3-2-1- دستگاه پراش اشعه ایکس (XRD)43
3-2-2- دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)44
3-2-3- دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)44
3-2-4- دستگاه اسپکتروفتومتری مرئی- فرابنفش (UV-Vis)44
3-3- مواد اولیه44
3-4-معرفی نانو ذرات دی اکسید قلع(SnO2)45
3-5-کاربرد دی اکسید قلع(SnO2)45
3-6-تهیه نانو کامپوزیت SnO246
3-7-بررسی مورفولوژی نانو ذراتSnO2توسط SEM46
3-8- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذرات SnO246
3-9–تجزیه عنصری ()نانوذرات SnO247
3-10-تهیه نانو کامپوزیتAl-MCM-4149
3-12-بررسی پراش اشعه ایکس نانو ذرات Al-MCM-4150
3-12-2- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41با نسبت Si/Al 7551
3-12-3- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41با نسبت Si/Al 10052
3-12-4- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41 با نسبت Si/Al 15053
3-13- بررسی مورفولوژی نانو ذرات Al-MCM-41توسط .54
3-13-1- بررسی مورفولوژی نمونه Al-MCM-41با نسبت Si/Al 25توسط54
3-13-2 بررسی مورفولوژی نمونه Al-MCM-41با نسبت Si/Al 75توسط54
3-13-3-بررسی مورفولوژی نمونه Al-MCM-4با نسبت Si/Al 150توسط55
3-14-تهیه نانو کامپوزیت SnO2/Al-MCM-41 در محیط اسیدی55
3-15- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتSnO2/Al-MCM-4156
3-16- بررسی مورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41در محیط اسیدی توسط 57
3-17-تجزیه عنصری ()نانوذرات/Al-MCM-41SnO2 در محیط اسیدی58
3-18- بررسی مورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41توسط TEM59
3-19-تهیه نانو کامپوزیت SnO2/Al-MCM-41 در محیط بازی59
3-20- بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتSnO2/Al-MCM-41 60
3-21- بررسی مورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41در محیط بازی توسط 61
3-22-تجزیه عنصری ()نانوذرات/Al-MCM-41SnO2در محیط بازی62
3-23-بررسی خاصیت فوتوکاتالیستی نانو کامپوزیت SnO2/Al-MCM-4163
3-24- اندازه گیری فعالیت فتوکاتالیستی63
3-25- فعالیت فتوکاتالیستی نانو کامپوزیتSnO2/Al-MCM-41تحت تابش امواج ماورای 63
3-26- تعیین ثابت سرعت واکنش های فتوکاتالیستی65
فصل چهارم: نتیجه گیری و پیشنهادات
4-1- نتیجه گیری67
4-2- پیشنهادات68
فهرست منابع69
چکیده انگلیسی71
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول (1-1). برخی از رویدادهای مهم تاریخی در فناوری و علوم نانو8
جدول (1-2). برخی کاربرد های فعلی و آینده موادنانو14
جدول (3-1). مواد اولیه مصرفی44
جدول (3-2). ثابتهای سرعت تجزیه نوری متیلن بلو بوسیله نانو کامپوزیت …SnO2/Al-MCM-4165
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (1-1). مقایسه6
شکل (1-2). مراحل مختلف آلودهسازی بدن توسط نانوموا16
شکل(1-3). شماتیکی ازفرایند تجزیه موادآلی به18
شکل(1-4). طرح شماتیکی از خواص فتوکاتالیستها21
شکل(2-1). طرح شماتیکی از روش بالا به پایین و روش پایین به بالا27
شکل(2-2). طرح شماتیکی از خلاصهی فرایند سل- ژل33
شکل(2-3). الکترونی شماتیکی از میکروسکوپ روبشی36
شکل(2-4).شماتیکی ازمیکروسکوپ الکترونی عبوری38
شکل(2-5). طرح پراش اشعه ایکس39
شکل(2-6) پهنای پیک در نصف ارتفاع39
شکل (3-1). تصویری از نانو ذره SnO2را که از طریق میکروسکوپ الکترونی SEM46
شکل(3-2). پراش اشعه ایکس نانو ذرات SnO247
شکل(3-3). تجزیه عنصری نمونه SnO248
شکل(3-7). بررسی پراش اشعه ایکس (XRD)نانو ذرات Al-MCM-41(Si/Al25)50
شکل(3-8). بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41با نسبت Si/Al 7551
شکل(3-9). بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41 با نسبت Si/Al 10052
شکل(3-10).بررسی پراش اشعه ایکس() نانو ذراتAl-MCM-41با نسبت Si/Al 15053
شکل(3-11). تصاویری از را برای نمونه Al-MCM-41با نسبت Si/Al 2554
شکل(3-12). تصاویری از را برای نمونه Al-MCM-41بانسبت Si/Al 7554
شکل(3-13). تصاویری از را برای نمونه Al-MCM-41با نسبت Si/Al 15055
شکل(3-14). بررسی پراش اشعه ایکس نانو ذراتSnO2/Al-MCM-41 56
شکل(3-15). بررسیمورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41در محیط اسیدی توسط 57
شکل(3-16). تجزیه عنصری نمونه نانوذرات/Al-MCM-41SnO2 در محیط اسیدی58
شکل(3-17). بررسی مورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41توسط TEM59
شکل(3-18). پراش اشعه ایکس نانو ذراتSnO2/Al-MCM-41 با نسبت Si/Al 150 در محیط بازی60
شکل(3-19). بررسی مورفولوژی نانو ذرات SnO2/Al-MCM-41در محیط بازی توسط 61
شکل(3-20). تجزیه عنصری نمونه نانوذرات/Al-MCM-41SnO2در محیط بازی62
شکل(3-21). تجزیه نوری متیلن بلو بوسیله نمونه های(a)Al-MCM-4164
چکیده
طبق گزارشات به عمل آمده فوتوکاتالیست های ناهمگن برای تجزیه نوری ترکیبات آلاینده مناسب هستند .بسیاری از اکسیدهای فلزی نیمه رسانا نظیر :TiO2,SnO2, ZnO2وغیره بعنوان فوتوکاتالیست در واکنش های شکست آب ,سنتز ترکیبات آلی وحذف آلودگی پسابها می توانند بکار گرفته شوند .در این پروژه ما با استفاده از روش هیدروترمال مزوپروس AL-MCM-41را از درصد های مختلف آلومنیوم سنتز کرده ونانو ذرات SnO2 را بر روی مزوپروس نشانده و خاصیت فوتوکاتالیستی آن را بررسی نموده ایم .
برای بررسی مورفولوژی و اندازه نانو کامپوزیتهای بدست آمده از تکنیک پراش اشعه ایکس (XRD),دستگاه FTIR ,میکروسکوپ الکترونی روبشی ,(SEM) میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده شد .
فعالیت فوتوکاتالیستی نانوکامپوزیت SnO2/Al-MCM-41در دو محیط بازی و اسیدی بوسیله متیلن بلو به عنوان یک مدل آلودگی آلی وتحت تابش نور لامپ جیوه فشار بالا به عنوان منبع نور ماوراء بنفش انجام شد .نانو کامپوزیت SnO2/Al-MCM-41در محیط اسیدی تحت تابش نور ماوراء بنفش بیشترین ثابت سرعت 0.049بردقیقه رانشان میدهد.
مقدمه:
یکی از زمینه های رو به رشد در حیطه نانو مواد توسعه روشهای تولید نانو ذرات و در نهایت صنعتی کردن آن است در نانو ذرات و به طور کلی در نانو ساختار ها, ریز بودن اندازه ذرات در مقیاس نانو خواص منحصر به فردی اعم از خواص الکترونیکی, الکتریکی اپتیکی و…..ایجاد می کند.,اگر چه امروزه تعیین دقیق این گازها توسط دستگاههای آنالیز مانند کروماتوگرافی گازی ,اسپکتروسکپی جرمی و مادون قرمز میسر است اما این دستگاهها گرانقیمت وپیچیده هستند و کارکردن با آنها نیازمند به مهارتهای خاصی است.از این سنسور های گازی به لحاظ سادگی حجم کم وحساسیت بالا می توانند جایگزین مناسبی برای سیستم های فوق باشند.تخریب آلایندههای آلی به علت افزایش آلودگی محیط زیست در سالهای اخیر موجب شده است که فتوکاتالیست جهت درک علمی و کاربردهای بالقوه، به طور گسترده مورد توجه قرار گیرد. فتوکاتالیستSnO2 به علت پایداری فتوشیمیایی عالی، هزینه پایین و غیر سمی بودن، در پاکسازی محیط زیست از طریق تخریب آلایندههای آلی و تولید هیدروژن از طریق شکافتن آب کاربرد گستردهای دارد . از انجایی که نیمه رساناهای فوتوکاتالیستی در دو دهه گذشته جاذبه های زیادی را در حذف آلودگی ها در محیط زیست ایجاد نموده اند . لذا در این تحقیق سعی می شود نانو کامپوزیت SnO2/Al-MCM-41را سنتز و خواص فوتوکاتالیستی آن را در رفع آلاینده ها بررسی نماییم. [7،6،5،4،3،2،1].
تاریخچه ی نانو تکنولوژی در دنیا
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که به معنی تقسیم نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده موادبه کاربرد.
با تحقیقات و آزمایش های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک ها و لپتون ها تشکیل شده اند. با این حال این کشف ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیادمهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوتکنولوژیست ها شیشه گران قرون وسطایی بوده اند که از قالب های قدیمی) (Medieal forges برای شکل دادن شیشه هایشان استفاده می کرده اند. البته این شیشه گران نمی دانستند که چرا با اضافه کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر میکند. در آن زمان برای ساخت شیشه های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می شده است و با این کار شیشه های رنگی بسیار جذابی بدست می آمده است. این قبیل شیشه ها هم اکنون در بین شیشه های بسیار قدیمی یافت می شوند. رنگ به وجودآمده در این شیشه ها برپایه این حقیقت استوار است که مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میکرو نمی باشند.
در واقع یافتن مثالهایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست.رنگدانه های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان (قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. نور انعکاس یافته از آن سبز است ولی اگر نوری از درون آن بتابد، به رنگ قرمز دیده می شود آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریز 007(nm) دارد.که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا 14 به 1 است حضور این نانوبلورها باعث رنگ ویژه جام لیکرگوس گذشته است. اخیراً در عملیات باستان شناسی کشف شده که برخی از سرامیکهای لعابدار دورهی خلفای عباسی دارای طرحی بسیار پیچیده هستند و چندین رنگ و تلالو رنگین کمانی را از خود نشان میدهند. تعدادی از این کاشیها در برخی مساجد کشور تونس به کار برده شده است. وقتی نور سفید به این سرامیکها برخورد میکند، بسته به زاویه تابش رنگ لعاب عوض میشود (مانند بال پروانه یا رنگ روی لوحهای فشرده). این جلوهها از کنار هم قرار گرفتن تناوبی نانو ذرات که هر ذره خواص نوری منحصر به فردی دارد، به وجود میآید. [9،8].
فصل اول :
مقدمه ای بر نانو تکنولوژی
1-1-نانو چیست؟
واژه فناوری نانو اولین
بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد )وسایل ( دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان (موتور آفرینش:آغاز دوران فناوری نانو). بازآفرینی و تعریف مجدد شد وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان( نانوسیستم ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها)توسعه داد. [10،9].
نانو تکنولوژی در ترجمه لفظ به لفظ، به معنی تکنولوژی بسیار کوچک( نانو، به معنی بسیار بسیار کوچک، مقیاس 10 به توان منفی 9 بار )کوچکترمی باشد.این مقیاس را با ذکر مثال های عینی بهتر می توان حس کرد.
یک تار موی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000نانو متر دارد یک سلول باکتری قطری معادل چند صد نانو متر دارد کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیر مسلح اندازه ای حدود 10000نانو متر دارند فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط یک نانو متر را میسازند برای درک بیشتر این مقیاس در شکل 1-1 مقایسه ای بین مقیاس طولی گوناگون نشان داده شده است.
شکل (1-1). مقایسه طول های مختلف
به بیان ساده علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است. این ساختارها را نانوساختار مینامیم. نانوفناوری، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
نانوفناوری، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص آنها در مقیاس نانو میباشد. از تعاریف فوق بر میآید که نانوفناوری یک رشته نیست بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشتههاست. برای نانوفناوری کاربردهایی را در حوزههای مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوفناوری تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوا و فضا و امنیت ملی برشمردهاند.کاربردهای وسیع این عرصه و پیامدهای اجتماعی سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به عنوان زمینه فرارشتهای و فرابخش مطرح نموده است و میتوان گفت یکی از ویژگیهای مهم نانوفناوری جنبه چند رشتهای آن است. مفهوم چند رشتهای در نانوفناوری بدان معناست که نیروی کاری نانوفناوری باید دارای بینش وسیعی از مفاهیم زیست شناسی، فیزیک، شیمی، اصول مهندسی طراحی، کنترل فرایند و محصولات باشد. برای درک مفاهیم پایهای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمامی علوم نیاز است.به عنوان مثال علم فیزیک مورد نیاز است، زیرا دنیای نانو دنیای توابع موج، تونل زنی کوانتومی و کشف نیروهای اتمی ناشناخته است. علم شیمی مورد نیاز است، زیرا روشهای پیوند مولکولها با یکدیگر و چگونگی ترکیب مواد را به ما میآموزد. به اصول مهندسی نیز نیاز است تا بتوان قابلیت تولید حیات اقتصادی را تضمین نمود. اصل چندرشتهای بودن نانوفناوری بیانگر این حقیقت است که این علم، رشته جدیدی نیست بلکه رویکردی جدید در تمام رشتههاست و تمام عرصههای مختلف علم و فناوری را در برمیگیرد. استفاده از این فناوری در کلیه علوم باعث شده است که تحقیقات در زمینه نانو به عنوان چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. نانوفناوری به طور کلی دارای سه شاخه نانوفناوری خشک، مرطوب و محاسبهای است که از نظر کاربردی در علوم مختلف به خصوص در ساخت و تولید مواد الکترونیکی- پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارد. در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض میشوند. برای مثال، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمیکنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد. اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد، الکترونها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود. در حقیقت در این مقیاس قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه میشوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت
جدول (1-1). برخی از رویدادهای مهم تاریخی در فناوری و علوم نانو[20]
تاریخرویدادهای مهم در زمینه فناوری نانو1857مایکل فارادی محلول کلوئیدی طلا را کشف کرد1905تشریح رفتار محلولهای کلوئیدی توسط آلبرت انیشتین1932ایجاد لایههای اتمی به ضخامت یک مولکول توسط لانگ میر1959سخنرانی فاینمن با عنوان ” فضای زیاد در آن پایین وجود دارد”1974به کار بردن واژهی فناوری نانو برای اولین بار توسط نوریو تانیگوچی1985کشف ساختار جدیدی از کربن C_60 1990شرکت IBM توانایی کنترل نحوه قرارگیری اتمها را نمایش گذاشت1991کشف نانولولههای کربنی1997ساخت اولین نانوترانزیستور2000ساخت اولین موتور DNA2001ساخت مدل آزمایشگاهی سلول سوختی با استفاده از نانولوله2003تولید نمونههای آزمایشگاهی نانوسلولهای خورشیدی
1-2-فناوری نانو چیست؟
بهبود توسعه و بکار گیری ساختار ها و ادوات در مقیاس 1تا 100 نانو متر (مقیاس اتمی و مولکولی) که در آنها خواص فیزیکی ,شیمیایی و بیولوژی جدیدی در مقایسه با مواد میکرو ساختار پدیدار می شود.یا به عبارت دیگر فناوری نانو عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی مولکولی و فرا مولکولی در ابعاد بین 1تا100 نانومتر با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها. در سالهای اخیر نانوتکنولوژی تبدیل به یکی از زمینههای بسیار جالب علمی شده است. مراکز دانشگاهی و صنعتی بسیار زیادی جهت بررسی و تحقیق در زمینهی مواد با ابعاد نانو گشایش یافتهاند و پیشرفتهای سریع در زمینه تولید مدارهای الکترونیکی کوچکتر در صنعت الکترونیک نیز مرهون این فناوری میباشد. امروزه فناوری نانو به یکی از مهمترین جنبههای تحقیقاتی تبدیل شده است. فناوری نانو، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با کنترل در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر میشوند. از همین تعریف ساده برمیآید که فناوری نانو یک رشتهی جدید نبوده، بلکه رویکردی جدید در تمام رشتههاست. فناوری نانو عبارتست از شناخت خواص کوچکترین اجزا مواد و بکارگیری این خواص در جهت ایجاد تکنولوژیهای نوین و یا بهبود در کیفیت تکنولوژیهای پیشین] 1[.
تعریف واحدی برای فناوری نانو که کاربرد جهانی داشته باشد وجود ندارد. موضوع فناوری نانو، تولید، مطالعه و به کار بستن ساختارهایی است که ابعاد آن ها کمتر از صد نانو متر باشد. یک نانو متر برابر یک میلیونوم یک میلی متر است که برابر m 9-10 است. در مقایسه با قطر یک تار مو که برابر nm 50000 است مشاهده می شود که یک نانو متر 50000 برابر از قطر یک تار مو کوچکتر است. همچنین قطر اتم هیدروژن در حدود nm 1/0 می باشد.
اصول فناوری نانو بر اساس کاربرد های جدید بدست آمده از ترکیبات با ساختار ها یی در مقیاس نانو است. این کاربرد های جدید بیشتر از تغییر نسبت سطح به حجم اتم ها و رفتار کوانتوم مکانیکی آن ها نتیجه می شود. بعلاوه فناوری نانو بخاطر نوآوری هایی که در صنایع مختلف ایجاد کرده بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به کمک فناوری نانو می توان به پیشرفت و کنترل فرآیند های صنعتی و مواد نانو مقیاس خود آرا دست پیدا نمود. در فرآیند های خود آرا تحت شرایط محیطی مشخص، مواد نانو مقیاسی به هم ملحق می شوند و یک ساختار جدید را بوجود می آورند. نانو ذرات به مواد طبیعی و مصنوعی ساخته شده در صنعت که کوچکتر از صد نانو متر باشند اطلاق می شود. با تولید ذرات کوچکتر از صد نانو متر و بررسی آن ها مشاهده می شود که بعضی از خواص و عملکرد های این مواد تغییر می کنند. بعضی از این خواص عبارتند از رسانایی الکتریکی، مغناطش، رنگ، سختی مکانیکی، دمای ذوب ویژه و … که با تغییر اندازه و ساختار مواد تغییر می کنند. به عنوان مثال می توان به کادمیم تلوراید (CdTe) اشاره کرد که بسته به اندازه ذرات در بازه 2 تا 5 نانو متر در رنگهای مختلف دیده می شود. [15،14،13].
سه خاصیت اساسی مواد که با تغییر اندازه ذرات تغییر می کنند عبارتند از :
تغییر رفتار کوانتوم مکانیکی که نتیجه آن تغییر رنگ، شفافیت، سختی، مغناطش و رسانایی الکتریکی است.
افزایش سطح که منجر به تغییر نقطه ذوب و جوش، فعالیت شیمیایی، اثرات کاتالیستی می شود.
3-تغییر در ساختار مولکولی مواد که باعث افزایش توانایی سازگاری مواد، افزایش توانایی ترمیم و توانایی خودآرایی این مواد شده و کاربردهای زیستی جدیدی را باعث می شود
1-3- گذر از میکرو ذرات با نانو ذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانو ذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از : افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور ها و ساختارهایی همچون الکترودها (یا افزایش کارآیی فناوری هایی همچون پیل سوختی و باتری ها) می باشد. مساحت سطحی زیاد نانو ذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط شده در نانو کامپوزیت ها می شود و خواص ویژه ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می شود.
به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترون های آزاد آنها مشابه الکترون های محبوس در اتم ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.
علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانو ذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانو ذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند.
برخی از خواص نانو ذرات با درک افزایش اثر اتم های سطحی یا اثرات کوانتومی به راحتی قابل پیش بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که ” نانو کره های ” به خوبی شکل یافت? سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه تنها سخت تر از سیلیکون می باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می گیرند.
مواد در مقیاس نانو رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهند کرد. مثلاً فلزات، سختر و سرامیک نرمتر می شوند و یا آلیاژی ها تا حدی سختر و سپس دوباره نرم می شوند. خواص نوری و الکترو مغناطیسی نیز تحت تاثیر اندازه بوده و با کاهش اندازه ذرات تغییر می کنند. از این خاصیت در تهیه حفاظتهای خورشیدی و پلیمرهای بسته بندی استفاده شده است، با این ترتیب که حفاظهای خورشیدی تنها نسبت به نور مرئی شفاف بوده و طول موجهای کوتاهتر مثل اشعه ماوراء بنفش را جذب می کنند.
بدین ترتیب اگر بتوانیم اتمها و مولکولهای منفرد را دستکاری کنیم و در آرایش و پیکربندی 2 معینی در کنار یکدیگر قرار بدهیم بایستی بتوانیم هر چیزی را که می خواهیم پدید آوریم.
تهیه پودر در ابعاد نانو یکی از مهمترین مراحل در فناوری نانو مواد است و می توان گفت اصلی ترین مرحله در نانو مواد وجود روشهایی برای تهیه پودرهای نانومتری است . زیرا مواد پیشرفته ، دارای فناوری هایی با دامنه وسیع کابرد و در حال رشد هستند. داشتن اطلاعاتی درباره نانو سرامیکها و نانوفلزات و یا به طور کلی نانو پودرها ، کمک شایانی در ارزیابی روشهای مختلف در تولید پودرهای نانومتری خواهد کرد. سرامیکهای پیشرفته، غیر آلی و غیر فلزی بوده، ترکیبات پودری ریز دارند ، همچنین خالص بوده، ترکیبات شیمیایی آنها اغلب پیچیده است و ساختاری بلوری دارند.
زمان ظهور نانو سرامیکها را می توان دهه 90 میلادی دانست . در این زمان بوده که با توجه به خواص بسیار مطلوب پودرهای نانوسرامیکی، توجه محققان به آنها معطوف شد، اما روشهای تهیه آنها چندان آسان و مقرون به صرفه نبود. با پیدایش نانو فناوری، نانو سرامیکها نیز هرچه بیشتر دارای اهمیت شدند . در حقیقت فناوری نانو با دیدگاهی که ارائه می کند، تحلیل بهتر پدیده ها و دست یافتن به روشهای بهتر برای تولید مواد را امکان پذیر می سازد. شکل گرفتن علم ومهندسی نانو ، منجر به درک بی سابقه اجزای اولیه پایه تمام اجسام فیزیکی و کنترل آنها شده است و این پدیده به زودی روشی را که اغلب اجسام توسط آنها طراحی و ساخته می شده اند، دگرگون می سازد.
همان طور که قبلاً گفتیم فناوری نانو توانایی کار در سطح مولکولی برای ایجاد ساختارهای بزرگ است که دارای ماهیت سازماندهی مولکولی جدید و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی جدید و بهتری هستند.
بدین ترتیب ، بهره برداری از این خواص با کنترل ساختارها و دستگاه ها در سطوح اتمی و مولکولی و دستیابی به روشی کارآمد در ساخت و استفاده از این دستگاه ها امکان پذیر می شو د . هدف دیگر ، حفظ پایداری نانو ساختارها در مقیاس میکرونی و ماکروسکوپی است. اهم مراحل ساخت قطعات سرامیکی با ساختارهای خاص ، ابعاد دقیق و کارایی زیاد عبارتند از : تهیه پودر ، الک کردن آن بر مبنای اندازه، کنترل ژئولوژی، فرآیند شکل دهی، تف جوشی، ماشین کاری نهایی و کنترل کیفیت.
پودر سرامیکی، ماده ای لازم بر ای ساخت بیشتر سرامیکهای ساختاری، سرامیکهای الکترونی ، پوششهای سرامیکی و فرآیندهای شیمیایی مربوط به سرامیکها است . برای اکثر ترکیبات پیشرفته سرامیکی، پودر اولیه، عاملی تعیین کننده است
. خواص پیشرفته ترکیبی سرامیکی به صورت ویژه ای تحت تأثیر خواص پودر اولیه است . از مهمترین خواص لازم، خلوص شیمیایی پودر، توزیع اندازه ذرات و روشی است که پودرها در قطعه ای خام قبل از تف جوش فشرده می شوند.
پودرهای با توزیع اندازه ذرات باریک می توانند در طول یک ردیف فشرده شوند. در ابعاد ریز میکرونی ، تف جوشی می تواند در دماهای پایین تری روی بدهد . بنابراین در تولید سرامیکهای پیشرفته ، احتیاج بسیاری به توسعه روشهای تولید است که توانایی تولید پودرهای ریز میکرونی با خلوص شیمیایی و با توزیع مورد نظر از اندازه ذرات را داشته باشند.
پودرهای نانو سرامیکی بخش مهمی از فروش تمام مواد نانومتری را تشکیل می دهند و می توان گفت چیزی حدود90% کل مواد نانومتری را تشکیل می دهند
1-4-نانوتکنولوژی
نانو تکنولوژی محدوده ای از تکنولوژی است که در این محدوده انسان می تواند انواع ترکیبات آلیاژها وسایل و ابزار ها و بطور کلی سیستم ها و سازه های گوناگون را در مقیاس اتمی مولکولی در ابعاد نانو متری (یک میلیاردم متر )طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند.
نانو تکنولوژی را می توان بر اساس اجزاء تشکیل دهنده یعنی (نانو)و (تکنولوژی) تعریف کرد.
کلمه نانو دارای ریشه یونانی بوده و به معنی کوتاه وکوتوله است و تکنولوژی در کلبه معنی ساخت ابزار های کاربردی با استفاده از قوانین علمی می باشد .
نانو تکنولوژی با ساختار های مختلفی سرو کار دارد که این ساختار ها دارای ابعاد چند میلیاردم متر میباشند .
به طور کلی محدوده ابعاد مورد بحث در نانو تکنولوژی عبارت است از ابعادی بین 1تا100 نانو متر اما این محدوده بخش زیادی از محدوده ی ابعاد علوم مختلف است که از کریستالو گرافی با اشعه Xگرفته تا فیزیک اتمی و مباحث شیمی و…….
را شامل میشود . لذا برای مشخص کردن محدوده ی کاری فرض میکنیم که نانو تکنولوژی تنها شامل ساخت و تولید در محدوده ی تعریف شده با استفاده از وسایل مخصوص میباشد.
بطور خلاصه نانو تکنولوژی شامل دستکاری مواد در حوزه ی اتم ها بوده که شامل قرار دادن اتمها در جای خاص خود می باشد و اجازه میدهد تا مواد سبکتر محکم تر ارزان تر تمیز تر وبا دفت ابعادی بالاتر ساخته شود.
بطور کلی در نانو تکنولوژی چهار موضوع اساسی مورد بحث قرار میگیرد که عبارتند از:
کوچک سازیسیستم ها
بدست آوردن مواد جدید در ابعاد نانو متری
افزایش کارایی و اتوماسیون سیستمها و تجهیزات
افزایش قابلیت ذخیره سازی اطلاعات
1-5-نانو مواد
هر مادهای که لااقل یکی از ابعاد آن زیر 100 نانومتر باشد، در محدودهی نانومواد جای میگیرد. البته این بحث بیشتر شامل نانوذرات، نقاط کوانتومی، نانوسیمها، نانوالیاف، نانوکپسولها، نانوبلورها، مواد نانومتخلخل و مواد نانودانه و غیره است که روز به روز در حال گسترده شدن میباشند. نانومواد دارای چشم انداز ویژهای میباشد که میتواند در زمینههای وسیعی از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. از مهمترین خواص مواد نانوسایز ابعاد آنها میباشد. مواد نانوسایز با خوشهای از مولکولها در حد یک نانومتر یا کمتر و یا با چند عدد کریستال که دارای ابعاد کمتر از 100 نانومتر هستند، میباشد. اگر اندازه دانه با اندازه ذره
یکی باشد به ذره نانو، تک کریستال گویند.
ذرات نانو بسته به ابعادشان به چهار دسته تقسیم میشوند] 3[:
الف) ذرات صفر بعدی (مانند ذرات کروی که قطر آنها زیر 100 نانومتر باشد)
ب) ذرات یک بعدی (مانند نانووایرها)
ج) ذرات دو بعدی (مانند فیلم نازک و کفپوشها)
د) ذرات سه بعدی (مانند مواد با ساختار نانو که خود ماده نانو نیست بلکه ساختارهایش نانویی است)
نانوپودرها که بخش عمدهای از فعالیتهای نانوتکنولوژی را به خود اختصاص دادهاند، از نوع نانومواد صفر بعدی میباشند.
1-5-1- محاسن نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی میتواند به وسیله راههای زیر به کاهش آلودگی در محیط زیست کمک کند:
1-کاهش مصرف مواد اولیه
2-کاهش ضایعات
3-کاهش مواد منتشر شده
4-کاهش تولید مواد سمی
5-استفاده از کاتالیزور های غیر سمی با کمترین میزان تولید مواد آلوده کننده
6-ساخت سریع مولکول های مفید و مورد نیاز
7- ساخت سریع مولکولهای مفید مورد نیاز
جدول(1-2). برخی کاربرد های فعلی و آینده مواد نانو[20]
تکنولوژیتاثیرات فعلی تاثیرات آینده
توزیع و پوشش
پوشش مقاوم در برابر حرارت
موانع نوری
بالابردن کیفیت تصویرها
مواد مناسب برای افشانه های
جوهر
-پوشش های مقاوم در برابر حرارت بهینه شده
– پوشش های چند کاره نانومتری
– ساختارهای دانه ریز
– مواد ابر جاذب
سطح تماس بالا
-غربال کننده های مولکولی
-حمل کننده دارو در بدن
-تهیه کاتالیزورهای متناسب
-مواد جاذب و دافع-حسگرهای مولکولهای خاص
-ذرات تحریک شده هدف یاب
-ذخیره انرژی
-سنسورهای گاز
مواد مستحکم شده
-مواد مغناطیس نرم با از دست دادن خاصیت مغناطیس اندک
-ابزارهای برش سخت وچقرمه-شکل دهی ابر پلاستیک مواد پلاستیکی
-مواد چقرمه با استحکام بسیار بالا
جنبه های زیست پزشکی
-ذرات نانو متری فعال شده-نشانه گذاری سلولی
-حرارت دهی موضعی
ابزار های نانو متری
-هد های خواندن ساخته شده از مقاومت مغناطیسی فوق العاده-حافظه و میکروپردازشگرهای با حجم چند ترابایت
-حسگرهای زیستی
1-6-خطرات نانومواد
نانوذرات همانند یک شمشیر دولبه دارای اثرات مفید و مضر می‌باشند. بی‌شک اگر به روش‌های صحیح کار با نانوذارت توجه شود از خطرات آن کاسته خواهد شد.
الف) چرا نانوذارت می‌توانند خطرات باشند؟

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

وقتی مواد در مقیاس نانو تبدیل شوند در خواص شیمیایی، بیولوژیکی و فعالیت‌های کاتالیزوری آنها تغییراتی ایجاد می‌شود. بنابراین موادی که در حالت توده‌ای بی‌خطر هستند. وقتی به حالت نانو تبدیل شوند، می‌توانند سمی و خطرناک باشند. به علاوه اندازه کوچک نانوذرات باعث می‌شود تا این مواد بتوانند بر سدهای دفاعی بدن فائق آیند.

مهم‌ترین خواص بحث برانگیز نانوذرات عبارتند از :
الف) فضای سطحی بزرگ باعث افزایش فعالیت‌های شیمیایی و بیولوژیکی می‌شود.
ب) ویژگی‌های جدید مانند انحلال پذیری و فعالیت بیشتر، شیمی شکل و سطح.
ج) تحرک بسیار زیاد در بدن انسان.
د) توانایی نفوذ به غشا سلولی.
ب) در چه شرایطی نانوذرات خطرناک هستند؟
بعضی بر این باورند که انسان‌ها آنقدر در معرض نانوذرات نمی‌باشند که برای سلامتی آ‌نها خطری داشته باشد. برای مثال گزارش شده است که بلعیدن توسط انسان بی‌ضرر است. اما اگر در معرض نانوذرات بودن بیشتر از حد معمولی گردد احتمال خطرات آن افزایش می‌یابد.
عامل دیگری که باعث نگرانی در مورد نانوذرات می‌باشد این است که نانوذرات می‌توانند به دیگر آلاینده‌های خطرناک در آب یا هوا متصل شده و یا با آنها دهند و در نتیجه ورود آنها را در بدن آسان‌تر سازند.در ارزیابی خطرات نانوذرات نکاتی مانند اندازه، شکل، توزیع اندازه، خواص، بار سطحی، جرم و غلظت نانومواد قابل توجه می‌باشند.
اندازه ذرات در توزیع آنها در بدن موثر است. ذارت بزرگ‌تر از 100 نانومتر به مغز استخوان نمی‌رسند و ذرات بزرگ‌تر از 300 نانومتر در خون وجود ندارند. بار سطحی ذرات در توزیع آنها در بدن نقش دارد.
1-7-خواص و کاربردهای نانوذرات
نانوذرات بطور گستردهای در صنعت و پزشکی مورد استفاده قرار میگیرند. در یک تقسیمبندی، عرصههای کاربردی (صنعتی) فناوری نانو در چهار سطح مرتب شدهاند. این طبقهبندی بهگونهای تنظیم شده که همه صنایع را شامل شود:
صنعت (مانند صنعت خودرو یا صنعت هوافضا و یا صنعت دفاعی)
زیربخشهای صنعتی (مانند سوخت یا مواد ساختمانی)
مزیتهای عملی فناوری نانو (مانند سوختهای راکت پرقدرت یا جلیقههای ضد گلوله و سبک)
عناصر پایه (مانند نانوذرات آلومینیوم)
کاربردهای تجاری نانومواد در کوتاه مدت غالبا به شکل مواد تقویت شده با ذرات نانو و پوششهای انباشته شده از نانوذرات خواهد بود. تقویت مواد با نانوذرات باعث استحکام بیشتر و خصوصیات مطلوب دیگر میشود. پوششهای انباشته شده از نانوذرات میتوانند برای ایجاد سطوحی مقاوم در مقابل خراش، عدم بازتابش نور و مقاوم در مقابل خوردگی بر روی فلزات مختلف اعمال شوند ]4[.
نانوذرات آلی که دارای نقاط مشترکی با بیوتکنولوژی هستند، دارای کاربردهای در زمینه نانو پوستههایی با روکش طلا با قابلیت دارورسانی به سلولهای خاص در بدن، حسگرهای سریع در جنگهای بیولوژیک و ساخت دریچههای مصنوعی مخصوص قلب با مواد نانوساختاری هستند.
1-8- مراحل اثرگذاری نانوذرات بر سلامتی
نانوذرات به دو دلیل می‌توانند برای سلامتی مضر باشند؛ اول اینکه می‌توانند خیلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اینکه ممکن است که به دلیل جدید بودن نوع و خواص این مواد، مسمومیت‌های جدید و ناشناخته‌ای را به وجود بیاورند.
مفاهیم کلی فرایندها از مرحله در معرض نانوذارات قرار گرفتن تا ایجاد بیماری در شکل (1-2) زیر نشان داده شده است.

شکل (1-2). مراحل مختلف آلودهسازی بدن توسط نانومواد
همانطور که در شکل نشان داده شده است اولین مرحله تاثیرگذاری نانومواد قرار گرفتن در معرض آنها می‌باشد. نکته قال توجه این است که نانو ذارت باید توانایی ورود به بدن و پخش شدن در بافت‌های هدف را داشته باشند. سپس نانوذرات وارد شده به بدن، باعث اخلال در عملکرد دستگاههای بدن می‌شوند. این اثرات ابتدا کم و جزئی است، اما چنانچه قرار گرفتن در معرض نانومواد و ورود آنها به بدن ادامه یابد به اثرات غیر قابل برگشت تبدیل می‌شوند.
1-9- برخی راه‌های کنترل اثرات مضر نانوذرات
از تماس پوست با نانو مواد و یا محلولهای حاوی نانومواد به صورت مستقیم جلوگیری شود. باید در هنگام کار با این مواد از دستکش، عینک ایمنی و لباس آزمایشگاه استفاده گردد.
شستشوی دست‌ها و رعایت بهداشت فردی در محیط کار با نانوذارت انجام گیرد.
دفع و انتقال زباله‌های نانوذرات طبق اصول زباله‌های شیمیایی خطرناک صورت پذیرد.

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید