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.
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:
Ns=12n2
NT=8n3+6n2+3n
d=na
که در آنها a: ثابت شبکه ، Ns: تعداد اتم های سطحی، NT: 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.
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.
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
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.
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.
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.
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:
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.
