نانو تکنولوژی
سیر پیشرفت مواد با ساختار بسیار ظریف یا نانو ساختار
معرفی مواد نانوساختار
تقسیم بندی (Classification):
ساختار
سنتز مواد نانوساختار
خواص
دیفوزیون و سینتر شدن
خواص مکانیکی
خواص مغناطیسی
خواص کاتالیستی
مقدمه :
اولین کسی که مفاهیم نانوتکنولوژی را پیشنهاد نمود، ریچارد فینمن- برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1965 بود. او در سخنرانی تاریخی خود با عنوان “در آن پایین اتاقها (فضاهای) بسیاری وجود دارد” چشم انداز جالبی را از ساخت و ساز در مقیاس اتمی و مولکولی را متصور ساخت. او عقیده داشت در مقیاسهای بسیار کوچک خواص مواد با خواص فعلی اشان فرق می کند و لذا با کنترل ماده در مقیاس اتمی و مولکولی می توان به خواصی از مواد دست یافت که اکنون از آنها استفاده نمی کنیم.
در سال 1974، Taniguchi ایده های فینمن را نانوتکنولوژی نامید. او بین مهندسی در اندازه میکرومتر مانند میکروالکترونیک که در آنها روزها دوران اوجش را می‌گذارند و مهندسی در مقیاس زیر میکرومتر تفاوت قائل شد.
از آن زمان تا کنون تلاش برای کشف خواص جدیدی از مواد در در مقایس نانومتر با سرعت روبه پیشرفت است. دو تا از دستاوردهای بزرگ آن میکروسکوپهای SPM (Scanning Probe Microscope) و کشف آلوتروپی جدیدی از کربن به نام Buckminister Fullerenene یا Buckyball هستند. اختراع میکروسکوپهای SPM که دو تا از معروفترین آنها STM و AFM هستند کار مطالعه و بررسی ساختارهای بسیار ریز و در حد نانومتر را تسهیل کردند و کشف باکی بال ها باعث ایجاد ساختارهای تیوب- مانند شد که در آنها ورقه های گرافیت به شکل لوله در می آیند و دو سر آنها با دو نیم فولرن بسته می شود. ضخامت این لوله ها فقط چند میلیونیم متر یا چند نانومتر و طول آنها به حدود 100 میکرومتر می رسد. این نانولوله ها از فولاد محکمتر اما سبک وزن اند، خم شدنهای پی در پی، تابیدن و پیچیدن را تحمل می کنند، می توانند به اندازه مس رسانای الکتریسیته و یا مانند سیلیسیم خاصیت نیم رسانایی از خود نشان بدهند. بهتر از هر ماده شناخته شده دیگری گرما را منتقل می کنند و خاصیت جذب هیدروژن را نیز دارا می باشند.
علم و تکنولوژی نانو در واقع یک نگاه و یک رویکرد جدید در علوم و مهندسی با کنترل ماده از مقیاس اتم و مولکول و یا از مقیاس نانومتر می باشد و لذا در تمامی حوزه های علم و تکنولوژی و صنایع مختلف تحول و تغییر ایجاد خواهد کرد.
سیر پیشرفت مواد با ساختار بسیار ظریف یا نانو ساختار:
در زمینه علم مواد می توان دو مرحله را به عنوان مراحل توسعه و پیشرفت مواد با ساختار Ultrafine یا همان مواد با ساختار نانومتر مشخص کرد.
اولین مرحله را می توان از سال 1870 تا سال 1970 دانست. در این مرحله میکرو ساختار به عنوان پارامتر اصلی کنترل کننده خواص مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی معرفی شد. سرآغاز آن کارهای Sorby روی خواص مکانیکی آهن بود که نشان داده سختی مارتنزیت بخاطر تغییرات آلوتروپیک در آلیاژهای آهن و میکروساختار بسیار ظریف باقی مانده است. پدیده رسوب سختی نیز ارتباط بین میکروساختار و خواص را پیشنهاد نمود. Wilm در سال 1906 آلیاژ Ag-Co-Mg-Mn را کوئینچ نمود و بعد از چند هفته مشاهده نمود که سختی آن بیشتر شده است. بعدها متوجه شدند که این افزایش سختی ناشی از رسوب یک فاز جدید در مقیاس زیر میکرومتر است. در سال های بعد نظریه های عیوب شبکه ایی و مشخصه های آن روی جامدات کریستالی و اختراع میکروسکوپهای با قدرت تفکیک پذیری بالا باعث پیشرفت بسیار زیادی در درک خواص وابسته به ساختار و میکرو ساختار شد.
و دومین مرحله را نیز می توان بعد از سال 1970 دانست. در این زمان Gleiter، Turnball و دیگران با روشهای گوناگون مواد با ساختار بسیار ریز (Ultrafine) یا نانومتری تولید می کردند و سپس خواص آنها را بررسی می نمودند. به عنوان مثال Gleiter و همکارانش توسط روش Inert Gas Condensation پودرهای نانومتری فلزی تولید می کردند و سپس تحت محیط با خلاء بسیار بالا آنها را به صورت دیسکهای کوچکی متراکم می نمودند و آنها را آنالیز می کردند. مطالعات آنها نشان داد که با تغییر آرایش مواد و دستکاری در میکروساختار مواد می توان جامداتی با ساختار اتمی/ الکترونی جدید ساخت. این پیشرفتها ایده های فینمن در مورد نانوتکنولوژی را به حقیقت بیشتر نزدیک کرد.
معرفی مواد نانوساختار (Introduction to Nanostructured Materials):
مواد نانو ساختار جامداتی هستند که اجزای ساختار آنها حداقل در یک بعد در حد نانومتر باشد. در واقع فقط نانوساختار به موادی (فلز، سرامیک، پلیمر، کامپوزیت، نیمه هادی، شیشه) گفته می شود که شامل دانه ها یا کلاسترها یا لایه ها و یا فیلامنت هایی کمتر از 100 نانومتر باشند و در واقع می توان آنها را به چهار گروه زیر تقسیم بندی نمود.