روش های اندازه گیری خواص

 

تحول سریعی که در علم نانو دیده می شود به دلیل پیشرفت های متعددی است که در زمینه تجهیزات ساخت، شناخت و بررسی خواص مواد با تغییر سایز آن ها ایجاد شده است. نمونه هایی از این پیشرفت ها توانایی روزافزون در تولید ساختارهای کوچکتر و بهبود دقت در ساخت آن ها. و به دنبال آن اصلاح ابزارهای ارزیابی و تعیین مشخصات چنین ساختارهایی می باشد. 

امروزه روش های آنالیز و شناسایی مواد، بسیار حائز اهمیت است. خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد. بنابراین، به منظور شناسایی ویژگی های یک ماده برای انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است. روش های آنالیز را می توان به سه دسته ی کلی تقسیم بندی نمود:

   - آنالیز عنصری: در این روش تنها نوع عنصر و یا مقدار آن مشخص شده ولی ساختار بلوری عنصر یا ماده تعیین نمیشود. نام دیگر این روش آنالیز شیمیایی است.

   - آنالیز فازی: در این نوع آنالیز، ساختار بلوری یا کانی های موجود در ماده مشخص می شود.
   - آنالیز ریزساختاری: در این روش شکل، اندازه و توزیع فازها مورد بررسی قرار می گیرد. این ویژگی ها اثر مهمی بر خواص نهایی ماده دارند.

 

در ادامه نمونه هایی از این ابزارها را بررسی خواهیم کرد.

 

تعیین ساختار

برای درک ماهیت یک نانوساختار، ابتدا باید اطلاعات مربوط به ترکیب و ساختار آن ها مانند نوع اتم های سازنده و چگونگی قرار گرفتن این اتم ها نسبت به هم را به دست آوریم. بیشتر نانوساختارها بلوری هستند، یعنی اتم ها در آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند که به آن شبکه بلوری گقته می شود. یک شبکه از تکرار سلول های واحد به وجود آمده است. هر شبکه با ثابت های a , b, c و زوایای بین آن ها تعیین می شود که این ثابت ها و زوایا تعیین کننده بعضی از خواص مواد می باشد. 

آرایش های ساختاری مهم، سلول واحد مکعبی ساده(SC)، مکعبی مرکز سطحی(FCC)، مکعبی مرکز حجمی(BCC)، تنگ چین شش گوشی(HCP) هستند. 

برای تعیین ساختار بلوری ماده(بلورشناسی)، باریکه ای موازی از پرتوهای X، الکترون ها یا نوترون ها به بلور تابانده می شود و زاویه هایی را که تحت آن باریکه منحرف می شود را اندازه می گیرند. به عنوان مثال پرتوی x را در نظر بگیرید. معمولا باریکه در یک جهت ثابت نگه داشته می شود و بلور در محدوده ای از زاویه ها چرخانده می شود تا طیف پرتوی x ثبت شود. که این کار را روبش پراش پرتوی x یا ثبت پراش سنج نامیده می شود. هر سیگنال آشکارشده ی پرتوی x با یک بازتاب همدوس از صفحات متوالی بلور که برای آن ها قانون براگ صادق است، متناظر است. 

                          

                                                                                                                   2dsinα=nλ      قانون براگ                                         

 

           

در این رابطه d فاصله بین صفحات، α زاویه ای که باریکه ی پرتوی x با صفحه می سازد. λ طول موج پرتو و n عدد صحیح می باشد.

هر صفحه ی بلورشناختی با مشخصه های h,k,l تعریف می شود. برای یک بلور مکعبی، این مشخصه ها نسبت های نقاطی هستند که محل برخورد صفحات با محورهای مختصات کارتزی اند. برای یک بلور مکعبی با ثابت شبکه ی a، فاصله ی بین صفحات موازی با رابطه زیر تعیین می شود: 

 

                                                                                                                  ^1/2(h²+k²+l²)/d=a

                                                                                                      

با توجه به رابطه ی بالا، صفحات با مشخصه های بزرگتر به یکدیگر نزدیک تر هستند و زاویه ی پراش بزرگتری دارند. دامنه خطوط پرتو x برای بعضی از صفحات صفر می باشد. به عنوان مثال برای یک شبکه ی مکعبی مرکز سطحی، تنها خطوط پراشی قابل مشاهده هستند که همه مشخصه هایش زوج یا فرد باشد.  

برای به دست آوردن یک ساختار بلوری کامل، طیف های پرتوی x برای چرخش هایی حول سه صفحه از بلور که دو به دو بر هم عمودند، ثبت می شود. این کار، اطلاعات جامعی درباره ی این صفحات بلورشناختی مختلف شبکه فراهم می کند. مرحله ی بعدی در تحلیل، تبدیل داده های این صفحات به اطلاعاتی مربوط به مکان اتم ها در سلول واحد می باشد که با روش ریاضی "تبدیل فوریه" امکان پذیر است. انجام این روند به ما کمک می کند که نوع ساختار را تعیین کنیم. ثابت های شبکه ای a,b,c و مقادیر زوایا و مختصات موضع های هر اتم در سلول واحد را نیز به ما می دهد. 

 

                                                                                                

                                                                   

نمونه ای از طیف پراش پرتوی x نانوذرات نقره. قله های پراش با مشخصات صفحات نشان داده شده است

 

تعیین اندازه ی ذرات

در قسمت قبل ساختار ترکیبات شناسایی شد. حال نوبت تعیین اندازه ذرات است. ساده ترین راه برای این کار، نگاه کردن به نانو ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) می باشد. شکل زیر تصویری از ذرات می باشد که با استفاده از TEM گرفته شده است. 

 

                                                      

تصویر TEM نانوذرات طلا

 

روش دیگر برای تعیین اندازه ی ذرات، بررسی چگونگی پراکندگی نور توسط آنها است. دامنه ی پراکندگی به رابطه ی بین اندازه ذره(d)، طول موج نور (λ) و به قطبش باریکه ی نور فرودی بستگی دارد. به عنوان مثال، پراکندگی نور سفید از مولکول های نیتروژن و اکسیژن در جو نشان می دهد که چرا نور پراکنده شده در طول روز آبی رنگ و در هنگام طلوع و غروب خورشید قرمز رنگ به نظر می رسد. 

در این روش از باریکه ی لیزری تکفام با قطبش های موازی و عمود در یک زاویه ی خاص(معمولا 90درجه) انجام می شود. براساس شدت های آشکارشده می توان اندازه، تراکم ذرات و ضریب شکست را تعیین کرد. این روش برای اندازه گیری نانوذراتی با قطر بیشتر از 2نانومتر قابل استفاده است. برای نانوذرات کوچکتر باید روش های دیگری به کار برد.  

ذرات با اندازه ی کوچکتر از 2نانومتر را می توان با استفاده از روش طیف سنج جرمی به دست آورد. در یک طیف سنج جرمی، نانوذرات بر اثر برخورد الکترون های گسیل شده از فیلامان گرم واقع در اتاقک یونش، یونیزه می شود و یون های مثبت تشکیل می شوند. یون های تازه تشکیل شده به کمک افت پتانسیل در ولتاژ بین صفحات دافع و شتاب دهنده شتاب می گیرند. سپس به وسیله ی عدسی ها کانونی و به کمک شکاف هایی در طول مسیر آنها تا تحلیلگر جرمی قرار دارد، موازی می شوند. نیروی مغناطیسی که جهتش عمود بر صفحه است به یون ها وارد می شود و باریکه ی یونی را خمیده می کند. یون ها در یک جمع کننده آشکار می شوند. نسبت جرم به بار به صورت زیر تعریف می شود:

 

 

                       B²r²/2V = m/q

 

معمولاً در یک دستگاه مقدار شعاع خمیدگی ثابت نگه داشته می شود و با تغییر میدان یا ولتاژ می توان یون هایی با جرم های مختلف را روی آشکارساز متمرکز کرد. مقدار بار مشخص است، در نتیجه می توان مقدار جرم و درنهایت با استفاده از چگالی، اندازه ذره محاسبه می شود. 

 

ساختار سطح

 برای به دست آوردن اطلاعات راجع به لایه های سطح یک ماده، می توان از روش های پراش الکترون کم انرژی، پراش ناشی از انعکاس الکترون پرانرژی استفاذه کرذ.

در روش پراش الکترون کم انرژی(LEED)، از آنجایی که الکترون انرژی (100-10 الکترون ولت)کمی دارد تنها در فاصله ی خیلی کمی از سطح عبور می کند، بنابراین الگوی پراش آنها، فواصل اتمی در لایه ی سطحی را نشان می دهد. باریکه ی الکترونی مانند یک موج رفتار می کند و مشابه با باریکه پرتوی x از صفحات منعکس می شود. طول موج الکترون، "طول موج دوبروی" نامیده می شود. 

روش پراش ناشی از انعکاس الکترون پرانرژی(RHEED)، در زوایای فرودی خراشان که تحت آن ها نفوذ سطحی کمینه است، انجام می شود. هنگامی که در رابطه ی براگ، زاویه ی فرود کوچک است، طول موج نیز باید کوچک باشد و در نتیجه انرژی بزرگ. بنابراین در انرژی های بزرگتر، زاویه ی فرود خراشان است.

 

طیف سنجی

طیف سنجی به عنوان برهمکنش ماده و نور نیز نامیده می شود. در این روش از نور مرئی برای مطالعات نظری در ساختار ماده و آنالیزهای کمی و کیفی استفاده می شود. 

اگر قسمت های مختلف موج الکترومغناطیس را مورد مطالعه قرار دهیم می بینیم هر بخش از این امواج می توانند ماده را دستخوش تغییر خاصی کنند. به عنوان مثال پرتوی ایکس باعث شکست پیوند می شود، پرتوی فرابنفش برانگیختگی الکترونی را به همراه دارد. بنابراین طیف سنجی به روش های مختلفی انجام می شود.

1) طیف سنجی فروسرخ و رامان

2) طیف سنجی فرابنفش و مرئی  

2) طیف سنجی فوتوالکترون و پرتوX

3) تشدید مغناطیسی

 

1) طیف سنجی فروسرخ و رامان

این نوع طیف سنجی فوتون هایی را دربرمی گیرد که موجب القای گذارهایی بین حالت های ارتعاشی، معمولاً در محدوده ی بسامد فروسرخ، در مولکول ها و جامدات می شوند. گاف های انرژی بسیاری از نیمه رساناها در این ناحیه از بسامد قرار دارند و میتوان آن ها را به روش طیف سنج فروسرخ مطالعه کرد. این روش برای شناسایی ترکیبات به ویژه ترکیبات آلی مورد استفاده قرار می گیرد. این ترکیبات پیوند کوالانسی دارند و این پیوندها به دلیل به اشتراک گذاشتن الکترون ها جاذبه ی بسیار قوی ایجاد می کنند. ترکیبات با پیوند کووالانسی می توانند در طیف IR مورد مطالعه قرار بگیرند. طیف IR اطلاعات کلی در مورد ساختار ماده می دهد. پیوندهای عاملی در این طیف به صورت پیک نشان داده می شوند. 

برای مشخص کردن باندهای جذبی در فروسرخ دو روش طول موج نور جذب شده و عدد موج وجود دارد. وقتی پیکی را نزدیک به عدد موج      cm^-1 3000 میبینیم این عدد موج متناسب با انرژی است. هر چه عدد موج بیشتر، انرژی بیشتر. پس در پیک مشاهده شده در 3000 در مقایسه با پیک مشاهده شده در 4000 انرژی بیشتری جذب شده و در نتیجه پیک 3000 نشان دهنده ی پیوند قوی تری می باشد.

اما چه چیز باعث می شود که پیک ها در طول موج خاصی خود را نشان دهند؟   دو اتم به وسیله یک پیوند به هم متصل شده اند. پیوند مانند فنر در نظر گرفته می شود، پس پیوندها نیز مانند فنر قابلیت ارتجاعی دارد. در حالت عادی ارتعاشات بسیار کوچک هستند، بنابراین پیک قابل مشاهده ای ظاهر نمی شود. اما هنگامی که پرتوی فروسرخ به این پیوندها برخورد می کند، این ارتعاشات آنقدر تحریک می شوند که خودشان را به صورت جذب در طیف سنجی IR نشان می دهند. گاهی ارتعاشات با هم ادغام می شوند، بنابراین پیک مشاهده شده مربوط به یک پیوند یا گروه عاملی نیست. نکته ای دیگر، بعضی از ترکیبات بسیار شبیه به هم هستند. بنابراین طیف سنجی با شدت انجام می شود. در نهایت طیفی ظاهر می سود که تعیین کننده می باشد و به آن ناحیه ی اثرانگست گفته می شود.

ارتعاش به چه عواملی بستگی دارد؟  هرچه اتم ها سبکتر و پیوند قوی تر باشد، ارتعاش بیشتر خواهد بود و شدت پیک در طیف IR قوی تر خواهد بود. 

 

امروزه دستگاه هایی که طیف سنجی فروسرخ را انجام می دهند FT-IR نامیده می شوند. در این ابزار، نوار پهنی از بسامدهای طیف فروسرخ به طور همزمان به نمونه تابیده می شود و سپس سیگنال خروجی به وسیله ی روش ریاضی "تبدیل فوریه" تحلیل می شود تا سیگنال آشکارشده به شکل طیف جذب IR تبدیل شود. سیگنال خروجی، طیف تبدیل فوریه ی فروسرخ نامیده می شود. به زبانی دیگر بازه زمانی را به بازه فرکانسی تبدیل می کند. طیف بر حسب فرکانس سنجیده می شود. 

 

آماده سازی نمونه برای انجام طیف سنجی فروسرخ

شیشه و پلاستیک جذب خوبی در طیف IR دارند و نمی توان از این مواد به عنوان بستری برای قرارگیری نمونه ها استفاده کرد. بنابراین از ترکیبات یونی NaCl و KBr استفاده می شود. NaCl در طیف IR تنها در 650 نانومتر حذب دارد و KBr جذبی در IR ندارد. از این رو KBr در این زمینه کاربرد بیشتری دارد.  

آماده سازی نمونه مایع:

نمونه ی مورد نظر را بدون آب به صورت لایه ی نازک روی قرص قرار می دهیم و قرص دیگری روی آن قرار داده می شود. سپس مجموعه درون دستگاه قرار می گیرد. 

آماده سازی نمونه جامد:

اگر نمونه به صورت جامد باشد سه روش وجود دارد.

روش اول: نمونه جامد با KBr درون هاون آسیا می شود. سپس مخلوط پرس می شود و قرص ظریفی ساخته می شود که در دستگاه قرار داده شود. هرچه قرص ریزتر باشد جذب و عبور طیف بهتر و نتایج خوبی به دست خواهد آمد.

روش دوم: استفاده از روغن معدنی نوژل، ذرات جامد ساییده شده را درون روغن پخش می کنیم. که این ذرات درون روغن به خوبی پخش می شوند. حال مانند حالت مایع نمونه را بین دو قرص قرار می دهیم. اما این نکته را نیز باید در نظر داشت که روغن نوژل در محدوده ی 2900، 1300، 1400 پیک دارد. اگر نمونه نیز در این مکان ها پیکی داشته باشد و با این روش طیف سنجی انجام شود، این پیک ها نشان داده نمی شود. پس این روش روشی مناسب برای این نمونه و نمونه های مشابه نخواهد بود و درصد خطای بالایی خواهد داشت.

روش سوم: در این روش از حلال تتراکلرید کربن که ترکیبی غیر قطبی است استفاده می شود. نمونه در این ترکیب حل می شود و بین دو قرص قرار داده می شود. CCl₄ تنها در محدوده ی 760 نانومتر پیک دارد. بنابراین باید دقت داشت اگر نمونه در این ناحیه پیک دارد، از این روش برای طیف سنجی استفاده نشود. زیرا پیک نمونه با پیک حلال پوشیده می شود . پیک دیگر قابل شناسایی نیست. 

بنابراین در بین همه این روش ها، روش اول دقت بالاتر و نتیجه ی مطلوب تری خواهد داشت. 

 

پراکندگی رامان پراکندگی غیر الاستیکی است که باعث تغییر طول موج می‌شود و از این طریق می‌توان اطلاعاتی در مورد مواد را استنباط کرد. خصوصیات ماده را می‌توان با تجزیه و تحلیل طیف رامان، تعیین کرد. با توجه به اینکه پراکندگی رامان از نوع غیر کشسان است،‌ فوتون‌ها در طی پراکندگی، انرژی خود را از دست می‌دهند و یا در حالتی انرژی به دست می‌آورند. بنابراین به ترتیب طول موج فوتون پراکنده شده افزایش یا کاهش می‌یابد. اگر مولکول از حالت پایه به تراز مجازی گذار کند، سپس با از دست دادن مقداری از انرژی خود به حالت ارتعاشی (تراز انرژی بالاتر از تراز پایه) پایین بیاید، فوتون پراکنده انرژی کمتری (طول موج بلندتر) نسبت به فوتون فرودی خواهد داشت. به این عمل پراکندگی استوکس گفته می‌شود. حال اگر مولکول در ابتدا در حالت ارتعاشی باشد و پس از پراکندگی در حالت پایه قرار گیرد،‌ فوتون پراکنده انرژی بیشتری آزاد می‌کند. بنابراین طول موج کوتاه‌تری خواهد داشت. به این عمل پراکندگی ضد استوکس می‌گویند. شکل زیر تفاوت پراکندگی ریلی، استوکس و آنتی استوکس را نشان می‌دهد.

 

                                                                     

                                                                 انواع پراکندگی رامان، از چپ به راست، ریلی، استوکس، آنتی استوکس                                                                   

 

   برخی از کاربردهای مهم طیف سنجی رامان

        1- شناسائی و جداسازی برخی از ترکیبات آلی و معدنی
         2-تعیین ساختار شیمیائی ترکیبات
         3-تعیین شرایط مرزی برای میدان الکتریکی در نزدیکی سطح

با توجه به توانایی‌های لیزر از جمله قابلیت تشدید، تمرکز و اهمیت این خواص در رابطه با پدیده رامان، لیزر به عنوان منبع مناسبی برای طیف سنجی رامان به شمار می‌رود. در این روش عموماً از لیزرهای آرگون و کریپتون استفاده می‌شود. (چون موج پیوسته بالایی دارند). البته اغلب لیزرهای رنگینه‌ای قابل تنظیم در پراکندگی رامان به کار برده می‌شوند.

 

این نکته را هم باید اضافه کرد که مدهای ارتعاشی فعال در فروسرخ تغییر دو قطبی الکتریکی مولکول را شامل می شود، در صورتی که مدهای ارتعاشی فعال در رامان تغییر در قطبش پذیری را شامل می شود که در آن بردار الکتریکی نور فرودی، گشتاور دو قطبی را به نمونه القا می کند. بنابراین بعضی از مدهای ارتعاشی به وسیله طیف سنجی فروسرخ قابل انداز گیری هستند و برخی به وسیله طیف سنجی رامان. 

 

 

2) طیف سنجی فرابنفش و مرئی

 

این طیف سنجی طیف الکترونی ماده را مشخص می‌­کند چون برهمکنش پرتو فرابنفش با ماده از نوع انتقالات الکترونی است. از طرفی چون محدوده مرئی و فرابنفش بسیار نزدیک به هم هستند. معمولا این دو طیف‌­سنجی توسط یک دستگاه با یک منبع نوری و آشکارساز انجام می‌­شود.

برانگیختگی الکترونی به معنای انتقال الکترون از یک اوربیتال مولکولی پیوندی به اوربیتال مولکولی ضدپیوندی است.

اتم­‌ها اوربیتال­‌های اتمی دارند که در اثر کنار هم قرار گرفتن آن­ها دیگر اوربیتال­‌های اتمی پاسخگوی ساختار و چیدمان الکترونی جدید نیستند و بنابراین در اثر برهمکنش اوربیتال­‌های اتمی، اوربیتال­‌های مولکولی ایجاد می‌­شوند. اوربیتال­‌های مولکولی به دو دسته پیوندی و ضد پیوندی تقسیم می‌­شوند.

به پایدارترین حالت الکترونی ماده حالت پایه (ground state) گفته می‌­شود. اگر انرژی انتقال الکترونی تامین شود (مثلا در اثر تابش الکترومغناطیس)، الکترون از سطح انرژی پایین (اوربیتال پیوندی) به سطح انرژی بالا (اوربیتال ضد پیوندی) منتقل می­‌شود که به این حالت، حالت برانگیخته (excited state) گفته می‌­شود. این انرژی مورد نیاز توسط تابش­‌های فرابنفش و مرئی می‌­تواند تامین شود اما تابش فروسرخ فقط می­‌تواند ارتعاش ایجاد کند و قادر به انتقال الکترون نیست. به همین دلیل است که به طیف­‌هایی که توسط نورهای فرابنفش و مرئی ایجاد می­‌شود طیف­‌های الکترونی گفته می‌­شود. در حالت برانگیخته مولکول سطح انرژی بالاتری داشته و نوعی ناپایداری در آن به وجود می­‌آید. همچنین در اثر برانگیختگی الکترون اسپین خود را حفظ می­‌کند. 

آن چیزی که در این طیف سنجی مهم است، زمانی است که از حالت پایه به حالت برانگیخته می رود و در این حالت طیف الکترونی را ایجاد می کند که ما می توانیم در محدوده ی فرابنفش و مرئی آن را مطالعه کنیم. اتم ها فقط تراز انرژی الکترونی دارند، اتم های داخل مولکول ها دارای نوسان و ارتعاش هستند. بنابراین علاوه بر تراز الکترونی، تراز ارتعاشی نیز پیدا می کنند. علاوه بر این مولکول حول مرکز جرم خود می چرخد که این مورد نیز تراز چرخشی ایجاد می کند.
دستگاه‌­های طیف‌­سنجی فرابنفش – مرئی انواع مختلفی دارند که در شکل زیر نمایش داده شده است اما همه آن­ها دارای سه جز اصلی منبع نوری، تکفام‌­ساز و آشکارساز هستند. تکفام‌­سازها و آشکارسازهای مختلفی وجود دارند اما منبع نوری معمولا ثابت و یک لامپ دوتریوم است که محدوده فرابنفش را پوشش دهد و اگر قرار باشد طیف‌­سنجی مرئی به صورت همزمان انجام شود از یک لامپ دوم تنگستنی برای پوشش ناحیه مرئی استفاده می­‌شود. جنس محفظه نمونه بسیار مهم است و برای طیف­‌سنجی مرئی می‌­توان از شیشه و پلاستیک استفاده کرد اما چون این ماده در ناحیه فرابنفش جذب دارند از  محفظه­‌های کوارتزی برای منطقه UV استفاده می‌­شوند. با وجود گران بودن کوارتز در دستگاه‌­هایی که به صورت همزمان طیف­سنجی UV-Vis انجام می‌­دهند برای جلوگیری از نیاز به تعویض محفظه از محفظه­‌های کوارتزی برای ناحیه مرئی هم استفاده می­‌شود. 

کاربرد طیف سنجی فرابنفش در نانوفناوری:

این طیف‌­سنجی ارزان و قابل اطمینان بوده و آماده‌­سازی سختی ندارد. تعیین پایداری نانوذرات پخش شده در یک سیال یکی از متداول‌­ترین کاربردهای این نوع طیف­سنجی در نانوفناوری است. با کلوخه شدن و افزایش اندازه ذرات جذب کاهش می­‌یابد پس می­‌توان با مطالعه طیف فرابنفش آن در زمان­‌های مختلف مدت زمان پایداری نمونه را بررسی کرد.

 

3) طیف سنجی فوتوالکترون و پرتوX

طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، روشی به منظور بررسی سطح نمونه تا عمق حدود 100 انگستروم از نظر آنالیز عنصری، ترکیب شیمیایی و تعیین حالت پیوندی است. با توجه به این نکته که انرژی جنبشی الکترون های گسیل شده بر اثر یونیزاسیون یک ماده با فوتون تکفام پرتو ایکس مورد اندازه گیری قرار می گیرد، طیف فوتوالکترون های آن ماده، بر مبنای تعداد الکترون های گسیلی برحسب انرژی ترسیم می شود. انرژی فوتوالکترون های هر نمونه آزمون، مشخصه ی اتم های تشکیل دهنده ی آن است، بنابراین اندازه گیری انرژی جنبشی این فوتوالکترون ها معیاری برای تعیین عناصر موجود در آن نمونه است.

آنالیز XPS، در حقیقت یک روش شیمیایی کمی و کیفی است که در آن سطح نمونه ی جامد و قسمتی از عمق نمونه تحت تاثیر بمباران یونی قرار گرفته و نوع و ترکیب شیمیایی عناصر موجود در سطح نمونه قابل استخراج است. همچنین شناسایی حالت شیمیایی گونه های سطحی (از جمله حالت اکسایش عنصر) نیز از قابلیت های این آنالیز است.

شناسایی حالت شیمیایی و الکترونی عناصر ماده مانند تمایز قائل شدن بین اشکال سولفاتی و سولفیدی عنصر گوگرد از انحرافات اندکی در انرژی جنبشی و اندازه گیری میزان غلظت نسبی آن عنصر با توجه به شدت فوتوالکترون های مربوطه امکان پذیر است. از این روش در طیف وسیعی از صنایع چون هوافضا، الکترونیک، ارتباطات و حمل و نقل و غیره میتوان بهره برد.

 

 

 

4) تشدید مغناطیسی

 

رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) نامی برای مطالعه جذب تابش فرکانس رادیویی توسط هسته است. عبارت NMR ساده شده Nuclear Magnetic Resonance است. این روش برای مطالعه و تعیین ساختار ترکیب مواد و یا سنتز شیمیایی استفاده میشود. روش آنالیز NMR موثرتر از روش های دیگر طیف سنجی مولکولی است اما به دلیل بالا بودن هزینه های آنالیز مانند روش طیف سنجی مادون قرمز(FT-IR) متداول و در دسترس نیست. در مجموع نمی­توان از کاربرد  NMRدر پزشکی، دارویی، صنایع غذایی، شیمیایی و کشاورزی چشم پوشی کرد. اساس این روش بر مبنای اندازه گیری، تابش الکترومغناطیس، در محدوده فرکانس رادیویی 4 تا 1000 مگاهرتز(MHZ) است. برخلاف دیگر روش های طیف سنجی مانند (FT-IR) و UV/Visible، که در آنها الکترون در فرایند جذب و انتقال انرژی درگیر است، در NMR هسته اتم درگیر فرایند جذب است.

به طور کلی در روش آنالیز NMRنمونه در یک میدان مغناطیسی قوی خارجی قرار می گیرد. انرژی هسته عناصر مشخص به علت خواص مغناطیسی که دارند، به حداقل دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می شود. الکترون ‌ها نیز همانند هسته عمل می ‌کنند. یعنی بین ترازهای الکترونی انتقالاتی صورت میگیرد. درست مانند انتقالات الکترونی که در نتیجه جذب تابش فرابنفش یا مرئی اتفاق می افتد. در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است. ولی در صورتی که اتم‌ ها در معرض میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار بگیرند، حالت تبهگن سیستم کم می شود. (در فیزیک اگر دو (یا چند) حالت فیزیکی وجود داشته باشند که سطح انرژی آنها یکسان باشد به آنها حالت­های چندگانه یا تبهگن می‌گویند.) حال اگر میدان ناپدید شود، اتم تشدید کرده و تابش‌ هایی را از خود نشر می‌ کند که به آن تشدید مغناطیس هسته می ‌گویند.این سیگنال ها در بخش آشکار ساز دستگاه  NMRشناسایی و اندازه گیری می­شوند. برای شناسایی کمی و کیفی ساختمان یک مولکول و گروه های عاملی منحصر به فرد آن، می توان این تشدید را ارزیابی کرد.

 

موارد استفاده NMR:

شناسایی ساختار ترکیبات آلی، معدنی و زیستی

تعیین گروههای عاملی در یک مولکول

مطالعه رفتار ماکرومولکولهای زیستی نظیر پروتئین ها

آنالیز نمونه های نفتی

آنالیز نمونه های غذایی، داروئی

مطالعه ترمودینامیکی واکنش‌های مختلف

 

آماده سازی نمونه ها برای آنالیز NMR:

از الزامات انجام آنالیز NMR  آن است که نمونه ها باید محلول باشد.  در  روش1H NMR حلال های خاصی استفاده می شوند که دارای پروتون نیستند و در آن ها به جای هیدروژن، «دوتریم» وجود دارد. از آنجاییکه این حلال ها فاقد اتم هیدروژن می باشند در طیف NMRنامرئی هستند به زبان ساده تر مزاحمت شیمیایی حلال حذف می گردد. محلول نمونه در یک لوله شیمیایی ویژه به نام تیوب NMR در مرکز مغناطیسی تحت چرخش قرار می گیرد،تا محلول یکنواخت تری برای آنالیز آماده شود معمولا از تترا متیل سیلان (TMS) به عنوان ماده مرجع برای جابه جایی شیمیایی در NMR استفاده می شود، به این صورت که جابه جایی شیمیایی آن صفر در نظر گرفته می شود. کلروفرم دو تره ( کلروفرمی که به جای هیدروژن های آن دوتریمD جایگزین شده است) بیشترین استفاده را درآنالیزNMR برای ترکیبات غیر قطبی دارد. برای ترکیبات قطبی تر حلال های دوتره ی دیگری ( نظیر استونACETON دی متیل سولفوکسید و آب سنگین) به کار می رود. 

 

مفاهیم پایه

دنیای نانو و ذرات بسیار کوچک، جهانی را به دنیا نشان داده است که بسیار جالب، شگفت امگیز و کاربردی در همه ی صنایع و جنبه های زتدگی می باشد. اما برای درک بهتر این دنیا و استفاده از پتانسیل های آن باید درکی صحیح از آن داشته باشیم. 

در این قسمت به معرفی نانوساختارها پرداخته می شود تا با دیدی باز بتوانیم به قابلیت این علم و روش های رسیدن به تکنولوژی آن بپردازیم. 

نانوساختار کوانتومی

 

هنگامی که اندازه ی یک ماده به کمتر از 100 نانومتر می رسد، تغییرات مهمی در خواص آن مشاهده می شود. اگر یکی از ابعاد تا محدوده ی نانو کوچک شود و سایر ابعاد ماده بدون تغییر بماند در این وضعیت یک "نقطه ی کوانتومی" خواهیم داشت. اگر ماده را در دو بعد تا ابعاد نانو کوچک کنیم. آنگاه ساختار حاصل یک سیم کوانتومی خواهد بود. اگر سه بعد یک ماده را تا کمتر از 100 نانومتر کوچک کنیم، چاه کوانتومی خواهیم داشت. از آنجاییکه تغییرات در خواص این ساختارها ناشی از طبیعت کوانتوم - مکانیکی فیزیک در ناحیه ی فراکوچک می باشد، واژه ی کوانتوم به نام این ساختارها اضافه می شود. 

 

ساخت نانوساختارهای کوانتومی

 دو روش برای ساخت وجود دارد، روش "پایین به بالا" و "بالا به پایین" .

رهیافت پایین به بالا، گردآمدن، یکپارچه شدن و شکل گیری اتم ها و مولکول های منفرد به صورت یک ساختار است. این عملیات به صورت سلسله ای از واکنش های شیمیایی که به وسیله ی کاتالیست ها کنترل می شوند، انجام می گیرد. 

رهیافت بالا به پایین با یک الگوی بزرگ مقیاس آغاز می شود و به آرامی تا رسیدن به بعد مورد نظر، ابعاد آن کاهش می یابد. لیتوگرافی روشی است که برای این رهیافت انجام می شود. در این روش تشعشع از میان صفحه ای مسطح و سوراخ دار به روی سطحی که با یک ماده ی حساس به نور به نام رزیست روکش شده است، تابانده می شود. سپس لایه ی رزیست برداشته می شود. روی سطح چند عملیات شیمیایی انجام می گیرد تا نانوساختار تولید شود.

                     

                                      

                                                                              مراحل لیتوگرافی و ساخت نقطه کوانتومی

 

     با استفاده از روش لیتوگرافی می توان ساختارهای کوانتومی پیچیده تری ساخت. به عنوان مثال می توان از یک ساختار چاه کوانتومی چند لایه شروع کرد. بر سطح آن یک رزیست قرار داد و یک لایه پوشش که 6دایره روی آن بریده شده است، بر روی رزیست قرار داد. سپس  با انجام تمام مراحل لیتوگرافی، آرایه ای از نقاط کوانتومی خواهیم داشت.          

 

بررسی حرکت الکترون رسانس با تغییر اندازه و ابعاد

 

"اندازه و ابعاد چه تاثیری بر خواص مواد می گذارد؟" این پرسشی است که محققین پس از ساخت نانوساختارها از خود می پرسند تا بتوانند نانومواد را کاربردی کنند.   

برای بررسی تاثیر اندازه بر تعداد اتم های سطحی روابط زیر داده می شوند:

N_s=12n²

 N_T=8n³+6n²+3n

d=na

که در آنها a: ثابت شبکه ، N_s: تعداد اتم های سطحی، N_T: تعداد کل اتم ها، d:بعد مکعب، n: تعداد سلول واحد در هر ضلع

 

با توجه به روابط بالا برای مقادیر کوچک n، درصد بزرگی از اتم ها روی سطح قرار می گیرند که این وضعیت یکی از عوامل اصلی ویژگی های متفاوت نانوساختارها نسبت به مواد حجیم است. 

مسیر آزاد میانگین در فلزات به شدت به ناخالصی بستگی دارد. در فلزات مقدار پراکندگی باید در محدوده ی 2 تا 50 نانومتر باشد. البته در نمونه های با درجه ی خلوص بالا این مسیر طولانی تر خواهد بود. مقاومت یک رسانا یا نیمه رسانای چند بلوری تشکیل شده از میکروبلورک هایی با قطرهایی که بسیار بزرگتر از مسیر آزاد میانگین هستند مشابه با شبکه ای از مقاومت های متصل به هم است. اما هنگامی که ابعاد میکروبلورک ها به مقدار پراکندگی می رسد، مقاومت عمدتاً به مرزهای پراکنده کننده ی میان بلورها بستگی خواهد داشت. 

انواع مختلف نقص ها در یک شبکه می تواند حرکت رو به جلوی الکترون ها را مختل کند و در نتیجه رسانایی الکتریکی را محدود کنند. مانند تهی جا ها و نابجایی ها. اما نانوساختارها به قدری کوچک هستند که نمی توانند نقص های داخلی داشته باشند. 

دیگر اثر اندازه، از میزان آلاییدگی یک نیمه رسانا ناشی می شود. برای مرتبه های آلاییدگی نوعی 10¹⁴ تا 10¹⁸ دهنده بر سانتی متر مکعب، یک نقطه ی کوانتومی مکعبی به ضلع 100 نانومتر به طور متوسط ^1-10 تا 10³ الکترون رسانش خواهد داشت. بدین معنی است که به طور متوسط از هر 10 نقطه ی کوانتومی تنها یک نقطه یکی از این الکترون ها را دارا خواهد بود. 

 

حال نکته ای دیگری که در این مورد وجود دارد، هنگامی که ابعاد جسم، بزرگ و ماکروسکوپی باشد، الکترون های رسانش جایگزیده نیستند و آزادانه در سراسر محیط رسانایی حرکت می کنند. اگر یک یا چند بعد را به قدری کوچک کنیم که به چند برابر فواصل بین اتمی در شبکه برسد، وضعیت تغییر می کند و آنها محدودیت را تجربه می کنند. به عنوان مثال، قطر سیم های کوانتومی در ابعاد نانومتر است، بنابراین حرکت حامل ها در ابعاد عرضی محدودیت دارد و در جهت طول آزاد است. 

محدودیت الکترون ها به طیفی از انرژی های گسسته و از لحاظ کیفی مشابه منجر می شود. از اینرو بسیاری از خواص فلزات و نیمه رساناها به طور قابل توجهی با تغییر بعد، تغییر می کند. 

 

کابردها

برای فعالیت آشکارسازهای نوری فروسرخ از گذارهای فروسرخ استفاده شده است که دارای ترازهای انرژی چاه های کوانتومی هستند. تابش فروسرخ فرودی الکترون ها را به نوار هدایت بالا می برد. شارش جریان الکتریکی حاصل، میزانی برای شدت تابش فرودی است. پاسخ آشکارساز، جریان الکتریکی تولید شده بر وات تابش فرودی است. 

 

لیزرهای نقطه کوانتومی:

آشکارسازهایی که در بالا شرح داده شد، به حضور ترازهای انرژی گسسته در یک چاه کوانتومی که می توان در آنها گذارهایی در ناحیه فروسرخ القا کرد، بستگی دارد. عملکرد لیزر به حضور ترازهای گسسته انرژی نیازمند است. نور گسیل شده از لیزر تکفام و همدوس است. لیزرهای چاه کوانتومی و سیم کوانتومی ساخته شده اند که از این گذارهای گسیل لیزری استفاده می کنند. این وسیله الکترون های رسانشی دارند که برای آن ها محدودیت و جایگزیدگی در ترازهای گسسته ی انرژی به ترتیب در یک بعد و دو بعد اتفاق می افتد. 

فعالیت یک لیزر به محیط حاوی اتم های فعال با ترازهای انرژی گسسته نیاز دارد که بین آنها گذارهای گسیل لیزر اتفاق می افتد. در یک لیزر حالت جامد اتم های نئودیوم نقش اتم های فعال را بازی می کنند. اما در لیزر کوانتومی، اتم های فعال نقاط کوانتومی هستند. 

 

ابررسانایی:

ابررساناها خواصی بروز می دهند که مشابه با همان خواص در نقاط، سیم ها و چاه های کوانتومی است. این وضعیت به این دلیل است که مقیاس طول های مشخصه ی آن ها، یعنی طول همدوسی و عمق نفوذ، در محدوده ی نانو می باشد. 

طول همدوسی که فاصله ی جفت های کوپر(جفت الکترون در حالت مقید) در حالت ابررسانایی است در محدوده ی نانو می باشد. بنابراین می توان حامل های اصلی ابرجریان را نانوذره نامید. می توان جریان های گردابی در ابررساناها را نیز مانند سیم کوانتومی در نظر گرفت. زیرا آنها یک واحد کوانتومی شار مغناطیسی را در جهت عرضی محصور کرده اند، اما در جهت طولی هیچ محدودیتی ندارند.  

 

 

نانوساختار حجیم

تعریف:

مواد نانوساختار حجیم جامداتی هستند که ریزساختارهایی با اندازه ی نانو دارند. واحدهای اصلی این جامدات نانودرات هستند. این نانوساختارها به دو صورت هستند: 

نانوساختار جامد نامنظم و نانوساختار بلوری

 

نانوساختار جامد نامنظم:

در این نوع نانوساختارها، محور های تقارن نانوذرات به صورت رندوم نسبت به یکدیگر جهت گیری کرده اند و موقعیت فضاییشان تقارنی نشان نمی دهد. روش های مختلفی برای ساخت این نوع نانوساختارها وجود دارد.

1) تراکم و یکپارچه سازی: 

در این روش مخلوطی از پودرها با یکدیگر مخلوط و آسیا می شوند و سپس ماده با یک قالب به مدت 24 ساعت و در فشار 1 گیگاپاسکال فشرده می شود. و در نهایت این ماده ی متراکم به مدت 30دقیقه و در دمایی در حدود 400 درجه ی سانتیگراد و فشاری تا 870 مگاپاسکال در معرض فشرده سازی گرم قرار می گیرد. یکی از ویژگی های مهم نانوساختار حجیم نامنظم تغییرات مهم در خواص مکانیکی آنهاست و به ساخت مواد مستحکم تر به علت افزایش تنش تسلیم، می انجامد. 

 

2) ذوب ریسندگی با قرقره سرد:

در این روش فلز ذوب شده با پیچه های گرم RF از میان دهانه ای عبور داده می شود. این جریان به طور پیوسته روی سطح یک درام فلزی چرخنده و تحت جوی از گاز بی اثر پاشیده می شود. این فرآیند تیغه ها یا نوارهایی با ضخامتی بین 10 تا 100 میکرومتر تولید می کند. 

 

                                                                               

3) ریزسازی گازی : 

در این روش باریکه ای پرسرعت از گاز بی اثر به یک فلز مذاب برخورد می کند و با انتقال انرژی جنبشی به ذرات فلز مذاب، باعث پراکندگی ریزی از قطرت فلز می شود. از این روش در ساخت مقادیر زیاد پودر نانوساختار استفاده می شود. این پودرها برای متراکم سازی حجیم در معرض متراکم سازی گرم قرار می گیرد. 

 

                                                       

 

4) لایه نشانی الکتروشیمیایی:

در این روش یک ورقه نانوساختار را می توان با قرار دادن دو الکترود در یک الکترولیت (ترکیبی از لایه مورد نظر، مثلاً CuSO₄ برای تشکیل لایه ای از مس) و اعمال ولتاژ بین دو الکترود تولید کرد. لایه مورد نظر بر روی الکترود تیتانیومی منفی نشست می کند. 

 

خواص نانوساختار حجیم:

نانوساختارهای حجیم به علت ویژگی های بهبود یافته و کاربردهای امیدوارکننده ی بالقوه، در مقایسه با ساختارهای دانه درشت با ترکیبی مشابه، توجه زیادی را جلب کرده اند.

پیشرفت های اخیر در روش های ساخت این نوع نانوساختارها نیاز به درک پدیده های اساسی و ویژگی های مهم آن ها را برانگیخته است. تحقیقات بر روی ساخت و خصوصیات نانوساختار حجیم یکی از زمینه های در حال ظهور در سیستم های ساختاری پیشرفته است.  

 

خواص مکانیکی:

نانوساختار حجیم ویژگی های مکانیکی خوبی نشان داده اند، مانند استحکام و سختی که در موردهایی با اندازه دانه ای درشت و ساختار مشابه دیده نشده است. این ویژگی به اندازه دانه ای بسیار خوب نانوساختارها نسبت داده می شود. بیشتر مواد نانوساختار حجیم کاملاً ترد هستند و تحت کشش، تغییر شکل پلاستیک آنها کم است و نوعاً در اندازه ی دانه ای کمتر از 30 نانومتر افزایش طول چند در صدی دارند. به عنوان مثال، مس با دانه های درشت بسیار تغییر شکل پذیر است و قابلیت ازدیاد طول آن تا 60 درصد است. اما اندازه گیری های انجام شده روی نمونه هایی با اندازه ی دانه ای کمتر از 30 نانومتر، افزایش طولی بیشتر از 30 درصد به وجود نمی آید. 

مدول یانگ یکی از کمیت های تعیین کننده خواص مکانیکی است که تنش و کرنش را به هم مرتبط می کند. هرچه مقدار مدول یانگ بزرگتر باشد، کشسانی ماده کمتر است. جالب است که بدانید مقدار این کمیت برای مواد نانوساختار و ساختاز حجیم برابر است، تا اینکه اندازه ی دانه ها بسیار کوچک شود. به عنوان مثال در مورد آهن، مدول یانگ هنگامی کاهش می یابد که اندازه ذرات به کمتر از 20نانومتر برسد. 
استحکام تسلیم کمیت دیگری است که مورد بررسی قرار می گیرد. استحکام تسلیم با کاهش اندازه افزایش می یابد. دلیل این افزایش این است که مواد با اندازه دانه ی کوچکتر، مرزهای دانه ای بیشتری دارند که این مرزها مانع حرکت نابجایی ها می شوند.

بیشتر این اندازه گیری ها روی نمونه های ذره ای یکپارچه شده ای انجام گرفته است که تنش پسماند بزرگی دارند و به سبب داشتن پیوندهای ذره ای ناکامل که حرکت نابجایی(ناحیه ای از شبکه که در آنجا انحراف شبکه از ساختار منظم تا چند برابرفواصل شبکه ای امتداد دارد) را محدود می کنند، ترک برمی دارند. با وجود این، مس نانوساختار که به وسیله ی لایه نشانی الکتروشیمیایی تهیه شده است، تقریباً هیچ پسماندی ندارد. افزایش طولی آن تا 30 درصد می باشد. این نتایج بر اهمیت شیوه های فرآوری و اثر ترک ها(ناحیه ای از ماده است که در آنجا بین اتم های مجاور هم در شبکه هیچ پیوندی برقرار نیست) و میکروساختارها بر روی خواص مکانیکی اندازه گیری شده تاکید می کند. 

 

خواص الکتریکی:

برای اینکه مجموعه ای از نانوذرات یک محیط رسانا تشکیل دهند، باید با یکدیگر تماس الکتریکی داشته باشند. به عنوان مثال، نانودرات طلا که به وسیله ی مولکول هایی طویل به یکدیگر متصل شده اند، یک شکل از مواد نانوساختار حجیم می باشد که رسانا است. نتایج اندازه گیری بر روی خوشه های بدون ارتباط و یک زنجیره ی متصل، افزایش رسانایی را نشان می دهد. ساز و کار رسانش برای چنین سیستم هایی، تونل زنی الکترون از یک خوشه به خوشه ای دیگر است.  

ابررسانایی نیز با تغییر اندازه ی دانه ای تغییر می کند. بررسی ها افزایش جریان بحرانی را نشان داده است. 

 

خواص شیمیایی:

واکنش پذیری نانوذرات به تعداد اتم های خوشه بستگی دارد. انتظار می رود چنین رفتاری در مواد نانوساختار نیز مشاهده شود تا امکان محافظت آنها در مقابل خوردگی و اثرات زیانبار اکسیده شدن مثل تشکیل پوشش اکسید نقره ی سیاه روی نقره، فراهم شود. مقاومت افزایش یافته در برابر اکسید شدن به تعداد زیاد مرزهای مشترک و این حقیقت که پخش اتمی در دمای بالا در مواد نانوساختار سریعتر اتفاق می افتد، مربوط است. دمای ذوب مواد نانوساختار هم تحت تاثیر اندازه ی دانه قرار می گیرد. 

 

خواص نوری و خواص مغناطیسی نانوساختارها نیز با تغییر اندازه ی دانه ها و تغییر وضعیت مرزها در آنها تغییر می کند.

 

 

بلورهای نانوساختار:

 

حال میخواهیم به بررسی خواص بلورهای ساخته شده از آرایه های منظم نانوذرات بپردازیم. به عنوان مثال بلور بور 12 اتمی که ساختار 20وجهی دارد، یک نانوساختار بلوری منظم طبیعی است. البته نانوبلورهای مشابه دیگری همچون ترکیب فولرین c₆₀ نیز وجود دارد.

 

شبکه ی خوشه ها: 

با در نظر گرفتن خوشه ها به صورت ابراتم(تعدادی از اتم ها که در ساختاری منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند)، دسته ی جدیدی از مواد جامد که واحدهای سازنده ی آنها اتم ها هستند طراحی می شود. جامدات ساخته شده از خوشه ها خواص ابررسانایی و مغناطیسی جالبی را نشان می دهد. در حقیقت این ساختارها نوعی نانوساختار بشمار می آید.

 

آرایه های نانوذرات در زئولیت ها:

زئولیت ها مواد متخلخلی هستند که در آنها تخلخل ها آرایش منظمی در فضا دارند. جای دادن نانوذرات در زئولیت ها به تشکیل ساختارهای شبکه مانندی از نانوذرات می انجامد. تخلخل ها برای قرارگیری خوشه های کوچک به اندازه ی کافی بزرگ هستند. خوشه ها در تخلخل ها به وسیله ی برهمکنش ضعیف وان در والسی، بین خوشه و زئولیت، پایدار می شوند. 

 

بلورهایی از نانوذرات فلزی:

هنگامی که اندازه ی بلورها به مرتبه ی طول موج دوبروی الکترون های رسانش برسد، ممکن است خوشه های فلزی خواص الکترونی جدیدی را به نمایش بگذارند. آنها قطبش پذیری اپتیکی بسیار بزرگ و رسانایی الکتریکی غیر خطی با انرژی های گرمایی فعالسازی کوچک نشان می دهند. 

 

بلورهای فوتونی:

یک بلور فوتونی شامل شبکه ای از ذرات دی الکتریک است که فاصله ی آنها از هم، از مرتیه ی طول موج نور مرئی می باشد. چنین بلورهایی خواص اپتیکی جالبی دارند. 

اما تارخچه ی این بلور به سال 1987 برمی گردد. هنگامی که جان و یابلونوویچ نظریه ی ساخت شبکه ای را با فواصلی که نور بتواند در آن بازتاب های براگ را متحمل شود، ارائه کردند. برای نور مرئی لازم است ابعاد چنین شبکه ای حدود نیم میکرومتر باشد. 

چنین بلورهایی را باید به صورت مصنوعی و با روش های لیتوگرافی باریکه ی الکترون یا لیتوگرافی پرتوی x ساخت. این مواد به گونه ای طراحی شده اند که در ثابت دی الکترونیک شان، تقارن و خصلت تناوبی وجود داشته باشد. روش دیگر ساخت این بلورها، روی هم چینی ورقه های ریزتراشکاری شده ی سیلیکونی در فواصل یکسان است. 

توصیف رفتار نور در این بلورهای فوتونی با حل معادلات ماکسول در یک ساختار دی الکتریک دوه ای مرتبط است. زیرا بین فوتون ها برهمکنش خیلی کمی وجود دارد و پیش بینی های کاملاً دقیقی از رابطه ی پاشندگی امکانپذیر است. رابطه ی پاشندگی، وابستگی بسامد یا انرژی به طول موج می باشد. نمودار رابطه ی پاشندگی وجود یک گاف نواری فوتونی را نشان می دهد که این نوار محدوده بسامدهایی است که در آن انرژی الکترومغناطیسی نمی تواند در شبکه منتشر شود. پایین این گاف، توان نوری، شدید است و مشابه با عبارات "نوار هدایت" و "نوار طرفیت"، این ناحیه "نوار دی الکتریک" نامیده می شود. بالای گاف ممنوعه توان نوری کم است و ناحیه ای وجود دارد که "نوار هوا" نامیده می شود. 

با برداشتن یک ردیف از میله ها، یک نقص خطی در شبکه ایجاد می شود و این ناحیه مانند یک موجبر عمل می کند. در این حالت یک بسامد مجاز در گاف نواری وجود خواهد داشت. این حالت با آلاییدگی n و p نیمه رساناها مشابه است. یک موجبر انرژی الکترومغناطیسی را محصور می کند و آن را وادار می کند که در یک جهت شارش یابد. برخلاف فیبر نوری، نور در هدایتگر بلور فوتونی می تواند در گوشه های تیز بچرخد، زیرا بسامد نور در موجبر در گاف ممنوعه واقع است و نور نمی تواند به داخل بلور فرار کند. 

 

نانوساختارهای کربنی

یکی از شگفت انگیزترین موادی که بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است نانوساختارهای کربنی می باشد و این به علت ماهیت پیوند کربنی آنها می باشد. تاکنون انواع مختلفی برای این ساختارها معرفی شده است: فولرین، نانولوله های کربنی، نانوربان ها، 

 

فولرین:

فولرین ها ساختاری توپ مانند دارند با ترکیبات c₆₀،c₇₀،c₂₀،c₈₄ . یکی از پایدارترین و فراوان ترین فولرین ها مولکول c₆₀ می باشد. این مولکول از آرایش متقارن 12 وجه 5ضلعی و 20 وجه 6ضلعی تشکیل شده است. این مولکول های توپ مانند در حالت جامد به هم متصل می شوند تا یک شبکه ی بلوری با ساختار مکعبی مرکز سطحی را به وجود آورند. 

 

                                                                                   

                                                                                                 نمایی از مولکول c₆₀

 

 

                                                                        

                                                                                             نمایی از ساختار و پیوند مولکول c₆₀

 

 

در شبکه فاصله ی هر مولکول c₆₀  از همسایه اش یک نانومتر است و به وسیله نیروی ضعیف وان دروالس متصل به هم نگه داشته می شوند.

c₆₀  خواص شگفت انگیزی از خود نشان داده است. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1) در ساختار مکعبی مرکز سطحی فولرین 26درصد حجم سلول واحد خالی است. بنابراین اتم های دیگر به راحتی می توانند در این فضا قرار بگیرند. تاکنون آزمایشات بسیاری در جهت آلایش فولرین ها با عناصر قلیایی و بررسی خواص آنها انجام شد. به عنوان مثال ترکیب k₃c₆₀ از نظر الکتریکی رسانا است در حالی که فولرین عایق است. یا با قرار دادن برخی داروها یا آنزیم ها درون این فضای خالی از آنها به عنوان حامل دارو و رساندن آن به نقطه ای مورد نظر در بدن استفاده کرد.  

2) این مولکول استحکان فیزیکی بالایی دارد. به گونه ای که پس از تحمل فشار 3000 اتمسفر دوباره به شکل اولیه خود برمیگردند. از این رو از آنها به عنوان تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها استفاده می شود.

3)  روان کاری در مقیاس نانومتری از خواص دیگر این مولکول است. از آنجاییکه مولکول های c₆₀ با نیروی ضعیف واندر والسی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند ، مانند لایه های گرافیتی، بنابراین از آن می توان به جای گرافیت جهت روان کننده استفاده کرد. 

 

 

نانولوله های کربنی:

جالب ترین نانوساختار کربنی با قابلیت کاربرد فراوان نانولوله های کربنی هستند. می توان نانولوله ی کربنی را به صورت یک ورقه ی گرافیتی تصور کرد که به شکل یک لوله پیچیده شده است و چگونگی پیچش ان تعیین کننده خواص نانولوله می باشد. 

 

انواع نانولوله های کربنی: تک جداره (SWCNT) چند جداره (MWCNT) . 

ساختار نانولوله های کربنی: زیگزاگی، مبلی، کایرال

روش های تولید: تبخیر سطحی لیزری، قوس الکتریکی، لایه نشانی شیمیایی با بخار

• اگر در فرایند تولید از هیچ کاتالیستی استفاده نشود، نانولوله های چندجداره تولید می شوند. 
• پس از فرآیند تولید، مخلوطی از انواع مختلف نانولوله (فلزی، نیمه رسانا) تولید می شود. 

روش های برش: آسیا کاری گلوله ای، برودتی، اکسیداسیون شیمیایی تحت رفلاکس و امواج مافوق صوت(مخلوط اسید سولفوریک-اسید نیتریک یا اسید سولفوریک- پروکسید هیدروژن)

باید این نکته نیز در نظر گرفته شود که تولید نانولوله های کربنی به همراه ناخالصی می باشد. بنابراین پس از تولید برای استفاده بهینه لازم است ناخالصی ها از بین بروند. این کار به روش های فیزیکی و شیمیایی انجام می شود.

 

 

                                                                    

 

خواص نانولوله های کربنی:

• خواص الکتریکی نانولوله های کربنی به قطر و کایرالیتی(پیچش) آن ها بستگی دارد و با افزایش قطر لوله، گاف نواری کاهش می یابد. به طور کلی ساخت نانولوله ها باعث ایجاد مخلوطی می شود که دو سوم آن ها نیمه رسانا و یک سوم فلز هستند. انتقال الکترونی روی نانولوله های کربنی تک جداره ی منفرد که بین دو الکترود قرار دارد، اندازه گیری شده است. نتیجه شکل پله مانندی را در نمودار ولتاژ-جریان نشان می دهد. این وضعیت مشابه ترانزیستور اثر میدان ساخته شده از نانولوله است. می توان با افزایش تدریجی ولتاژ گیت، الکترون ها را تک به تک به لوله اضافه کرد. در حالت فلزی، رسانندگی لوله ها بسیار بالا است. یک از دلایل اصلی رسانندگی بالای آن ها این است که برای پراکنده کردن الکترون ها نقص های خیلی کمی دارند، بنابراین مقاومت کمی دارند. جریان های زیاد این لوله ها را گرم نمی کند. مقاومت مغناطیسی نانولوله های کربنی نیز با افزایش میدان مغناطیسی DC کاهش می یابد و رسانندگی، عکس مقاومت، افزایش می یابد.

 

• خواص مکانیکی نانولوله های کربنی بسیار قابل توجه می باشد. نانولوله های کربنی خیلی مستحکم اند و مدول یانگ بالایی دارند و این خصوصیت ایجاب می کند که نانولوله ها خیلی سفت باشند و خم کردن آنها سخت باشد. اما شعاع کوچک نانولوله ها اثر سفت بودن آنها را خنثی میکند و به آنها خاصیت ارتجاعی می دهد. علاوه بر این، چون در ساختار نانولوه های کربنی تعداد خیلی کمی نقص وجود دارد، بر اثر خم شدن شکست اتفاق نمی افتد. دلیلی دیگر برای شکسته نشدن نانولوله ها این است که وقتی آن ها به شدت خم می شوند، ساختار حلقه های کربنی تقریباً شش گوشی در دیواره ها تغییر می کند اما نمی شکنند. این حالت نتیجه ی منحصر به فرد این حقیقت است که پیوندهای کربن-کربن، هیبرید sp² دارند و این پیوندها حین خم شدن میتوانند دوباره هیبرید شوند. 

 

• خواص حرارتی نانولوله های کربنی نیز بررسی شده است و نتایج نشان می دهد که نانولوله ها رسانندگی بسیار بالاتر از گرافیت و الماس دارند. و همین طور رسانایی حرارتی نانولوله های تک جداره کمتر از نانولوله های چند جداره می باشد. این نانولوله ها هادی گرمایی خوبی در جهت محور نانولوله هستند و عایق های خوبی در جهت عمود بر محور هستند. به دلیل این خاصیت، نانولوله ها خواص گرمایی مواد ترمومکانیک را بهبود بخشیدند.

 

• خواص شیمیایی نانولوله های کربنی بر کاربرد آنها بسیار موثر بوده است. واکنش پذیری آنها با خمیده شدن نانولوله افزایش می یابد. این انحنا باعث اختلال در اوربیتال های پی و سیگا می شود که به هیبریداسیون بین اوربیتال ها می انجامد. از اینرو واکنش پذیری نانولوله ها مستقیماً به اوربیتال پی بستگی دارد و با انحنا افزایش می یابد. بنابراین یک نانولوله با قطر کوچکتر واکنش پذیری بیشتری دارد. با توجه به این خاصیت می توان از آنها در حسگرهای شیمیایی استفاده کرد. 

 

نانوربان های گرافنی:

 

در میان تمام ساختار های کربنی، امروزه ساختارهای مشابه لایه های گرافنی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ساختارها عرضی در ابعاد نانومتر دارند. این نانوساختار ها به روش برش مکانیکی گرافن یا روش اپیتاکسی با استفاده از ماسک های ویژه ساخته می شوند. 

مطالعات نشان می دهد که نانو ربان ها با لبه آرمچیز فلز م نیم رسانا هستند و نانوربان ها با لبه زیگزاگی فلز هستند. 

اهمیت این نانوساختارها در کاربرد آنها در قطعات الکترونیکی و ترانزیستورها می باشد.

نانوذرات

تعریف:

نانودرات خوشه های گسسته از اتم ها در بازه 100-1 نانومتر اس، اگرچه معمولا این اصطلاح به دارای 10⁶ اتم یا کمتر هستند که خواص منحصر به فردی از خود نشان می دهند. آنچه نانودرات بسیار جذاب کرده است، آن است که اندازه آنها از طول بحرانی که ویژگی اختصاصی بسیاری از پدیده های فیزیکی است، کوچکتر است.

همچنان که اندازه ذرات به سمت مقیاس اتمی کاهش می یابد، خواص آن ها نیز تغییر می کند. و این به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم و در نتیجه افزایش نقش اتم های سطحی در ویژگی مواد است. این ویژگی به نانوذرات خواص منحصربفرد فیزیکی، شیمیایی و نوری می دهد که کابرد آن ها را در زمینه های مختلف پزشکی و مهندسی افزایش داده است. 

 

                                                                         

 

                                                                       نانوذرات آلیاژ طلا و پالادیوم در یه یک محیط اسیدی شده با حمایت کربن

 

نانوذرات را می توان براساس ویژگی، شکل و سایز آنها به دسته های مختلفی دسته بندی کرد. این دسته ها شامل فولرین، نانوذرات فلزی،  نانوذرات سرامیکی، نانوذرات پلیمری هستند. ویژگی نوری آنها به سایز آنها بستگی دارد که رنگ های متفاوتی به علت جذب در ناحیه ی مرئی نشان می دهد. واکنش پذیری، سختی و سایر ویژگی ها به سایز ، شکل و ساختار آنها بستگی دارد. 

تعریف

پیشوند نانو در عبارت "نانوفناوری" به معنی یک میلیاردیم (^9-10) است. نانوفناوری با ساختارهای مختلف ماده که دارای ابعادی از مرتبه ی یک میلیاردم متر هستند، سر و کار دارد. وجود وسایل کاربردی و ساختارهایی و ساختارهایی با ابعاد نانومتر تازگی ندارد و در حقیقت قدمت بعضی از ساختارها با عمر زمین برابری می کند. مشخص نیست بشر از چه هنگام به مزیت استفاده از مواد نانویی پی برده است. مشهور است که در قرن چهارم میلادی، شیشه سازان رومی شیشه هایی می ساختند که حاوی فلزاتی با اندازه ای از مرتبه نانو بوده است. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a) جام وقتی از بیرون روشن می شود b) جام وقتی از درون روشن می شود

 

 

 

 

طبقه بندی نانومواد:

 

نانومواد براساس انتشار ابعاد آنها در راستای محورهای مختصاتی در سه دسته زیر طبقه بندی می شوند:

 

1. مواد صفر بعدی : این مواد در هیچ یک از راستاهای محورهای مختصات انتشار نمی یابند. مانند نانوذرات
2. مواد یک بعدی : در این گروه موادی قرار دارند که تنها در یک جهت انتشار می یابند. نانوسیم ها، نانولوله ها و نانوفیبرها در این دسته قرار دارند
3. مواد دو بعدی : واضح هست که این دسته از نانومواد در دو جهت انتشار می یابند. مانند لایه های نازک، نانوربان ها

 

نانوفناوری به تمام مراحل ساخت، شناسایی و استفاده از نانوساختارها گفته می شود. بنابراین تمام دستگاه های ساخت(مانند کوره، لیزر) و دستگاههای مشخصه یابی (مانند طیف سنجی، SEM، TEM) و استفاده از نانومواد در جهت بهبود خواص داروها و ابزارهای مهندسی زیرمجموعه این فناوری رو به رشد هستند. 

اما چرا نانومواد تا این حد مورد توجه قرار گرفته اند، زیرا با تغییر اندازه مواد، خواص جدید و به دنبال آن عملکردی بدیع پدیدار شد. دلیل این امر آن است که هر خاصیت یک ماده دارای یک مشخصه یا طول بحرانی در ارتباط با آن می باشد. برای مثال می توان مقاومت یک ماده را با طول پراکندگی توصیف کرد. این مشخصه در محدوده ی نانومتر است. اگر ابعاد یک ماده قابل مقایسه با این طول باشد مفاهیم اساسی فیزیک و شیمی تغییر می کند.

 

 

 

سرآغاز

از گذشته تا به امروز مفاهیم علمی دستخوش تغییرات بزرگی شده است و در سال های اخیر این تغییرات سرعت بیشتری گرفته است که تاثیرات مثبت و منفی بر سبک زنذگی انسان ها گذاشته است.

نانوذرات از گذشته های دور مورد استفاده بشر قرار می گرفته بدون آنکه متوجه آن باشند. اما بعد از سخرانی ریچارد فاینمن همه به دنیای ذرات کوچک توجه کردند. نانوفناوری توانسته است دریچه ای نو به جهان هستی باز کند، که به عنوان یکی از پیشروترین زمینه های تکنولوژی در علم شیمی، پزشکی، مهندسی شناخته می شود. بنابراین بسیار ضروری است که در این زمینه دانش خود را ارتقا داده تا از تمام جنبه های این علم بهترین استفاده ها شود.

در این وبلاگ سعی بر آن شده است تا علم نانو به گونه ای ساده بیان شود و مطالب علمی و مقالات جدید به اشتراک گذاشته شود. امید است مورد توجه قرار گیرد و خوشحال خواهم شد پیشنهاد و نظرات شما را دریافت کنم.