نانومواد

نانومواد موادی هستند که دارای یک یا چند ویژگی ابعادی با طولی در حدود یک میلیاردم متر یا 9-10 تا کمتر از 100 میلیاردم متر (1 تا 100 نانومتر) هستند. برای نشان دادن این اندازه، 25،400،000 نانومتر در اینچ وجود دارد و در مقیاس مقایسه، اگر یک سنگ مرمر یک نانومتر بود، یک متر به اندازه زمین بود. آنها می توانند طبیعی یا مصنوعی باشند و کاربردهای بسیار متنوعی دارند

اصطلاح نانومواد شامل تمام مواد با اندازه نانو، از جمله موادی که می توانند مهندسی شوند یا در طبیعت یافت می شوند، می شود. آنها مهم هستند زیرا خواص منحصر به فردی را به دلیل اندازه ویژگی های خود از خود نشان می دهند و دانشمندان و مهندسان یاد گرفته اند که چگونه رابطه خصوصیات آنها با اندازه را دستکاری و درک کنند. وب‌سایت ابتکار ملی نانوتکنولوژی (NNI) این ایده‌ها را در یک عبارت ساده بیان می‌کند: «در مقیاس نانو، خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مواد به روش‌های اساسی و ارزشمند با خواص اتم‌ها و مولکول‌ها یا مواد حجیم متفاوت است».

مقیاس نانو.

اکتشافات اخیر در زمینه هایی مانند میکروسکوپ ابزارهای جدیدی را در اختیار دانشمندان و مهندسان قرار داده است تا بتوانند پدیده هایی را که هنگام سازماندهی مواد در سطح نانو رخ می دهند، مشاهده و دستکاری کنند. میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) فناوری نانو را ممکن ساخته است تا دانشمندان را قادر سازد از خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و نوری منحصر به فرد موادی که به طور طبیعی در آن مقیاس رخ می‌دهند، استفاده کنند. نانومواد در حوزه نانوتکنولوژی قرار می‌گیرند و رویدادهایی که در سطح نانو روی می‌دهند بر اساس «اثرات کوانتومی» و اثرات فیزیکی مانند سطح منبسط شده است.

نانومواد چگونه ساخته می شوند

«نانومواد» اصطلاحی است که شامل تمام مواد با اندازه نانو، از جمله نانوذرات مهندسی شده، نانوذرات تصادفی و نانو اشیایی مانند آن‌هایی است که در طبیعت وجود دارند. نانومواد به شکل مواد بیولوژیکی یا محصول جانبی فعالیت های انسانی در طبیعت وجود دارند. به عنوان مثال، هموگلوبین 5.5 نانومتر قطر دارد و کانال های یونی بیولوژیکی می تواند به کوچکی چند دهم نانومتر باشد. نانومواد طبیعی مانند دود ناشی از آتش و اسپری دریا در هوای اطراف ما وجود دارد. محصولات جانبی نانومواد مصنوعی شامل اگزوز خودروها و دودهای جوشکاری است. دانشمندان قبلاً از نانوساختار چندین ماده طبیعی از جمله برگ نیلوفر آبی برای ایجاد سطوح ضد آب، موجوداتی که برای ساخت لباس های ضد لکه و ابریشم عنکبوت استفاده می شوند، کپی کرده اند، که به طور طبیعی با کریستال های مقیاس نانو تقویت شده است.

نانومواد همچنین می توانند مهندسی شوند و از طریق فرآیندی به نام تولید نانو ساخته می شوند. تولید نانو دو رویکرد اساسی دارد.

پایین به بالا محصولات را با ساختن آنها از اجزای در مقیاس اتمی و مولکولی می سازد. این فرآیند شامل دستکاری یا روش‌های مصنوعی بیوشیمی در مونتاژ مستقیم بلوک‌های ساختمانی زیر نانومقیاس، مانند عناصر مولکولی اتمی و فوق مولکولی در الگوهای نانومقیاس مورد نیاز است. این می تواند یک فرآیند بسیار وقت گیر باشد و بنابراین برای حسگرهای زیست پزشکی، شیمیایی و فیزیکی بهتر از قطعات الکترونیکی مولکولی در مقیاس بزرگ و قطعات کامپیوتری است. استراتژی ساخت باید به صورت موازی یا در آرایه‌ها اتفاق بیفتد تا گروه‌هایی از اتم‌ها را به اندازه کافی سریع تشکیل دهند تا ساختارهای مفیدی با اندازه ماکروسکوپی تولید کنند. تحقیقات بیشتر برای ایجاد ساختارهای خودآرایی که خود را در کنار هم قرار می دهند و اتلاف رویکردهای بالا به پایین را کاهش می دهند، در حال انجام است. در حال حاضر، بهترین رویکرد از پایین به بالا، دستکاری نانو است که امکان کنترل دقیق بر تک اتم ها و ذرات در مقیاس نانو را برای تشکیل نانوساختارها فراهم می کند.

از بالا به پایین، قطعات بزرگ مواد را تا سطح نانومقیاس کاهش می دهد. این فرآیند از تکنیک های لیتوگرافی تکامل یافته است و به مقادیر بیشتری از مواد نیاز دارد که می تواند منجر به ضایعات ناشی از دور ریختن مواد اضافی شود. تفاوت دیگر با رویکرد پایین به بالا این است که در رویکرد از بالا به پایین، قطعات یا تراشه ها هم الگو هستند و هم در جای خود ساخته می شوند تا نیازی به مرحله مونتاژ نباشد. این یک فرآیند بسیار مفید برای تکامل صنایع الکترونیک، کامپیوتر، فوتونیک و میکروسیستم است.

رویکردهای ترکیبی از پایین به بالا و از بالا به پایین به زودی روش استاندارد خواهد بود.

در دسته‌های تولید نانو از بالا به پایین و پایین به بالا، تعداد فزاینده‌ای از فرآیندهای جدید وجود دارد که تولید نانو را ممکن می‌سازد. از جمله این موارد هستند:

رسوب بخار شیمیایی (CVD) فرآیندی است که در آن مواد شیمیایی برای تولید فیلم های بسیار خالص و با کارایی بالا واکنش نشان می دهند. CVD شامل جریان یک گاز یا گازهای پیش ساز به داخل محفظه ای است که حاوی یک یا چند جسم گرم شده است که باید پوشش داده شود. یک واکنش شیمیایی روی سطوح گرم شده یا نزدیک آن رخ می دهد و در نتیجه یک لایه نازک روی سطح رسوب می کند. CVD را می توان با انواع مواد شیمیایی برای طیف وسیعی از کاربردها انجام داد. این فرآیند را می توان با پلاسما و یون ها برای افزایش نرخ رسوب و/یا دماهای پایین تر افزایش داد.

• مزایا عبارتند از سازگاری رسوب. ضخامت فیلم در تمام طرف های قطعه یکسان است، بنابراین محصولات با اشکال عجیب و غریب می توانند به درستی پوشش داده شوند. از دیگر مزایای CVD این است که انواع مواد را می توان با خلوص بالا و نرخ رسوب نسبتا بالا رسوب داد و همچنین به فشار خلاء کمتری نیاز دارد.

• معایب CVD شامل خواص پیش سازها است که باید در دمای نزدیک اتاق فرار باشند. محصولات جانبی واکنش ها و پیش سازها می توانند خطرناک باشند. نوع بستر محدود است زیرا لایه‌ها در دماهای بالاتر رسوب می‌کنند و اگر مواد دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی باشند، تنش مکانیکی می‌تواند رخ دهد.

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) تکنیکی برای رشد همپایی از طریق برهمکنش یک یا چند پرتو مولکولی یا اتمی است که روی یک سطح یا بستر گرم شده رخ می‌دهد. اپیتاکسی به معنای آرایش اتم ها بر روی یک بستر مرتبه است. سه عامل فرآیند MBE را تعریف می کنند. پرتوهای مولکولی یا اتمی با انرژی حرارتی، بستری با دمای بالا و خلاء بالا (10x10-3 تا 10x10-9 Torr ). فرآیندهایی که در طول رشد فیلم رخ می دهند شامل جذب سطحی، تفکیک و مهاجرت سطحی، الحاق شبکه و دفع حرارتی است.

• از مزایا می توان به کنترل دقیق شار پرتو و شرایط رشد و سازگاری با سایر روش های پردازش لایه نازک با خلاء بالا اشاره کرد. MBE پیاده سازی آسان ابزارهای تشخیصی درجا است و یک محیط رشد تمیز برای رسوب فراهم می کند.

• معایب MBE تجهیزات پیچیده و گران قیمت مورد نیاز و سرعت پایین فرآیند است. عیب دیگر این است که کنترل نرخ چند عنصری دشوار است.

اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) به معنای ایجاد یک کریستال منفرد با ایجاد لایه‌های منظم از اتم‌ها در بالای یک بستر (لایه پایه) است.

اپیتاکسی لایه اتمی ، که به آن رسوب لایه اتمی نیز می گویند، فرآیندی برای رسوب لایه هایی به ضخامت یک اتم بر روی یک سطح است. فیلم‌ها توسط یک توالی تکراری از چرخه‌های رسوب‌گذاری تک لایه تشکیل شده‌اند که از چندین برهمکنش سطح گاز تشکیل شده‌اند که همگی خود محدود شونده هستند. ساختار شبکه کریستالی به دست آمده نازک، یکنواخت و همسو با ساختار زیرلایه است.

• از مزایای اپیتاکسی لایه اتمی می توان به قابلیت کنترل دقیق ضخامت لایه اشاره کرد. فرآیند ساده است و ساختارهای چند لایه به راحتی رشد می کنند. مزایای اضافی شامل طیف گسترده ای از مواد فیلم موجود، چگالی بالا و سطوح ناخالصی کم است. که همه آنها در دمای پایین تری انجام می شوند تا بسترهای حساس تحت تأثیر قرار نگیرند.

• معایب شامل احتمال باقی ماندن باقیمانده از پیش سازها است. این فرآیند زمان بر است و معمولاً تنها کسری از یک تک لایه در یک چرخه رسوب می کند. همچنین، چندین ماده مهم از نظر فناوری بسیار گران‌تر از آن هستند که توسط این تکنیک رسوب داده شوند

رسوب لایه اتمی

لیتوگرافی قلم شیب دار فرآیندی است که در آن نوک یک میکروسکوپ نیروی اتمی در یک مایع شیمیایی فرو می‌رود و سپس از آن برای نوشتن روی یک سطح مانند یک قلم جوهر قدیمی روی کاغذ استفاده می‌شود. این یک تکنیک موثر برای انتقال مولکول‌ها از نوک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به لایه‌ها با وضوح قابل مقایسه با روش‌های لیتوگرافی بسیار گران‌تر و پیچیده‌تر است.

• مزایای لیتوگرافی قلمی این است که آسان و ارزان است. الگوهای آزمایش‌ها به راحتی ایجاد می‌شوند و می‌توانند مختص یک برنامه کاربردی باشند، زیرا می‌توان آن‌ها را برای انتخاب زیادی از بسترها اعمال کرد.

• معایب شامل عوامل محدود کننده آزمایش ها مانند حلالیت جوهر مورد نظر، انتقال و پایداری مواد در منیسک آب و جذب مواد روی سطح زیرلایه است. جوهرها می توانند مولکول ها، مواد سل-ژل و گونه های بیولوژیکی مانند پروتئین ها باشند

نمودار شماتیک نحوه عملکرد نانولیتوگرافی قلم غواصی را نشان می دهد.

لیتوگرافی Nanoimprint فرآیندی برای ایجاد ویژگی‌های نانومقیاس با «مهر زدن» یا «چاپ» آن‌ها بر روی یک سطح است. یک قالب سخت (ماسک) با طرح برجسته سطحی برای برجسته کردن یک لایه مقاومت استفاده می شود. پس از اعمال گرما و فشار، قالب از بین می‌رود و لایه باقی‌مانده مقاومت (خشک) برداشته می‌شود تا یک مقاومت کاملاً طرح‌دار باقی بماند.

• از مزایای این فرآیند می توان به قابلیت تمیز کردن و استفاده مجدد از ماسک اشاره کرد که امکان یکنواختی چاپ و ساخت بدون نقص را فراهم می کند. این یک فرآیند ساده با ماشین های ساده است که الگوهای سه بعدی را بر روی انواع مواد زیرلایه تولید می کند

• معایب ناشی از خطای کاربر در پوشاندن صحیح ماسک و همچنین نقص و خرابی روی الگو است. همچنین، هر چه رزولوشن بالاتر باشد، سرعت پردازش کندتر است.

فرآیند لیتوگرافی نانوایمپرنت 

پردازش رول به رول (R2R) فرآیندی با حجم بالا برای تولید دستگاه‌های الکترونیکی در مقیاس نانو بر روی یک رول از پلاستیک یا فلز بسیار نازک است. این فرآیند شبیه به لیتوگرافی نانو چاپ است، اما غلتک‌ها اجازه می‌دهند که بستر بزرگ‌تر سریع‌تر الگودهی شود.

• مزایا عبارتند از: هزینه کمتر بستر، پردازش حالت پایدار با توان عملیاتی بالا و بازدهی بالا، نیاز به اتاق تمیز کمتر و تجهیزات ارزان‌تر. توان عملیاتی بالایی دارد و قادر است وضوح 100 نانومتری و همچنین خود تراز را نشان دهد.

• معایب R2R شامل تجهیزات محدود موجود است زیرا تجهیزات نسل قبلی برای مدل سازی وجود ندارد و چالش هایی با الگوبرداری و تعمیر نقص وجود دارد.

Roll-to-roll process. Image Credit: Nitto Denko

خود مونتاژ فرآیندی را توصیف می‌کند که در آن گروهی از اجزا با هم گرد می‌آیند تا ساختاری منظم و بدون جهت بیرونی تشکیل دهند. به دلیل کاهش احتمال خطا و کاهش ضایعات، هدف نهایی بسیاری از فرآیندهای ساخت نانومواد است.

خواص نشان داده شده توسط یک نانومواد به ترکیب و فرآیندی که ماده توسط آن ایجاد شده است، مرتبط است. کنترل پارامترهای فرآیند مانند دما و فشار و همچنین ترکیب، مواد را قوی‌تر، سبک‌تر، بادوام‌تر، ضد آب، ضد انعکاس، خود تمیز شونده، مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش یا مادون قرمز، ضد میکروبی، رسانای الکتریکی و غیره می‌کند.

انتخاب محصول

پایگاه داده Engineering360 SpecSearch به خریداران صنعتی این امکان را می دهد که نانومواد را بر اساس نوع نانوتکنولوژی، نوع مواد، مشخصات طراحی و کاربرد انتخاب کنند.

نوع فناوری نانو

دو ساختار کلی عبارتند از:

• مواد تک جداره (SWNT) که از یک صفحه اتم ساخته شده اند. SWNT ها در مقایسه با دیواره های دوبل برای کاربردهای خاص، ویژگی های برتری دارند

• مواد دو جداره (DWNT) از دو یا چند صفحه اتم ساخته شده اند.انواع مختلف نانومواد و محصولات نانوتکنولوژی به دلیل شکل ها و ابعاد مجزا نامگذاری شده اند.

Material Properties

به طور کلی، انواع مواد شامل خواص کریستالی یا آمورف هستند. نانومواد مواد را از منظر ساختاری در جایی بین این دو نوع نشان می‌دهند.

مواد کریستالی از یک آرایه تکرار شونده منظم از اتم ها، مولکول ها یا یون ها تشکیل شده اند. آنها به دو شکل کلی می آیند. تک بلوری که دارای اتم های منفرد هستند که به صورت دوره ای روی یک شبکه سه بعدی مرتب شده اند. و پلی کریستالی که مجموعه ای تلفیقی از تک بلورهای کوچک است. این ماده دارای ترتیب برد کوتاه و بلند است به این معنی که نحوه چیدمان اتم‌ها در هر مکان درون کریستال با آرایش در هر مکان دیگر یکسان است. بیشتر فلزات پلی کریستالی هستند و زمانی که می شکنند دانه ها یا کریستال ها می توانند به طور تصادفی در داخل ماده مشاهده شوند. سطح بین دانه ها را مرز دانه می گویند.

مواد آمورف غیر کریستالی هستند. آنها ترتیب برد کوتاه دارند اما ترتیب برد بلند ندارند. این ماده از دانه ها تشکیل نشده است. لبه شکسته در یک سطح صاف مشاهده می شود زیرا آنها به جای یک جامد واقعی، مایع خنک شده در نظر گرفته می شوند. پلیمرها و شیشه های معمولی مواد بی شکل هستند.

شکل و ابعاد

نانومواد در اشکال مختلفی از جمله ذرات، لوله‌ها، سیم‌ها، فیلم‌ها، پوسته‌ها یا پوسته‌هایی که یک یا چند بعد نانومتری دارند، طراحی می‌شوند. به عنوان مثال، نانولوله‌های کربنی دارای قطری در مقیاس نانو هستند، اما می‌توانند چندین صد نانومتر یا حتی طولانی‌تر باشند. نانوفیلم ها یا صفحات نانو دارای ضخامت در مقیاس نانو هستند، اما دو بعد دیگر آنها می تواند بسیار بزرگتر باشد.

اندازه ذرات و ویژگی، قطر یا عرض نانومواد و محصولات نانوتکنولوژی است. در نانومواد تلفیقی یا دستگاه‌های نانو، این قطر یا عرض ویژگی یا کریستال در مقیاس نانو است. اندازه درجه آزادی مستقلی است و بنابراین می‌توان آن را مستقل از ترکیب، دما و فشار دستکاری کرد تا موادی ایجاد کرد که دارای خواص جدید باشند. دانشمندان در تلاشند تا نانومواد با اندازه و توزیع اندازه کاملاً کنترل شده تولید کنند تا خواص مرتبط با اندازه مشاهده و قابل تشخیص باشد. برای اینکه بتوان از خواص منحصر به فرد وابسته به اندازه استفاده کرد، نانومواد باید از نانوذرات تک پراکنده یا تقریباً تک پراکنده تشکیل شده باشند. اغلب، ویژگی‌های سطحی خاص مسئول خواص منحصر به فرد مواد هستند، بنابراین بسیار مهم است که پردازش برای اندازه بازده و ویژگی‌های سطحی خاص مسئول ویژگی‌های منحصر به فرد مواد کنترل شود.

اندازه ذره یا دانه نیز بر خصوصیات مرز دانه تأثیر می گذارد. با کاهش اندازه دانه، نسبت مولکول ها یا یون ها در مرز دانه افزایش می یابد. نسبت مولکول ها یا یون ها در سطح به کل در دانه متناسب با 1/r است که r شعاع ذره یا دانه است. ویژگی‌های وابسته به اندازه که در حوزه طول نانومتری ظاهر می‌شوند تا حدی نتیجه این نسبت افزایش یافته است.

مشخصات طراحی

مشخصات مهم هنگام انتخاب نانومواد و محصولات نانوتکنولوژی شامل مساحت سطح خاص (SSA) است.

سطح ویژه (SSA) - SSA بر حسب جرم در واحد سطح اندازه گیری می شود و نسبت به اندازه کریستال تشخیص آن آسان تر است. SSA می تواند نشانه ای از اندازه ذرات متوسط ​​باشد، اما نه محدوده اندازه ذرات یا توزیع. مواد نانومقیاس سطح بسیار بزرگتری نسبت به حجم مواد در مقیاس بزرگتر دارند، به این معنی که سطح بیشتری برای تعامل با سایر مواد اطراف آنها در دسترس است. به طور معمول، تکنیک های جذب گاز مانند روش جذب Brunauer-Emmett-Teller (BET) برای تعیین SSA استفاده می شود.

برنامه های کاربردی

نانومواد و فناوری نانو طیف وسیعی از کاربردها از چوب بیسبال و راکت های تنیس گرفته تا کاتالیزورها برای تصفیه روغن خشک و تشخیص فوق حساس و شناسایی سموم بیولوژیکی و شیمیایی دارد. مزایای این فناوری از توانایی تنظیم ساختار مواد در مقیاس نانو برای دستیابی به خواص خاص ناشی می شود. با توجه به ابتکار ملی نانوتکنولوژی (NNI)، در حال حاضر بیش از 800 محصول تجاری روزمره وجود دارد که بر فرآیندهای مواد در مقیاس نانو متکی هستند.

خطرات

نانومواد با چندین خطر مرتبط با خطر مواد و قرار گرفتن در معرض مواد مرتبط هستند. هنگام کار با نانومواد باید مراقب بود. اقدامات احتیاطی ایمنی مانند کنترل های مهندسی، کنترل های اداری و تجهیزات حفاظت فردی برای جلوگیری از قرار گرفتن در معرض مواد در مقیاس نانو توصیه می شود.

استانداردهای صنعت

طبق NNI، فناوری نانو حداقل از طریق سه مفهوم بر استانداردها متکی است:

1. استانداردهای مستند، اصطلاحات یا زبان استاندارد مورد توافق را برای یک رشته علوم، مهندسی یا فناوری تعریف می کنند. آنها ابزارهای مورد توافق برای انجام اندازه گیری هستند. ویژگی های عملکرد توافق شده ابزارها یا محصولات تجاری؛ و به ویژه، آنها توافق نامه های مستند در مورد وسایلی برای تسهیل تجارت و بازرگانی هستند.

2. استانداردها اغلب به مواد مرجع استاندارد اشاره می کنند، موادی که توسط یک آزمایشگاه استاندارد ملی تایید شده اند تا ویژگی های مشخصی را داشته باشند که قابل ردیابی به یک سیستم بین المللی سیستم بنیادی واحدهای فیزیکی اندازه گیری هستند.

3. استانداردها عموماً به تحقق فیزیکی اساسی واحدهای اندازه گیری تعریف شده در سیستم بین المللی واحدها (SI) اشاره دارند.

در سرتاسر جهان، گروه های متعددی برای تنظیم استانداردهای فناوری نانو وجود دارند که استانداردهای داوطلبانه را توسعه می دهند. برخی از سازمان های پیشرو در تنظیم استانداردها و کمیته های نانوتکنولوژی مربوطه آنها عبارتند از:

• کمیته فنی سازمان استاندارد بین المللی (ISO) (TC) 229 در زمینه فناوری نانو

• کمیته بین المللی ASTM E56 در زمینه فناوری نانو

• کمیته فنی بین المللی 113 (استانداردسازی نانوتکنولوژی برای محصولات و سیستم های الکتریکی و الکترونیکی)

• شورای فناوری نانو موسسه مهندسین برق و الکترونیک

منابع

اپیتاکسی پرتو مولکولی (pdf)

شبکه ملی زیرساخت فناوری نانو

فناوری نانو 101

Park, Jong-Hee, and T. S. Sudarshan. Chemical Vapor Deposition. Materials Park, OH: ASM International, 2001. Print.

موسسه ملی سرطان - شناخت نانوتکنولوژی

منبع:globalspec