Download
1 / 43
450 likes | 815 Views
عناوين. درک ابعاد تعريف فناوری نانو تاريخچه دنيای نانومقياس زيرشاخه های فناوری نانو ساخت نانوساختارها خواص مواد در مقياس نانو. مقياس ها. يک نانومتر. يك ميليونيم يك ميليمتر. 9- 10 متر. يک نانومتر چقدر است؟. يک نانومتر چقدر کوچک است؟. اندازه ها را مقايسه کنيد: . نانوذره. تيله.
E N D
عناوين • درک ابعاد • تعريف فناوری نانو • تاريخچه • دنيای نانومقياس • زيرشاخه های فناوری نانو • ساخت نانوساختارها • خواص مواد در مقياس نانو
يک نانومتر يك ميليونيم يك ميليمتر 9- 10 متر يک نانومتر چقدر است؟
يک نانومتر چقدر کوچک است؟ اندازه ها را مقايسه کنيد: نانوذره تيله کره زمين 260 nm = 0.00000026 m = 2.6 x 10-7 m 26 mm = 0.026 m = 2.6 x 10-2 m 2,600 km = 2,600,000 m = 2.6 x 106 m
آيا می دانيد؟ • يک تار موي انسان عرضي حدود هشتاد هزار نانومتر دارد. • يک گلبول قرمز داراي عرض تقريبي هفت هزار نانومتر است.
آيا می دانيد؟ آيا می دانيد؟ • يك مولكول قند داراي قطري حدود 1 نانومتر است. • مولكول DNA ، 2.5 نانومتر پهنا دارند. • پروتئينها بين 1 تا 20 نانومتر هستند.
چرا کوچک سازی؟ با کوچک سازی مواد و تجهيزات، به محصولاتی: • کوچک تر • سبک تر • سريع تر • با کيفيت تر • ارزان تر • ... دست می يابيم.
چرا نانو؟ اجزای سازنده مواد که از آنها به عنوانآجرهای ساختمانیمواد نام می بريم؛ و خواص مواد وابسته به آنهاست، در اندازه نانومتر هستند.
تعريف فناوری نانو فناوري نانو، توانمندي توليد مواد، ابزار و سيستمهای جديد در سطح مولكولي و اتمي (1 تا 100 نانومتر) است. اين توانمندي با دست کاري در آرايش اتم ها و مولکول ها و بهره‌گيري از خواصي كه در اين مقياس ظاهر مي‌شوند، بدست می آيد. به بيان ساده تر فناوري نانو به دنبال:دستكاري كوچكترين اجزاء ماده (مولکول هاو اتمها) است.
برخي از رويدادهاي مهم تاريخي در شکل گيري فناوري و علوم نانو 1857مايکل فارادي محلول کلوئيدي طلا را کشف کرد . 1905تشريح رفتار محلول‌هاي کلوئيدي توسط آلبرت انيشتين. 1932ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يک مولکول توسط لنگموير. 1959فاينمن ايده "فضاي زياد در سطوح پايين" را براي کار با مواد در مقياس نانو مطرح کرد. 1974براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد. 1981IBMدستگاهي اختراع کرد که به کمک آن مي‌توان اتمها را تک تک جا‌به‌جا کرد. 1985کشف ساختار جديدي از کربنC60. 1990شرکت IBM توانايي کنترل نحوه قرارگيري اتمها را نمايش گذاشت. 1991کشف نانو لوله‌هاي کربني. 1993توليد اولين نقاط کوانتومي با کيفيت بالا. 1997ساخت اولين نانو ترانزيستور. 2000ساخت اولين موتورDNA. 2001ساخت يک مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله. 2002شلوارهاي ضدلك به بازار آمد. 2003توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي نانوسلول‌هاي خورشيدي. 2004تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد.
حوزه های کاربردی فناوری نانو براي نانوتكنولوژي كاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از جمله • پزشكي و بهداشت • مواد • داروسازي • الكترونيك و كامپيوتر • محيط زيست • زيست فناوری • دفاع • انرژي • كشاورزي • صنايع بسياري چون نساجي، فولاد، برق، ... بر شمردهاند .
دنيای جديد نانومقياس ساخت موادي با وزن بسيار كم و استحكام بيشتر از فولاد. تشخيص سرطان وقتي كه هنوز چند سلول بيشتر نيست. رسانايي 1000 برابر مس در نانولوله کربنی. افزايش 1000 برابري ظرفيت حافظه‌هاي کامپيوتر (جادادن يك كتابخانه ملي در وسيله اي به اندازه حبه قند). شيشه‌هاي خودتميزشونده براي ساختمانهاي بلند با قيمت نه چندان بالا. قطعات پلاستيکي رسانا با افزودن نانولوله هاي کربن. پارچه‌هاي بسيار بادوام که کثيف هم نمي‌شوند. کاهش 30 درصدي وزن اتوموبيل با استفاده از نانوکامپوزيت ها در بدنه و قطعات خودرو. و ......
زيرشاخه های فناوری نانو علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي «تر» (نرم)– فناوری نانو مرطوب علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي «خشك» (سخت)– فناوری نانو خشک مدل سازی و شبيه سازی رفتار مواد در مقياس نانو- فناوری نانو محاسباتی
ساخت نانوساختارها چگونه می توان ساختارهای خيلی کوچک را ايجاد نمود؟
رويکردهای فناوری نانو در ساخت نانوساختارها • از بالا به پايين • كاهش ابعاد يك ماده بزرگ و شكل دهي آن تا يک محصول نانومقياس • از پايين به بالا • چينش اتمها و مولكول‌ها با ابعادي كوچكتر از نانومتر در كنار يكديگر و ساخت يك محصول نانومتري
روش های ساخت روش های ساخت • ساخت از بالا به پايين 1. حکاکی با برداشتن اتم ها • ساخت از پايين به بالا 1. آرايش اتم با اتم 2. خودچيدمانی
حکاکی با برداشتن اتمها • مانند يک مجسمه ساز که با کنده کاری و برداشتن مواد از روی يک سطح، ساختار موردنظر را ايجاد می کند.
آرايش اتم با اتم • مانند آجرچينی؛ جابجايی اتم ها در يک منطقه در يک زمان با ابزاری چون AFM, STM. لوگوی IBM که با اتمهای تکی زنون آرايش يافته است.
خودچيدمانی • ايجاد محيطی که در آن اتم ها بطور خودکار آرايش يابند. در طبيعت هم نمونه هايی از خودچيدمانی ديده می شود (مثل غشاهای سلولی). خودچيدمانی کره های پلی استايرن خودچيدمانی هدفمند
خودچيدمانی مولکولی: نانواسمبلر خودچيدمانی موتورهای زيستی
نمونه ای از خودچيدمانی • ايجاد ساختار متراکم نانولوله های کربنی از طريق: • قرار دادن نانوپودرهای آهن بر روی سطح سيليکونی در يک مخزن • عبور گاز طبيعی از مخزن • واکنش کربن با آهن و رشد نانولوله های کربنی بر روی آن از آنجا که با روش خودچيدمانی مي توان نانوساختارها را در مقياس بالايی توليد نمود اين روش مورد توجه است.
خواص وابسته به اندازه مواد کدام خواص و چگونه در مقياس نانو تغيير می کنند؟
خواص مواد • خواص نوری (رنگ، شفافيت و ...) • خواص الکتريکی (رسانايی و ...) • خواص فيزيکی (سختی، نقطه ذوب و ...) • خواص شيميايی (واکنش پذيری، سرعت واکنش و ...) خواص مواد معمولاً از روی توده ای از اتم ها و مولکول ها اندازه گيری می شود.(~1023)
تغيير خواص نوری: رنگ طلا • توده طلا در طبيعت به رنگ زرد ديده می شود اما طلا در مقياس نانو به رنگ قرمز است زيرا: ذرات به قدری کوچکند که الکترون ها در آنها نمی توانندآزادانه حرکت کنند بنابراين در برابر نور واکنش متفاوتی دارند.
تغيير خواص نوری: رنگ طلا تغيير خواص الکتريکی: هدايت نانولوله ها • خواص الکتريکی و رسانايی نانولوله های کربنی با تغيير قطر و تعداد ديواره های آن تغيير می کند. نوع ساختار نانولوله ها نيز بر نحوه جريان الکتريکی آنها اثرگذار است.
تغيير خواص الکتريکی: هدايت نانولوله ها تغيير خواص فيزيکی: نقطه ذوب • دمای نقطه ذوب دمايی است که در آن مولکولها، اتمها و يونها در ماده انرژی لازم برای غلبه بر نيروهای درون مولکولی را بدست می آورند. • اتمهای سطحی چون در تماس با اتمهای کمتری هستند انرژی کمتری نياز دارند. در تماس با 3 اتم در تماس با 7 اتم
1064 Cتوده طلا دماي ذوب تغيير نقطه ذوب طلا با تغيير شعاع ذره Cدماي ذوب شعاع ذره (نانومتر)
خواص وابسته به اندازه چرا خواص در مقياس نانو تغيير می کنند؟
مقياس همه چيز را تغيير می دهد... • در دنيای اطراف ما مقياس های مختلفی وجود دارد. • در مقياس های مختلف نيروهای متفاوتی بين مواد موجود است.
مقياس همه چيز را تغيير می دهد... مقياس همه چيز را تغيير می دهد... • به چهار طريق مواد نانومقياس با ماکرومقياس متفاوتند: • در مقياس نانو نسبت سطح به حجم بيشتر است. • نيروهای گرانشی در مقياس نانو قابل صرفنظر بوده و بجای آن نيروهای الکترومغناطيسی غالبند. • مدلهای مکانيک کوانتومی بجای مکانيک کلاسيک برای توصيف حرکت و انرژی در مقياس نانو بکار می روند. • در مقياس نانو حرکت مولکولی تصادفی اهميت بيشتری دارد.
افزايش نسبت سطح به حجم • با کوچکتر شدن ذرات مقدار بيشتری از مواد در تماس با مواد اطراف آن قرار می گيرد. • با افزايش سطح تماس به عنوان مثال در کاتاليستها امکان انجام واکنش را برای مواد ديگری ايجاد کرده ايم.
8 8 تمرين • يك مكعب چند وجه دارد؟ • اگه هر ضلعش 1 سانتي متر باشد مساحت وجوه چقدر ميشود؟ • اگه مكعب در سه جهت برش داده شود، چند مكعب بدست مياد؟ • حالا كه هر ضلع مكعب 0.5 سانتي‌متر شده مساحت وجوه تمام مكعب‌هاي جديد چقدر ميشود؟
سطح يک ميليون بار بيشتر سطح 8 ميليون بار بيشتر افزايش سطح با افزايش تعداد دفعات تقسيم
افزايش سطح • با کوچک نمودن اندازه ذرات با استفاده از حجم کمی از مواد سطح بيشتری را می توان پوشاند.
غلبه نيروهای الکترومغناطيسی • نيروهای گرانشیتابعی از جرم و فاصله بين ذرات نانومتری است. • نيروهای الکترومغناطيسی تابعی از بار الکتريکی ذرات هستند. جرم ذرات ناومتری قابل صرف نظر است، بنابراين نيروهای غالب در چنين سيستم هايی نيروهای الکترومغناطيسی است.
مکانيک کوانتوم • برای توصيف پديده هايی در مقياس نانو که مکانيک کلاسيک قادر به توصيف آنها نيستند از مکانيک کوانتوم استفاده می شود. مثل: • تغيير رنگ نانوذرات طلا • بررسی احتمال (ونه قطعيت) مکان حضور الکترون در سيستم
اهميت حرکت تصادفی مولکولی • در مقياس ماکرو جابجايی ها ديده می شوند اما علت آن مشاهده نمی شود. مثل حرکت ذرات گرد و غبار در هوا • اما در مقياس نانو، ذرات حرکت گسترده ای دارند و برخورد آنها با ذرات کوچکتر حائز اهميت می شود.
خطرهاي بالقوه ي فناوری نانو • مشكلات سلامتي • ممكن است ذرات نانو استنشاق ، بلعيده شده يا از طريق پوست جذب شوند يا حتي عمداً تزريق گردند. • آيا ممكن است موجب التهاب يا تضعيف سيستم ايمني شوند؟ آيا ممكن است با ساز و كار آنزيم ها و پروتئين ها تداخل كنند؟ • مشكلات زيست محيطي • امكان دارد نانوذرات در خاك ، آب ، گياهان تجمع يابند؛ فيلترهاي قديمي براي بدام انداختن آنها بسيار بزرگند. • روش هاي جديد تشخيص خطر نياز است. • آژانس هاي ملي و بين المللي درصدد مطالعه ي خطرات احتمالي هستند ، نتايج به ارائه ي نظام هاي جديدي منتهي خواهد شد.
منبع www.nano.ir www.nanoclub.ir www.nanosense.org www.accessnano.org
