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.