هيچ راهي براي زدودن تمامي صابون و پليمر و تبديل نانولوله‌ به شكل خالص پيدا نكرده‌اند. همچنين براي توليد مواد ماكرومقياس از نانولوله‌ها، در فرايندهاي شيميايي نيز بايد از مايعي استفاده كرد كه بتواند محلولي با غلظت بالا از نانولوله‌ها به وجود آورد. گروه پاسكوئالي در دانشگاه رايس معتقدند كه سوپر اسيدها (حاوي 10 درصد وزني از نانولوله‌هاي خالص) مي‌توانند در تهيه الياف‌ها و ورقه‌هاي نانولوله‌اي ماكرومقياس با استفاده از روش‌هاي كاملاً مشابه با روش‌هايي كه در صنايع شيميايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد به كار گرفته شوند.
6) كنترل رشد نانولوله‌ها
آن چيزي كه در كنترل رشد مورد اهميت مي باشد اين است كه چگونه بتوانيم نانولوله‌هايي با شكل و ويژگي‌هاي دلخواه توليد كنيم. از آنجا كه نانولوله‌ها هنگام توليد به صورت تك جداره يا چند جداره تشكيل مي‌شوند و انتهاي آن ها نيز بسته يا باز است، همچنين داراي طول و قطر يكنواخت نمي‌باشند و تعدادي از نانولوله‌ها رسانا و تعدادي غيررسانا هستند، لذا روشي براي كنترل دقيق نانولوله‌ها و توليد يك نوع محصول خاص از آن وجود ندارد. روش‌‌هايي كه دانشمندان تا حالا ارائه كرده اند مربوط به جداسازي اين مواد بعد از توليد (مثلاً روش‌هاي جداسازي نانولوله‌هاي رسانا از نيمه‌رسانا يا روش‌هاي بريدن نانولوله‌ها و هم اندازه كردن آن ها) بوده است، لذا توليد يك نانولوله با خواص كنترل شده را به صورت يك رويا باقي گذاشته‌اند.
عمده ‌ترين كاوش‌ها در كنترل رشد نانولوله‌ها را مي توان به صورت زير خلاصه كرد:
1. سنتز خوشه‌هاي كاتاليزوري مولكولي با شكل و ابعاد مشخص با دقت اتمي؛
2. رشد آرام؛
3. سنتز كاتاليزوري در دماي پايين؛
4. توسعه رشد برنامه‌ريزي شده با امكان كنترل زياد اندازه و جهت نانولوله‌ها، سنتز پيچيده‌ و سازماندهي شده شبكه با آرايه‌هايي از نانولوله‌ها روي مواد درشت مقياس.
بررسي‌هاي نظري در كنار كارهاي آزمايشگاهي مسيرهاي نويني را براي ديگر پژوهشگران به منظور ايجاد مواد و فناوري‌هاي جديد با نانولوله‌ها فراهم خواهد آورد لذا راهبرد‌‌هاي كاركردي‌سازي نانولوله‌هاي كربني براي دسترسي به اين كاربردها بسيار حياتي است، به ويژه توسعه براي كاركردي سازي نانولوله‌ها به صورت غيركوالان، به منظور استفاده از خواص الكترونيكي و مكانيكي آن ها، ضروري به نظر مي‌رسد. لذا براي ساماندهي و دستكاري نانولوله‌ها در مقياس نانو، لازم است تمامي ابزارهاي موجود جهت افزايش كارايي مواد و وسايل به كار گرفته شود. يكي از ابزار، شيمي تحليلي، خصوصاً مدل‌سازي مولكولي و شبيه‌سازي است.
حال شبيه‌سازي چطور مي‌توانند براي نانوتكنولوژيست‌ها مفيد واقع شود؟ محدوديت‌هاي آزمايشگر در مقياس نانو زماني آشكار مي‌شود كه شگفتي جهان دانشمندان نظري وارد عمل شود. در اينجا هنگامي كه دانشمندان قصد قرار دادن هر يك از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانين كوانتوم وارد صحنه مي‌شود. لذا براي تسريع در عمل توليد نانولوله‌ها لازم است شيميدانها نيز مانند تجربي‌كاران وارد عرصه شوند، چرا كه شيميدانها مي‌توانند با انجام آزمايش‌ها به وسيله رايانه، احتمال فعاليت‌هاي غير موثر را از بين ببرند و گستره احتمالي موفقيت‌هاي آزمايشگاهي را وسعت دهند، نتيجه نهايي اين امركاهش اساسي در هزينه‌هاي آزمايشگاهي (مانند مواد، انرژي، تجهيزات) و زمان است.


نانوسيم : يک نانوساختار دو بعدي است و چون دراين ابعاد اثرات کوانتمي مهم هستند اين سيم‌ها، سيم‌هاي كوانتومي نيز ناميده مي‌شوند نانوسيم‌ها براي ساختن‌ مدارات الكتريكي در اندازه‌هاي كوچك استفاده مي‌شوند.

روش‌هاي ساخت:
روش‌هاي عمده که براي ساخت نانوسيم‌ها وجود دارد عبارت است از:
1. با ليتوگرافي يا چاپ روي يک سطح (ليتوگرافي نرم).
2. با فرآيند رشد شيميايي در يک محيط گازي يا مايع: استفاده از نانوذرات به عنوان کاتاليست اين فرآيند رشد شيميايي را فوق‌العاده بهبود مي‌دهد. در نوعي از اين فرآيند از ذرات کاتاليست متصل به سطح براي رشد نانوسيم‌هاي داراي يک سر متصل به سطح استفاده مي‌شود (اين نانوسيم‌ها لااقل در ابتدا بر سطح عمود هستند).

تصويرAFMنانوسيم LiMo3Se3 با مد تماسي X,Y
3. با خودآرايي براي رشد مستقيم يک نانوسيم‌روي يک سطح (موازي با سطح): اين راهکار آرايه‌هايي از نانوسيم‌ها را مستقيماً بر روي سطح شکل مي‌دهد، که فقط چند نانومتر قطر داشته و ده نانومتر يا کمتر با هم فاصله دارند. با اين حال براي ساخت تماس‌هاي الکتريکي براي اين سيم‌ها به راهکارهاي ديگري نيازمنديم.
4. نانوسيم‌ها با حكاكي شيميايي سيم‌هاي بزرگتر و يا با بمباران يك سيم بزرگتر توسط ذرات پرانرژي ديگر (اتم يا مولكول) نيز توليد مي شوند
5. روش ديگر توليد نانوسيم‌ها برجسته‌كردن سطح يك فلز نزديك به نقطه ذوب با استفاده از نوك پروب STM و منقبض كردن آنها است.
6. براي سنتز نانوسيم روش سنتز بخار مايع جامد (VLS) نيز کاربرد دارد، در اين روش از ذرات تجزيه شده توسط ليزر و يا از محصولات گازي استفاده مي‌كنيم.
كاربرد:
نانوسيم‌ها از فلزات، نيمه‌هادي‌هاي مرسوم همچون سيليکون و گاليم وانواع پليمرها ساخته شده‌اند.
کار روي نانوسيم‌ها هنوز تا حد زيادي در مرحله تحقيق قرار دارد. مشکل اتصالات هنوز بر سر راه کساني است که قصد ساخت قطعات پيچيده تجاري از نانوسيم‌ها را دارند، اما اين ساختارها نسبت به نانولو‌له‌ها از نظر قابليت توليد انبوه حاصل از راهکار خودآرايي رجحان دارند. اگر بتوان ساختارهاي مفيدي را به صورت خودآرايي ايجاد نمود، با موانع توليد تجاري ساختارهاي کارا، که افراد اميدوار به تجاري‌سازي الکترونيک نانولو‌له‌اي با آن مواجهند، روبرو نخواهيم شد. به نظر مي‌رسد نانوسيم‌ها مي‌توانند كه كامپيوترها و ساير دستگاهاي محاسبه‌‌گر كاربر داشته باشند. در راستاي دستيابي به قطعات الکترونيکي نانومقياس پيچيده، براي اتصال‌دهي آنها به سيم‌هاي نانومقياس نياز داريم. علاوه بر اين خود نانوسيم‌ها نيز مي‌توانند مبناي اجزاي الکترونيکي همچون حافظه باشند.
علاوه بر مواد فلزي و نيمه رسانا، ساخت نانوسيم از مواد آلي نيز تحت بررسي مي‌باشد. اخيراً ماده‌اي موسوم به اليگوفنيلين وينيلين موجب اميدواري شده است.
هنگام استفاده از نانوسيم‌ها، بايد توجه داشت که مقايسه آن با سيم‌کشي بزرگ‌مقياس گمراه کننده ‌باشد. برخي نانوسيم‌ها يک رفتار رسانايي کاملاً غيرکلاسيک را نشان مي‌دهند. اين نانوسيم‌ها شامل نانولو‌له‌هاي کربني فلزي (رسانا) و برخي از نانوسيم‌هاي نيمه‌رسانا مي‌شوند که توسط گروه چارلز ليبر در هاروارد توسعه يافته‌اند. آنها رساناهاي پرتابه‌اي ناميده مي‌شوند (چون الکترونهاي گذرنده از سيم بسيار شبيه گلو‌له پرتاب شده در لو‌له تفنگ‌اند). اولين مشخصه يک رساناي پرتابه‌اي ثابت بودن مقاومت آن نسبت به طول است، که با رسانايي عادي در الکترونيک روزمره‌ ما- که مقاومت متناسب با طول افزايش مي‌يابد- متفاوت است.

ساختار مولکولي نانوسيم LiMo3Se3 ( آبي: ليتيم، خاکستري: موليبدن، نارنجي: سلينيوم) قطر يک نانوسيم 0.6نانومتر است

رسانايي نانوسيم‌ها در حالتي که بين دو الكترود قرار مي‌گيرد بررسي مي‌شود، رسانايي اين تركيبات به ابعاد آنها وابسته است
نانوسيم‌ها شكل‌هاي ويژه‌اي دارند. بعضي اوقات اشكال غير كريستالي ودر برخي مواردحالت مارپيچي به خود مي‌گيرند. عدم كريستالي بودن آنها به دليل يك بعدي بودنشان است.
همچنين نانوسيم‌ها به دليل طبيعت خواص الکتريکي خود که در حضور مواد خاص دچار تغيير مي‌شوند، قابليت استفاده به صورت سنسور را دارند.
نانوسيم‌ها را مي‌توان در ساخت غشاهاي جداسازي گازها و سيستم‌هاي ميکروآناليز، توليد سيستم‌هاي ميکروالکترومکانيکي سراميکي و تجهيزات آشکارسازي امواج راديويي به کار برد. ديودهاي نورافشان نانومقياس به سادگي از تقاطع دو نوع نانوسيم ايجاد شده‌اند. يک ليزر ابتدايي از نانوسيم‌هاي اکسيد روي ساخته شده است (که البته آنها را نانوالياف نيز مي‌توان ناميد). همچنين قابليت نانوسيم‌هاي فلزي در قطعات قابل تنظيم مايکروويو نشان داده شده است.

انواع نانوسيم‌ها
انواع نانوسيم‌ها عبارتند از:
• نانوسيم‌هاي فلزي
اين نانو ساختارها به خاطر خواصي كه دارند نويدبخش كارايي زياد در قطعات الكترونيكي مي‌باشند.
• نانو سيم‌هاي آلي
نانو سيم‌هاي آلي همانطور که از نامشان پيداست از ترکيبات آلي بدست مي‌آيند ويژگي اين سيم‌ها نظير رسانايي، مقاومت و هدايت گرمايي به ساختار مونومر و طرز آرايش آن بستگي دارد.
• نانوسيم‌هاي نيمه‌هادي
نانوسيم‌هاي نيمه‌هادي از روش‌هاي ذکر شده در بخش نانوسيم‌ها تهيه مي‌شوند. ساختار شيميايي اين تركيبات باعث بوجود آوردن خواص جالب توجه‌اي مي‌گردد.
•
نانوسيم نقره كه دو قطعه ابررساناي آلومينيومي را به يكديگر اتصال داده است


آشنايي بيشتر با ساير عناصر پايه

مواد نانوبلوري توده اي
نانوذراتنانوذرات نيمه رسانا(نقاط كوانتمي)
نانوذرات سراميكي
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي
سراميكي
نانوذرات فلزي
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي
آئروژل ها
نانوروكش ها و نانولايه ها
نانوپوسته ها
مواد نانوحفره اي
مواد نانوحفره اي حاصل از حكاكي
نانوغشاهاي الگوگرفته
نانولوله و نانوميله هاي الگوگرفته
زئوليت هاي مرسوم
MCM) ،M-41S زئوليت هاي نسل جديد
مواد زئوليتي كامپوزيت و آلي
شوارزيت ها
(SAMMS) تك لايه هاي خودآراي الگوگرفته از مواد نانوحفره اي
نانوساختارهاي آلي منظم
درخت سان ها
درخت سان هاي آلي
درخت سان هاي آلي-معدني
(SAMs) تك لايه هاي خودآرا
(LB Film) فيلم هاي لانگمير- بلاجت
تركيبات آلي فلزي
نانوقفس هاي آلي فلزي
الماسواره ها
مارپيچ ها
نانوالياف
نانوالياف پليمري
نانوكامپوزيت هاي نانواليافي پليمري
ليفچه ها و نانوالياف كربني
نانوكامپوزيت هاي نانوالياف كربني
نانوالياف سراميكي
نانوكپسول ها
نانوكپسول هاي پليمري
نانوامولسيون ها
نانو لوله ها
(CNTs) نانولو له هاي كربني
نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي كربني
نانولوله هاي نيتريد بور
نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي نيتريد بور
نانولوله هاي آلي
نانوساختارهاي الگوگرفته از نانولوله
نانوسيم ها(سيم هاي كوانتمي)
نانوسيم هاي فلزي
نانو سيم هاي آلي
نانوسيم هاي پليمري
نانوسيم هاي نيمه هادي
فولرين ها
فولرين هاي كربني
فولرين هاي درون وجهي
مشتقات شيميايي فولرين ها
فولرين هاي چند لايه
فولرين هاي غيركربني
ساختارهاي معدني متنوع
قفسه هاي چندوجهي
نانوشانه ها
نانوحلقه ها
نانوملخ ها
نانوميله ها
نانوفنرها
نانوتسمه ها
نانو حلزون ها
نانوقطعات الكترونيكي و نوري
(MEMS/NEMS) نانوقطعات الكترومكانيكي
نانو قطعات سيالاتي






چكيده
در منابع مختلف، عناصر پايه بر اساس نوع ساختار يا ابعادآن ها تقسيم بندي مي شوند. در متن
ارائه شده اساس تقسيم بندي نوع عنصر پايه مدنظر است، با توجه به تركيب شيميايي و شكل
ظاهري، عناصر پايه به نانوساختارهاي ديگر مجزا م يشوند. عناصر پايه نسل دوم نيز زيرمجموعه
عنصر پايه اي قرار م يگيرند كه از آ نها به وجود آمده اند.
در متن ارائه شده، سعي شده است براي همه عناصر پايه موارد تعريف، خواص و كاربرد
آورده شود.

عناصرپايه: خواص و كاربرد
1
مواد نانوبلوري توده اي
مواد نانوبلوري توده اي از بلورهايي ساخته شده اند كه شامل چندصد تا چندهزار اتم بوده و در كنار يكديگر
قرارگرفته اند. ساختار نانوبلورها بدليل فشردگي اتم ها در كنار يكديگر كمترين انرژي آزاد سطحي را دارد.
وقتي اندازة بلور در ماده به سمت نانومقياس مي رود، نسبت اتم هاي موجود بر روي مرز دان هها به تعداد اتم هاي
كل افزايش مي يابد. رفتار اتم هاي مرزي كاملاً متفاوت از اتم هاي داخل ذره مي باشد و رفتار كل ماده تحت تأثير قرار
مي دهد. غالبا اين پديده در فلزات باعث افزايش استحكام، سختي، مقاومت الكتريكي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود
انبساط حرارتي، خواص مغناطيسي و كاهش رسانايي حرارتي و در سرامي كها باعث افزايش چك شخواري، بهبود
خواص مكانيكي و حرارتي مي گردد.
براي ايجاد مواد نانوبلوري توده اي چندين روش وجود دارد كه عبارتنداز:
- فشرده سازي پودر
- روش هاي متبلورسازي مواد آمورف اوليه
. - فرآوري تغيير شكل پلاستيكي شديد 1
در روش فشرده سازي پودر ابتدا ذرات نانومقياسي توليد مي شوند كه متعاقباً توسط روش هاي استاتيكي يا
ديناميكي به هم فشرده مي شوند.
متبلورسازي مواد آمورف مي تواند ريزترين مقياس از نانوساختارها را توليد كند، اما محدود به موادي مي شود
كه مي توانند ابتدا به حالت آمورف برسند.
روش هاي فرآوري تغيير شكل پلاستيكي شديد تنها براي فلزات كاربرد دارند. كاهش اندازة بلور تقريباً در هر
فلز باعث افزايش چشمگير استحكام و در بسياري مواد باعث افزايش چكش خواري مي گردد. به خاطر اينكه چنين
رو ش هايي مي توانند در مقياس بزرگ اجرا شوند، بسيار بيشتر از روش هاي ديگر براي تجاري سازي مورد توجه هستند.
سراميك هاي نانوبلوري خاصيت چكش خواري بيشتري را بروز مي دهند، بدين معني كه اين تركيبات نسبت به
مواد مشابه غير بلوري شكنندگي كمتري دارند. اين مسأله اجازة تبديل شدن آنها به مفتول را م يدهد و بر اساس خواص
ابررسانايي برخي سراميك ها، كاربردهايي را در پي خواهد داشت.
كاربردي ترين مواد نانوبلوري توده اي، فلزات نانوبلوري هستند كه در صنايع خودروسازي، هوافضا و صنايع
ساختماني كاربرد دارند. فلزات نانوبلوري مي توانند به جاي فلزات و آلياژهاي ساختاري موجود مصرف شوند.
يكي از زمين ههايي كه فلزات نانوبلوري مورد استفاده قرار مي گيرند، توليد قطعات مستحكم مورد استفاده در
صنايع خودروسازي است. در چنين مواردي پاسخ فوق العاده آنها در دماهاي بالا، يعني انبساط كمتر در اثر افزايش دما،
از محاسن آنها به شمار مي رود. اگر چه سراميك ها مي توانند در اين زمينه رقابت كنند، اما معمولاً بسيار شكننده هستند. با
1 Sereve Plastic Deformation Processing



2
عناصر پايه: خواص و كاربرد
اين وجود سرامي كهاي نانوبلوري انعطا فپذيرتر هستند و ممكن است در قطعاتي كه نيازمند استحكام، مقاومت سايشي
بالا و مقاومت در برابر دماهاي بالا هستند، كاربرد داشته باشند.
نانوذرات
يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد . نانوذرات علاوه بر نوع فلزي، عايقها و
نيمه هادي ها، نانوذرات تركيبي، نظير ساختارها ي هسته لايه 2 را نيز شامل مي شود . نانوذرات در اندازه هاي پايين
نانوخوشه 3 به حساب مي آيند. همچنين نانوكره ها، نانوميله ها، و نانوفنجان ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته
مي شوند.
نانوبلور ها و نقاط كوانتومي نيمه هادي زيرمجموعه نانوذرات هستند . چنين ن انوذراتي در زمينه هاي مختلف
الكترونيكي و الكتريكي و بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوي ربرداري كاربرد دارند.
تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز، هادی جاویدان خواص و كاربرد آنها ضروري است. مشخصات اين تركيبات با
و X- ray ، طيف سنجي فوتوالكتروني ، AFM ، استفاده از روش هاي گوناگوني نظير آناليز ميكروسكوپ الكتروني
سنجيده مي شود. FT-IR
نانوذرات زمينه هاي كاربردي زيادي دارند كه مهم ترين آنها عبارتند از:
براي توليد نانوذرات رو شهاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش ها اساساً به سه دسته تقسيم مي شوند:
چگالش از يك بخار، سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد نظير آسياب كردن.
روش چگالش از بخار كه شامل تبخير فلز جامد سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوش ههاي نانومتري
4) و روش سيم انفجاري VERL) است كه به صورت پودر ته نشين م يشوند. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان
2 Core- shell
3 Nanoclaster
4 Vaccum Evaporation on Running Liquids
-1 مواد كامپوزيت 8- باتري ها و پيل هاي سوختي
-2 كامپوزيت هاي ساختاري 9- روان كننده ها
-3 كاتاليزور 10 - پزشكي و داروسازي
-4 بسته بندي 11 - دارو رساني
-5 روكش ها 12 - محافظت كننده ها
-6 افزودني هاي سوخت و مواد منفجره 13 - آناليز زيستي و تشخيص پزشكي
-7 ساينده ها 14 - لوازم آرايشي
جزء روش هاي چگالش از بخار محسوب مي شوند.
روش سنتز شيميا يي شامل رشد نانوذرات در محيط مايع ح اوي انواع واكنشگرها است . روش سل ژل نمونة
چنين روشي است، در روش هاي شيميايي اندازة نهايي ذره را مي توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازة مطلوب به دست
آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازة خاص كنترل نمود.
از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. از اين روش
مي توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نم يشوند
نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند كه رايج ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي ،
پليمري و نانوذرات نيمه رسانا هستند.
( نانوذرات نيمه رسانا(نقاط كوانتمي 5
نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور ني مه رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون ناميده
مي شوند) را درسه بعد در برمي گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي شود.
در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم تراز هاي مختلف انرژي را اشغال مي كنند، به هم ين
علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي شود. در مقايسه با سيم كوانتمي كه در دو بعد و لايه هاي كوانتومي كه
در يك بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند.
اين تركيبات به دليل بازدة كوانتومي بالا در زمينه هاي اپتيكي كاربرد زيادي دارند.
سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، يكي از رو شها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف
واكنش است. در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيم ههادي يا در نزديك آن پديد
مي آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري كه در دو بعد نانو باشد)
استفاده مي شود، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذكور حكاكي صورت مي گيرد.
در روش سوم، با رسو بدهي يك ماده نيمه رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها
در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيم ههادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت
رشد داده مي شوند. « خودآراشده » كرنش 6 ) نقاط
نقاط كوانتومي نيمه هادي با تحريك الكتريكي يا تابش طول موج هاي مختلف فلورسانس مي كنند. اين ذرات
همچنين مي توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي باعث شده است كه
اين تركيبات در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ
مي دهند) و پيل هاي خورشيدي كاربرد داشته باشند.
5 Quantum Dots
6 Strained Epitaxial Growth
علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا
كيوبيت در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از:
- ليزرهاي داراي طول موج هاي بسيار دقيق
- كامپيوترهاي كوانتومي
- نشانگرهاي زيستي
نانوذرات سراميكي
رايج ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد هاي تيتانيوم، روي،
آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات ها يا اكسيد هاي سيليكون نيز سراميك هستند)كه عموماً به شكل ذرات
نانومقياسي خاك رس هستند، تقسيم مي شوند. نانوذرات اكسيد فلزي داراي اندازة يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه
نانومتر تا 100 نانومتر هستند و به وسيلة نيروهاي هادی جاویدان الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب
مي كنند. نانوذرات سراميكي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست مي آيند.نانوذرات سيليكاتي
ذراتي با ضخامت تقريباً يك نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول ترين نوع نانوذرات سيليكاتي
مونت موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه اي مي باشند. اين نوع نانوذرات با پليمريزاسيون يا به وسيلة آميزش ذوبي
(اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب توجهي را حاصل م يآورند.
وقتي اندازة نانوذرات كاهش مي يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي برتري يافته
و خ اصيت كاتاليستي افزايش مي يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان كاتاليزور در زمينه هايي نظير باتري ها، پيل هاي
سوختي و انواع فرآيند هاي صنعتي كاربرد دارند. بيشتر بودن سهم اتم ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را
تغيير مي دهد، مثلا سراميك هايي كه به طور عادي شكننده اند، نرم تر مي شوند . سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر
حلال يت را افزايش مي دهد.
اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در كارايي و كاربرد آنها دارد. ايجاد خواص آبدوستي وآبگريزي
جزء روش هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي شوند. نانوذرات سيليكاتي براي بدست آوردن خاصيت
آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي توان با استفاده از يو نهاي آمونيوم يا مولكول هاي
7)، كه هم براي روك شدهي نانوذرات سيليكاتي و POSS) بزرگتري نظير سيلسزكيوكسا نهاي اليگومريك چند وجهي
هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد.
7 Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes
5
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي سراميكي
در نانو كامپوزيت نا نوذره اي سراميكي نانوذرات سراميكي داخل يك شبكه پليمري توزيع شده اند . استفاده از
نانوذرات در مواد كامپوزيت ي مي تواند استحكام مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را افزايش و وزن آنها را كاهش دهد، و
خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بي افزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگ ر تشعشعات را تغيير دهد .
يكي از خواص نانوكامپوزيت هاي نانوذره اي سراميكي در صنعت بسته بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است . اين
خاصيت ناشي از شكل دانه ه اي نانوذرات است كه مولكول ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم هاي ماده
مي نمايند. پركننده هاي سيليكاتي نيز مي توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن يك بعدي به دو بعد تغيير دهند.
هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك رس) به عنوان پركننده در پلاستيك ها مورد استفاده قرار مي گيرند، با
پراكنده سازي تنش ها استحكام فو قالعاده اي را به وجود م يآورند. همچنين آب رفتگي 8 ، تاب برداشتگي 9 (در
كامپوزيت هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي يابد، مقاومت در برابر آتش و
مواد شيميايي افزايش يافته، بازيافت اين مواد نيز آسانتر م يشود. پركننده هاي خا كرس با مقدار پركنند ه كمتري نسبت
به پركننده هاي معمولي، استحكام را افزايش مي دهد. مثلاً با افزايش 5درصد از پركننده هاي نانورس به كامپوزي تها
همان نتيج هاي حاصل مي شود كه با افزايش 20 درصد از پركننده هايي همچون الياف شيشه اي بدست مي آيد. همچنين
ميزان پركننده را مي توان بدون تغيير در خاصيت چكش خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با
پركننده هاي متعارف ممكن نيست.


نانوذرات فلزي
نانوذرات فلزي با استفاده از رو شهاي چگالش بخار و سيم انفجاري توليد مي شوند. اين نانوذرات م يتوانند
بدون اينكه ذوب شوند (تحت نام پخت 10 ) در دماهاي پائين تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار
منجر به سهل تر شدن فرآيند توليد روكش ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن ها
مي گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماي كمتر از دماي ذرات فلزي بزرگتر غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد
توده اي تبديل مي شوند و هزينة ساخت را كاهش مي دهند.
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي
نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي با پليمرها بدست مي آيند. اين نانوكامپوزيت ها،
به دليل ممانعت خوبي كه در مقابل تداخل الكترومغناطيسي به وجود مي آورند، مي توانند در رايانه و تجهيزات
الكترونيكي به كار روند. نانوكامپوزيتهاي نانوذره اي فلزي قابلي تهاي ويژه اي در هدايت گرمايي والكتريكي دارند كه
8 Shrinkage
9 Warpage
10 Sintering
كارايي آن ها را افزايش مي دهد.
آئروژل ها
آئروژل ها دسته اي از مواد با سطوح ويژه خيلي بالا و دانسيته بسيار كم (گاهي فقط چهار برابر سنگين تر از هوا)
هستند.
اين تركيبات از طريق فرآيندهاي سل ژل ساخته مي شوند. هنگامي كه سل (محلول) در يك قالب ريخته شود،
ژلي مرطوب شكل مي گيرد. با خشك كردن و فرآورش حرارتي ، ژل حاصله به ذرات شيش ه اي يا سراميكي متراكم
تبديل مي شود. اگر در شرايط فوق بحراني مايع موجود در ژل مرطوب خارج شود، آئروژل بدست مي آيد.
استفاده از آئروژل ها به عنوان غشا در فرآيندهاي جداسازي و فيلتراسيون تحت بررسي است . همچنين
آئروژل ها در فضا پيماها براي به جمع آوري غبار بين ستاره اي ب كار مي روند. اين تركيبات براي استفاده در شيشه هاي
دوجداره به عنوان لايه پركن به جاي هوا مورد آزمايش قرار گرفته اند.
نانوروكش ها و نانولايه ها
نانوروكش ها، سطوحي تك لايه يا چند لايه با ضخامت 1 تا 100 نانومتر هستند . روكش هاي مبتني بر نانوذرات
خواص مختلفي را از خود بروز مي دهند. استحكام و مقاومت سايشي جزء خواصي هست ند كه بيشترين مزيت را در
نانوروكش ها داشته و شفافيت نيز در مورد آنها حائز اهميت است . خصوصا در حالتي كه افزايش سخ تي بدون كدر شدن
سطح ني از باشد. استفاده از روكش ها روي سطوح سراميكي ، باعث ضدخش شدن و تميز شدن راحت تر سطوح مذكور
مي گردد. همچنين مي توان از نانوروكش هاي سخت و ضد خش براي روكش دهي شيشه هاي عينك استفاده كرد . نوعي
از پيل هاي خورشيدي عرضه شده اند كه به منظور افزايش استحكام شان از نانوذرات ساخته شده اند. روكش هاي پاشش
حرارتي 11 مبتني بر نانوذرات اكسيد فلزي در تعمير بخش هاي فلزي فرسوده يا خورده شده مورد استفاده قرار مي گيرند .
امروزه نانوذرات فلزي در صنعت الكترونيك براي پوشاندن سطوح خازن ها نيز استفاده مي شوند. نانوروكش
اكسيدتيتانيوم نانوبلوري ، امكان توليد پنجره هاي فتوكروميك (تغيير رنگ در اثر نور ) يا الكتروكروميك (تغيير رنگ در
اثر اعمال پتانسيل الكتريك ي) ارزان قيم ت را بوجود مي آورد. هادی جاویدان همچنين مي توان سطوحي را روي پنجره ها به وجود آورد
كه با كمترين بارش اتفاقي باران خود به خود پاكيزه شوند . روكش ها مي توانند ضد الكتريسيته ساكن، ضد مه و
ضدبازتاب 12 باشند و در عين حال كه اجازه عبور نور مرئي را مي دهند، مانع عبور طول موج هاي كوچك نور نظير اشعه
ماوراء بنفش شوند. تعدادي از روكش هاي سراميكي حاوي نانوذرات يك نوع كامپوزيت را به وجود آورده اند كه به
خاطر خواصي چون مقاومت سايشي و شيميايي و عايق حرارت ي كاربردهاي زيادي دارند . به طور مشابه رو كش هاي
11 Thermal Spray Coating
12 Anti -glare
مبتني بر سولفيد موليبدن كه حاوي نانوخوشه ها هستند مق اومت بيشتري را در برابر اصطكاك ، سايش و خوردگي
شيميايي حاصل از اصطكاك تحت شرايط مرطوب نشان داده اند . روش هاي سل ژل و خودآرا يي، نيز براي توليد
روكش ها كاربرد دارند كه براي آينده بسيار نويدبخش هستند.
روكش ها به طور اجتنا بناپذيري كاربردهايي همچون حفاظت وسايل الكترونيكي سفينه هاي فضايي در برابر
تشعشع و حفاظت حرارتي براي ورود مجدد به جو را خواهند داشت.
روكش هاي سراميكي نانوذره اي، موجب پايداري حرارتي و مقاومت فرسايشي در قطعات موتور مي شوند.
روكش هاي حاوي نانوذرات فلزي كه كاربردهاي مشخصي در كامپيوترها و تجهيزات الكترونيكي دارند، در
مقابل تداخل الكترومغناطيسي ممانعت خوبي نشان مي دهند.
نانوپوسته ها
با روكش دهي نانوذرات ساختارهايي ب وجود مي آيند كه نانوپوسته ناميده مي شوند. با حل كردن يا تجزيه نانوذره
كره هاي توخالي بوجود مي آيند كه در رسانش دارو و معالجه بيماريها، كاربرد دارند . ساختار شيميايي نانوپوسته ها
مي تواند آلي يا معدني باشد.
مواد نانوحفر هاي
مواد نانوحفره اي ساختارهاي متخلخلي هستند كه اندازه حفرات آنها كمتر از 100 نانومتر مي با شد. اين تركيبات
درمنابع طبيعي و سيستم هاي بيولوژيكي به فراواني يافت مي شوند.
اندازه و نظم حفرات كنترل كننده خواص مواد نانوحفره اي است . در سال هاي اخيرسعي شده است تا باكنترل و
دقت بالا موادنانوحفره اي با اندازه حفرات مشخص توليد شود . مواد نانوحفره اي به دودسته عمده مواد نانوحفره اي
توده اي و غشاهاي نانوحفره اي تقسيم مي شوند:
-1 مواد نانوحفره اي توده اي: با افزايش سطح اين مواد خواص كاتاليستي ، جذب و جذب سطحي بهبود م ييابد .
زئوليت ها يك نوع مادة نانوحفره اي توده اي به حساب مي آيند. سطح اين مواد در حدود صدها متر مربع بر گرم است.
-2 غشاهاي نانوحفره اي: يكي از كاربردهاي اين مواد استفاده از آنها به عنوان غربال هاي مولكولي است. كنترل
حفرات اين تركيبات يكي از چال شهايي است كه كارايي اين مواد را تعيين مي كند.
راه هاي زيادي براي ساخت مواد نانوحفره اي وجود دارد؛ در يكي از روش ها به طور انتخابي موادي را از يك
جامد استخراج كرده، كه در اثر آن حفرات ي در ابعاد نانو ايجاد مي گرد د، در روش ديگر مخلو طي از پليمر ها را با
حرارت دادن جامد نانوحفره اي تبديل مي كنند، در اين فرايند يكي از پليم رها تجزيه شده و خارج مي شود.
مواد نانوحفره اي حاصل از حكاكي
مواد نانوحفر هاي حاصل از حكاكي، فيل مهاي نازك با حفرات هم اندازه، هم فاصله و ه مراستا هستند كه طول
جزء اين دسته اند. track-etchd حفرات با ضخامت غشا برابر است. نانوغشاهاي آلوميناي آندي و غشاهاي

نانوغشاهاي الگوگرفته
نانوغشاهاي الگوگرفته از غشاي آلوميناي آندي بدست مي آيند. پايداري حرارتي آلوميناي آندي باعث مي شود
بتوان از انواع روشهاي رسوبدهي فاز گاز و الگوبرداري براي ساخت نانوغشاهاي الگوگرفته استفاده نمود.
نوع ساختار ايجادشده به شرايط عملياتي بستگي دارد. مي توان بدون جدا كردن مواد رسوبي از آلوميناي آندي،
كل مجموعه را به صورت يك نانوغشاي الگوكرفته در نظر گرفت. بي شك هر ماده اي مي تواند خواص خاصي را به
داخل حفرات ببخشد و برخصوصيات جرياني آن اثر بگذارد.
نانولوله و نانوميله هاي الگوگرفته
نانولوله و نانوميله هاي الگوگرفته از غشاي آلوميناي آندي بدست مي آين د. در صورت جزئي بودن فرآيند
لايه نشاني يا رسوبدهي، يك لايه نازك به صورت نانولوله درون حفرات شكل مي گيرد ودرصورت پيشرفت كامل
فرآيند، داخل حفرات پرشده و نانوميله يا نانوسيم به وجود مي آيد.
زئوليت هاي مرسوم
ز ئوليت ها گستره اي از كاني هاي طبيعي و مصنوعي با حفرات نانومقياس و بزرگتر ند، كه سال ها به عنوان
كاتاليست در صنايع شيميايي به كار رفته اند. سطح ويژه اين تركيبات معمولاً در حد چند صد متر مربع بر گرم مي باشد كه
باعث شده است خواص جذبي آنها به صورت فوق العاده اي افزايش يابد.
(MCM) ،M-41S زئوليت هاي نسل جديد
از خانواده سيليكاي مزوپر بوده و شامل آرايه هاي هگزاگونال و مكعبي با (MCM) M-41S زئوليت هاي
2 تا 35 نانومتر هستند. تناوب و نظم نانوساختارهاي / شبكه هاي دوبعدي و سه بعدي مي باشند و داراي حفراتي به ابعاد 5
اين تركيبات را به ميزبان مناسبي براي طرا حي مواد تبديل كرده است . واكنش هاي خودآراي ي براي تهيه ، M41S
انجام شده است و در حال گسترش مي باشد. M41S نانوذرات در داخل مجاري
مواد زئوليتي كامپوزيت و آلي
مواد زئوليتي كامپوزيت و آلي ، تركيباتي بر پايه مواد نانوحفره اي هستند كه درحفرات آنها تركيبات آلي - فلزي
به صورت منظم قرار گرفته اند. اين تركيبات براي جذب و جداسازي تركيبات آلي كاربرد دارند.
شوارزيت ها
شوارزيت ها مشابه فولرين ها و نانولوله هاي كربني ساختار كربني دارند . وقتي اتمهاي كربن حلقه هاي بزرگتر از
شش عضو تشكيل دهند، شوارزيت ها با ساختار ي منظم ، پايدار و منحن يهايي با شيب منفي مشابه زئوليت ها ايجاد
هستند . پايداري اين تركيبات از آنجا ناشي C مي شوند. محاسبات نشان مي دهند كه شوارزيت ها پايدارتر از فولرين 60
مي شود كه حلقه هاي هفت تايي و هشت تايي فشاركششي خيلي كمي دارند.
شوارزيت ها در سيستم هاي نيمه هادي و غربال هاي مولكولي كاربرد دارند . اين تركيبات به عنوان كاتاليزورهاي
جديد نيز مصرف مي شوند.
(13SAMMS) تك لايه هاي خودآراي الگوگرفته از مواد نانوحفره اي
براي SAMMS . در اين تركيبات تك لايه هاي آلي منظم، سطوح داخلي مواد نانوحفره اي را مي پوشانند
جداسازي فلزات سنگين و آنيون ها از جريانات گازي به كار مي رون د. ساختار شيميايي بخش آزاد تك لايه خودآرا
تاثير زيادي دارد. SAMMS (بخشي كه به سمت حفره قرار دارد) در كارايي
نانوساختارهاي آلي منظم
نانوساختارهاي آلي منظم آرايش هاي مولكولي منظمي را در بر مي گيرند كه در ساختارهاي ن انو ت كرار پذير
هستند.
از جمله اين تركيبات مي توان به عناصر زير اشاره نمود:
-1 درخت سان ها
-2 تك لايه هاي خودآرا
-5 نانوقفس هاي آلي فلزي
-6 الماسواره ها
-3 فيلم هاي لانگيمر- بلاجت 7- مارپيچ ها
-4 تركيبات آلي فلزي
13 Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports
درخت سان ها
درخت سان ها مولكو لهايي بزرگ و پيچيد هاند، كه ساختار شيميايي كاملاً تعريف شده اي دارند. از نقطه
نظر شيمي، درخ تسان ها ماكرومولكول هايي نسبتاً كامل و يكنواخت (هم اندازه و هم شكل) هستند، كه داراي
معماري سه بعدي منظم و به شدت شاخه شاخه مي باشند. آنها از سه بخش اصلي هسته، شاخ هها و گروه هاي انتهايي
تشكيل شده اند.
در سنتز درخت سان ها، مونومرها به پليمرهايي با وزن مولكولي تقريبا يكسان تبديل مي شوند.
درخت سان ها از دو روش تهيه مي شوند كه عبارتنداز:
الف- روش هاي واگرا : در اين روش مولكول ها از هسته به سمت محيط(شاخه هاي بيروني) شكل
مي گيرند.
ب- روش هاي همگرا: در اين روش مولكول ها از محيط به سمت هسته شكل مي گيرند.
درخت سان ها به صورت اشكال پيچيده سه بعدي مشخصي آرايش مي يابند. خلق درخت سان ها (كه
فرآيندي تكرارپذيراست) از طريق ساخت لاي ههاي چندگانه آن با واكن شهاي شيميايي طراحي شده، پيچيده ترين
كاربرد خودآرايي تسلسلي كنترل شده مي باشد.
ويژگي هاي منحصر به فرد درخت سان ها باعث شده است كه اين تركيبات در سيست مهاي رسانش دارو
استفاده شوند.
درخت سان هاي آلي
در درخت سان هاي آلي ساختار شيميايي بيروني و داخلي از نوع تركيبات آلي هستند.
درخت سان هاي آلي-معدني
در درخت سان هاي آلي - معدني هر يك ازساختارهاي بيروني و داخلي و گروههاي انتهايي مي توانند از
نوع تركيبات آلي ويا تركيبات معدني باشند.
(14SAMs) تك لايه هاي خودآرا
يك لايه از مولكول را شامل مي شود و هنگامي توليد مي شود كه ماده اي به (SAM) تك لايه خودآرا
طور خود به خود لاي هاي به ضخامت يك مولكول روي يك سطح تشكيل دهد. با افزايش لايه ها مي توان به فيلم
چندلايه اي كه هر لايه به ضخامت يك مولكول است، دست يافت. هنگامي كه بستر (مثل يك سطح فلزي يا
14 Self Assembled Monolayers
سطح متخلخل) در تماس با محلولي از مولكولهاي آلي قرار گيرد، تركيب آلي به طور خود به خود روي
ها توليد م يشوند. بستر روكش شده خود مي تواند زيرلاي هاي براي لايه SAM زيرلايه به رديف درم يآيند و
ديگري از يك تركيب متفاوت باشد.
كه از آراي ههاي DNA ها را م يتوان در زيست حسگرهايي چون تراش ههاي SAM فناوري
ها در چاپ ميكروتماسي (نوعي از ليتوگرافي SAM . تشكيل م يشوند، ب هكاربرد DNA تك مارپيچ تثبيت شده
نرم) نيز كاربرد گسترد هاي دارند. اين تركيبات در هرجايي كه به يك فيلم آلي احتياج داشته باشيم، توانايي خود
را نشان مي دهند.
تك لايه ها در تراش ههاي سيليكوني و نمايشگرهاي صفحه تخت- البته با بهر هگيري از روشهايي همچون
رسوب دهي شيميايي بخار- نيز كاربرد دارند.
ها م يتوان به عنوان حائل در ليتوگرافي مرسوم و ليتوگرافي نرم سود جست. در مورد SAM همچنين از
دوم اين تركيبات قابليت خود را به عنوان جوهر نشان داده اند. چون به محض تماس، حتي با وجود نقايص سطح
ها قابليت اصلاح كاركردي سطوح و اجزاي سيستم هاي SAM. مرزي خودآرايي لايه اي يكنواخت مي آفريند
ميكروالكترونيكي، ميكرو و نانوالكترومكانيكي را فراهم مي كنند.
ها عبارتند از: بسترهاي واكنش، توليد انبوه بلور مايع، سي مهاي SAM قابليت هاي كاربردي ديگر
مولكولي، روانكاري، معاد لهاي سنتزي غشاهاي زيستي و لاي ههاي محافظ. يك ايده براي مورد آخر محافظت از
سطوح الكترودها در باتري ها در برابر خوردگي و در نتيجه افزايش طول عمر آنهاست. بخش بزرگي از ارزش
در ارتقاي درك از شيمي و فيزيك پديده هايي چون چسبندگي، روانكاري، ترشوندگي سطحي و انتقال ، SAM
ها توانايي آنها جهت استفاده از حجم عظيم دانش موجود در SAM بار نهفته است. همچنين يك مزيت بزرگ
CVD ،PVD ها از رو شهاي SAM شيمي آلي براي ساخت سطوحي با خواص متفاوت است. براي تهيه
نيز استفاده مي شود. MBE و
(LB Film) فيلم هاي لانگمير- بلاجت
فيلم هاي لانگمير - بلاجت تك لايه يا لايه هاي آلي ( هر لايه به ضخامت يك مولكول )هستند كه روي
سطح جامد رسوب كرده اند. ضخامت اين فيلم در حدود چند طول موج مرئي است.
لغت لانگمير - بلاجت از اسامي يك دانشمند (لانگمير ) و دستيارش (بلاجت ) كه خواص منحصر به
فردي از فيلم هاي نازك را در اولين دهه 1900 به دست آوردند گرفته شده است.
در فراين انتقال مادة آلي از يك مايع به بستر جامد، ساختار فيلم در سطح مولكولي قابل كنترل است . اين
فيلم ها خواص الكتروشيميايي و فوتوشيميايي از خود نشان مي دهند و همين ا مر باعث شده است محققان فيلم هاي
را ماده اوليه براي ساخت مدارهاي مجتمع در نظر بگيرند. . شبكه هاي مبدل با ساختار كاملا پيچيده ممكن LB
كه هر بيت شامل يك LB ساخته شود . نهايتاً امكان ساخت تراشه هاي حافظه LB است در تراشه هاي چند لايه
مولكول است وجود دارد
تركيبات آلي فلزي
نانوساختارهاي آلي فلزي از ليگاندهاي آلي و اتم هاي فلزي تشكيل شده اند ، اتم هاي فلزي مراكز
كمپلكس را تشكيل مي دهند و ليگاندها در قشر كوئوردينانسي فلز جاي مي گيرند.
نانوقفس هاي آلي فلزي
نانوقفس هاي آلي فلزي ا ز برهمكنش تركيبات آلي و فلزات ب وجود مي آيند، نتيجه آن نانوساخ تارهايي
به شكل قفس است كه فضاي معيني را محصور ساخته و باعث بدام انداختن اتم ها و مولكول هاي كوچك
مي گردند. فضاهاي مذكور در تركيبات آلي فلزي وجود ندارند.
الماسواره ها
الماسواره ها قفس هاي كربني به حساب مي آيند كه ساختار اين تركيب ات فوق العاده محكم بوده و سختي
است. از انواع ديگر مي توان د ي آدامانتان و C10H زيادي دارند. معروفترين اين تركيبات آدامانتان با فرمول 16
تري آدامانتان را نام برد.
مارپيچ ها
ساختار اين تركيبات تاحدودي مشابه تركيبات آلي - فلزي بوده ولي پيچيدگي آنها بيشتر از ترك يبات
فوق است.
نانوالياف
نانوالياف، الياف نسبتاً كوتاهي هستند كه دو بعد آن ها در مقياس نانومتر بوده و نسبت وجهي آنها بزرگتر
از 3 است. انواع نانوالياف را مي توان از روش هاي الكتروريسندگي و قوس الكتريكي بدست آورد.
نانوالياف پليمري
نانوالياف پليمري از روش ريسندگي الكتريكي با قطر نانومتري توليد مي شوند. در اين روش مايعات
باردار شده به صورت جريانهاي كوچك به درون يك ميدان الكتريكي كشيده مي شوند، سپس به صورت الياف
پليمريزه مي شوند.
نانوكامپوزيت هاي نانواليافي پليمري
در نانوكامپوزيت ها نانواليافي پليمري مي توان از است حكام نانوالياف پليمري سود برد . همچنين مي توان
نانوالياف پليمري را با افزودني هايي نظير نانوذرات يا نانولو له ها ساخت تا بسياري از خصوصيات بالقوه
نانوكامپوزيت هاي نانواليافي را ارايه دهند.
ليفچه ها و نانوالياف كربني
"ليفچه "هاي 15 كربني جامد و توخالي با چند ميكرون طول و 2 تا بيش از 100 نانومتر قطر خلق شد هاند
كه مصارفي در مواد كامپوزيت و روكش ها كاربرد دارند و موجب افزايش استحكام و رسانايي بالقوه مواد
مي شوند.
mm براي بدست آوردن خواص مشابه، "ليفچه "هاي كوچكتر به الياف كربني مرسوم (معمولاً بيش از
0/1 قطر دارند) مقادير خيلي كمتري "ليفچه "هاي كربني مصرف م يشوند. ليفچه ها نسبت به الياف كربني مرسوم
باعث ايجاد يك سطح هموارتر در روكش ها مي شوند. اين نانوالياف هم اكنون در مقياس بزرگ توليد مي شوند.
نانوكامپوزيت هاي نانوالياف كربني
به دليل خواص منحصرب هفرد نانوالياف كربني، اين نانوساختارها در مواد كامپوزيت، روك شهاي سطحي
و پلاستيك هاي رسانا در رنگ آميزي الكترواستاتيك قطعات خودرو و همچنين پراكنده سازي بارهاي ساكن 16
در
تجهيزات الكترونيكي به كار مي روند
نانوالياف سراميكي
نانوالياف سراميكي كاربردهاي متنوعي دارند كه يكي از كاربردهاي آنها (نانوالياف آلومينا) در
فيلتراسيون ويرو سها و باكتر يها از منابع آبي و هوايي يا سيالات زيستي است. مي توان با افزايش افزودني هايي
نظير نانوذرات خواص اين نانوالياف را بهبود داد.
نانوالياف آلومينا بر اثر نيروهاي الكترواستاتيك، ويروس ها و ديگر ذرات را به خود مي چسبانند و لذا
بدين صورت مي توانند در زيس تفيلتراسيون مثلاً براي آلودگي زدايي به كار روند. اين الياف با فرآيند سل ژل و
سپس حرارت دهي تهيه م يشوند. يك مزيت فيلترهاي ساخته شده با اين روش، اين است كه چون فيلتراسيون آنها
فقط مبتني بر غربالگري نيست، ذرات در بين فيلتر و نه روي سطح آن جمع شده و بنابراين كمتر با انسداد مواجه
مي شوند- اين قسم فيلترها، فيلتر عمقي خوانده م يشوند. همچنين به نظر م يرسد نانوالياف آلومينا به تشكيل
استخوان كمك مي كنند.
نانوكپسول ها
نانوكپسول به هر نانوذر هاي گفته مي شود كه داراي يك پوسته و يك فضاي خالي جهت قرار دادن مواد
15 Fibrils
16 Static Dissipation
عناصر پايه: خواص و كاربرد
14
مورد نظر در داخل آن باشد.
فرآيندهاي اصلي ساخت كپسو لها شكل عمومي يكساني دارند: از يك امولسيون روغن در آب يا آب
در روغن براي خلق به ترتيب نانوكپسول هاي روغني و آبي استفاده مي شود. زمينه كاربرد كپسول ها به نوع
امولسيون مورد استفاده بستگي دارد؛ مثلاً تزريق وريدي مستلزم استفاده از نانوكپسول هاي آبي است ، بنابراين
براي ساخت كپسو لهاي مذكور بايستي از امولسيون آب در روغن استفاده شود. با اين حال، طبيعت مواد كپسوله
شده- يعني آب دوست يا آب گريز بودن آنها- نيز نوع نانوكپسول مورد نياز را ديكته مي كند. كه ممكن است با
كاربرد مورد نظر تطابق نداشته باشد. روكش دهي كپسول ها با لاي ههاي ديگر ممكن است اين مغايرت را رفع
نمايد. براي روكش دهي مي توان از پروتئين ها، پليمرها و ديگر مواد طبيعي و مصنوعي سود جست و آنها را بر
حسب خواص گوناگوني به غير از آب دوست ي يا آب گريزي، نظير چسبندگي، مقاومت در برابر محيط هاي
مختلف و غيره انتخاب كرد. علاوه بر اين، م يتوان از كپسو لهاي موقتي (يا الگوها) به عنوان شالوده لاي ههاي
ديگر استفاده كرده و سپس آنها را از بين ببرد. شرايط ساخت نانوكپسول ها بحراني و حاد نيست و به همين علت از
منظر زيست شناسي، داراي جذابيت خاصي براي رسانش مواد زيستي حساس مي باشند.
نانوكپسول هاي پليمري
اخيراً از پليمرها براي ساخت نانوكپسول ها استفاده شده است. فرآيند اصلي ساخت اين نانوكپسول ها
پليمريزاسيون امولسيوني م يباشد. هم اكنون م يتوان نانوكپسول هاي پليمري را در اندازه ها و اشكال گوناگون و
در مقادير مناسب توليد كرد. سپس با الصاق يا جايدهي يك مولكول خاص در ديواره اين نانوكپسول ها، آنها را
"كاركردي" 17 نمود.
اين نانوكپسول ها م يتوانند به صورت ماشه يك سيستم دارورساني هدفمند عمل كرده و در پاسخ به يك
زيست مولكول خاص، محتواي نانوكپسول را آزاد نمايند. كپسول هاي پليمري بر خلاف نانوامولسيو نها با
پيوندهاي كووالانسي قدرتمندي به يكديگر مي چسبند و بنابراين از استحكام خاصي برخوردارند. بسياري از
نانوكپسول ها در هر دو شكل مايع و خشك پايدارند.
براي داروسازي به جاي مكانيسم ماشه كشي، مي توان محموله را- در صورت ريز بودن مولكول محموله-
با مكانيسم ساده نفوذ رها كرد، يا به صورت تخريب طبيعي و يا به كمك امواج ماوراء صوت آن را باز كرد.
ساخت نانوكپسول ها نوعي از خودآرايي محسوب مي شود.
نانوامولسيون ها
نانوامولسيون ها از مولكولهاي سورفكتانت، نظير فسفوليپيدها كه از يك طرف آبگريز (هيدورفوبيك) و
17 Functionalize
از يك سمت آب دوست (هيدروفيليك) هستند تشكيل م يشوند. هنگامي كه اين مولكول ها در يك محيط
آبي قرار گيرند، خود به خود كپسولهايي را شكل مي دهند كه قسمت هاي آب گريز مولكول در درون آنها واقع
مي شود و لذا از تماس با آب محافظت م يشوند. ليپوزوم ها ساختارهايي از جنس چربي هستند كه در اين دسته
قرار مي گيرند. اين تركيبات در صنايع آرايشي كاربرد زيادي دارند.
نانو لول هها
نانو لول هها به نانوساختارهايي اطلاق مي شود كه قطر آن ها تا حدود 100 نانومتر باشد. صرف نظر از
استحكام كششي بالا، نانو لوله ها خواص الكتريكي مختلفي از خود نشان مي دهندكه به ساختار آنها وابسته است.
لفظ نانولو له در حالت عادي در مورد نانولو له كربني به كار م يرود، كه در چند سال اخير از سوي
محققين مورد توجه فراواني قرار گرفته اند و در كنار خويشاوندان نزديكش همچون "نانوشاخ"، نويدبخش
كاربردهاي جالبي شده اند. البته اشكال ديگري از نانول وله ها همچون نانولوله هاي نيتريد بور و نانولو له هاي
خودآراي آلي نيز ساخته شد هاند.
نانولوله ها در زمينه هاي مختلفي كاربرد دارند كه عبارتند از:
- مواد ساختماني - صنايع الكترونيك
- قطعات نشر ميداني - پيل هاي سوختي و باتر يها
(CNTs) نانولو له هاي كربني
كشف شدند، در واقع NEC نانولو له هاي كربني كه در سال 1991 توسط سوميو ايجيما در شركت
لو له هايي از گرافيت مي باشند( گرافيت شكلي از كربن است كه از لايه هاي حاوي آرايش هاي شش ضلعي
يا (SWNT) اتم هاي كربن تشكيل م يشود). اين نانوساختارها اندازه هاي مختلفي داشته و م يتوانند تك ديواره
باشند كه درمورد اخير دسته اي از خواص جالب توجه را به همراه خود دارند. (MWNT) چند ديواره
يك خصوصيت مشهور نانول وله هاي كربني ، استحكام كششي برجستة آنهاست، كه نزديك 100
گيگاپاسكال يعني بيش از 100 برابر استحكام فولاد است. با اين حال اين مقياس غل طانداز است؛ چرا كه فولاد از
تجمع بلورها و مواد افزودني حاصل مي شود و لذا مقايسه معنادارتر، مقايسه كردن مواد بزرگ مقياس ساخته شده
از نانول وله ها با فولاد خواهد بود. اين مسأله خطر برون يابي خواص سطح مولكولي به جامدات توده را خاطر نشان
مي سازد (نانولو له مثل هم خانواده خود( ورقه هاي گرافيت) به يكديگر نچسبيده و تنها بر اثر نيروهاي ضعيف
واندروالس جذب يكديگر مي شوند؛ به همين دليل است كه گرافيت به عنوان يك روان كننده خوب شناخته
مي شود). نانولو له ها به ديگر مواد نيز به راحتي نمي چسبند. اين مسأله بكارگيري خواص آنها در مواد توده اي را با
مشكل مواجه مي سازد. مي توان با اصلاح شيميايي نانول وله ها باعث چسبيدن آنها به يكديگرشد، اما خلوص
ساختاري آنها كه باعث چنان استحكام عظيمي مي شود، اولين چيزي است كه بايد برروي آن مصالحه كرد.
نانولو له هاي كربني داراي خواص الكتريكي جالبي نيز م يباشند. آنها بسته به كايراليته 18 (يعني نحوه
پيچش ساختار گرافيتي به دور نانولو له) مي توانند رسانا ( نانولو له هاي ”فلزي“) يا نيمه رسانا باشند. نانولو له هاي
كربني تك ديواره در مصارف الكترونيكي با بيشترين توجه روبرو شده اند، اما هنوز نمي توان در روشهاي توليد
كنترل چنداني بر خصوصيات الكترونيكي نانولو له ها اعمال نمود.
هدايت گرمايي نانولو له هاي كربني در جهت لو له ها و نه عمود برآنها باعث شده است كه اين تركيبات
قابليت بالقوه اي در گودال هاي حرارتي 19 در زمينه نانوالكترونيك از خود نشان دهند.
يكي از خواص نانولو له هاي كربني كه بيشترين توجه را به خود جلب كرده است، نشر ميداني است.
قطعات نشر ميداني (
20 ها FED ) ساختارهايي هستند كه تحت تأثير ميدان الكتريكي از خود الكترون منتشر
مي كنند. نانولو له هاي كربني قادرند تحت تاثير ميدان هاي الكتريكي اندك جريان هاي بالايي را انتشار دهند.
مثل صفحات نمايشگر مسطح ممكن است نيازمند جايدهي دقيق نانول وله ها باشند. براي FED مصارف
دستيابي به اين دقت، استفاده از رو شهاي رشد دهي مبتني بر كاتاليست ها و رسوب دهي شيميايي بخار شروع شده
هاي نانولو له اي در سامانه هاي روشنايي نيز آزموده شده اند. به كمك رسو بدهي شيميايي بخار FED . است
فيلمي از نانول وله ها بر روي يك ل وله نشانده م يشود و الكترون هاي منتشر شده از يك سيم مسي واقع در درون
آن، لو له را براي تابش تحريك مي كنند.
نانولو له هاي كربني و خويشاوندشان ”نانوشاخ ها“
21 هيدروكربن براي نگهداري هيدروژن و ها جهت
استفاده پيل هاي سوختي مورد مطالعه قرار گرفته اند
نانولو له ها كربني قابليت خود را براي دوبرابر كردن ظرفيت باتري هاي قابل شارژ ليتيوم به جاي گرافيت
نشان داده اند. همچنين نانولو له هاي كربني تك ديواره مي توانند كارايي پي لهاي خورشيدي فتوولتاييك را با ارتقاي
قابل ملاحظه تحرك پذيري الكترونها در يك لايه كامپوزيت پليمري بهبود دهند.
فرآيندهاي توليد نانولو له هاي كربني عبارت است از:
-1 تخليه قوس الكتريكي:
دراين روش جرق هاي كه بين دو الكترود گرافيتي ايجاد مي شود، كربن يك الكترود را كنده و به صورت
دوده روي ديگري متراكم مي سازد. فشار محفظه تبخير و جريان مهمترين عوامل مؤثر در راندمان مي باشند. اين
روش براي توليد انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد كامپوزيتي مناسب است.
: -2 تبخير/ سايش ليزري 22
1200° و حاوي هليوم يا نيتروژن با فشار بالا C از ليزر براي تبخير هدف گرافيتي در كوره اي به دماي
18
Chirality
19
Heat Sink
20
Field Emission Devices
21
Nanohorn
22
Laser Vaporization/Ablation
استفاده مي شود. اين روش براي توليد انبوه نانولو له ها جهت استفاده در مواد كامپوزيتي كاربرد دارد.
-3 رسوب دهي شيميائي بخار به كمك حرارت:
كنترل موقعيت و رشد نانولوله ها با استفاده از نانوكاتاليست هاي نانوذره اي، قابليت خلق نانولو له هايي با
ساختار و وضعيت مورد نظر را فراهم م يكند. سادگي روش باعث توليد انبوه آن خواهد شد.
PCVD) -4 رسوب دهي شيميايي بخار به كمك پلاسما
از پلاسماي منوكسيد كربن و هيدروكربن هاي مختلف براي ساخت نانولو له ها بر روي كاتاليست هاي قرار
داده شده برروي سطح ( مانند روش حرارتي) استفاده مي شود.
-5 رشد فاز بخار :
در اين روش بدون استفاده از هيچ زيرلايه اي، تنها با مخلوط كردن هيدروكرب نها و فلزكاتاليست در
محفظه واكنش نانولو له ها ساخته مي شوند.
-6 الكتروليز:
در اثر الكتروليز كلريدليتيوم مذاب در يك محفظه گرافيتي- كه آند يك بوته گرافيتي است- مي توان
ها را سنتز كرد. MWNT
-7 سنتز شعله :
احتراق متان باعث ايجاد شعله مي شود و وارد نمودن هيدروكربن هاي ديگر و كاتاليست ها در آن باعث
مي شود. SWNT و MWNT توليد
نانولوله هاي كربني به خاطر خواص منحصر به فرد خود كارايي زيادي دارند. برخي معتقدند نانولوله ها
كارايي سنسورهاي كوچك، دستگا ههاي نوري و الكترونيكي، كاتاليست ها و باطر يها و پي لهاي سوختي،
پيل هاي خورشيدي و انتقال دهندهاي دارويي را به طور فوق العاده اي بهبود مي دهند. تقريباً ظرفيت باطري هاي
ليتيم با نانولوله هاي كربني دوبرابر مي شود، ترانزيستورهاي كربني در دهه آينده جايگزين ترانزيستورهاي
سيليكوني مي شوند، همچنين نانولوله ها در راكت هاي تنيس كاربرد دارند و آنها را سبكتر و محكم تر مي سازنند.
تقويت جليقه هاي ضد گلوله با مقدار كمي نانولول هكربني توانايي آنها را در جذب انرژي گلوله دوبرابر مي كند،
همچنين از نانولوله هاي كربني براي تهيه پلاستيك هاي ضد شعله استفاده مي شود، نانو لوله هاي كربني قادر به
ذخيره سازي هيدروژن تا 65 % وزن خود هستند (ظرفيتي كه پيل هاي سوختي هيدروژني را به دليل موثر بودن و
درست شده است كه CNT ارزان بودن جايگزين سوخ تهاي فسيلي خواهد كرد.) همچنين سيم هاي با جنس
هدايت الكتريكي آن از سيم هاي مسي بيشتر است و قادر به انتقال جريانات با فشار قوي مي باشند.
نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي كربني
نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي كربني داراي نسبت استحكام به وزن بيشتري نسبت به كامپوزيت هاي
موجود وكامپوزيت هاي مبتني بر نانوذرات هستند. از نظر تئور ي كاربرد نانولو له ها دركامپوزيت ها بدليل استحكام
كششي بالا مانع مصرف الياف كربني در كامپوزي تها خواهد شد. خواص رسانايي يا حفاظت در برابر اشعه
نانولو له ها نيز مي تواند براي كامپوزيت ها ارزشمند باشد .
استحكام نانولو له ها در نساجي نيز پتانسيل هايي را به همراه دارد. نانولو له ها همچنين مي توانند الياف را
رسانا سازند، اين قابليت مي تواند كاربرد نظامي داشته باشد.
نانولوله هاي نيتريد بور
نانولوله نيتريد بور ساختاري مشابه نانولوله هاي كربني دارد و مي تواند لايه هاي شش ضلعي مشابه گرافيت
را شكل دهد. در مارس 2001 لورنس ماركس و همكارانش در دانشگاه نورث وسترن نيتريدبور را به شكل
نانولو له در آوردند. نيتريد بور از نظر شيميائي مخصوصاً در دماهاي بالا بي اثرتر از كربن است. انتظار مي رود
نانولو له هاي نيتريد بور نيمه رسانا يا عايق باشند، اما خواص الكتروني آنها كمتر از نانول وله هاي كربني قابل تنظيم
است. همچنين اين تركيبات نشركننده هاي ميداني بهتري نسبت به نانولو له هاي كربني هستند. نانولو له هايي از جنس
تنگستن و گوگرد يا تنگستن و سلنيوم ساخته شده اند كه مانند نانولو له هاي نيتريد بور انعطاف و ارتجاع كمتري
نسبت به نانولو له هاي كربني دارند.
نانوكامپوزيت هاي نانولوله اي نيتريد بور
نانولو له هاي نيتريد بور م يتوانند در مواد كامپوزيتي كاربرد دارند؛ چون داراي بخشي از استحكام
نانولو له هاي كربني بوده و مقاومت خيلي بالاتري نسبت به مواد شيميايي و دماهاي بالا دارند. مقاومت در دماهاي
بالا براي مصارف خاص هوافضا (مثل مقاومت در برابر حرارت بازگشت مجدد به جو) مطلوب م يباشد.
نانولوله هاي آلي
نانولوله هاي آلي از خودآرايي تركيبات آلي ب وجود مي آيند. اين نانوساختارها در زمينه ه اي رسانش
دارو، نانوراكتورهاي شيميايي و كانال هاي بيولوژيكي كاربرد دارند.
نانوساختارهاي الگوگرفته از نانولوله
با استفاده از نانولوله ها به عنوان قالب مي توان نانوساختاره ايي با اشكال متفاوت ايجاد نمود . شكل
كريستالي اين نانوساختارها وابسته به قطر نانولوله است.
نانوسيم ها(سيم هاي كوانتمي)
نانوسيم، يك نانوساختار دو بعدي است . و بدليل اينكه دراين ابعاد اثرات كوانتمي مهم هستند ، اين
سيم ها، سيم هاي كوانتومي نيز ناميده مي شوند نانوسي م ها براي ساخت مدارات الكتريكي در اندازه هاي كوچك
استفاده مي شوند.
روش هاي عمده كه براي ساخت نانوسيم ها وجود دارد عبارت است از:
-1 با ليتوگرافي يا چاپ روي يك سطح (ليتوگرافي نرم).
-2 با فرآيند رشد شيميايي در يك محيط گازي يا مايع: استفاده از نانوذرات به عنوان كاتاليست اين
فرآيند رشد شيميايي را فوق العاده بهبود مي دهد.
-3 با خودآرايي براي رشد مستقيم يك نانوسي مروي يك سطح (موازي با سطح): اين راهكار آراي ههايي
از نانوسي مها را مستقيماً بر روي سطح شكل م يدهد، كه فقط چند نانومتر قطر داشته و ده نانومتر يا كمتر با هم
فاصله دارند.
4 - نانوسيم ها با حكاكي شيميايي سيم هاي بزرگتر و يا با بمبارا ن يك سيم بزرگتر توسط ذرات پرانرژي
ديگر (اتم يا مولكول) نيز توليد مي شوند
-5 روش ديگر توليد نانوسيم ها برجسته كردن سطح يك فلز نزديك به نقطة ذوب با استفاده از نوك
و منقبض كردن آنها است. STM پروب
نيز كاربرد دارد، در اين روش از ذرات تجزية (VLS) -6 براي سنتز نانوسيم روش سنتز بخار مايع جامد
شده توسط ليزر و يا از محصولات گازي استفاده مي كنيم.
نانوسيم ها از فلزات، نيمه هادي ها وانواع پليمرها ساخته شده اند.
كار روي نانوسيم ها هنوز تا حد زيادي در مرحله تحقيق قرار دارد. مشكل اتصالات 23
هنوز بر سر راه
كساني است كه قصد ساخت قطعات پيچيده تجاري از نانوسي مها را دارند، اما اين ساختارها نسبت به نانول وله ها از
نظر قابليت توليد انبوه حاصل از راهكار خودآرايي رجحان دارند. اگر بتوان ساختارهاي مفيدي را به صورت
خودآرايي ايجاد نمود، با موانع توليد تجاري ساختارهاي كارا، كه افراد اميدوار به تجاري سازي الكترونيك
نانولو له اي با آن مواجهند، روبرو نخواهيم شد. به نظر مي رسد نانوسيم ها مي توانند در كامپيوترها و ساير دستگاهاي
محاسبه گر كاربرد داشته باشند. در راستاي دستيابي به قطعات الكترونيكي نانومقياس پيچيده، براي اتصال دهي آنها
به سي مهاي نانومقياس نياز داريم. علاوه بر اين خود نانوسي مها نيز م يتوانند مبناي اجزاي الكترونيكي همچون
حافظه باشند.
برخي نانوسيم ها يك رفتار رسانايي كاملاً غيركلاسيك را نشان مي دهند. اين نانوسي مها شامل نانول وله هاي
23 Connectivity
كربني فلزي (رسانا) و برخي از نانوسيم هاي نيمه رسانا مي شوند كه توسط گروه چارلز ليبر در هاروارد توسعه
يافته اند. آنها رساناهاي پرتاب هاي 24 ناميده م يشوند (چون الكترونهاي گذرنده از سيم بسيار شبيه گل وله پرتاب شده
در ل وله تفنگ اند). اولين مشخصه يك رساناي پرتابه اي ثابت بودن مقاومت آن نسبت به طول است، كه با رسانايي
عادي در الكترونيك روزمره ما- كه مقاومت متناسب با طول افزايش مي يابد- متفاوت است.
رسانايي نانوسيم ها در حالتي كه بين دو الكترود قرار مي گيرد بررسي مي شود، رسانايي اين تركيبات به
ابعادشان وابسته است.
نانوسيم ها شكل هاي ويژه اي دارند . بعضي اوقات اشكال غير كريست الي و در موارد ديگر حالت مارپيچي
به خود مي گيرند. عدم كريستا لي بودن آنها به دليل يك بعدي بودنشان است . همچنين نانوسيم ها به دليل طبيعت
خواص الكتريكي خود كه در حضور مواد خاص دچار تغيير مي شوند، قابليت استفاده به عنوان سنسور را دارند.
نانوسيم ها را م يتوان در ساخت غشاهاي جداسازي گازها و سيستم هاي ميكروآناليز، توليد سيستم هاي
ميكروالكترومكانيكي سراميكي و تجهيزات آشكارسازي امواج راديويي بكار برد. ديودهاي نورافشان نانومقياس
به سادگي از تقاطع دو نوع نانوسيم ايجاد شده اند. يك ليزر ابتدايي از نانوسي مهاي اكسيد روي ساخته شده است
(كه البته آنها را نانوالياف نيز مي توان ناميد). همچنين قابليت نانوسيم هاي فلزي در قطعات قابل تنظيم مايكروويو
نشان داده شده است.
نانوسيم هاي فلزي
نانوسيم هاي فلزي در نانوقطعات الكترونيكي و الكتريكي به عنوان اتصال دهنده كاربرد دارند. اين
نانوساختارها همچنين مي توانند به عنوان حافظه نيز عمل كنند.
نانو سيم هاي آلي
علاوه بر مواد فلزي و نيمه رسانا، ساخت نانوسيم از مواد آلي نيز تحت بررسي م يباشد. اخيراً ماده اي
موسوم به اليگوفنيلين وينيلين موجب اميدواري در ساخت نانوسيم ها آلي شده است.
نانوسيم هاي پليمري
ويژگي اين سيم ها نظير رسانايي، مقاومت و هدايت گرمايي به ساختار مونومر و طرز آرايش آن بستگي
دارد.
نانوسيم هاي نيمه هادي
نانوسيم هاي نيمه هادي مرسوم تركيبات سيليكون و گاليوم هستند . خواص اين تركيبات تحت تاثير محيط
24 Ballistic Conductors
تغيير مي كند، اين پديده ب اعث مي شود نانوسيم هاي نيمه هادي در زمينه هايي نظير حسگرها كاربرد داشته
باشند.
فولرين ها
فولرين ها، اغلب به ساختارهاي كروي كه از جنس كربن هستند اطلاق مي شود. ولي امروزه از عناصر
و فولرين هاي معدني نمونه اي از (C48N ديگر نظير نيتروژن نيز در ساختار آنها استفاده شده است ،آزا فولرين( 12
آنها هستند. كاربرد فولرين ها در صنايع پزشكي مورد تحقيق و بررسي است.
فولرين هاي كربني
فولرين هاي كربني، آلوتروپي از كربن(نظير الماس و گرافيت )هستند اين تركيبات از كربن ساخته شده
اند و فرمهاي كروي، بيضوي به خود مي گيرند به شكل كروي باكي بال مي گويند. در اوريل 2003 اين نوع
فولرين ها در زمينه دارويي مورد مطالعه قرار گرفتند (در خصوص آنتي بيوتيكهايي كه براي مقابله با باكتريهاي
مقاوم و حتي سلولهاي سرطاني مصرف مي شود). فولرين ها فعاليت شيميايي زيادي نداشته و در چندين حلال نظير
تولوئن و كربن دي سولفيد حل مي شوند.
فولرين هاي درون وجهي
فولرين هاي درون وجهي ات مهاي مختلف را داخل خود محصور م يكنند، نانوساختارهاي حاصله براي
رديابي عناصر و فرايندهاي بيولوژيكي بكار مي روند.
مشتقات شيميايي فولرين ها
جايگزين شدن عناصر ديگر نظير نيتروژن و گوگرد بجاي كربن مشتقات شيميايي گوناگوني را به وجود
مي آورد، آزافولرين يكي از اين تركيبات است. مشتقات شيميايي ديگر با اضافه شدن تركيبات شيميايي توسط
يك گروه عاملي به فولرين به وجود مي آيند. بديهي است ايجاد چنين ساختاري نوعي اصلاح شيميايي ب هحساب
مي آيد.
فولرين هاي چند لايه
فولرين هاي چن دلايه شامل چندين فولرين هستند كه در داخل يكديگر قرار دارند. به همين دليل به اين
ساختار نانوپياز نيز گفته مي شود.
فولرين هاي غيركربني
در فولرين هاي غيركربني، عناصر ديگر ساختاري مشابه فولري نهارا بوجود مي آورند، ساختار شيميايي
اين فولرين ها اغلب اكسيد فلزي مي باشد، اكسيد واناديوم يك نمونه از آنهاست.
ساختارهاي معدني متنوع
نانوساختارهاي معدني ، از اكسيدهاي فلزي مختلف، نظير اكسيد روي و با استفاده از روش تصعيد
حرارتي فاز جامد- بخار تحت شرايط ويژه به وجود مي آيند ، هر يك از اين ساختارها خواص منحصر به فردي از
خود بروز مي دهند وهمين پديده باعث شده است كه تحقيقات وسيعي در اين زمينه صورت مي گيرد.
قفسه هاي چندوجهي
قفسه هاي چندوجهي داراي ساختار متخلخل م يباشند كه از خودآرايي نانوبلورهاي اكسيدفلزي حاصل
مي شوند. اين روش شامل انجماد قطرات فلز، اكسيداسيون سطحي و تصعيد م يباشد. قفسه هاي چندوجهي
مي توانند جهت دارورساني بكار روند.
نانوشانه ها
نانوشانه ها، نانوساختارهاي اكسيد فلزي هستند كه نانوكريستالهاي كوچكتر بطور منظم روي محور اصلي
قرار مي گيرند. اين نانوساختارها در صنايع پزشكي ، الكترونيك و ترانسفورماتور ها كاربرد دارند.
نانوحلقه ها
نانوحلقه يك كريستال حلقوي شكل در ابعاد نانو است. اولين نانو حلقه با تركيب شيميايي اكسيد روي
در انستيتوي تكنولوژي جرجيا كشف شد. اين تركيبات به صورت خود به خودي از فرايند خودپيچش نانوتسمه ها
بدست مي آيند.
به طور كاملاً واضح شكل حلق هها را با سطوح يكسان (SEM) تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي
نيز نشان م يدهد كه نانوحلق هها به صورت (TEM) نشان م يدهد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري
تك بلوري و دايره اي هستند. ساختار تك بلوري به معني تشكيل نانوحلق ههاي كامل از تسمه تك بلوري است.
بطور كلي نانوحلقه ها نتيجه حلقه اي شدن ه مبافت و هم محور نانوتسمه ها مي باشند.
نانوملخ ها
وقتي يك نانوميله توسط نانوميله هاي عرضي(جانبي) احاطه گردد، نانوملخ ها ايجاد مي شوند. نانوسيم هاي
عرضي داراي ابعاد چند ده نانومتر هستند.
نانوميله ها
نانوميله ها دسته اي ديگر از نانو ساختارهاي اكسيدي هستند و مشابه نانولوله ها در دو بعد نانومقياسند.
نانوفنرها
نانوفنرها از نانو تسمه ها بوجود مي آيند. ساختار القايي خودبخودي اين تركيبات باعث مي گردد كه هر
حلقه چرخش 90 درجه در قطبيت داشته و شكل فنري پايدار حاصل آورد.
نانوتسمه ها
نانوتسمه ها از اكسيدهاي نيمه رساناي روي، قلع، كادميم و گاليم و با استفاده از تبخير پودرهاي تجاري
اكسيد اين فلزات در دماي بالا حاصل مي شوند. اين نانوتسم هها خالص، يك شكل و داراي بلورهاي منفرد
مي باشند. ساختار هندسي ويژه نانو تسمه ها باعث ايجاد بلورهاي اكسيدي نيمه رسانا با كاتيون هايي با ظرفيت
متفاوت و خواص جالب توجه مي گردد.ترانزيستورهاي اثر ميداني، حسگرهاي نانومقياس بسيار حساس گازها و
نانوحامل هاي ساخته شده از نانوتسمه هاي منفرد، نمونه اي از كاربرد نانوتسمه ها مي باشد. به علت خاصيت
پيزوالكتريكي نانوتسمه هاي سنتزي اخير مي توان از آنها در كاهند هها، افزاينده ها و حسگرهاي نانومقياس نيز
استفاده نمود.
نانو حلزون ها
نانوساختارهاي حلزوني از تغيير شكل نانوتسم هها به وجود مي آيند، در اين فرايند نانوتسمه حول يك
مركز حلقه زده و دواير هم مركز را تشكيل مي دهد.
نانوقطعات الكترونيكي و نوري
نانوقطعات الكترونيكي و نوري قطعاتي در ابعاد نانو هستند كه در الكترونيك و ادوات نوري كاربرد
دارند.
(MEMS/NEMS) نانوقطعات الكترومكانيكي
شامل تركيبات مكانيكي در اندازة ميكرو بوده و اشكال ( MEMS ) سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي
MEMS ليتوگرافي شده سه بعدي با هندسة متفاوت را در بر مي گيرند. به دليل نسبت بالاي سطح به حجم در
اثرات سطح نظير الكترواستاتيك و خيس شدن، اثرات حجم نظيراينرسي را مي پوشاند. سيستم هاي
ميكروالكترومكانيكي با استفاده از سيليكون اصلاح شده ساخته مي شوند.
عبارتند از : قالب گيري، آبكاري (روكش دهي )، حكاكي تر (محلول MEMS روش هاي ساخت
.(EDM) ماشين كاري تخليه الكتريكي (RIE و DRIE) و خشك (KOH
ها ولي در ابعادكوچكتر هستند اين سيست مها MEMS شبيه به (NEMS) سيستم هاي نانوالكترومكانيك
توانايي تغيير اساسي در اندازه گيري نيروها و جابه جايي هاي كوچك در سطح مولكولي را دارند.
وجود دارد. روش اول بالا به پايين است كه در آن يك NEMS دو روش براي خلق سيستم هاي
مجموعه ابزار طراحي شده است تا ابزارهاي كوچكتري را بسازد. روش ديگر پايين به بالا است كه در آن از
سيستم هاي خودآرا و سيستم هاي مولكولي بيولوژيكي بدلي استفاده م يشود.
نانو قطعات سيالاتي
در نانوساختارهاي نانوسيالاتي رفتار سيالات دراندازه هاي نانو ومزو بررسي م يشود. در اين زمينه
سيستم ها طوري طراحي مي شوند كه از حجم كم سيالات استفاده شود. رفتار مايعات در اندازه ماكرو نسبت به
اندازه هاي ميكرو متفاوت است. در اين فرايند از كانال هايي كه قطر آنها در حد نانو و ميكرو است براي بررسي
اين خواص استفاده م يكنند و خواصي نظير كشش سطحي، مقاومت سيال و توزيع انرژي مورد بررسي قرار
مي گيرد.
به دليل نسبت سطح به حجم بالا در نانوسيالات سرعت واكنش هاي شيميايي افزايش مي يابد. عدد
رينولدز(كه نشان دهنده آشفتگي جريان سيال است) خيلي پايين بوده و سيال به صورت لاي هاي باقي م يماند.
نفوذ مواد و ،DNA آرايش ، (Lab on a chip) نانوسيالات در توسعه فناوري آزمايشگاه در يك تراشه
خواص گرمايي كاربرد دارند.





آشنايي با نانو


فناوری نانو یا نانوتکنولوژی :
رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است
اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.
واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسطكي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو»بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

 

آلیاژ حافظه دار وباهوشترین الیاژ تاریخچه نیتینول

الکترونیکی
نیتینول است از آلیاژ نیکل و تیتانیوم که متعلق به دسته از مواد به نام شکل آلیاژهای حافظه (محمدعلی). محمدعلی کرده اند جالب خواص مکانیکی. نیتینول برای قرارداد به عنوان مثال هنگامی که حرارت داده ، که در مقابل فلزات به استاندارد ، که گسترش زمانی که گرم می شود. نه تنها قرارداد آلیاژ ، بلکه آن را به تولید 100 برابر جنبش (انبساط ، انقباض) حرارتی فلزات از استاندارد است. یکی دیگر از ویژگی های جالب از محمدعلی در اثر حافظه شکل (SME) است. آلیاژ را می توان حرارت قرار می گیرند تا به یاد داشته باشید یک شکل خاص است. پس از آن ، اگر شکل است خم شده و تحریف ، آلیاژ ممکن است گرم می شود دوباره به شکل اصلی آن است. ملک SME در اسباب بازی های چند مانند اسباب بازی Livewire استفاده می شود. با توجه به جهت ، آن را خم را به شکل نامنظم است ، قرار داده شده در آب گرم و سیم میآید دوباره به شکل. اسباب بازی Livewire است از سیم نیتینول با دمای انتقال پایین (دمای آب گرم) ساخته شده است.

تاریخچه نیتینول
اگر چه مردم شناخته شده و مورد آزمایش قرار SMAs از سال 1932 ، آن را تا 1961 که آنها را از آزمایشگاه آمد نبود. ویلیام Beuhler ، کار در آزمایشگاه های نیروی دریایی آمریکا ، کشف اثر SME در آلیاژ نیکل و تیتانیوم. در آن زمان تیم علمی در تلاش بودند به منظور توسعه و گرما مقاوم در برابر خورنده آلیاژ. اما چیزی که آنها کشف شد نسبتا ارزان و مطمئن تر (غیر سمی) محمدعلی. نام تیم جدید آلیاژ نیتینول (تلفظ شب در تمام). نام نمایندگی قطعات اصلی (عنصری) و مکان از مبدا. "نیکل" و "تیتانیوم" هستند نمادهای اتمی برای نیکل و تیتانیوم. "NOL" مخفف نیروی دریایی فرمان آزمایشگاه که در آن کشف شد. ترکیبی از نیکل تیتانیوم در نیتینول است در مورد برابر است. کوچکترین تغییر در نسبت دو ترکیبات است تاثیر بسیار زیادی بر درجه حرارت انتقال از آلیاژ حاصل. برای نمونه ، تفاوت 1-2 ٪ در درجه حرارت متفاوت نسبت گذار از -100 درجه سانتی گراد 100 درجه سانتی گراد هر شرکت تولیدی محصولات نیتینول باید نسبت به اجزای سطح دقیق برگزاری پایدار و قابل تکرار دمای انتقال ، تا مطمئن شویم. آلیاژ نیتینول ما در حال آزمایش است با دمای انتقال از 70 درجه سانتی گراد

چگونه عمل می کند
خواص نیتینول تکیه بر آن ساختار پویا بلورین. ساختار مولکولی حساس به تنش های خارجی و دما. آلیاژ دارای سه مرحله دمای تعریف شده است.
1. فاز آستنیت. درجه حرارت بالاتر از دمای گذار. دمای انتقال بسته بر ترکیب دقیق از آلیاژ نیتینول ؛ آلیاژهای تجاری معمولا درجه حرارت انتقالی بین 70 درجه سانتی گراد تا 130 درجه سانتی گراد (158 درجه فارنهایت تا 266 درجه فارنهایت). قدرت و صلابت که با آن عملکرد مواد تلاش می کند به بازگشت به شکل اولیه خود قابل توجه است ؛ 35،000 تا 70،000 پسی. ساختار بلورین مکعبی است. 2. فاز مارتنزیتی. کم فاز دما. ساختار بلوری است سوزن مانند و جمع آوری شده در حوزه های کوچک است. در درون حوزه های کوچک کریستال های سوزن مانند در تراز وسط قرار دارد. آلیاژ ممکن است خم شده و یا به راحتی شکل گرفته است. فشار برای تغییر شکل 10،000 20،000 پسی است. خم تبدیل ساختار بلورین از آلیاژ تولید تنش داخلی.
3. آنیل فاز. مرحله بالا دما. آلیاژ خواهد شد (مکعب) ساختار کریستالی خود به "به یاد داشته باشید" شکل کنونی خود reorient. مرحله سرد شدن آهسته برای سیم نیتینول ما در حال کار است با
540 ° C.

خواص فیزیکی
استحکام کششی 200.000 پسی
نقطه ذوب 1،250 درجه سانتی گراد (2،282 درجه فارنهایت)
مقاومت 1.25 اهم در هر اینچ (0.006 سیم)

مقاوم در برابر خوردگی

هنگامی که نیتینول در دمای اتاق آن را در فاز مارتنزیتی است. وقتی که آلیاژ خم ، ساختار بلوری سوزن مانند در تغییر شکل حوزه ، ایجاد تنش های داخلی. وقتی که آلیاژ بالاتر از دمای انتقالی آن (فاز آستنیت) ، تغییر ساختار بلورین از سوزن شبیه به مکعب گرم می شود. ساختار مکعبی از آلیاژ کند را به فضا همان ساختار سوزن مانند دامنه تشکیل شده که آلیاژی خم شد متناسب نیست. آلیاژ استرس را تسکین می دهد با بازگشت به آن "به یاد" شکل کریستالی مکعب می باشد. اگر تا به هر آلیاژ نشده است و یا تغییر شکل استرس ، تغییرات ساختار بلوری هنوز رخ می دهد ، اما در هر جنبش خالص منتج نمی شود.

سیم نیتینول
نیتینول تولید شکل ازسرگیری نیروی £ 22،000 در هر اینچ مربع است. در آزمایش های ما ما با هر 6 - میلیون (قطر 0.006 اینچ) محل کار یا 15 - میلیون (0.015 اینچ قطر) سیم. سیم 6 - میلیون تا یک نیروی contractive از 11 اونس ؛ سیم 15 - میلیون تا یک نیروی contractive از 63 اونس (4 پوند). سیم فعالیت می تواند قرارداد به 8 ٪ -10 ٪ از طول آن است. برای طول عمر طولانی (بیشتر از 1،000،000 چرخه) ، انقباضات باید به تنها 6 ٪ از طول آن محدود شده است. انقباض و استراحت بستگی دارد تنها در دمای سیم آلیاژ نیتینول. هر روش گرمایش و سرمایش استفاده می شود. راه آسان برای حرارت سیم و یکی است که معمولا به کار می باشد عبور جریان الکتریکی از طریق آن. سیم نیتینول دارای مقاومت بالا ، در حدود 1.25 اهم در هر اینچ برای سیم 6 - میلیون. مقاومت سیم به جریان الکتریکی تولید حرارت کافی (گرمایش اهمی) را به همراه سیم از طریق انتقال حرارت آن است. سیم نیتینول معمولا ضد زور در جهت مخالف از انقباض خود را به آن اعمال. بازنشانی نیروی ضد ، یا امتداد سیم به طول اولیه خود را زمانی که در فاز دمای پایین. این است که به نام نیروی تعصب.


اگر سیم نیتینول است بدون زور تعصب به دمای انتقال آن به ارمغان آورد آن را قرارداد ، با این حال ، زمانی که آن را سرد می کنم که بازگشت به طول اصلی آن است. در نتیجه ، بدون نیروی تعصب ، زمانی که سیم دوباره گرم شده است بدون انقباض بیشتر برگزار خواهد شد. در اکثر برنامه های کاربردی نیروی تعصب است به سیم به طور مداوم استفاده شود. شکل 2 نشان میدهد که دو روش استفاده از نیروی تعصب ، بهار و وزن استاتیک می باشد. سرعت و قدرت انقباض سیم بستگی دارد که چگونه سریع و چگونه بالا درجه حرارت از سیم افزایش می یابد. به عنوان مثال ، 400mA جریان الکتریکی از سیم 6 - نیتینول میلیون خواهد کشش حداکثر 11 اونس و انقباض کامل در یک ثانیه تولید کند.
زمان واکنش سریع تر می تواند ، در محدوده میلی ثانیه. برای رسیدن به این پالس های جریان بالا مدت زمان کوتاه استفاده می شود. هنگامی که انجام این کار در نظر باید به جرم و سرعت از مواد به حرکت داده می شود. هر چه سریعتر حرکت توده با توجه به بزرگتر اینرسی که باید بر آن فائق. اگر جبر می شود بزرگتر از 6 پوند برای سیم 6 - میلیون ، آن را بشکن.
کامل نیروی contractive است در ابتدای چرخه تولید می شود. در مقابل به solenoids استاندارد الکتریکی است که توسعه قدرت کامل در نزدیکی پایان دوره خود را.

فعال کردن سیم نیتینول همانطور که گفته شد ، سیم نیتینول می تواند به سادگی با عبور جریان الکتریکی از سیم گرم می شود. مقاومت سیم گرم شده و آن را قرارداد . حجم سیم نشانی در طول انقباض تغییر نمی کند. به عنوان سیم کاهش می یابد در طول ، افزایش قطر خود را با مقدار متناسب ، حفظ حجم سیم ثابت است. دمای فعال شدن سیم 70 درجه سانتی گراد یا 158 است ° F.
گرمایش مستقیم برق
سیم نیتینول می تواند فعال شود با استفاده از ولتاژ دی سی کم (6 -- 12volts) منبع تغذیه. مدار ساده را می توان با استفاده از یک باتری ساخته شده ، سوئیچ و طول کوچک از سیم نیتینول (نگاه کنید به شکل 4). هنگامی که فعال کردن سیم با استفاده از دی سی فعلی مهم است که نه زیاد گرم سیم ، و یا خواص آن را کاهش دهد. جریان دی سی می کند سیم گرما نیست به طور هموار. روش بهتر است برای گرم کردن سیم با استفاده از مدولاسیون عرض پالس.



تظاهرات ساده نیتینول
شکل 5 یک تظاهرات ساده مکانیکی برای نشان دادن خواص آلیاژ سیم نیتینول است. این است که اساسا عضله الکتریکی که flexes. مواد لازم سه پیچ ماشین (6-32 × 2 "طول) با نه آجیل ، تکه ای از چوب یا پلاستیک حدود 12" طولانی ، گسترش بهار کوچک (تقریبا 2-3 "طول) و البته طول از سیم نیتینول.

دستگاه پیچ ، آجیل و بهار گسترش ممکن است در فروشگاه های سخت افزاری محلی خریداری کرد. برای اینکه دستگاه ، تمرین دو سوراخ در چوب به پایان می رسد در مقابل به جای پیچ های دستگاه به عنوان نشان داده شده است. پیچ و مهره های بین پیچ پایان دو این است که چوب امن نیست ، اما ایستاده است رایگان. سیم نیتینول است به سمت چپ پیچ متصل می شود (مشاهده جزئیات در شکل 5). بهار در راه است پیچ سمت راست looped. رایگان ماشین ایستاده پیچ و مهره متصل سیم نیتینول و بهار با هم.
به خاطر داشته باشید سیم 6 - میلیون نیتینول است کشش حدود 11 اونس ، پس بهار کشش نه چندان دور که تنش آنقدر بزرگ است سیم نیتینول می تواند به قرارداد نیست. در عین حال باید آن را محکم به اندازه کافی برای آن را شل کردن از سیم نیتینول هنگامی که آرام است.
برای ایجاد اتصالات از منبع تغذیه دی سی از این تظاهرات ، استفاده از پوست تمساح کوچک کلیپ بلوز سیم اتصال به پشت پیچ دو پایان. پیچ های دستگاه و همچنین بهار رسانا هستند ، اجازه می دهد به جریان فعلی به سیم نیتینول.
هنگامی که شما در حال حاضر به تظاهرات واحد سیم نیتینول سوئیچ ، سیم به سرعت گرم شده ، قرارداد ها و نیش ترمزی میزند دستگاه freestanding پیچ نزدیک تر به سمت راست. اگر شما علامت و موقعیت با شروع از پیچ ماشین freestanding ، شما با دقت می تواند انقباض سیم اندازه گیری کند. هنگامی که قدرت حذف سیم سرد ، اجازه می دهد تا بهار کشیده سیم نیتینول و بازگشت به موقعیت اولیه آن است.
از آنجایی که ما با استفاده از یک منبع تغذیه دی سی ، تنها قدرت لحظه در تماس باشید. خیلی آسان به حرارت سیم و تنزل خواص نیتینول. در صفحه بعد ، ما را بر این سیستم را بهبود بخشد.

کنترل بهتر برق
در صفحه قبل ، ما فعال سیم نیتینول با استفاده از دی سی اساسی فعلی است. در حالی که این کار می کند ، از آن آسان است به بر افروختن و به طور بالقوه آسیب سیم نیتینول. این ماه ما مدولاسیون عرض پالس (PWM) ساخت مدار است. فعال کردن سیم نیتینول با استفاده از مدولاسیون عرض پالس دارای مزایای مجزا می باشد. نوسانی در کردن از قدرت اجازه می دهد تا برای بیشتر حتی حرارت دادن سیم (نقاط داغ را کاهش می دهد). چرخه وظیفه موج مربع می تواند متنوع برای تولید یک درجه ای از کنترل متناسب با بیش از انقباض می شود. این عوامل به ما اجازه فعال کردن سیم نیتینول با کنترل بهتر برای دوره های طولانی تر از زمان و بدون حرارت باعث آسیب به ساختار بلورین از آلیاژ نیتینول.
مدار PWM است از یک تایمر 555 ساخته شده ، (شکل 6). با استفاده از دو ترانزیستور Q1 و Q2 و پتانسیومتر با تایمر 555 می توان خروجی با فرکانس ثابت نسبی با ظرفیت متغیر ایجاد کنید.



هنگامی که خروجی تایمر (پایه 3) بالا می رود ، هر دو ترانزیستور Q1 را روشن کنید و در Q2. فعلی را از طریق Q1 ، R3 و بخشی از پتانسیومتر (R4) تعیین ره اتهامات زمان خازن C1. هنگامی که ولتاژ C1 می رسد در تاریخ 2 / 3 Vcc ، در خروجی تایمر 555 (پین 3) کم می رود.
در این مرحله هر دو ترانزیستور Q1 و Q2 خاموش. خازن C1 شروع به تخلیه از طریق بخشی از پتانسیومتر (R4) به عنوان رعب و R5 از طریق پین 7 (پین تخلیه) تعیین شده از تایمر 555. هنگامی که ولتاژ در C1 قطره به 1 / 3 Vcc خروجی سوئیچ های بالا و زمان چرخه تکرار.
چرخه وظیفه خروجی موج مربع را می توان توسط مختلفی مقاومت پتانسیومتر تغییر داد.
خروجی تایمر 555 (پین 3) متصل به یک ترانزیستور ماسفت سوئیچ ها که در حال حاضر و خاموش را به سیم نیتینول. اگر جریان از مدار PWM بسیار قدرتمند برای کنترل سیم نیتینول متناسب ، محل اهم 8 - (2 وات یا بیشتر) در مقاومت سری با سیم نیتینول به کاهش قدرت.

Superelasticity
Superelasticity اموال منحصر به فرد ازست. اگر در دمای کمی بالاتر از دمای انتقال آن تغییر شکل ، آن را چشمه حق بازگشت را به شکل. این خاصیت فنری superelasticity نامیده می شود. شرکتهای عضو تولید کننده را در پیدا کردن این خاصیت مفید پزشکی و دندان برنامه های کاربردی با حروف بزرگ.
به عنوان مثال ، درجه حرارت پایین سیم نیتینول به عنوان سیم ارتودنسی - قوس در پرانتز استفاده شده است. سیم نیتینول فراهم می کند یک نیروی ثابت در پایین درجه حرارت بدن انسان استفاده می شود به حالت مستقیم در حالی که دندان کاهش نیاز به سیم retightening. دمای انتقال از این سیم ساخته می شوند به طوری که نیروی آنها را تولید در دمای دهان انسان (در حدود 37 درجه سانتی گراد) (98.6 درجه فارنهایت).
Supereleastic لوله نیتینول به عنوان کاتترهای جراحی استفاده می شود. کاتتر نیتینول می تواند خم شود بیشتر از همتایان خود اجازه می دهد فولاد جراحان برای دسترسی به نواحی دشوار را از بدن انسان است.

جهتدار رقمی
این پروژه با استفاده از سیم نیتینول برای ایجاد یک رقمی جهت. با استفاده از سه یا چهار جهت رقم در یک دایره می تواند پایه gripper بازوی روباتیک ایجاد کنید. رقمی متشکل از 3-4 اینچ لاستیک انعطاف پذیر و یا لوله سیلیکون ، 12 اینچ از سیم نیتینول ، 12 اینچ از 22 رشته سیم عایق Ga. ، 6-32 یک دستگاه با دو پیچ مهره ، 8-32 دستگاه پیچ با دو آجیل و تقریبی 7 اینچ لوله های پلاستیکی سخت است.
نگاهی طول لوله لاستیکی و برش چهار یا پنج louvers در یک طرف (نگاه کنید به شکل 7). شما می توانید با استفاده از قیچی louvers یا برش سیم برش. louvers نیروی لاستیک لوله سقوط به یک طرف (جهت دار) وقتی که متراکم می شود. بعد نگاهی 6-32 دستگاه پیچ و مهره. موقعیت یک سر سیم نیتینول تحت سر پیچ و مهره سفت یکی در برابر آن. سپس 1 / 2 اینچ از عایق از 22 Ga. سیم ، حذف پوشش بخشی از سازمان ملل متحد 22 Ga. عایق سیم پیچ اطراف 6-32 تحت مهره اول است. سفت کردن مهره دوم در برابر 22 Ga. سیم.


موضوع باز به پایان می رسد از سیم نیتینول و 22 Ga. سیم از طریق لوله های لاستیکی و سپس از طریق لوله های پلاستیکی سخت است. مهره 6-32 برگزاری 22 Ga. سیم و سیم نیتینول باید خیط و پیت کردن با بالا از لوله های لاستیکی. امن پایه لاستیکی لوله به بالا از لوله های پلاستیکی سخت با نوار (پوشش ، زخمی کردن یا الکتریکی).
ضمیمه رایگان پایان از سیم نیتینول به 8-32 دستگاه پیچ و مهره به شیوه ای مشابه به عنوان قبل از شرح داده شده. 8-32 دستگاه پیچ و مونتاژ سیم نیتینول باید در پایه لوله پلاستیک سخت ، قرار بدون فضای آزاد ، در میان. شما ممکن است لاستیک فوقانی لوله در حالی که اتصال 8-32 دستگاه پیچ می توانید آن را به درستی به سمت سقوط.
ضمیمه مدار PWM به سیم نیتینول (از طریق 8-32 دستگاه پیچ) و سر آزاد سیم Ga. 22. با چرخش پتانسیومتر شما قادر خواهید بود در خم شدن و رقمی بالا لاستیک قسمت لوله. رقمی خواهد شد در جهت louvers خم. کاهش قدرت رقمی به حالت مستقیم خارج اجازه می دهد.
اگر به سه یا چهار نفر از این رقم در یک دایره ، با اشاره louvers نسبت به مرکز ، به شما خواهد gripper ابتدایی داشته باشد.

موتورهای حرارتی
اگر شما فکر می کنید که مواد نیتینول که مواد بسیار عالی برای ساخت موتورهای گرما تو تنها نمی کنند. در طول این سالها تعدادی از آزمایشگران و شرکت ها ایجاد موتورهای گرما نیتینول. جستجو پتنت بر روی اینترنت با استفاده از کلید نیتینول کلمات و موتور تبدیل شده تا طرح های چند حرارت موتور. بسیاری از طرح های پیچیده مکانیکی اختراع هستند و می توانم خود را به من قرض بدهید نه به راحتی برای آزمایش سریع است. با این حال ، ساده گرما طراحی موتور که راه خود را در چند اسباب بازی یافت می شود وجود دارد. بیایید نگاهی گذرا به این طرح.


Thermobile
Thermobile (نگاه کنید به شکل Cool ، با استفاده از یک حلقه از سیم نیتینول به تولید برق. حلقه نیتینول است بر روی دو چرخ دوار رایگان قرار داده شده ، این دستگاه با استفاده از تنها آب گرم (سمت گرم) و سرد هوا محیط (سمت خنک). برنج چرخ کوچکتر از Thermobile در مایع داغ قرار دارد.
در Thermobile حلقه سیم نیتینول آموزش داده شده است به خاطر داشته باشید شکل راست. وقتی حلقه سفر به آب گرم آن را بالاتر از دمای انتقال آن به ارمغان آورد و تلاش به حالت مستقیم خارج. نگاه در شکل 9 ، در موقعیت 1 سیم نیتینول نسبتا صاف و سرد. همانطور که حرکت سیم از موضع 1 - 2 ، آن را در اطراف خم چرخ برنجی کوچک و وارد آب داغ. به عنوان سیم حرکت از موضع 2 - 3 ، آب داغ به ارمغان می آورد سیم نیتینول بالاتر از دمای انتقال آن و تلاش می کند آن را به حالت مستقیم خارج. هنگامی که تلاش به حالت مستقیم از سیم نیتینول طول می کشد شکل به تصویر کشیده شده توسط خطوط نقطه چین. در انجام این کار ، سیم تولید نیروی عمل کشیدن ، اف ، همراه حلقه. به عنوان سیم حرکت قطعه از موضع 3 - 4 straightens از آن. به عنوان سیم سفر از موقعیت 4 به 1 و موقعیت ، از طریق هوا و اطراف چرخ بزرگ آن را تا به زمان کافی برای سرد کردن در زیر دمای انتقال آن و آماده است برای دیگری چرخه.

به طور خلاصه ، تفاوت درجه حرارت باعث از یک طرف به حلقه سفت (سمت آب گرم) در حالی که در سمت هوا از حلقه نیتینول سرد و استراحت می کند. نیروی مکانیکی تولید می شود که باعث می شود که چرخ به چرخش قرقره.
در برخی موارد لازم است شروع به پرش موتور های دوار چرخ بزرگتر. جالب توجه است ، Thermobile است جهت تعیین چرخشی نیست. راه هر کدام از آن آغاز شده است آن را ادامه خواهد داد تا چرخد. Thermobile همچنین می تواند انرژی خورشیدی می باشد. لنز بزرگنمایی تمرکز نور خورشید بر چرخ برنج نیز تامین حرارت کافی به قدرت موتور.
موتورهای بزرگتر Thermobile ساخته شده و تست شده با استفاده از حلقه نیتینول. یک موتور با فن آوری های نوین بین المللی (ITI) در سال 1982 ساخته شده است ، حاوی 30 حلقه سیم نیتینول. سیم نیتینول مورد استفاده در حلقه 22 mils در قطر بود. موتور آزمایش با استفاده از حمام آب داغ می توان در 55 درجه سانتی گراد و درجه حرارت هوا از 25 درجه سانتی گراد موتور رسید سرعت 270 دور در دقیقه و همچنان به مدت 1.5 سال بدون شکست به کار گیرند. سیم نیتینول 2.1x108 چرخه بدون شکستگی و یا تخریب قابل مشاهده در عملکرد قرار گرفته بودند.
برای آزمایش در دانشگاه Thermobile ، اینجا کلیک کنید.

سرد کرافت قایق (نگاه کنید به شکل 10) همچنین با استفاده از یک حلقه از سیم نیتینول به قدرت یک قایق پلاستیکی کوچک است. حلقه نیتینول در دو محل رایگان چرخ دوار است ، نگاه کنید به بخش تقریبی صلیب سرد کرافت قایق در شکل 11. پایین چرخ کوچکتر است paddles که حرکت قایق هنگام آن می چرخد. قایق با یک محفظه کوچک در بالای یخ ساخته شده است. محفظه یخ بالا لرز یک طرف حلقه نیتینول. از طرف دیگر حلقه نیتینول سفر از طریق آب گرم که در آن قایق اسباب بازی قرار داده شده است. دیفرانسیل گرما بین آب گرم و یخ کافی است برای فعال کردن حلقه سیم نیتینول و قدرت هنر و صنعت.
در این زمینه مناسبی برای آزمایش است. من را دیده اند ، تعدادی از طرح های که با استفاده از حرارت موتور باند لاستیکی می باشد. تعداد کمی از این طرح به عنوان نگاه فکر می کردند که وام خود را به سیم نیتینول به جای لاستیک منظور شو

 

كربن ونانو لوله ها
كربن يكي از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهم‌ترين آلياژهاي مهندسي اس
كربن يكي از عناصر شگفت‌انگيز طبيعت است و كاربردهاي متعدد آن در زندگي بشر، به خوبي اين نکته را تاييد مي کند. به عنوان مثال فولاد ـ كه يكي از مهم‌ترين آلياژهاي مهندسي است ـ از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن به حاصل مي شود؛ با تغيير درصد كربن (به‌ميزان تنها چندصدم درصد) مي توان انواع فولاد را به دست آورد. «شيمي آلي» نيز علمي است که به بررسي ترکيبات حاوي «كربن» و «هيدروژن» مي پردازد و مهندسي پليمر هم تنها براساس عنصر كربن پايه‌گذاري شده است.

كربن، به چهار صورت مختلف در طبيعت يافت مي‌شود که همه اين چهار فرم جامد هستند و در ساختار آنها اتم‌هاي كربن به صورت كاملاً منظم در كنار يکديگر قرار گرفته‌اند. اين ساختارها عبارتند از:
1- گرافيت
2- الماس
3- نانولوله‌ها
4- باكي‌بال‌ها (مانند C60 در شکل زير )


گرافيت:
گرافيت يكي از مهم‌ترين ساختارهاي كربن در طبيعت است و از ‌قرارگرفتن شش اتم كربن در کنار يکديگر به وجود آمده است. اين اتم هاي كربن به گونه اي با يکديگر ترکيب شده اند كه يك‌ شش ‌ضلعي منتظم را پديد مي آورند و از مجموع آنها، صفحه اي به دست مي آيدكه به عنوان يک « لاية گرافيت» در نظر گرفته مي‌شود.
اتم‌هاي كربن با پيوندهاي كووالانسي ـ كه پيوندي قوي و محکم است ـ به يکديگر متصل شده‌اند. لازم به ذكر است كه اتم هاي كربن به کار رفته در يک لاية گرافيت نمي‌توانند با كربني خارج از اين لايه پيوند كووالانسي بدهند. بنابراين يک لاية گرافيت از طريق پيوندهاي واندروالس ـ كه پيوندهايي ضعيف هستندـ به لاية‌ زيرين متصل مي شود. اين مساله باعث مي‌شود كه صفحه‌هاي گرافيت به‌راحتي روي يکديگر بلغزند. به همين دليل از اين ترکيب در «روغن‌كاري» و «روان‌كاري» استفاده مي‌شود. علت نرمي سطوحي که با مداد روي آنها نوشته شده است نيز همين نکته مي باشد.

نانولوله‌ها :
يك لايه گرافيت را در نظر بگيريد. اتم‌هايي را كه در يك رديف قرار گرفته‌اند با ( n,m ) ـ كه نشان‌دهندة مختصات يك نقطه در صفحه است ـ مكان‌يابي مي‌كنيم. به طوري كه مختصات n، مربوط به ستون اتم‌ها و مختصات m مربوط به رديف اتم‌ها باشد.
همان‌طور كه مي‌دانيم براي تهيه يک لوله از يک صفحه، کافي است يك نقطه از صفحه را روي نقطه ي ديگر قرار دهيم. يك نانولوله مانند صفحة گرافيتي است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اينکه چگونه دو سر صفحه گرافيتي به يکديگر متصل شده باشند، انواع مختلفي از نانولوله ها را خواهيم داشت.

1. نوع زيگزاگ
براي ساختن نوع زيگزاگ نانولوله، مطابق شکل اتم‌ها را در راستاي افقي (ستون به ستون) شمرده {(0و1) ، (0و2) و ... }، اتم انتهايي(0و5) را با خم کردن صفحه، بر روي اتم ابتدايي (0و0) انطباق مي دهيم. هادی جاویدان براي اطمينان از درستي روش ساخت بايد دقت کنيم که در آخر کار، در راستاي افقي يک خط شکسته زيگزاگ به دور نانولوله ببينيم.


2. نوع صندلي
در صورتي كه اتم ابتدايي و اتمي که در وضعيت 45 درجه نسبت به آن قرار دارد، روي هم قرار بگيرند، نانولوله نوع صندلي به دست مي آيد. در اين حالت مي‌توانيم بين اين دو اتم يك خط مستقيم رسم كنيم كه معادلة آن «m=n» است. يعني شمارة ستون و رديف هر يک از آنها با يکديگر برابر است. در اين حالت با يک بار گردش به دور نانولوله تعدادي صندلي پشت سر هم خواهيم ديد.

3. نوع نامتقارن
در اين حالت نيز مشابه روش صندلي عمل مي‌کنيم، با اين تفاوت که در مختصات اتم انتهايي، m≠n خواهد بود. اگر يک بار افقي به دور نانولوله بچرخيم مجموعه‌اي از صندلي‌ها را مي‌بينيم که نسبت به افق، به صورت مايل قرار گرفته‌اند.
براي ساختن مدلي از هر کدام از انواع نانولوله‌ها فقط کافي است مطابق شکل کاغذ را خم کرده و نقطه ي انتهايي را بر نقطه ي ابتدايي منطبق نماييد.


اين لوله ها به علت آنکه داراي قطر چند نانومتري مي باشند «نانولوله» نام گرفته اند. يعني ما با اتصال دونقطه ي يك صفحة گرافيتي به هم، لوله‌اي را به دست آورده‌ايم كه قطر فضاي خالي داخلي آن چند ميلياردم يك متر است. (اگر طول يك متر را به يك ميليارد قسمت تقسيم كنيم، ضخامتي معادل يك نانومتر به دست مي‌آيد)
خواص نانولوله‌ها
هريك از سه نوع نانولوله، به خاطر آرايش اتمي خاصي خود،‌ داراي خواصي مي‌باشند كه در اينجا به چند ويژگي مشترك بين آنها اشاره مي‌كنيم:
1. خواص مكانيكي
نانولوله‌ها داراي پيوندهاي محكمي در بين اتم‌هايشان مي باشند وبه همين علت در برابر نيروهاي کششي مقاومت واستحکام زيادي از خود نشان مي دهند. به عنوان مثال نيروي لازم براي شکستن يک نانولوله ي کربني چند برابر نيرويي است که براي شکستن يک قطعه فولاد ـ با ضخامتي معادل يک نانو لوله ـ احتياج داريم.
اما جالب است که بدانيم پيوندهاي بين اتمي در نانولوله‌ها علاوه بر ايجاداستحكام بالا،هادی جاویدان شكل‌پذيري آسان و حتي پيچش را درآنها ميسر مي سازد! در حالي که فولاد تنها دربرابر نيروهاي كششي داراي مقاومت است و براي پيچش انعطاف پذيري لازم را ندارد.
در بررسي كاربرد نانولوله‌ها و به کار گيري خواص آنها ، مي توانيم به استفاده از اين ترکيبات به عنوان «رشته» در مواد مركب،اشاره كنيم؛ به چنين موادي «كامپوزيت» مي‌گويند. ملموس‌ترين مثال كامپوزيت «کاه‌گِل» است. كاه‌گِل مخلوطي از «کاه» و «گِل» است که در آن، كاه به عنوان رشته‌هايي كه استحكام و انعطاف‌پذيري بهتري نسبت به گل دارد، پراكنده شده است تا مانع از ترك‌خوردن آن شود. گل را اصطلاحا «زمينه» مي ناميم. نانولوله ها نيز چون استحكام و شكل‌پذيري خوبي دارند، ‌در مواد مركب با زمينه‌هاي فلزي، پليمري و سراميكي استفاده مي‌شوند. اما مهم‌ترين فاكتوري که كه باعث برگزيدن نانولوله به عنوان رشته در مواد مركب (كامپوزيت) شده است، وزن كم آن است ، در حالي که استحكام آن بالاست. از مهم‌ترين موارد استفادة چنين مواد مركبي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
بدنة هواپيما و هليكوپتر، زه راكت‌هاي تنيس و ...
2. خواص فيزيكي
مهم‌ترين خاصيت فيزيكي نانولوله‌ها،«هدايت الكتريكي» آنهاست. هدايت الكتريكي نانولوله‌ها بسته به زاويه و نوع پيوندها، از دسته‌اي به دستة ديگر كاملاً متفاوت است؛ هر اتم در جايگاه خود در حال ارتعاش‌ است، وقتي كه يك الكترون (يا بار الكتريكي) وارد مجموعه اي از اتم ها مي‌شود، ارتعاش اتم‌ها بيشتر شده و در اثر برخورد با يکديگر بار الكتريكي وارد شده را انتقال مي‌دهند.هادی جاویدان هرچه نظم اتم‌ها بيشتر باشد، هدايت الكتريكي آن دسته از نانولوله‌ها بيشتر خواهد بود. تقسيم بندي ابتداي متن بر اساس نظم اتمهاي کربن در نانولوله و در نتيجه رسانايي آنها‌ انجام شده است؛ براي مثال نانولوله نوع صندلي 1000 بار از مس رساناتر است، در حالي که نوع زيگزاگ و نوع نامتقارن نيمه رسانا هستند. خاصيت نيمه رسانايي نانولوله ها بسته به نوع آنها تغيير مي کند.
* خواص فوق‌العادة نانولوله‌ها و روشهاي پيچيده توليد آنها باعث شده است که قيمت هرگرم از اين ماده حدود چندصد دلار باشد

 

شرح روش آلیاژسازی مکانیکی (یکی از روش های ساخت نانوکامپوزیت ها)
روش آلیاژسازی مکانیکی و روش انجماد سریع دو فرایندی هستند که شباهت های زیادی به یکدیگر دارند. روش انجماد سریع که در ابتدا به عنوان یک پروژه دانشگاهی در سال 1960 مطرح شد و بعد با بکاربردن آن به منظور تولید ورق های فرومغناطیسی آمورفی که در ورقه های هسته های ترانسفور ماتور استفاده داشت کاربرد صنعتی پیدا کرد. محدودیت های اندازه و شکل این روش باعث ابداع روش ویژه ریخته گری به نام MELT SPINNING شد. در مقابل روش آلیاژ سازی مکانیکی که در اوایل سال 1966 به منظور تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل و آهن با توزیع فاز سرامیکی در آن به منظور کاربرد در صنایع هوافضا توسعه یافت. از همان ابتدا به عنوان روشی صنعتی مطرح بود. یکی از دلایل بهبود روش آلیاژسازی مکانیکی امکان تولید کامپوزیت های زمینه فلزی با توزیع یکنواخت فازهای سرامیکی در آن که از طريق روش هاي ديگر امکان پذیر نبود.
روش آلیاژسازی مکانیکی یک فرایند پودری است که اجازه تولید مواد همگن را به ما می دهد. این تکنیک در نتیجه تحقیقات بسیاری است که در زمینه تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل انجام شده. این فرایند در اوایل سال 1966 به منظور تولید سوپر آلیاژ های پایه نیکل و آهن با توزیع فاز سرامیکی توسط بنجامين و همكارانش در آزمايشگاه شركت بين المللي نيكل توسعه يافت.
در اویل سال 1960 INCO يك روشي را برای تولید آلیاژ Al/C از طریق تزریق ذرات C پوشش داده شده با نیکل به داخل مذاب Al توسعه پیدا کرد. که این روش برای تولید آلیاژ های پایه Ni با ذرات اکسیدی پوشش داده شده با نیکل نیز صورت گرفت و هدف از استفاده پوشش نیکل به تاخیر انداختن تر شوندگی ذرات توسط آلیاژ بود. اما این روش ها نتایج مطلوبی را به همراه نداشتن در نتیجه نوبت به فرایند آسیاب گلوله ای رسید. که در ابتدا برای پوشش دادن فاز های سخت مثل اکسید تنگستن با فاز نرم مورد استفاده قرار می گرفت. این امر واضح است که وقتی ذرات فلزی تحت تغییر فرم زیاد قرار می گیرند می شکنند. اگر از یک ماده شیمیایی مناسب به منظور جلوگیری از جوش سرد استفاده گردد می توان ذرات ریزتری تولید نمود. در ابتدا از این روش برای تولید آلیاژ های تقویت شده با ذرات اکسیدی استفاده می شد. روش آلیاژسازی مکانیکی بطور معمول روش آسیاب گلوله ای با انرژی بالا در شرایط خشک است. مثلا در سال 1981 با استفاده از روش سمباده زنی مکانیکی یک فاز آمورف از ترکیب بین فلزی Y-Co تولید گردید. همچنین مشخص شد که مخلوط پودرها می توانند بصورت مکانیکی فعال شوند به منظور انجام واکنش های شیمیایی یعنی واکنش های مکانیکی شیمیایی می توانند در دمای اتاق و یا حداقل در دمای پایین تر از دمای مورد نیاز انجام گیرند. بعد از تحقیقات زیادی که در این زمینه صورت گرفت متوجه شدند که روش آلیاژ سازی مکانیکی یک روش ساده و در عین حال یک روش موثر است که به همین دلیل از این روش برای تولید فلزات، سرامیک ها، پلیمرها، کامپوزیتها و نانو کامپوزیتها استفاده نمودند.

ویژگی های تکنیک آلیاژسازی مکانیکی
1 توزیع مناسب ذرات فاز ثانویه ( معمولا اکسیدها)
2 اصلاح اندازه دانه به سمت محدود نانو
3 تولید فازهای بلوری و شبه بلوری جدید
4 توسعه فازهای آمورف
5 امکان تولید آلیاژ هایی که به روش های دیگر نمی توان تولید نمود
6 انجام واکنش های شیمیایی در دماهای پایین

روش آلیاژسازی مکانیکی به این صورت است که در ابتدا ذرات فاز زمینه و فاز تقویت کننده باهم مخلوط می شوند و سپس به مدت زمان زیادی تا وقتیکه به حالت نیمه پایدار برسد آسیاب می گردند بعد از آسیاب شدند مخلوط حاصله متراکم می گردد و سپس تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا به ریز ساختار و خواص مورد نظر برسد. در این روش سایز پودر های مورد استفاده اندازه بحرانی ندارند تنها باید از اندازه گلوله های آسیاب (که معمولا فولادی هستند) کوچکتر باشند. پودرهای استفاده شده می توانند فلزات خالص، آلیاژهای و فازهای دیرگداز باشند.
کاهی اوقات نیز پودرها در واسطه مایع آسیاب می گردند. همچنین روش آسیاب کردن تر بهتر از روش آسیاب کردن در شرایط خشک می باشد و با این روش می توان ذرات ریز تری تولید نمود به دلیل اینکه ملکول های حلال به سطح ذرات تولید شده می چسبند و که این امر باعث می شود انرژی سطحی ذرات کاهش یابد و در نتیجه تمایل به کلوخه ای شدن ذرات کمتر گردد. همچنین نتایج آزمایشات انجام شده نشان داده است که نرخ آمورفی شدن ساختار بیشتر از روش خشک است. یکی از معایب این روش این است که میزان آلودگی نسبت به حالت خشک بیشتر می گردد و به همین دلیل بیشتر فرایند های آسیاب کردن مکانیکی در شرایط خشک صورت می گیرد. انواع مختلفی از آسیاب های انرزی بالا موجود است که تفاوت آنها در گنجایش، کارایی و تجهیزات اضافی آنها مثل سرد کننده، گرم کننده و غیره می باشد. که به اختصار توضیح داده خواهد شد.
انواع آسياب ها:
1- آسیاب لرزشی SPEX
2- آسیاب گلوله ای سیاره ای
3- آسیاب سایشی
بعضی از پارامتر های مهم که در فرایند آلیاژسازی مکانیکی ترکیب و مشخصات نهایی پودر تاثیر می گذارند عبارتند از:
1- نوع آسیاب
2- محفظه آسیاب
3- سرعت آسیاب
4- زمان آسیاب
5- نوع، سایز و توزیع اندازه گلوله ها
6- نسبت وزنی گلوله ها به پودر
7- اتمسفر آسیاب
8- عنصر کنترل کننده فرایند
9- دمای آسیاب
10- مقدار پر کردن مجفظه
هیچ کدام از متغییر های فوق بصورت کامل مستقل نیستند به عنوان مثال زمان مناسب آسیاب بستگی به نوع آسیاب، سایز گلوله ها، دمای آسیاب، نسبت وزن گلوله ها به پودر و غیره دارد. اگر جنس محفظه با جنس پودر متفاوت باشد میزان آلودگی بیشتر خواهد بود. و همچنین افزایش دما میزان آلودگی پودر را هم افزایش می دهد. سایز و دانسیته گلوله های آسیاب بر راندمان آسیاب کردن تاثیر زیادی می گذارد بطور کلی هرچه اندازه گلوله ها بزرگتر باشد و دانسیته آنها بیشتر باشد تاثیر بهتری بر راندمان آسیاب کردن می گذارد چون باعث ایجاد نیروی ضربه ای بیشتری خواهد شد. .

شرایط آسیاب کاری:
بطور کلی می توان شرایط آسیاب کاری را به دو حالت کلی تقسیم نمود:
1- شرایط نرم:
اندازه کوچک گلوله ها، انرژی کم، و نسبت وزنی گلوله به پودر پایین
2- شرایط سخت:
اندازه بزرگ گلوله ها، انرژی زیاد، نسبت وزنی گلوله به پودر زیاد

ابزار ساینده:
فولاد سخت شده، فولاد ابزار فولاد تمپر شده، WC-Co و فولاد کروم دار سخت شده موادی هستند که بیشترین استفاده را به عنوان ابزار ساینده دارند. دانسیته آنها باید به اندازه ای باشد که بتوانند نیروی ضربه ای لازم را بر ذرات پودر اعمال نمایند. همچنین اندازه ی آنها بر روی بازدهی فرایند نیز تاثیر می گذارد. بطور کلی می توان گفت که هر چه اندازه گلوله بزرگتر باشد به دلیل اینکه نیروی بیشتری را به پودر اعمال می کنند مفید هستند. البته میزان زیاد اعمال انرژی به ذرات پودر برای شکل گیری فاز های نیمه پایدار مانند فاز آمورف مضر است و مثلا گزارش شده است که در مورد مخلوط پودر Ti-Al وقتیکه با گلوله هایی با اندازه ی 5 تا mm8 آسیاب کاری انجام می شود فاز آمورف شکل گرفت وهنگامیکه از گلوله هایی با اندازه mm12 استفاده شده دیگر فاز آمورف تشکیل نشد. نتایج تحقیقات انجام شده نشان می دهد که گلوله های کوچکتر سایش بیشتری را ایجاد خواهد کرد که این امر باعث بهبود در شکل گیری فازهای آمورف می گردد.
با توجه به نتایج تحقیقا انجام گرفته انتظار می رود که با استفاده از گلوله ها با اندازه های مختلف انرژی حاصل از بر خورد بیشتر بوده و میزان جوش سرد و پوشش ذرات پودر بر روی سطح گلوله ها نیز کم مي شود. اگر چه دلیل خاصی برای این پدیده وجود ندارد اما این امر احتمالا به دلیل این است که گلوله ها با اندازه های مختلف نیروی برشی را تولید می کند که همین نیرو کمک به جدا شدن ذرات پودر از سطح گلوله ها می کند.
نوع آسیاب:
آسیاب های مختلفی وجود دارند که از نظر ظرفیت، سرعت آسیاب کردن و قابلیت کنترل عملیات متفاوت هستند و با توجه به نوع پودر، مقدار پودر و کیفیت مورد نظر آسیاب مناسب انتخاب می گردد. در جدول زیر ظرفیت آسیاب های مختلف ارائه شده است.
آسیاب ظرفیت
مخلوط کننده در حدود 2 تا g20
سیاره ای در حدود 4 تاg 250
سایشی 0.5 تا Kg100
UNI-Ball در حدود 4 تا 2000

مقدار پرکردن محفظه:
به دلیل اینکه فرایند آلیاژ سازی ذرات پودر به دلیل نیروی ضربه ای اعمال شده به آنها انجام می شود بنابراین باید فضای لازم در داخل محفظه برای حرکت آزادانه ذرات پودر و گلوله ها وجود داشته باشد.اما اگر مقدار گلوله ها و ذرات پودر خیلی کم باشد بنابراین میزان تولید نیز پایین است و اگر مقدار آنها زیاد باشد به دلیل عدم وجود فضای کافی، پودر و گلوله ها نمی توانند به راحتی حرکت کنند در نتیجه انرژی لازم را پیدا نکرده و بازدهی فرایند بازهم پایین است با توجه به تحقیقات صورت گرفته بطور کلی حالت ایده آل این است که حدود 50% از فضای محفظه خالی باشد.
اتمسفر آسیاب:
اتمسفر آسیاب تاثیر زیادی بر آلودگی پودرها می گذارد. آسیاب کردن هم می تواند در محیط خلع انجام گردد و هم می تواند در محیط پر شده با گازهای خنثی مانند آرگون یا هلیم. که گاز آرگون با خلوص بالا بیشتر استفاده می گردد گازهای خنثی با جلوگیری از واکنش ذرات پودر با دیگر مواد مانند اکسیژن و نیتروژن موجود در هوا مانع از آلودگی پودر خواهد شد . البته از اتمسفر های مختلفی برای هدف های متفاوتی استفاده می گردد. مثلا نیتروژن یا آمونیا برای تولید مواد نیتریدی مورد استفاده قرار می گیرد. یا از اتمسفر هیدروژنی برای تولید مواد هیدروژن دار استفاده می شود. بنابراین می توان گفت نوع اتمسفر استفاده شده بر طبیعت و فاز نهایی پودر نیز تاثیر می گذارد.
زمان آسیاب کاری:
زمان آسیاب کردن معمولا طوری انتخاب می شود که یک حالت پایداری بین فرایند شکست و جوش سرد رخ دهد. زمان مورد نیاز بستگی به پارامترهای مختلفی نوع آسیاب، سایز گلوله ها، دمای آسیاب، نسبت وزن گلوله ها به پودر و غیره دارد. اگر پودر بیشتر از زمان مورد نیاز آسیاب گردد میزان آلودگی و تشکیل فازهای ناخواسته بیشتر خواهد شد.
عنصر کنترل کننده فرایند (PCA):
در آسیاب کردن نمونه ها بین ذرات جوش سرد اتفاق می افتد مخصوصا اگر ذرات چکش خوار باشند. بهترین حالت آلیاژسازی وقتی اتفاق می افتد که یک تعادل بین جوش سرد و شکست ذرات برقرار گردد. به همین منظور عنصر کنترل کننده فرایند به مخلوط پودر افزوده می شود تا از جوش سرد ذرات جلوگیری گردد. عنصر کنترل کننده می تواند جامد، مایع و گاز باشد. عنصر کنترل کننده بر سطح ذرات چسبیده و کشش سطحی را کاهش داده و باعث کاهش جوش سرد بین ذرات می گردد که این امر گلوخه ای شدن ذرات را هم کاهش می دهد.
استفاده از مقدار زیاد PCA با عث کاهش اندازه نهایی پودر می شود که مقدار کاهش در اندازه بستگی به نوع پودر دارد. انتخاب PCA بستگی به نوع پودر و خلوص مورد نظر بعد از آسیاب کاری دارد. می توان گفت اگر بعد از آسیاب کاری بازدهی پودر و یا به عبارتی کیفیت پودر از هر نظر ( اندازه، آلودگی و شکل) مناسب باشد نشان دهند آن است که مقدار و انتخاب PCA به درستی انجام شده است. اما بطور کلی مقدار PCA به سه عامل بستگی دارد:
1- مشخصه جوش سرد ذرات پودر
2- پایداری شیمیایی و حرارتی PCA
3- میزان پودر و واسطه آسیاب کاری استفاده شده
اگر نسبت وزن PCA به وزن پودر کمتر از مقدار بحرانی کمتر باشد اندازه ذرات پودر تمایل به افزایش دارند یا میزان فرايند جوش سرد بیشتر شده است.
نسبت وزنی گلوله ها به پودر:
نسیت وزنی گلوله ها به پودر یکی از متغیرهای مهم در این فرایند می باشد. این نسبت معمولا متغییر است و در تحقیقاتی که انجام شده است این نسبت از 1/1 تا 1/220 متغیر بوده است. اما بطور کلی نسبت وزنی گلوله به پودر 1/10 بیشتر از تمام نسبت های وزنی دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. وقتیکه ظرفیت آسیاب افزایش می یابد ميزان نسبت گلوله به پودر نيز افزايش مي يابد مثلا در آسیاب های سایشی این نسبت تا 1/50 یا 1/100 نیز افزایش می یابد. هرچه این نسبت بیشتر باشد زمان آسیاب کردن کمتری مورد نیاز است. در نسبت های زیاد وزنی به دلیل اینکه تعداد زیادی گلوله وجود دارد و در نتیجه برخوردهای زیادی اتفاق می افتد بنابراین انرژی زیادی به پودر منتقل می گردد که این امر باعث می شود آلیاژسازی در زمان کمتری اجام شود. البته نسبت زیاد پودر می تواند باعث تولید گرمای بیشتر و درنتیجه تغییر ساختار پودر گردد
دما فرایند آسیاب کاری:
دما آسیاب کاری یکی دیگر از عواملی است که در ترکیب نهایی پودر تاثیر می گذارد. همچنین بر اساس تحقیقات صورت گرفته مشاهده شد که که در دماهای پایین تر اندازه دانه های ریز تر و همچنین انحلال جامد کمتر می باشد. مثلا با افزایش دما ممکن است ساختار آمورف به ساختار کریستالی تغییر فرم دهد. بصورت کلی فاز های نیمه پایدار تحت شرایط نرم ( نسبت وزنی کم، سرعت کم و غیره) و ساختار پایدار تحت شرایط سخت شکل می گیرد.
البته اگر بتوان آسیاب نمودن پودرها را در دمای پایینی تری انجام داد می توان مقداری از جوش سرد جلوگیری نمود. اگر مقدار عنصر کنترل کننده زیاد باشد اندازه ذرات ریز می شود..
سرعت آسیاب:
سرعت آسیاب یک حد بحرانی دارد و دلیل آن این است که وقتی سرعت آسیاب از یک حدی افزایش می یابد اولا که گلوله ها به دیواره محفظه کوبیده شده و انرژی لازم برای برخورد با پودر را نخواهند داشت بنابراين ماكزيمم سرعت بايد آنقدر باشد كه گلوله ها تا ارتفاع ماكزيمم بالا رفته و با پايين افتادن ماكزيمم انرژي برخوردي را ايجاد كنند و همچنین افزایش سرعت باعث افزایش دما در آسیاب می گردد که این امر باعث می شود شرایط مناسب برای نفوذ بر قرار گردد یعنی فرایند یکنواخت شدن راحتر صورت مي گیرد و همچنین معایب آن هم این است که باعث تجزیه ترکیب محلول جامد فوق اشباع می گردد و در ضمن تمایل یه گلوخه ای شدن ذرات را هم افزایش می دهد.
مکانیزم آسیاب کاری:
در حین آسیاب کاری پر انرژی ذرات پودر مرتبا می شکنند و جوش می خورند هنگامیکه دو گلوله به هم برخورد می کنند مقداری پودر بین آنها گیر می کنند. که این امر در شکل زیر نشان داده شده است.
fff.jpg

در اثر نیروی ضربه ای که به ذرات پودر وارد شد باعث شکسته شدن آنها و در نتیجه ایجاد سطوح جدیدی شد که این سطوح جدید می توانند باعث جوش خوردن ذرات به هم و در نتیجه باعث افزایش اندازه ذرات گردد. در مراحل اولیه آسیاب کاری ( اگر سیستم فلز- فلز و یا فلز-سرامیک باشد) ذرات نرم هستند و در نتیجه تمایل به جوش خوردن آنها بسیار زیاد است مشاهده شده است که اندازه ذرات ایجاد شده در حدود سه برابر مقدار اولیه آنها بوده است. با ادامه تغییر فرم ذرات کارسخت شده و شروع به شکسته شدن می کند که اگر نیروی قوی گلوخه ای کننده وجود نداشته باشد می توان ذرات بسیار ریز تولید نمود. بعد از مدتی حالت پایدار ایجاد می شود که در این صورت بین فرایند شکست و فرایند جوش بین ذره ای یک تعادلی بوجود می آید. در حین آسیاب کاری این امر کاملا مشخص است که به دلیل وجود تغییر فرم زیاد میزان عیوب کریستالی مانند نابجایی ها، جاهای خالی، نقص انباشتگی و افزایش مرزدانه افزایش خواهد یافت. که این افزایش عیوب باعث افزایش نفوذ عناصر خواهد شد.
مراحل آسیاب کاری:
حالت کلی آسیاب پودرها در سه مرحله اتفاق خواهد افتاد. در مرحله اول تمام پودرها با مقداری شکسته شدن می لغزند و تغییر فرم پلاستیک در آنها رخ می دهد و در این مرحله شکل ظاهری آنها نقش مهمی را ایفا می کنند. در واقع خاصیت لغزندگی پودر های کروی بیشتر از پودر غیر کروی می باشد. در مرحله دوم مقداری تغییر فرم الاستیک و پلاستیک و همچنین جوش سرد بین پودر اتفاق می افتد. در مرحله آخر یک تعادلی بین جوش سرد و فرایند شکست بر قرار می باشد که باعث می شود شکل ذرات از حالت کروی به حالت هم محور در آیند .در این حالت می توان گفت که حالت پایدار اتفاق افتاده که اگر زمان آسیاب را بیشتر افزایش دهیم تاثیر زیادی بر ذرات نخواهد گذاشت این مراحل بصورت شماتیک نشان داده شده است.
ww.jpg

از موارد ذکر شده مشخص است که در حین آسیاب کردن تغییر فرم زیادی بر ذرات اعمال خواهد شد.
مکانیزم سیستم های چکش خوار- ترد ( فلز- فاز سرامیکی):
در مراحل اولیه آسیاب کاری ذرات پودر چکش خوار در اثر برخورد گلوله های آسیاب با آنها بصورت مسطح در خواهند آمد در صورتیکه ذرات اکسیدی خورد می گردند که این امر در شکل زیر نشان داده شده است.
r.jpg
ذرات خورد شده تمایل دارند به گیر انداختن ذرات چکش خوار دارند که این ذرات در فضای بین لایه ای هستند. ذرات چکش خوار سخت تر شده و در هم می پیچند. با ادامه آسیاب کاری لایه ها بیشتر اصلاح می شوند به این معنی که فضای بین لایه ای کاهش می یابد و توزیع ذرات تقویت کننده بهتر می گردد(درصورتیکه فاز تقویت کننده حل نشدنی باشد). تمام این مراحل در شکل زیر نشان داده شده است.
h.jpg
اگر فاز ترد حل شدنی باشد این روش باعث آلیاژسازی می گردد مثلا سیستم Zr به همراه ذرات NiZr3 مثال خوبی برای این امر است. برای اینکه آلیاژسازی اتفاق بی افتد فاز تقویت کننده باید دارای پایداری حالت جامد زیادی باشد.
افزایش دما در حین آسیاب کاری:
اگر دمای تولید شده در حین فرایند افزایش یابد باعث می گردد که فرایند نفوذ اتم ها بیشتر شود که این امر باعث فرایند بازیابی یا تبلور مجدد می گردد، به عبارت دیگر اگر دمای تولید شده در فرایند زیاد نباشد باعث می گردد که ساختار آمورف و یا نانو ساختار شکل گیرد. دما فرایند آسیاب کاری به دو دلیل می تواند افزایش یابد،
1- انرزی سینتیک گلوله ها
2- احتمالا به دلیل رخ دادن فرایند گرمازا در حین آسیاب کاری است.
بیشترین افزایش دما در حین آسیاب کاری از سایش و همچنین برخورد گلوله ها با پودر بوجود می آید. از تحقیقات انجام شده مشاهده می گردد که بیشترین افزایش دما در مقیاس ماکروسکوپی در حدود ˚C 250 و بطور متوسط در حدود 100- ˚C 120 می باشد که این امر نشان می دهد که اگر دما را بصورت موضعی اندازه گیری کنیم حتی می تواند از نقطه ذوب ماده نیز بیشتر باشد. اندازه گیری دمای موضعی به دلیل طبیعت دینیامیکی فرایند کار بسیار دشواری است اما می توان این دما را با روش های مناسبی که توسط محققین برجسته مطرح گشته است تخمین زد. البته گاهی اوقات افزایش دما بوسیله مشاهدات میکروساختار و یا تغییر ساختار کریستالی در حین آسیاب کاری تخمین زده می گردد. یعنی بصورت غیر مستقیم نتیجه گرفتن. مثلا در مورد در مورد آلیاژ Ga-Sb مشاهده شده که در حین آسیاب کاری فاز ارترومبیک Sb2O3شکل گرفته که به این دلیل تخمین زده شد که دمای موضعی باید حداقل به ˚C 540 رسیده باشد در جدول زیر چند نمونه از دماهای اندازه گیری شده و تخمین زده شده ارائه شده است.