نانو ذرات

[ghxzy]

با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از:
1.افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و2. ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها- یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط‌ شده در نانوکامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترون‌های آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند. علاوه بر این، کوچک‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند. برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که «نانوکره‌های» به‌خوبی شکل‌یافتة سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند. نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است. کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و کربن بلک‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درک نظری رفتار نانومواد- که قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی- نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.اگر چه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام کیتوسان (Chitosan)، که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.
يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد. نانوذرات علاوه‌بر نوع فلزي، عايقها و نيمه هادي‌ها، نانوذرات ترکيبي نظير ساختارهاي هسته‌لايه را نيز در بر مي‌گيرند. همچنين نانوكره‌ها، نانوميله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته ميشوند. نانوذرات در اندازه‌هاي پايين نانوخوشه به حساب مي‌آيند. نانوبلور‌ها و نقاط‌كوانتومي نيمه‌هادي نيز زيرمجموعه نانوذرات هستند. چنين نانوذراتي در كاربردهاي بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوير‌برداري استفاده مي‌شوند.

کاربردها :
گوناگوني مواد نانوذره‌اي به اندازه تنوع كاربرد‌هاي آنها است، زمينه‌هايي كه نانوذرات كاربرد دارند، عبارتند از: ​

1.مواد كامپوزيت​

2.كامپوزيت‌هاي ساختاري
3.كاتاليزور
4.بسته‌بندي
5.روكش‌ها
6.افزودني‌هاي سوخت و مواد منفجره
7.ساينده‌ها
8.کاربرد نانوذرات در باتري‌ها وپيل‌هاي سوختي
9.روان‌كننده‌ها
10.پزشكي و داروسازي
11.دارو رساني
12.محافظت‌كننده‌ها
13.آناليز زيستي و تشخيص پزشكي
14.لوازم آرايشي

　روش‌هاي ساخت:
براي توليد نانوذرات روش‌هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش‌ها اساساً به سه گروه تقسيم مي‌شوند كه در ذيل به شرح هر يك مي پردازيم:

1.چگالش از يک بخار:
روش چگالش از يک بخار شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه‌هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته‌نشين مي‌شوند. مهمترين مزيت اين روش ميزان كم آلودگي است. در نهايت اندازه ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي‌شود. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان (VERL ) و روش سيم انفجاري جزء روش‌هاي چگالش از يک بخار محسوب مي شود.

2.سنتز شيميايي:
استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك محيط مايع حاوي انواع واكنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنين روشي است، در روش‌هاي شيميايي اندازه نهايي ذره را مي‌توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازه مطلوب به دست آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازه ‌خاص كنترل نمود. اين روش‌ها معمولاً‌ كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي‌تواند يك مشكل باشد.

3.فرآيندهاي حالت جامد:
از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي‌توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع ماده آسياب‌كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي‌گيرد. از اين روش مي‌توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي‌شوند.

تعيين مشخصات:
تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز و كاربرد آنها ضروري است. خواص اين تركيبات با استفاده از روش‌‌هاي گوناگوني نظير: ميكروسكوپ‌هاي الكتروني، AFM، طيف‌سنجي فوتوالكترون، Xray و FT-IR و همچنين‌ روش‌هاي تعيين اندازه و سطح ويژه ذرات سنجيده مي‌شود.
نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند، معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي و پليمري و نانوذرات نيمه‌رسانا هستند .

متداولترين نانو ذرات
1.نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي )
2.نانوذرات سراميكي
3.نانو کامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي
4.نانو ذرات فلزي

نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي)

نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور نيمه‌رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون خوانده مي‌شود) را درسه بعد در برمي‌گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي‌شود. در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم موقعيت‌هاي گسسته‌اي از انرژي را اشغال‌ مي‌كنند. به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي‌شود. در مقايسه با سيم كوانتمي که در دو بعد و لايه‌هاي كوانتومي در يک بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند. همچنين اين ترکيبات به دليل بازده كوانتومي بالا در مصارف اپتيكي كاربرد زيادي دارند.

کاربردها:
نقاط كوانتومي نيمه‌هادي با تحريك الكتريكي يا توسط گستره وسيعي از طول موج‌ها در فركانس‌هاي كاملاً مشخصي به فلورسانس مي‌پردازند، ‌به اين شكل كه فركانسي از نور را جذب كرده و در فركانسي مشخص- كه تابع اندازه آنهاست- به نشر نور مي‌پردازند. اين ذرات همچنين مي‌توانند بر حسب ولتاژ اعمال‌شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي كاربردهايي در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي‌دهند) و پيل‌هاي خورشيدي خواهد داشت.
علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.
كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از: ليزرهاي داراي طول موج‌هاي بسيار دقيق
كامپيوترهاي كوانتومي
نشانگرهاي زيستي
روش‌هاي ساخت:
سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، که يكي از روش‌ها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واکنش است.
در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيمه‌هادي يا در نزديك آن پديد مي‌آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري که در دو بعد نانو باشد) استفاده مي‌شد، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذکور حكاكي صورت مي‌گيرد.
در روش سوم، با رسوب‌دهي يك ماده نيمه‌رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيمه‌هادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش ) نقاط «خودآراشده» رشد داده مي‌شوند.

نانوذرات سراميکي
معمول‌ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك‌هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات‌ها يا اكسيد‌هاي سيليكون نيز سراميك هستند)، که عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس، تقسيم مي‌شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد نانوذرات كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازه يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر دارند که به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند. نانوذرات سيليكاتي ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول‌ترين نوع خاك رس که نانوذرات سيليكاتي هستند مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي مي‌باشد

کاربردها:
وقتي اندازه نانوذرات كاهش مي‌يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي قوي‌تر ‌شده و خواص کاتاليستي افزايش مي‌يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان کاتاليزور در زمينه‌هايي نظير باتري‌ها، پيل‌هاي سوختي و انواع فرآيند‌هاي صنعتي قابل استفاده هستند. بيشتر بودن سهم اتم‌ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را تغيير مي‌دهد مثلا سراميك‌هايي كه به طور عادي شكننده‌اند، نرم‌تر مي‌شوند.
سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر حلاليت را افزايش مي‌دهد، براي مثال قدرت تركيبات ضد باكتري را بهبود مي‌بخشد.
اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در کارايي و کاربرد آنها دارد. ايجاد خواص آبدوستي وآبگريزي جزء روش‌‌هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي‌شوند. براي نمونه، نانوذرات سيليكاتي براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي‌توان با استفاده از يون‌هاي آمونيوم يا مولكول‌هاي بزرگتري نظير سيلسزكيوكسان‌هاي اليگومريك چند وجهي (POSS )، كه هم براي روكش‌دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد.
مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي با پليمريزاسيون يا به وسيله آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب‌توجهي را حاصل مي‌آورند.
روش‌هاي ساخت:
نانوذرات سراميکي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست ميآيند.

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي
​

نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف
​

نانوکامپوزيت نانوذره‌اي سراميکي ترکيبي است که در آن نانوذرات سراميکي در داخل يک زمينه پليمري توزيع شده اند.
خواص وکاربردها:
استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزيتي مي‌تواند استحكام آنها را افزايش و يا وزن آنها را كاهش دهد، ‌مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را زياد کند، خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بيفزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگر تشعشعات را تغيير دهد. يكي از خواص كامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي سراميکي در صنعت بسته‌بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است. اين خاصيت ناشي از شكل دانه‌اي نانوذرات است كه مولكول‌ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم‌هاي ماده مي‌نمايند. پركننده‌هاي سيليكات دانه‌اي نيز مي‌توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن صرفاً در يك جهت به دو جهت تغيير دهند.
هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك‌رس) به عنوان پركننده در پلاستيك‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با پراكنده‌سازي تنش‌ها استحكام فوق‌العاده‌اي را به وجود مي‌آورند، ‌آب‌رفتگي، تاب برداشتگي (در كامپوزيت‌هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي‌يابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شيميايي افزايش ‌يافته، بازيافت اين مواد آسانتر مي‌شود. پركننده‌هاي خاك‌رس با مقدار پركننده‌كمتري نسبت به پركننده‌هاي معمولي، استحكام را افزايش مي‌‌دهد. مثلاً با افزايش 5 درصداز پركننده‌هاي نانورُس به كامپوزيت‌ها همان نتيجه‌اي حاصل مي‌شود، كه با افزايش 20 درصد از پركننده‌هايي همچون الياف شيشه‌اي به دست مي‌آيد. همچنين ميزان پركننده را مي‌توان بدون تغيير در خاصيت چكش‌خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با پركننده‌هاي متعارف ممكن نيست.

نانوذرات فلزي :
​

نانوذرات آهن ساخته شده به روش چگالش گاز​

​

طبق تعريف عمومي نانوذرات فلزي، ذراتي به ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.
روش ساخت:
نانوذرات فلزي با استفاده از روش‌هاي چگالش بخار و سيم انفجاري بدست ميآيند

خواص و کاربرد:
اين نانوذرات مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند ( تحت نام پخت) در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار منجر به سهل‌تر شدن فرآيند توليد روكش‌ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن‌ها مي‌گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده‌اي تبديل مي‌شوند و هزينه ساخت را كاهش مي‌دهند.

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي
نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي (باتوجه به خواصشان) با پليمر بدست مي‌آيند​

نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف​

خواص و کاربرد:
اين نانوکامپوزيت‌ها، به دليل ممانعت خوبي که در مقابل تداخل الکترومغناطيسي به وجود مي‌آورند، مي‌توانند در رايانه و تجهيزات الکترونيکي به کار روند.
نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي قابليت‌هاي ويژه‌اي در هدايت گرمايي والکتريکي دارند که کارايي آن‌ها را افزايش مي‌دهد.​

​

 

[ghxzy]

نانوپودرها از مهم‌ترین محصولات فناوری‌نانو با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به تولید مواد منفجره با پتانسیل بالاتر، رنگ‌ها و روکش‌ها، پلیمرها و بیوپلیمرها، واسطه‌های شیمیایی، چسب‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، ساینده‌ها، ابرساناها و غیره اشاره کرد. با توجه به اینکه کاربردهای زیادی برای نانوپودرها در زمینه‌های مختلف وجود دارد، لذا توجه فراوانی روی روش‌های تولید نانوپودرها تمرکز یافته است.
روش‌های رایج برای کاهش اندازه ذرات شامل آسیاب‌کاری، خشک کردن پاششی و تبخیر حلال است؛ هرکدام از این روش‌ها دارای معایبی نظیر تغییر کیفیت به علت اثرات حرارتی یا شیمیایی، توزیع گسترده اندازه ذرات، مصرف زیاد حلال، و مشکلات زدودن حلال می‌باشند. برای مثال فرایند خشک کردن پاششی می‌تواند از لحاظ حرارتی موجب تخریب ترکیبات شود، یا در فرایند آسیاب‌کاری، توزیع گسترده ای از اندازه پودرها حاصل شود و در روش‌های تبخیر حلال/ امولسیون، زدودن حلال‌های باقی‌مانده مشکل باشد. بنابراین ترکیبات خاص مثل مواد منفجره، واسطه‌های شیمیایی، پیگمنت‌ها و رنگ‌ها به دلیل حساس بودن نمی‌توانند در چنین فرایندهایی به کار روند.
اخیراً سیال‌های فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده به عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرایند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده می‌تواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و پارامترهای بحرانی آن ( PC= 73. 9 bar , TC= 31. 1˚C) در یک دستگاه صنعتی به سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی، کنترل دقیق فرایند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار‌ ریز و یکسان (از نظر اندازه) با مورفولوژی‌های مناسب را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرایند، باعث جلب توجه زیاد به سمت آن شده است. به طورکلی این سیال‌ها در تکنولوژی‌های تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل‌شونده، و آنتی‌حلال و کمک حلال مصرف می‌شوند. جدول (1) مقایسه بین روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های موجود را برای تولید نانو و میکروذرات، از نظر اندازه نشان می‌دهد.
روش‌های تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
a) انبساط سریع سیال فوق بحرانی (RESS)
جدول1. مقایسه اندازه ذرات حاصل از روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های تولید نانو و میکروذرات
تکنیک اندازه ذره (میکرومتر)
500-1000 150- 500 50-150 10-50 < 10 < 1
Cutting mills Yes Yes No No No No
Crusher Yes No No No No No
Universal and pin mills Yes Yes Yes Yes No No
Hammer mill Yes Yes Yes Yes No No
Mechanical mills with internal classifier No Yes Yes Yes No No
High-compression roller mills and table roller mills No No No Yes Yes No
Jet mills No No No Yes Yes No
Dry-media mills No No No Yes Yes No
Wet-media mills No No No No Yes Yes
Recrystallization from solutions Yes Yes Yes Yes Yes Yes
Spray drying -- -- -- -- Yes Yes
Supercritical fluid Yes Yes Yes Yes Yes Yes
انبساط سریع سیالات فوق بحرانی (RESS) یک تکنیک کریستالیزاسیون است که از خواص یک سیال فوق بحرانی مثل CO2 به عنوان یک حلال برای تسهیل تولید نانوپودر استفاده می‌کند.
مطابق شکل (1) ،
فرایند RESS از طریق وارد کردن CO2 مایع با دما و فشار بالا به منظور دستیابی به سیال فوق بحرانی آغاز می‌شود. سیال فوق‌ بحرانی سپس در اتوکلاو با حل ‌شونده مخلوط می‌شود. در این سیستم، سرعت جریان تا زمانی مهم است که تعادل ترمودینامیکی برقرار نباشد. مرحله بعدی مستلزم کاهش فشار مخلوط از فشار بالا به فشار اتمسفری به وسیله نازل است. این کاهش سریع فشار موجب هسته‌زایی (به وسیله کاهش قدرت انحلال حلال) می‌شود. زمانی که CO2 گازی در شرایط محیط قرار می‌گیرد، مواد حل‌شونده رسوب می‌کنند و در یک مخزن جمع می‌شوند. سپسCO2 از طریق یک دریچه به بیرون از محفظه منتقل، و نهایتاً تصفیه و بازیافت می‌شود. مورفولوژی نانوپودرها و کریستال‌ها هر دو به ساختار ماده و پارامترهای حاکم بر فرایندRESS (دما، افت فشار، هندسه نازل و. . ) وابسته است. از جمله مطالعات انجام شده می‌توان به تولید ریز ذرات پلیمری نظیر پلی‌کاپرولاکتون و پلی‌متیل متاکریلات توسط Lele و Shine، تولید نانوذرات CdS (سولفید کادمیم) توسط Sun، تولید نانوپودرهای سرامیکی از جمله آلومینا و سیلیس اشاره نمود.
فرایند RESS دارای مزایای متعددی است. هرچند این فرایند در فشارهای بالا اتفاق می‌افتد اما دمای مورد نیاز نسبتاً پایین است. مزیت دیگر این فرایند نبود خطرات محیطی است. البته بزرگ‌ترین مزیت آن قابلیت ساخت ذرات بسیارکوچک در مقیاس میکرو و نانو با توزیع اندازه ذرات مناسب و عاری از حلال است. از معایب اصلی فرایند می‌توان به نسبت بالای گاز/ماده به واسطه حلالیت پایین ماده، نیاز به فشار بالا و مشکل جدایش ذرات زیرمیکرون از حجم بزرگی از گاز در مقیاس صنعتی اشاره کرد

b) فرایند آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)


فرایند آنتی‌ حلال فوق بحرانی از سیستم‌های دوتایی حلال/ آنتی‌حلال برای تولید میکروپودرها و نانوپودرها استفاده می‌کند. در این روش، سیال فوق بحرانی (به طور مثال CO2) به عنوان یک آنتی حلال عمل کرده، باعث متبلور شدن جسم حل‌شونده می‌شود. دو تکنیک اساسی برای این فرایند وجود دارد که در ذیل شرح می‌شوند.

​

​

1.عملیات ناپیوسته
در این تکنیک یک سیال فوق بحرانی، به عنوان آنتی حلال سبب ترسیب جامدات می‌شود. جامدات ابتدا در یک مایع حل می‌شوند و یک سیال برای ترسیب ذرات جامد افزوده می‌شود. افزایش سریع سیال، موجب کاهش ناگهانی دانسیته مایع و انبساط حجمی آن شده، باعث می‌شود که مخلوط مایع به حالت فوق اشباع برسد و ماده حل‌شونده به صورت ذرات میکرو یا نانومتری رسوب کند .
​

​

مزیت این تکنیک کنترل اندازه ذرات از طریق سرعت تزریق آنتی حلال، غلظت اولیه مواد در محلول، و دما است. در فرایند ناپیوسته، پروفیل انبساط حجمی مایع تابعی از دما، پروفیل فشار، نوع حلال و آنتی حلال، و قدرت همزن است.

2.عملیات نیمه پیوسته یا پیوسته

به طور کامل در تکنیک‌های آنتی حلال ناپیوسته، به دلیل حذف شدن فاز مایع تکنیک‌ آنتی حلال پیوسته توسعه داده شده است. در تکنیک‌های آنتی‌ حلال پیوسته مثلاً سیستم‌های استخراج حلال آئروسل (ASES) ، فازهای مایع و فوق بحرانی به طور پیوسته به داخل یک محفظه وارد می‌شوند. قطرات مایع خیلی کوچک، در ابعاد زیر میلی‌متر، با یک مقدار مازاد از سیال فوق بحرانی برخورد می‌کنند.
شکل (3) فرایند آنتی‌حلال پیوسته را نشان می‌دهد. برای تولید قطرات مایع کوچک در نازل، محلول مایع در فشار bar 20 بیشتر از فشار کاری محفظه تبلور پمپ می‌شود. محدوده اندازه ذرات تولید شده از 0. 1 تا 250 میکرون قابل تغییر است. در فرایند آنتی‌ حلال پیوسته، اثر متغیرهای دما، فشار، غلظت محلول تزریقی، طبیعت حلال‌های مایع و سیال فوق بحرانی بر خواص فیزیکی محصول، بررسی و بهینه می‌شود
.
​

​

از فرایند SAS برای تولید ترکیبات منفجره، کاتالیست‌ها، ابررساناها، پلیمرها، نانواسفرها یا میکرواسفرها، میکروفیبرهای با قطرهای 0.01 µm بیشتر و برخی ترکیبات دارویی استفاده می‌شود. در سال 1988 Schmid توانست ذرات تریامسینولون با قطر 5-10 µm را با استفاده از حلال THF تولید کند . در سال 1992، Krukonis و همکارانش توانستند از فرایند SAS برای تبلور و جداسازی دو ماده منفجره RDX و HMX استفاده کنند .

تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی(PGSS)

در تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی، از یک سیال فوق بحرانی، به عنوان یک جسم حل‌شونده برای ایجاد تبلور در یک محلول استفاده می‌شود. فرایند PGSS برای ساخت نانوذراتِ با توانایی کنترل توزیع اندازه ذرات به کار برده می‌شود. نیروی محرکه فرایند PGSS، افت ناگهانی دمای محلول تا زیر نقطه ذوب حلال است. با این عمل، محلول از فشار کاری به شرایط اتمسفری تغییر وضعیت می‌دهد، که در نتیجه آن می‌توان اثر ژول ـ تامسون را مشاهده کرد. سرمایش سریع محلول موجب تبلور جسم محلول شده، هسته‌زایی هموژن برای تشکیل ذرات به وجود می‌آید. فرایند PGSS یک فرایند دو مرحله‌ای است در این فرایند، محلولی از ذوب کردن محصول مورد نظر، تحت اثر سیال فوق بحرانی ایجاد می‌شود. این شرایط موجب افزایش حلالیت SCF در محلول مایع حاصل می‌شود، به طوری که یک محلول اشباع گازی به دست می‌آید. در این مرحله محلول به تعادل و یکنواختی می‌رسد و سپس تا شرایط اتمسفر منبسط می‌شود. یک ***** در محفظه انبساط، پودرهای تولید شده را جمع‌آوری می‌کند. محصول به دلیل عاری بودن از حلال نیاز به شست‌وشو ندارد و می‌توان SCF را در صورت نیاز برگشت داد.
Rodrigues و همکاران اثرات چشمگیر تغییرات فشار بر روی مورفولوژی ذرات را نشان داده‌اند. در فشارهای بالاتر، 16-18 Mpa مورفولوژی ذرات حاصل به صورت کروی خواهد بود. وقتی فشار به 12-14 Mpa افت می‌کند، مورفولوژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند. ذرات حاصل پهن‌تر هستند و برجستگی‌های سطح آنها گسترش می‌یابد. این برجستگی‌ها میخی شکل هستند و در نتیجه افت‌ فشار، تمایل به بزرگ‌تر شدن دارند. ​

​

شکل6. شماتیک فرایند DELOS
شکل 6 فرایند سه مرحله‌ای ساده DELOS نشان می‌دهد. مرحله اول عبارت از انحلال ماده حل‌شونده در داخل حلال آلی است. انجام این مرحله در درون یک محفظه مقاوم به فشار صورت می‌گیرد. این محفظه برای به دست آوردن دمای عملیاتی مورد نیاز گرم می‌شود. وقتی مرحله اول کامل شد، سیال فوق بحرانی پیش‌گرم شده داخل حلال حل می‌شود تا فشار عملیاتی مورد نیاز حاصل شود. در این حال زمان کافی برای محلول سه جزئی فراهم می‌شود تا به تعادل و دمای کار برسد. بعد از رسیدن به تعادل، محلول در فشار اتمسفری منبسط می‌شود. نیتروژن خالص در داخل محفظه محلول پمپ می‌شود تا فشار عملیاتی را در مدت انبساط حفظ کند. یک ***** در بالای محفظه انبساط قرار می‌گیرد تا پودرهای حل‌شده را جمع ‌کند. پودرهای حاصل می‌توانند با استفاده از سیال فوق بحرانی خالص شست‌وشو شوند و حلال‌های مورد استفاده در این فرایند نیز به آسانی جدا و در صورت نیاز برگشت داده شوند
جدول2. مقایسه انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
DELOS PGSS SAS RESS
کمک حلال حل شونده آنتی حلال حلال نقش سیال فوق بحرانی
دما دما حلالیت فشار نیروی محرکه
- پایین متوسط بالا فشار گاز مصرفی
بالا پایین- متوسط پایین- متوسط بالا فشار
بلی خیر بلی خیر حلال
آسان آسان آسان مشکل جدایش جامد/گاز
مشکل خیر مشکل خیر جدایش حلال/گاز
3 مرحله 2 مرحله 3 مرحله 2 مرحله مدت فرایند
میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو اندازه ذره
بلی بلی بلی بلی انکپسولاسیون

زمانی که فرایند تبلور از طریق DELOS به یک افت دمای بزرگ وابسته است، بازده روش می‌تواند از طریق افزایش مقداری از سیال فوق بحرانی مورد استفاده، زیاد شود. با وجود این، مشکل محدودیت در مقدار مورد استفاده از سیال فوق بحرانی وجود دارد. اگر این محدودیت بروز کند، فرایند DELOS امکان‌ناپذیر خواهد بود و در عوض تبلور از طریق فرایند SAS اتفاق می‌افتد. وقتی غلظت سیال فوق بحرانی به غلظت محدودکننده می‌رسد، اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات به حداقل می‌رسد. بنابراین کنترل اندازه ذرات از طریق کنترل غلظت سیال بحرانی امکان‌پذیر است. از طریق این روش ذراتی در مقیاس نانو، میکرو و ماکرو قابل دست‌یابی خواهند بود.
جدول (2) خلاصه‌ای از انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی و مقایسه آنها را نشان می‌دهد.

نتیجه‌گیری
​

شکل5. تصاویر میکروسکوپ الکترونی ذرات کامپوزیتی Theophilline/HPO تشکیل شده توسط فرایند PGSS در a: 18 مگاپاسکال و b: 14 مگاپاسکال
شکل (5) همچنین نشان می‌دهد که کاهش فشار باعث افزایش تجمع و انباشتگی ذرات می‌شود. این اختلاف‌ در مورفولوژی‌ها می‌تواند به واسطه تفاوت در شروع هسته‌زایی باشد. در فشارهای پایین‌تر، هسته‌زایی در فرایند انبساط سریع سیالات فوق بحرانی زودتر شروع می‌شود این امر موجب به وجود آمدن ساختارهایی رشته مانند خواهد شد؛ جهت به دست آوردن ذرات کروی، نیاز به فشارهای بالاتر است. بنابراین هسته‌زایی در فرایند انبساط دیرتر شروع می‌شود. اگرچه تغییر فشار تأثیر
قابل توجهی در مورفولوژی ذرات دارد، اما هیچ اثری روی اندازه یا توزیع اندازه ذرات ندارد.
مزیت مهم فرایند PGSS، نیاز آن به فشار پایین‌ت‌ر در مقایسه با RESS، مصرف پایین‌تر گاز به دلیل نسبت‌های کمتر گاز در مایع، و توانایی تشکیل نانوپودرها بدون نیاز به حلال‌ است که هزینه‌های عملیاتی را در دو حالت کاهش می‌دهد: اولاً اینکه نیاز به حلال‌های شیمیایی گران، کاهش می‌یابد؛ ثانیاً به دلیل به کار نگرفتن حلال‌ها، محصول از خلوص بالایی برخوردار است و نیازی به حذف باقی‌مانده حلال نیست. از دیگر مزایای فرایند PGSS، توانایی تشکیل نانوکامپوزیت‌ها یا ذرات انکپسوله شده است. یکی از عیوب فرایند PGSS، نیاز به یک SCF است که بایستی در داخل یک حلال حل شود. عیب دیگر فرایند PGSS در مشکلات مربوط به حل کردن یک SCF، داخل چندین حلال با حلالیت‌های متفاوت SCF است. این
عیب در هنگام تولید نانوذرات کامپوزیتی یا تولید ذرات انکپسوله شده مهم خواهد بود.

4.کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS)
برخلاف هر روش دیگر، روش کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده، فرایندی است که برای تشکیل نانوپودرها از یک سیال فوق بحرانی به عنوان کمک حلال استفاده می‌کند. فرایند DELOS برای حل‌شونده‌های آلی در حلال‌های آلی و مخصوصاً برای تولید پلیمرها، رنگ‌ها و ذرات دارویی مفید است. نیروی محرکه این فرایند، افت شدید و سریع دما است. این اتفاق وقتی می‌افتد که محلول فشرده شده از فشار عملیاتی تا فشار اتمسفر منبسط شود. به لیل اینکه سیستم قبل از شروع انبساط برای رسیدن به تعادل تلاش می‌کند، لذا افت فشار و دما در سراسر محلول یکنواخت است. این افت سریع دما به علت کاهش ظرفیت اشباع محلول، باعث تبلور ذرات حل شده می‌شود.
​

علی رغم نقاط ضعف و قوت نانوذرات اکسید آهن در کاربردهای عملی، SPIO و USPIOها تنها نانوذرات مغناطیسی تأییدشده برای کاربرد‌های پزشکی هستند. محققان در حال بررسی برای یافتن راهی مناسب برای توسعه روشی بهتر در درمان هدایت‌شده مغناطیسی هستند؛ اما ممکن است موانع موجود را نتوان کاملاً حل کرد، به عنوان مثال یکی از راه‌های رفع مشکل ضعف پاسخ مغناطیسی نانوذرات، بیشینه کردن میدان مغناطیسی در نقطه هدف است.
Lbarra garsia و همکارانش، از طریق نشاندن آهن‌رباهای دائمی از صفحات طلا درون اندام مورد نظر کار مشابهی را انجام دادند. این فرایند آنها را به استفاده از این حامل‌های مغناطیسی نانومتری در رساندن عوامل‌های شیمی‌درمانی به تومور‌های درون بدن امیدوار ساخته است. مطالعات اساسی در این زمینه به استفاده از ذرات 20 نانومتری Fe@C و یا 80 نانومتری تا دو میکرومتر Fe2O3- γ / Fe3O4 پوشیده شده از سیلیکا به عنوان عوامل‌های شیمی‌درمانی نظر دارد. نتایج اولیه تحقیقات در بافت‌های بدن موجودات زنده با نانوذرات پوشیده شده با کربن بر روی خرگوش‌های نیوزلندی، نویدبخش آینده روشنی در این زمینه است. آنالیزهای هیستو پاتولوژیکی توانایی رسیدن حامل‌های مغناطیسی به غده‌های درونی کلیه چپ حیوانات مختلف را تأیید می‌کند، این کار به کمک نشاندن یک آهن‌ربا در نزدیکی نقطه مورد نظر انجام می‌گیرد. می‌توان دید که این آهن‌ربا‌ها را پس از خارج شدن از بدن ذرات مغناطیسی پوشانده‌اند، نکته مهم در این زمینه این است که در کلیه راست این حیوانات هیچ ذره‌ای دیده نشده است. (شکل 3)
Garcia Ibarra می‌گوید: "همیشه در آزمایش‌ها مشکلاتی مثل وجود تمرکزی از این نانوذرات در سلول‌های زنده کوپفر کبد، طحال و ریه‌ها هست؛ البته باید توجه داشت که بیشترین محل تمرکز این نانوذرات در جگر است و حا این مسئله به یافتن راهی مناسب برای درمان سرطان است".
مورد دیگر، بهینه‌سازی شکل و قدرت آهن‌ربای خارجی مورد استفاده است که در دانشگاه تگزاس و در مرکز سرطان اندرسون هوستون، با همکاری شرکت NanoBioMagnetics، مورد تحقیق قرار گرفته است. آنها در حال بررسی واکنش‌های مغناطیسی نانوذرات مورد استفاده در درمان سرطان پیشرفته تخمدان - مرحله سه یا چهار که سلولهای بدخیم به صفاق راه پیدا کرده‌اند- و کنترل عملکرد عوامل‌های شیمی‌درمانی به کمک نانوذرات مغناطیسی دارای پوشش سیلیکا تحت اعمال مستقیم یک آهن‌ربای خارجی (میدان مغناطیسی)، هستند. از فواید پیش‌بینی شده این کار، کم بودن میزان آسیب‌رسانی این نوع دارو‌رسانی هدفمند نسبت به داروهای آزاد است. آزمایش‌های اولیه انجام شده بر روی موش با استفاده از آهن‌ربا‌های استوانه ایG 56 و 22 نانومتر، رسیدن ذرات به داخل حفره‌های مورد نظر را تأیید می‌کنند. مطالعات بعدی در این زمینه نشان داده‌ است که نانوذرات مغناطیسی می‌توانند به سمت غده‌های مورد نظر در فضای پرتونئال (pertoneal) هدایت شوند و برخی از آنها اطراف دیواره‌های شکمی جمع می‌شوند. این اثر ناخواسته را می‌توان با تغییر شکل آهن‌ربای استوانه‌ای به هرمی با عرض سه میلی‌متر و قرار دادن آن روی محل غده کاهش داد (شکل4) .
Jim Klostergaard، استاد آنکولوژی مولکولی سلولی درMD Anderson وسرپرست این مطالعات، می‌گوید: ظاهراً اهمیت در طراحی و انتخاب وسیله انتقال بیماری است. در مواردی که هر دو عامل فوق موفقیت‌آمیز نبوده‌اند، احتمال پیشرفت از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای کلینیکی نظریه بسیار ضعیف به نظر می‌رسد".
طبق گفته‌های کریستین پلانک (Christian Plank) از انستیتو آزمایشگاهی آنکولوژی، دانشگاه فنی مونیخ آلمان، بهینه‌سازی طراحی آهن‌ربا، تنها راه حفظ خاصیت آهن‌ربایی نیست. وی در حال بررسی این موضوع است که میکروحباب‌های پرشده از گاز هم می‌توانند به افزایش پاسخ‌دهی مغناطیسی عوامل‌های دارورسانی مبتنی بر SPID کمک کنند. در اینجا نظر باید گفت که ذرات می‌توانند با هم و بدون انبوه‌شدن یا مسدود کردن رگ‌های خونی در یک نقطه خاص متمرکز شوند. عملاً آنها معتقدند که قطر متغیر میکروحباب‌ها (از دو تا پنج میکرون) می‌تواند در استفاده از آنها تأثیر مثبتی داشته باشد. امروه به منظور بهبود تصاویر اولتراسونیک از میکروحباب‌ها در علوم پزشکی استفاده می‌شوند. رزونانس آنها با امواج اولتراسونیکی می‌تواند تصویر محلی که این حباب‌ها در آن قرار دارند را بهبود دهد. در عین حال آزمایش‌های مختلفی برای بررسی قدرت و توانایی میکروحباب‌ها به عنوان عامل دارورسانی در نقاط مختلف بدن مورد ارزیابی قرار گرفته است. به گفته پلانک، بررسی پاسخ‌دهی مغناطیسی میکروحباب‌ها در دارورسانی کاملاً جدید است. دانشمندان و محققان آلمانی در حال استفاده از نانوذرات200 تا صد نانومتری حاوی مقدار زیادی Fe3O4 هستند؛ این ذرات وارد پوسته‌های لیپیدی از حباب‌های پرشده با C3F8 و یک عامل دارویی می‌شوند (شکل 5) .
پلانک می‌گوید: "شما نیاز به نانوذراتی با تولید سفارشی دارید که با دیگر اجزای حباب‌ها سازگار باشند. برخی از نانوذرات مغناطیسی مورد استفاده می‌کنیم با مواد شوینده پوشیده شده، می‌توانند با پوسته‌های لیپیدی حباب‌ها شوند. "
به عقیده او آزمایش‌ها حاکی از آن است که ثبات مغناطیسی حباب‌ها بسیار بیشتر از ثبات مغناطیسی دوز مشابه از نانوذرات مغناطیسی آزاد است.
تست‌های عملی نیز نشان داده‌اند که پالس‌های اولتراسونیکل 1MHz می‌توانند حباب‌ها را ترکانده، باعث آزاد شدن مولکول‌های دارویی یا مواد ژنتیکی درون آنها شود. برای پی‌بردن به این نکته که ساختار عامل درمانی در اثر اعمال اولتراسونیک برای انتقال دارو، ثابت می‌ماند یا خیر، مطالعات بیشتری بر روی حیوانات لازم است.
پلانک می‌گوید: " نگهداری 100 درصد کامل در سایت‌های هدف ممکن نخواهد بود. هدف ما این است که با داشتن یک سیستم حامل بتوانیم عوامل‌های فعال را دقیقاً به فرم ساختاری آنها در نقطه مورد نظر و در جایی که هم میدان مغناطیسی و هم اولتراسونیک اعمال می‌شود، انتقال ‌دهیم. این مورد ممکن است در انتقال اسیدهای نوکلئوئیک امکان‌پذیر باشد. "
محققان دانشگاه شیکاگو و لابراتوار ملی آرگونا (Argona)، ایلینویز نیز به رهاسازی دارو به روش هدف‌یابی مغناطیسی با استفاده از اولتراسونیک علاقه‌مند هستند؛ اما نگرش آنها با آنچه پلانک و همکارانش انجام داده‌اند، متفاوت است؛ آنها برای آب‌گریز کردن نانوذرات مغناطیسی، آن را با اسیداولئیک پوشش می‌دهند، سپس آنها را به همراه یک عامل درمانی در یک ماتریس پلیمری قرار می‌دهند.
اکسل روزنگارت، استاد جراحی اعصاب دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: "ما هم اکنون قادر به ترکیب مقدار زیادی مگنتیت با حامل‌هایی هستیم که مقدار مغناطیده شده آنها از تمام حامل‌های گزارش شده بیشتر است؛ به این معنا که حامل راحت‌تر به سمت هدف مورد نظر حتی بر خلاف جریان خون حرکت می‌کند. "
همانند قبل، استفاده از اولتراسونیک با شدت خاصی که دانه‌های پلیمری را تشدید کند، منجربه شکسته شدن آنها و آزادسازی عوامل‌های درمانی می‌گردد. روزنگارت و همکارانش می‌خواهند از دانه‌های مغناطیسی برای رساندن عامل حل‌کننده لخته‌های خونی "clot-busting" rt-PA، به محل سکته یا حمله درد در بیماری‌های قلبی، استفاده کنند. او توضیح می‌دهد: "تخلخل لخته‌های خونی به خصوص در معرض امواج اولترسونیکی افزایش می‌یابد که این خود سرعت بررسی افزایش می‌دهد؛ بنابراین استفاده از دارورسانی اولتراسونیک بدون انحراف، هداف دارورسانی rt-PA را در آینده افزایش دهد.
یک دوره مطالعه شش‌ماهه بر روی نمونه‌های موش صحرایی به‌منظور عملی شدن طرح تشخیص در نظر گرفته شده است. روزنگارت می‌گوید: " ما از سه سال گذشته بر روی ساخت حامل‌های مغناطیسی تمرکز کرده، فکر می‌کنیم در پیشرفت و ساخت یک نمونه که به خوبی در محیط بدن عمل خواهد کرد، موفق شده‌ایم. همچنین تحقیقات برای بهبود پایداری rt-PA که فعالیتش با اثرات گرمایی اولتراسونیک کاهش نمی‌یابد، ادامه خواهد یافت".
آیا این‌ها برای هدف مورد نظر مناسب است؟
اکنون واضح است که نانوذرات مغناطیسی یک‌اندازه و یک ترکیب، برای همه کاربردهای عملی مناسب نیست. به طوری که یک گزینه مناسب برای جلوگیری از گسترش سلول‌های سرطانی متااستاتیک با استفاده از MRI، حتماً یک عامل مناسب برای شیمی درمانی نیست. به گفته Etienne Duguet، استاد انستیتو Bordeux شیمی مواد چگال فرانسه طراحی عوامل‌های مغناطیسی احتیاج به نگرشی مناسب چندبعدی دارد. در این کار سئوالاتی به ذهن می‌رسد؛ اولین سئوال مربوط به ترکیبات هسته است. آیا رفتارهای مغناطیسی آنها مناسب و کافی است ؟ آیا احتمالاً این مواد در دوز تعیین شده سمی هستند؟ یا پوشش وجود دارد؟ برهم‌کنش ذرات پوشش داده شده با سیالات داخل بدن، بیومولکول‌ها و یا سلول‌ها چگونه است؟ آیا مولکول‌های دارویی می‌توانند در جایی که نیاز است بچسبند و رها شوند؟
Urs Hafeli به طراحان پیشنهاد می‌کند که به جای اینکه ابتدا نانوذرات مغناطیسی هوشمند را سنتز کنند و بعد برای آن استفاده‌های عملی را در نظر بگیرند، از کاربرد شروع کرده، مسیر کاری را وارونه طی کنند. هیچ یک از قسمت‌های فرایند دارورسانی نسبت به بخش‌های دیگر آن مهم‌تر نیست. ما نمی‌توانیم همزمان بیشترین خاصیت مغناطیسی ذرات و بهترین ماتریس رهاسازی دارو و ایجاد ذرات کاملاً تک سایز را با هم داشته باشیم. هر دارو و کاربرد‌های مختلف به خاطر نیازمند بودن به هماهنگی با فضای اطراف خود، به خواص شیمی فیزیکی خاصی نیاز دارند؛ ولی باید اشاره کرد که این فضا هنوز کاملاً شناخته شده نیست
.
​

​

شکل1. محققان دانشگاه مینسوتا در حال تولید نانو ذرات FeCo با ابعاد و شکل‌های مختلف هستند و نیم نگاهی به تنظیم بقیه خواص برای کاربردهای دیگر آن دارند. این ذرات حساسیت بیشتری نسبت به SPIOها دارند
​

شکل 2. تصاویر میکروسکپی HRTEM و EFTEM از نانوذرات اکسیدآهن وآهن پوشیده شده با کربن.
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا، اسپانیا

​

​

شکل3. (a ) نتایج آنالیزهای هیستوپاتولوژی در کلیه سمت چپ. می‌توان دید که نانوذرات با میدان مغناطیسی آهن ربای کاشته شده همراستا شده‌اند.
(b) در این تصویر می توان دید که در عمل هیچ نانو ذره‌ای در کلیه راست دیده نمی‌شود (در این کلیه آهن ربای دائمی نداریم).
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا،اسپانیا)
​

شکل(4) : تصوير MRI از موشي که سلولهاي غده‌هاي دروني تخمدان(HEY) انسان به صورت درماني به آن تزريق شده است .يک تومور در نزديکي ديواره هاي شکمي قرار گرفته است. علاوه بر اين، نانوذرات پاسخگو به ميدان مغناطيسي نيز به بدن اين موش‌ها تزريق شده است و يک آهن رباي دائمي نيز در دو ساعت ابتدايي MRI نزديک محل تومور قرار گرفته است . در تصوير سمت چپ يک آهن رباي دائمي استوانه‌اي با قطر 22 ميليمتر استفاده شده که در آن محور استوانه در راستاي مرکز تومور است. اما در تصوير سمت راست، آهن رباي استوانه‌اي با يک آهن رباي هرمي جايگزين شده که قطر نوک آن در حدود 3 ميليمتر است و در مرکز تومور قرار گرفته است. اين آهن ربا (هرمي) انتخاب‌پذيري بيشتري را در حرکت نانوذرات در ناحيه توموردر ناحيه ديواره‌هاي شکمي از خود نشان مي‌دهد
(کاري از Jim Klostergaard و Jam Bank در مرکز سرطان MD Anderson وCharles Seeney وWilliam Yuill در NBMI)

شکل 5. ميکرو حباب‌هايي با قطر 10 ميکرون، كه از نانوذراتي با پوشش تركيبات صابوني و DNA فلورسنت پرشده‌اند.
در سمت چپ، تصوير ميکروسکوپ نوري (فلورسنت) و در سمت راست، تصوير ميدان روشن ديده مي‌شود. .رنگ قهوه‌‌اي در اين تصوير، بالا بودن بار نانوذرات مغناطيسي را نشان مي دهد. حباب‌ها همچنين حاوي مخلوطي از ليپيدها و يك معرف کاتيوني هستند.

پيشرفت‌هاي سميت‌زدايي ترکيبات آلي کلرداربا نانوذرات آهن
رشد روزافزون جمعيت کشورها و فعاليت‌هاي صنعتي و کشاورزي از يک سو و رعايت نكردن الزامات زيست‌محيطي از سوي ديگر، سبب شده‌است تا در چند دهة اخير، مقادير زيادي از آلاينده‌ها مانند هيدروکربن‌هاي آلي کلردار به‌واسطة عواملي نظير دفع نامناسب پساب‌ها و ضايعات مراکز صنعتي و شهري، استفادة وسيع از آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و. . . ، به منابع آب‌هاي زيرزميني وارد و موجب کاهش کيفيت آب شوند . حلال‌هاي آلي کلردار مثل تتراکلرواتن، تري‌کلرواتن، دي‌کلرواتن و وينيل‌کلرايد از جمله رايج‌ترين آلاينده‌ها هستند. ترکيبات آلي کلردار، که بسيار سمي و غيرقابل تجزية زيستي هستند، جزء شايع‌ترين و متداول‌ترين آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني به شمار مي‌روند . ترکيبات آلي کلردار ضمن ايجاد اثرات سمي بر دستگاه اعصاب، خاصيت سرطان‌زايي نيز دارند .
از اواسط سال 1990، پيشرفت‌هاي مهمي در تبديل آلاينده‌هاي آلي کلردار به محصولات بي‌ضرر نظير متان، اتان، با استفاده از فلزات ظرفيت صفر مثل قلع، روي، پالاديوم و آهن صورت گرفت که آهن رايج‌ترين اين فلزات است. در اين فناوري ابتدا از براده‌هاي آهن و سپس از کلوئيدهاي آهن در اندازة ميکروني استفاده شد .
مطالعات وسيع در 15 سال اخير ثابت کرده‌است که آلاينده‌هاي محيط‌زيست مي‌توانند از طريق اکسيداسيون آهن ظرفيت صفر احيا شوند. بازده سميت‌زدايي، قيمت پايين و بي‌خطر بودن آهن، باعث توسعة يک روش نوين در احياي آلايندهاي محيط زيست به ويژه در آب‌هاي زيرزميني شده‌است .
عموماً واکنش بين ترکيبات آلي کلردار (CxHyClz) و آهن در محلول آبي به‌صورت زير بيان مي‌شود.

که در آن آهن به عنوان عامل کاهنده در حذف کلر رفتار مي‌کند. اين واکنش مشابه فرايند خوردگي آهن است که در تغيير شکل آلاينده‌هاي کلردار مفيد است . ​

شکل (1) تصوير TEM نانوذرات آهن​

فناوری استفاده از نانوذرات آهن در احیای آلاینده‌های کلردار حرکت جدیدی است که نسبت به روش‌های قبلی بسیار اقتصادی‌تر و کارامدتر است. زمانی که اندازة ذرات آهن به مقیاس نانو کاهش می‌یابد تعداد اتم‌هایی که می‌توانند در واکنش درگیر شوند افزایش، و در نتیجه سرعت واکنش‌پذیری بیشتر می‌شود. این امر موجب می‌شود که نانوذرات آهن قدرت انتخاب‌پذیری بیشتری نسبت به براده‌های آهن داشته باشند.
اگر چه استفاده از نانوذرات آهن به جای میکرو و یا براده‌های آهن در احیای آلاینده‌ها بسیار مؤثر بود و حتی در این فناوری موفق به احیای پرکلرات‌ها شدند که با روش‌های قبلی امکان‌پذیر نبود، ولی مشاهده شده‌است که در بعضی موارد، محصولات واکنش به مراتب سمی‌تر از ماده اولیه هستند. به عنوان مثال از احیای تری‌کلرواتیلن می‌تواند وینیل‌کلراید تشکیل شود که بسیار سمی است .
درمسیر توسعة فناوری‌نانوذرات آهن در اصلاح آب و خاک، گروه ژنگ (zhang) نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم را در سال 1996 سنتز کردند. پس از آن در روش‌های مشابهی از فلزات کاتالیزوری دیگر مثل پلاتین، نقره، نیکل، کبالت و مس برای تهیه نانوذرات دو فلزی با آهن استفاده شد. بررسی نانوذرات دوفلزی نشان می‌دهد که سرعت و بازده سمیت‌زدایی این ذرات بیشتر از آهن است. حضور یک عامل کاتالیزوری باعث می‌شود که سرعت واکنش هالوژن‌زدایی بیشتر و از تشکیل محصولات جانبی سمی جلوگیری شود.

روش آزمايشگاهي
سنتز نانوذرات آهن از ابتکاراتي است که اولين بار در سال 1996 توسط ژنگ انجام شد. در اين روش، آهن فريک به‌وسيله بوروهيدرايد سديم طبق احيا مي‌شود .
براي تهيه نانوذرات دوفلزي آهن- پالاديوم، نانوذرات آهن تازه‌تهيه‌شده به محلولي از اتانول و استات پالاديوم اضافه مي‌شوند. اين امر منجر به ته‌نشيني پالاديوم بر سطح آهن مي‌شود.

در اين روش از آهن به عنوان فلز پايه و از از پالاديوم به عنوان فلز کاتاليزگر استفاده مي‌شود. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري نانوذرات آهني که به اين روش سنتز شدند، نشان مي‌دهند که بيشتر از 90 درصد ذرات، قطري در حدود يک تا صد نانومتر دارند .
سازوکار نانوذرات آهن
بررسي واکنش‌هاي احياي نانوذرات آهن در محلول‌هاي آبي نشان مي‌دهد که آهن فلزي، يون فرو و هيدروژن گازي احياکننده‌هاي اصلي در محيط هستند. احياي آلاينده‌ها در سطح آهن مي‌تواند از طريق انتقال الکتروني و يا تشکيل هيدروژن انجام شود
بررسي سازوکار نانوذرات دوفلزي Ni-Fe نشان مي‌دهد كه همزمان با قرارگيري ذرات دوفلزي Ni-Fe در يک محلول آبي، يک پيل گالواني تشكيل مي‌شود كه Fe به فلز کاتاليزور الکترون مي‌دهد و Ni به‌وسيلة آهن، حفاظت کاتدي مي‌شود. زماني که آهن اکسيد مي‌شود، با آب تشکيل هيدروکسيد و يا اکسيد آهن مي‌دهد و پروتون‌ها روي سطح Ni به اتم‌هاي هيدروژن و مولکول هيدروژن تبديل مي‌شوند . براساس اين سازوکار، واکنش هالوژن‌زدايي از طريق هيدروژن جذب‌شده بر روي کاتاليزور Ni-Fe به‌سرعت انجام مي‌شود.
​

ترکيب هالوژن‌دار روي سطح ذرات Ni-Fe جذب و پيوند C-Cl شکسته مي‌شود. سپس، اتم کلر جايگزين هيدروژن مي‌گردد (شکل 2) .
شکل (2) تصويري از سازوکار واکنش هالوژن زدايي يک ترکيب آلي کلردار با نانوذرات Ni-Fe ] 2[
با توجه به مطالب فوق، سازوکار نانوذرات دوفلزي در واکنش‌هاي هالوژن‌زدايي موجب تشکيل هيدروژن مي‌شود. در حالي‌که ذرات تک‌فلزي و همچنين مخلوط فيزيکي دوفلز عملکرد متفاوتي دارند. اين موضوع از طريق اندازه‌گيري ميزان هيدروژن توليدشده در آب به‌وسيلة نانوذرات آهن، نانوذرات نيکل، نانوذرات دوفلزي Ni-Fe و مخلوط فيزيکي نانوذرات آهن و نانوذرات نيکل ثابت شده‌است.
شکل (3) مقايسة مقدار هيدروژن توليدشده از واکنش نانوذرات دوفلزي، تک‌فلزي و مخلوط آن‌ها با آب. مربع مربوط به نانوذرات آهن، دايره‌ مربوط به نانوذرات نيکل، لوزي‌، مخلوط فيزيکي نانوذرات آهن و نانوذرات نيکل و مثلث مربوط به نانوذرات Ni-Fe است.
​

مطابق شکل (3) ميزان هيدروژني كه نانوذرات دوفلزي Ni-Fe توليد مي‌كند، بيشتر از بقية ذرات است و اين مي‌تواند به‌دليل تماس الکتروني بين دو فلز آهن و نيکل باشد
​

 

[ghxzy]

شکل (4) ميزان گاز هيدروژن (molμ) که به‌وسيلة نانوذرات Ni-Fe در آب و در يک دورة زماني طولاني توليد شده‌است
​

این شکل نشان مي‌دهد که سرعت تشکيل هيدروژن در ابتداي واکنش به‌شدت افزايش يافته و با گذشت زمان، سطح آهن غيرفعال و سرعت واکنش کند مي‌شود .
محصولي که در ابتدا از کلرزدايي تري‌کلرو‌اتيلن به‌وسيلة نانوذرات Ni-Fe به دست مي‌آيد، شامل اتيلن و بوتن است که با پيشرفت واکنش، آلکان‌هاي زنجيره‌اي و شاخه‌دار (C1-C8) علاوه بر اولفين‌ها تشکيل مي‌شوند. پس از يک دورة زماني طولاني، آلکن‌ها به طور کامل احيا مي‌شوند و آلکان‌هايي با تعداد کربن زوج، مثل بوتان، هگزان و اکتان توليد مي‌کنند. محصولات داراي کربن زيادتر به‌علت شکستن پيوند C-C به‌وسيلة کاتاليزور Ni تشكيل مي‌شوند .
نتيجه‌گيري

مطالعات انجام‌شده بر روي هالوژن‌زدايي ترکيبات آلي کلردار به‌وسيلة آهن، نشان مي‌دهد که مرحله تعيين کننده سرعت، مرحلة انتقال الکترون به مولکول جذب سطحي شده‌است. اين سازوکار بيان مي‌کند که سرعت احياي دي‌کلرو‌اتيلن و وينيل‌کلرايد که پذيرنده الکترون ضعيف‌تري نسبت به تري‌کلرو‌اتيلن هستند، کندتر است. در بررسي تأثير آهن در احياي تري‌کلرو‌اتيلن مشاهده شده‌است که بعضي از محصولات واکنش احيا، مثل وينيل‌کلرايد، مي‌توانند به مراتب سمي‌تر از ترکيبات اوليه‌شان باشند. همان‌طورکه قبلاً بيان شد، واکنش هالوژن‌زدايي آلاينده‌هاي آلي کلردار با نانوذرات دوفلزي از طريق احياي هيدروژن صورت مي‌گيرد. بنابراين، سرعت واکنش احيا به‌وسيله نانوذرات دوفلزي، به مراتب بيشتر از واکنش احيا از طريق انتقال الکتروني است. افزايش سرعت واکنش آلاينده‌ها، از تشکيل محصولات فرعي سمي جلوگيري مي‌کند. همچنين با استفاده از نانوذرات آهن مي‌توان برخي از آلاينده‌هاي بسيار مقاوم مثل پرکلرات را تجزيه کرد.
اين روش به‌راحتي در شرايط محيطي قابل استفاده است و نياز به فراهم نمودن شرايط خاصي مثل دماي بالا وجود ندارد.
نانوساختارهاي اكسيد روي
اكسيد روي عضوي از خانواده ورتزيت و يكي از غني‌ترين نانوساختارها مي‌باشد. اكسيدروي سه مزيت عمده دارد:
اول اينكه نميه‌رسانايي با شكاف باند ev3.37 و انرژي تحريك زياد (60mev) مي‌باشد و همچنين نشر نزديك به ماوراء بنفش دارد. دوم پيزوالكتريك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسيار كاربرد دارد. و در نهايت اكسيد روي زيست‌سازگار و ايمن مي‌باشد و مي‌تواند در كاربردهاي پزشكي به‌راحتي و بدون روكش به كار رود. با اين خصوصيات ويژه اكسيد روي مي‌تواند زمينه‌هاي تحقيقاتي گوناگوني را در آينده ايجاد كند
ذرات اكسيد روي خواصي مانند نيمه رسانايي، پيزوالكتريك و پيروالكتريك از خود نشان مي‌دهند. اين خواص بي‌نظير باعث مي‌شود كه ذرات اكسيد روي يكي از غني‌ترين مواد نانوساختاري باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي فاز جامد- بخار، تحت شرايط ويژه،‌ مي‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسيم‌ها و نانوقفسه‌هايي از اكسيد روي ايجاد كرد. اين نانوساختارها به دليل داشتن خاصيت زيست سازگاری مي‌توانند كاربردهاي جديدي در الكترونيك‌نوري، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشكي داشته باشند.
هنگامي كه در سال 2001 نانوتسمه‌هاي نيمه‌رسانا كشف شدند‌ تحقيقات بر روي نانوساختارهايي كه حداقل داراي يك بعد نانومتری مي‌باشند به سرعت توسعه پيدا كرد، زيرا اين مواد كاربردهاي وسيع و جديدي در اپتيك، الكترونيك نوري،‌ كاتاليزورها و پيزوالكترويك دارند. نانوتسمه‌هاي اكسيدي نيمه‌رسانا گروه بي‌نظيري از مواد با تركيب شيميايي و ساختارهاي بلوري جالب مي‌باشند.
نانوتسمه‌ها از اكسيدهاي نيمه‌رساناي روي، قلع، كادميم و گاليم و با استفاده از تبخير پودرهاي تجاري اكسيد اين فلزات در دماي بالا حاصل مي‌شوند. اين نانوتسمه‌ها خالص، يك شكل و داراي بلورهاي منفرد مي‌باشند. ساختار هندسي ويژه اين شبه‌تسمه‌ها باعث ايجاد بلورهاي اكسيدي نيمه‌رسانا با كاتيون‌هايی با ظرفيت متفاوت و خواص جالب درآنها مي‌شود.
ترانزيستورهاي اثر ميداني، حسگرهاي نانومقياس بسيار حساس گازها و نانوحامل‌هاي ساخته شده از نانوتسمه‌هاي منفرد، نمونه‌اي از آنها مي‌باشند. انتقال حرارتي نيز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گيري شده است. به علت خاصيت پيزوالكتريكي نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهاي سنتزي اخير مي‌توان از آنها در كاهنده‌ها، افزاينده‌ها و حسگرهاي نانومقياس استفاده كرد.
در بين اكسيدهاي كاركردي (Functional)، پروسكيت، دوتيل، فلوئوريد‌كلسيم و ورتزيت، اكسيد روي تنها ماده‌اي است كه هر دو ويژگي پيزوالكتريكي و نيمه‌رسانايي را از خود نشان مي‌دهد. اين ماده ساختارهاي گوناگوني دارد كه بسيار غني‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌هاي كربني مي‌باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي حالت جامد و با كنترل سرعت رشد، دماي رشد موضعي و تركيب شيميايي مواد مي‌توان دستة وسيعي از نانوساختارهاي اکسيدروي را سنتز كرد.

نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي يكپارچه و بدون درز

‌اکسيدروي، نيتريد‌گاليم، نيتريد‌آلومينيم، سولفيد‌روي و سلنيد‌كادميم، چند عضو مهم از خانواده ورتزيت مي‌باشند كه در ساخت مواد پيزوالكتريك، الكترونيك نوري و ليزر اهميت و كاربرد فراوان دارند.
دو ويژگي مهم اين خانواده تقارن غيرمركزي و سطوح قطبي آنها مي‌باشد.
به عنوان مثال اكسيد روي تركيبي است كه به خوبي مي‌تواند طرز قرارگرفتن كاتيون‌هاي Zn2+ را در كنار آنيون‌هاي O2- در يك تركيب چهار وجهي نشان دهد.
اين يون‌ها طوري قرار گرفته‌اند كه بار مثبت در سطح Zn-(0001) و بار منفي در سطح O-(000ī) قرار گرفته است. در نتيجه يك دو قطبي در طول محور مركزي به وجود مي‌آيد و باعث ايجاد اختلاف سطح انرژي بين سطوح مي‌شود.
با كنار هم قراردادن مواد اوليه و با در نظر گرفتن بعضي ناخالصي‌ها مانند اينديم مي‌توان نانوحلقه‌هاي اكسيد روي را سنتز كرد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) به طور كاملاً واضح شكل حلقه‌ها را با سطوح يكسان نشان مي‌دهد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني‌ تونل‌زني(TEM) نيز نشان مي‌دهد كه نانوحلقه‌ها به صورت تك‌بلوري و دايره‌اي هستند. اين ساختارهاي تك‌بلوري به معني تشکیل نانوحلقه‌هاي کامل از روبان تك‌بلوري مي‌باشد. نانوحلقه نتيجه حلقه‌اي‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها مي‌باشد.
رشد ساختارهاي نانوحلقه‌اي را مي‌توان با در نظر گرفتن سطوح قطبي نانوتسمه‌هاي ‌اكسيد روي درك كرد. نانوتسمة قطبي كه سازندة نانوحلقه‌ها است در طول ‍[1010] و روي سطح ‍[1210]± و در بالا / پايين سطوح ‍[0001]+ رشد مي‌كند كه پهناي 15 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر دارند. نانوتسمه‌ها در بالا و پايين سطوح خود بارهاي قطبي دارند. اگر بارهاي سطحي در طول رشد خنثي نشوند، نانوتسمه براي كم كردن بار سطحي به درون خودش پيچ مي‌خورد. يك روش ممكن، قراردادن سطح Zn-(0001) با بار مثبت برروي سطحO-(000ī) با بار منفي مي‌باشد، در نتيجه بارهاي قطبي موضعي خنثي و باعث كاهش بارهاي سطحي مي‌شوند و از روي هم‌قرارگرفتن انتهاي اين نانوتسمه‌ها يك حلقه تشكيل مي‌شود. شعاع حلقه ممكن است در نتيجة بسته شدن اوليه نانوتسمه تعيين شود، اما اندازه حلقه جهت كاهش انرژي تغيير شكل الاستيك نمي‌تواند خيلي كوچك باشد. انرژي نهايي وابسته به عواملي مانند بارهاي قطبي، وسعت سطحي و انرژي تغيير شكل الاستيك مي‌باشد. طول زياد بر همكنش الكترواستاتيك، نيروي اولية پيشران براي بسته شدن نانوتسمه است كه در نتيجه اولين دايره تشكيل مي‌شود.
نانوتسمه در طول رشد مي‌تواند به خاطر برهم‌كنش‌هاي الكترواستاتيك به صورت يك نوار برروي يك نانوحلقه كشيده شود، تا بارهاي قطبي موضعي را خنثي كرده، ناحيه سطحي را كاهش دهد. در نتيجه ساختارهاي نانوحلقه‌اي هم‌محور، چنددايره‌اي و هم‌مركز تشكيل‌مي‌شود. خودآرايي فرآيندي خود به خودي است كه يك نوار به دور خود مي‌پيچد و يك نانوتسمه رشد مي‌كند. كاهش ناحيه سطحي و تشكيل پيوندهاي شيميايي (نيروهاي نزديك) بين دايره‌ها،‌ ساختارهاي دوار پايدار را ايجاد مي‌كند. پهناي نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بيشتر دايره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزايش مي‌يابد.

شکل 1- مدل رشد متناسب نانوحلقه
​

زماني كه رشد در محدودة دمايي ˚C 400-200 انجام شود، با اتصال دايره‌هايي از نانوتسمه به وسيلة پيوندهاي شيميايي به همديگر ساختارهاي نانوحلقه‌اي استوانه‌اي تك‌بلوري تشكيل مي‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها كنار همديگر از نظر انرژي كاملاً مساعد است زيرا بارهاي قطبي درون حلقه‌ها كاملاً خنثي مي‌شوند. اين مدل رشد در شکل (1) نشان داده شده است.
نانوتسمه‌هاي داراي بار سطحي (شکل 2) مي‌توانند به صورت دو صفحة موازي به عنوان خازن به كار روند.

شکل 2- مدل نانوتسمه قطبي
​

يك نانوتسمة قطبي تمايل دارد جهت كاهش انرژي الكترواستاتيك به صورت رول درآيد. شكل حلزوني يا مارپيچ نيز مي‌تواند انرژي الكترواستاتيك را كاهش دهد (شکل 3).
اگر بار سطحي در طول رشد خنثي نشود، قطبش خود به خودي، كه نتيجه ممان دوقطبي است، انرژي الكترواستاتيك را كاهش مي‌دهد، اما تشكيل رول يا حلقة بسته مي‌تواند ممان دو قطبي را كاهش دهد يا‌ آن‌را كاملاً خنثي كند، در نتيجه انرژي الكترواستاتيك كاهش مي‌يابد.
از طرف ديگر خم‌كردن نانوتسمه انرژي الاستيك ايجاد مي‌كند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دايره به دايره رول شوند، نيروي دافعه بين سطوح قطبي در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالي‌كه نيروي تغيير شكل الاستيك، دايره‌ها را به سمت همديگر مي‌كشد. نانوحلزون‌ها متحدالشكل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تك‌بلوري اکسيد روي ساخته شده‌اند
نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي تك‌بلوري ساخته شده از نانوتسمه‌اي ‌اکسيدروي، ساختارهاي القايي خود به خودي قطبي دارند، كه نتيجة چرخش 90 درجه در قطبيت مي‌باشد. اين گونه ساختارها ايده‌آل‌ترين حالت براي درك پيزوالكتريکي و پديدة القاي قطبيت در مقياس نانو مي‌باشند. ساختارهاي نانوتسمه‌اي پيزوالكترويك مي‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشديدكننده‌هاي داراي نانومقياس به‌كار روند.

نانوملخ‌هاي مرتب
تغيير تركيب مواد اوليه به طور مؤثري شكل نانوساختارهاي اكسيد روي را تغيير مي‌دهد. در اين جا از مخلوطي از پودرهاي ‌اکسيدروي و اكسيد‌قلع با نسبت وزني 1:1 به عنوان مواد اوليه براي رشد نانوساختارهاي پيچيده اكسيد‌روي استفاده شده است. شكل (4) تصوير مواد سنتز شده را نشان مي‌دهد كه شامل مجموعه‌اي از نانوسيم‌هاي هم‌محور مي‌باشد كه توسط نانوساختارهاي با شكل بچه وزغ احاطه شده‌اند. رشته‌ها به شكل(liana) هستند در حالي‌كه نانوسيم‌ها به شكل nattan (چوب‌خيزران) مي‌باشند

شکل 3- توليد نانومارپيچ از نانوتسمه قطبي​

اين نانوسيم‌ها پيوندهاي عرضي (جانبي) با ابعاد چند ده نانومتر دارند.
در نوك شاخه‌هاي شبه‌وزغ، توپ‌هاي كروي قرار دارند و شاخه‌ها به شكل يك نوار (روبان) مي‌باشند. نوارهاي حاصله تقريباً ضخيم و داراي سطح زبر مي‌باشند.
دومين رشد بر روي سطوح نانو ملخي باعث رشد نانوسيم‌هاي مرتب مي‌شود. اكسيد‌قلع در دماي بالا به ‌قلع و اكسيژن تجزيه مي‌شود بنابر اين نانوسيم‌ها و نانونوارها از فرآيند رشد بخار- مايع- جامد (VLS) حاصل مي‌شوند، كه ذرات كاتاليزوري‌ قلع به عنوان آغازگر و هدايت‌كنندة رشد نانوسيم‌ها و نانونوارها عمل مي‌كنند. رشد ساختارهاي جديد مي‌تواند طي دو مرحله انجام شود، مرحلة اول شامل رشد محوري نانوسيم‌هاي اكسيد روي حول ‍[0001] مي‌باشد. سرعت رشد بسيار بالاست، كه افزايش خيلي كمي در اندازة قطرات قلع دارد كه تأثير بسياركوچكي بر اندازة نانوسيم مي‌گذارد .

شکل 4- آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي​

بنابراين محور نانوسيم تقريباً شكل يكنواخت در جهت محور رشد دارد. مرحله دوم هسته‌زايي و رشد هم‌بافت يك نانوروبان است كه نتيجة رسيدن قطرات قلع بر روي سطح نانوسيم اكسيد‌روي مي‌باشد. اين مرحله خيلي كندتر از مرحله اول است، زيرا طول نانوروبان كوتاه‌تر از نانوسيم است.
هنگامي كه قلع به حالت مايع و دماي محيط در حد دماي رشد باشد تمايل دارد كه ذرات قلع را جذب و ذرات با اندازة بزرگ‌تر تشكيل دهد

شکل 5- رشد آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي​

بنابراين پهناي نانوروبان افزايش مي‌يابد و اندازة ذرات قلع روي نوک آن بزرگ‌تر مي‌شوند، درنتيجه ساختارهاي شبه وزغ حاصل در زير دستگاه TEM مشاهده مي‌شوند (شکل 5)

الگوي رشد نانوسيم‌هاي مرتب

الگوي رشد مرتب نانوساختارهاي يك بعدي براي كاربرد در حسگرها، الكترونيك نوري و نشر ميداني داراي اهميت و كاربرد مي‌باشد.
رشد مرتب نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي، روي بستر جامد با فرآيند VLS و با استفاده از قلع و طلا به عنوان آغازگر و هدايت كنندة واكنش با موفقيت انجام شده است. جهت‌گيري هم‌بافت (epitaxial) نانوميله‌ها و بستر باعث رشد هم‌راستا مي‌شود. در روش‌هاي ديگر به جاي استفاده از كاتاليزور، از رشد هم‌بافت فاز بخار تركيبات آلي – فلزي، رشد مبتني بر قالب و مرتب كردن تحت ميدان الكتريكي،‌ براي رشد هم‌راستا عمودي نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي استفاده مي شود.
Huang و همكارانش روشي را شرح داده‌اند كه در آن با استفاده از كاتاليزور و نانولوله‌هاي كربني نانوميله‌هاي هم‌راستا توليد مي‌شوند. در اين روش نانوميله‌هاي هم‌راستا با استفاده از خودآرايي كره‌هاي زيرميكروني و ماسك حاصل مي‌شوند. در روشي ديگر نيز با ادغام روش ماسك مبتني بر خودآرايي و روش هم‌بافت سطحي آرايه‌هاي شش وجهي با محدوده بزرگ، نانوميله‌هاي هم‌راستاي ‌اكسيد‌روي به دست مي‌آيد.

شکل 6- تصوير SEM از نانوسيم‌هاي متخلخل اکسيد روي که بر روي سيليکون با پوشش قلع رشد کرده‌اند​

سنتز شامل سه مرحله مهم است: آرايه‌هاي نانوميله‌اي شش وجهي منتظم ‌اكسيد‌‌روي بر روي سابستريت تك‌بلوري اكسيد‌آلومينيم كه ذرات طلا به عنوان كاتاليزور در آن پخش شده‌اند رشد مي‌كنند. ابتدا‌ تك‌لايه‌هاي خودآرا، مرتب، دوبعدي و با مقياس بزرگ از كره‌هاي پلي‌استايرن با اندازة زيرميكرون حاصل شدند كه به بستر اكسيد‌آلومينيم تك بلوري متصل شدند. دوم يك لايه نازك از ذرات طلا بر روي تك لايه‌هاي خودآرا رسوب داده شده‌اند، سپس كره‌ها با روش حکاکی (eatch) كردن از آرايه‌هاي كاتاليزوري طلا جدا مي‌شوند. سرانجام نانوسيم‌ها با استفاده از روش VLC رشد مي‌كنند. شکل 5 نحوة توزيع ذرات كاتاليزور، الگوي نانوسيم را مشخص مي‌كند. اين مرحله مي‌تواند با استفاده از فناوري‌هاي متعدد ماسك جهت توليد ساختارهاي پيچيده به كار رود.
نانوسيم‌هاي تك‌بلوري متخلخل
مواد حفره‌اي به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بسيار زياد، كاربردهاي فراواني در كاتاليزورها، مهندسي محيط ‌زيست و حسگرها دارند. به طور نرمال، بيشتر اين ساختارهاي متخلخل از تركيب مواد آمورف و حفره‌اي به وسيلة واكنش آلي و معدني مبتني بر حلال به دست مي‌آيند.

​

در اينجا ساختارهاي نانوسيمي اكسيدروي ورتزيت جديدي گزارش شده‌اند كه داراي ساختار تك‌بلوري ولي با ديواره‌ها و حجم‌هاي متخلخل مي‌باشند. سنتز آنها مبتني بر فرآيند جامد- بخار است. شکل (6) يك تصوير SEM از نانوسيم‌هاي اكسيد‌روي سنتز شده بر روي بستري از سيليسيم را نشان مي‌دهد كه با لايه‌اي نازك از كاتاليزور قلع پوشش داده شده است. طول انوسيم‌ها از100 میکرومتر تا 1 میلی‌متر و شعاع آنها 50 تا 500 نانومتر مي‌باشد.
درحين واکنش، سولفات‌روي تشكيل شده روي بستر سيليسيم فقط جزئي از سطح را مي‌پوشاند زيرا شبكه آن هماهنگ با اكسيد روي نمي‌باشد. در نتيجه رسوب‌دهي فاز بخار اكسيد روي ساختارهاي متخلخل را تشكيل مي‌دهد. تخلخل بالا و تك‌بلوري بودن اين ساختارها، پتانسيل بالاي آنها را در *****اسيون،‌ نگهدارنده‌هاي كاتاليزورها و حسگرهاي گازها نشان مي‌دهد.
نانوتسمه‌هاي بسيار باريك ‌اكسيد روي

براي درك پديده‌ها و اثرات كوانتومي، نانوتسمه‌هايي با اندازة بسيار كوچك مورد نياز است. اخیراً با استفاده از كاتاليزورهاي جديد و با روش VLS نانوتسمه‌هاي بسيار ريز به دست آمده‌اند. در اين روش‌ها براي رشد بلورها به جاي استفاده از نانوذرات به عنوان كاتاليزور از لايه نازك (nm 10) و يكنواخت قلع استفاده شده است كه اين لايه نازك بر روي بستر سيليسيم پوشش داده شده است.
در اين روش نانوتسمه‌هايي نازك، باريك و متحدالشكل از اكسيدروي به دست آمدند که ميانگين اندازة نانوتسمه‌ها nm 5.5 مي‌باشد و نتايج بسيار خوبي را نشان مي‌دهد.
قفسه‌‌هاي چند وجهي

در اين كار نيز قفسه‌‌هاي اكسيد روي با خلوص و بازده بالا سنتز شدند،‌ اين قفس‌هاي كروي،‌ چندوجهي و باساختار متخلخل مي‌باشند كه از خودآرايي نانوبلورهاي اكسيدروي حاصل شده‌اند.
اين ساختارها با روش جديد خودآرايي نانوساختارها به دست مي‌آيند. اين روش شامل انجماد قطرات مايع روي، اكسيداسيون سطحي و تصعيد مي‌باشد. اين قفسه‌‌ها مي‌توانند جهت دارورساني به كار روند.
نتيجه‌گيري
اكسيد روي عضوي از خانواده ورتزيت و يكي از غني‌ترين نانوساختارها مي‌باشد. اكسيدروي سه مزيت عمده دارد: اول اينكه نميه‌رسانايي با شكاف باند ev3.37 و انرژي تحريك زياد (60mev) مي‌باشد و همچنين نشر نزديك به ماوراء بنفش دارد. دوم پيزوالكتريك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسيار كاربرد دارد. و در نهايت اكسيد روي زيست‌سازگار و ايمن مي‌باشد و مي‌تواند در كاربردهاي پزشكي به‌راحتي و بدون روكش به كار رود. با اين خصوصيات ويژه اكسيد روي مي‌تواند زمينه‌هاي تحقيقاتي گوناگوني را در آينده ايجاد كند.

​

 

[ghxzy]

نانو مواد در پزشكي

نانو مواد در پزشكي

مهمترين كاربردهاي نانو مواد در پزشكي گسترش عرصة فناوري‌نانو، به ويژه در زمينة نانومواد، كاربردهاي زيادي براي اين مواد در علوم مختلف نظامی ، فنی و مهندسی ،پزشكي مشاهده شده است، از آنجا که ساخت داروهایی با اثز بهتر و عوارض کمتر همیشه مد نظر پزشکان و داروسازان بوده است،لذا توجه محققان علوم پزشكي را به خود جلب كرده است. با توجه به اهميت نانومواد در علوم پزشكي در زير بعضي از خواص و كاربردهاي آن به صورت اجمالي بررسي مي‌شود.

1) نانومواد خام و ساختاري

​

از نانوذرات و نانوبلورها مي‌توان به عنوان مواد زيست‌سازگار در پوشش‌دهي، كپسوله‌كردن داروها، جايگزيني استخوان، پروتزها و در كاشتني‌ها استفاده كرد. مواد نانوساختاري نيز شكل ديگري از نانومواد خام مي‌باشند كه عملكرد ويژه‌اي دارند. نمونه‌هاي اين مواد نانوساختاري، نقاط كوانتومي و درخت‌سان‌ها مي‌باشند كه در زير انواعي از آن‌ها ذكر شده است.

a) نانوپليمرها
​

نانوپليمرها در پزشكي به شكل‌هاي زير به كار برده مي‌شوند:
- داروي پليمري: از يك پليمر فعال زيستي تشكيل شده است.
- پيوند دارو با پليمر: از يك پليمر محلول در آب، يك عامل مناسب و يك اتصالگر كه عوامل‌، پليمر و هدف را به هم متصل مي‌كند تشكيل شده است.
- پيوند پروتئين با پليمر: بلوك پليمري شامل يك بخش آب‌دوست و يك بخش آب‌گريز است كه در محلول‌هاي آبي مايسل‌هايي را به وجود مي‌آورد تا در سيستم رهايش دارويي به كار روند.

- درخت‌سان‌ها:

مولكول‌هايي با قطر 10-1 نانومتر هستند. اين مولكول‌ها مي‌توانند از منافذ عروق و بافت‌هاي كوچك در ابعاد نانو عبور نمايند. درخت‌سان‌ها در سيستم رهايش دارو به كار گرفته مي‌شوند و ظرفيت گيرايش در حدود %25 (w/w) را دارا مي‌باشند.

- ليپوزوم‌ها:

ليپوزوم‌ها وزيكول‌هاي دولايه فسفوليپيدي كوچكي مي‌باشند كه پايه آنها مولكول‌هاي آمفي‌فيليك فسفو‌ليپيدي است كه ليپوزوم‌ها را در محيط‌هاي آبي شكل مي‌دهند. انتهاي آب‌دوست آنها به طرف آب و طرف آب‌گريز آن به سمت مركز لايه مي‌باشد. ليپوزوم‌ها مي‌توانند تك‌لايه‌هايي به ‌اندازه 50-20 نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از10 ميكرومتر به وجود آورند.

- نانوذرات ليپيدي جامد:

ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به‌كار برده مي‌شوند كه داراي قطري مابين 50 نانومتر تا 1 ميكرومتر مي‌باشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.

b) فولرين‌ها و نانولوله‌ها

​

اين مواد شگفت‌انگيز شكل جديدي از مولكول‌هاي كربن هستند و با ايجاد تغييراتي در آنها، به صورت زيست‌سازگار با بدن بوده (به صورت غيرمحلول) و كاربردهاي مفيدي در پزشكي دارند. بيشترين كاربرد اين مواد در پزشكي در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي، سيستم رهايش دارو و همچنين در ساخت عروق (با ويژگي انحراف گلبول‌ها و جلوگيري از رسوب آنها) است. اين تركيبات به وسيله گروه‌هاي شيميايي فعال مي‌شوند و براي اتصالات آنزيمي گيرنده‌ها، مناسب مي‌باشند.

c) نانوذرات غيرآلي
- نانوذرات فسفات كلسيم

​

نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين 400 تا 600 نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % 20 w/w پروتئين‌ها را پر نمايند. همچنين از اين ذرات مي‌توان به صورت ويزيكول در واكنش‌ها استفاده كرد. بهترين ويژگي اين مواد سايش آنهاست و بر عكس آلومينيوم كه در بعضي مواقع سيستم ايمني بدن را تحريك مي‌كند اين نانوذرات خطرشان حدود 100 برابر كمتر از آلومينيوم است.

- نانوذرات طلا

​

نانوذرات طلا به علت داشتن خاصيت چسبندگي، كانديداي مناسبي براي سيستم رهايش دارويي مي‌باشند.
كاربرد ديگر اين نانومواد كامپوزيت‌هايي است كه داراي هسته‌هاي دي‌الكتريك و پوسته‌هاي طلا مي‌باشند. البته اين كامپوزيت‌ها هم براي سيستم رهايش دارويي مناسب مي‌باشند. با انتخاب نسبت درستي از اندازه هسته به پوسته، ويژگي‌هاي متفاوتي حاصل مي‌گردد. نانوذرات در بهترين نسبت اندازه، ماكزيمم جذب را در نزديكي مادون قرمز نشان مي‌دهند. با تابش طول موج مناسب به اين نانوذرات در بافت‌هاي عمقي پوست، اين نانومواد گرم شده و نوع جديدي از رهايش دارويي ايجاد مي‌شود.

- نانوذرات سيليكاتي
​

نانوذرات سيليكاتي در سيستم رهايش DNA استفاده مي‌شوند. كلوئيدهاي SiO2 كه سطوح آنها با آمينوالكيل‌سيلان‌ها به طور كووالانسي اصلاح شده‌اند، كمپلكس‌هاي مناسبي با DNA ايجاد مي‌نمايد، كه نسبت به ديگر حامل‌هاي DNA اين نانوذرات سميت كمتري را از خود نشان داده‌اند.

d) مواد كامپوزيتي و نانوالياف‌‌هاي آلي

​

نانوالياف‌هاي آلي همانند نانوالياف‌هاي كربني (pcu15-c ) چسبندگي سلولي بالايي در استئوبلاست‌ها نشان مي‌دهند. نانوالياف‌هاي كربني در كاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي هم كاربرد دارند. آنها وزن كمي دارند و همانند بلور‌هاي Hap گسستگي بالايي از خود نشان مي‌دهند.

2) پوشش‌دهي نانومواد در كاشت‌بافت‌ها

​

فناوري‌نانو در توليد مجدد بافت‌هاي بدن، بافت‌هاي جايگزين و به عنوان ترميم كننده، ايده جديدي ارائه نموده است .
مواد كاشتني در بدن ممكن است باعث واكنش‌زايي سيستم ايمني بدن، خوردگي، اتصال نامناسب و كوتاه مدت گردد. اين عوارض سبب مي‌شوند كه مجدداً (به علت شل شدگي) روي كاشتني‌ها عمل جراحي صورت گيرد. بنابر اين براي اتصال، چسبندگي بيشتر و توليد يك منطقه سطحي به حجمي بزرگ‌تر و نيز رفع اين عوارض از روش‌هايي مانند پوشش كاشتني‌ها استفاده ‌مي‌شود. اين روش در كاشتني‌هاي بافت‌هاي سخت مانند استخوان و دندان كاربرد بيشتري دارد.

a) پوشش كاشتني‌ها

​

رويكرد جديد، براي افزايش طول عمر كاشتني‌، پوشش دادن نانوساختاري سطوح كاشتني‌‌ها مي‌باشد.
مواد زيست‌سازگار نانوساختار نسبت به نوع ماكروساختار آن عملكرد زيستي بهتري نشان مي‌دهند. ِنانومواد استفاده شده در پوشش‌دهي كاشتني‌ها مي‌توانند باعث افزايش زيست‌سازگاري، چسبندگي، ماندگاري و دوام آنها شوند. كاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي چندين سالي است كه به كار برده مي‌شوند. (از ذرات هيدروكسي آپاتيت (HAP ) براي پوشش كاشتني‌هاي hip كه در سال 1960 ميلادي مطرح شده و امروزه كاربرد زيادي در بدن دارد استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر پوشش كاشتني hip، در پيچ‌هاي فلزي نيز استفاده مي‌شوند).
نانومواد ديگري همانند پلي وينيل الكل (PVA) (به عنوان پوشش‌دهنده و كاشتني‌در رگ‌هاي خوني در قلب مصنوعي، پيوند عروق و كاتترها و به عنوان پخش‌كنندة لخته‌هاي خوني و جلوگيري از شكل‌گيري آنها)، كيتوسان و دكستران در نانوذرات مغناطيسي (براي جداسازي يا از بين بردن سلول‌هاي سرطاني و ميكروارگانيسم‌ها) امروزه مورد تحقيق و مطالعه زيادي قرار گرفته‌اند

b) پوشش نانوساختار الماس

​

آلياژهاي Co-Cr براي اتصالات و پلي‌اتيلن‌ها با وزن مولكولي بالا در حفرات به كار مي‌روند، اما مشكل اينجاست كه آلياژهاي كبالت زيست‌سازگاري مناسبي با بدن ندارند و پلي‌اتيلن با وزن مولكولي بالا نيز به علت سايش بالا و شل‌شدن براي بدن مناسب نمي‌باشد. تيتانيوم به عنوان يك جايگزين داراي زيست‌سازگاري مناسبي است اما باز هم مشكلات زيستي را به همراه دارد. يكي از راه‌هاي مناسب براي بالا رفتن كيفيت كاشتني‌هاي تيتانيوم، پوشش‌دهي آنها با الماس مي‌باشد. اين پوشش مي‌تواند با روش‌CVD بر روي كاشتني‌ها رسوب داده شود. لذا با انتخاب مناسب شرايط فرآيند (تركيب گاز) مي‌توان لايه‌هاي نانو بلوري الماس، با ضخامت حدود 15 نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب مي‌باشند.

c) هيدروكسي آپاتيت (HAP)

​

حدود %70 وزن استخوان را HAP تشكيل مي‌دهد اين ماده به علت كنش فيزيكي قوي، براي كاشتني‌ها مناسب است.HAP براي پوشش دادن كاشتني‌هاي تيتانيومي و كبالت كروم به كار مي‌رود تا باعث تسريع استخوان‌سازي شود. اين به علت شباهت ساختاري اين ذرات به استخوان و چسبندگي سلولي آنها مي‌باشد. نانوذرات HAP با ويژگي‌هاي مشابه به استخوان بدن، يك ماده مناسب براي پوشش مي‌باشند. كاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده‌اند، اين به علت اندازة بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌هاست، كه در نهايت باعث پس‌زدگي كاشتني از بدن مي‌گردد.
با بهره‌گيري از نانوذرات HAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كمترين شكستگي و پس‌زدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذرات HAP براي پوشش استفاده مي‌شود.

d) پوشش‌دهي استنت‌ها (Stents)
​

بيماران قلبي دچار عارضة بسته شدن عروق كرونر از استنتهاي خيلي كوچك فلزي به عنوان داربست استفاده مي‌نمايند. اين استنت‌ها از نوع فولاد مي‌باشند كه در عروق جاي مي‌گيرند تا جريان خون به قلب را برقرار كنند و عروق را باز نگه دارند. حدود 30 تا 50 درصد استنت‌ها به علت رشد بافت همبند در محل زخم، باعث بسته شدن يا به خطر افتادن جان بيمار به دليل بسته شدن عروق خوني مي‌گردند. مي‌توان با استفاده از نانوذرات تيتانيوم و ديگر مواد به عنوان ماده زيست‌سازگار و پوشش‌دهنده، احتمال ترمبوز را كم نمود.

e) نانوذرات به عنوان سطوح آنتي باكتري

​

نانوذراتي همانند TiO2 به دليل ويژگي‌فوتوكاتاليستي اثر ضد باكتري دارند. همچنين به دليل اندازة كوچك‌شان شفافند. كاربرد ضد ميكروبي نانوذرات تيتانيوم بر روي سطح مي‌تواند براي تجزيه مواد مضر محيطي استفاده گردد.

F) داربست‌هاي توليد مجدد بافت

​

مواد نانوساختاري باعث بهبود ويژگي‌هاي داربست بافتي مي‌شوند. همچنين باعث بهبود عملكرد در زمينه‌هايي همانند تاثيرگذاري در ساختار داربست (مانند درصد تخلخل، اندازه سوراخ ها و استحكام‌دهي مكانيكي داربست) مي‌شوند.

G)نانومواد در مواد كاشتني‌‌ساختاري

​

استخوان يك ماده با استحكام بالاست. استخوان بيشتر از ساير ساختارهاي بدن داراي اتصالات دروني با سوراخ‌هاي مرتبط مي‌باشد كه اجازه عبور مواد مغذي و سيالات بدن را از خود مي‌دهد. در مواردي همانند شكست استخوان، عيوب استخواني و غيره، استخوان‌ها نيازمند جبران يا جايگزيني مي‌باشند.
مواد نانوساختاري همانند نانوسراميك‌هاي با استحكام بالا ( هيدروكسي آپاتيتHAP و آپاتيت فسفات كلسيم CPA) به عنوان پركننده و شكل‌دهندة عيوب استخواني، در ترميم و جبران بافت استخواني به كار برده مي‌شوند. لازم به ذكر است كه استخوان به طور طبيعي داراي 70 % وزني HAP مي‌باشد. نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و استحكام كم، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز به كار مي‌روند. از نانوسراميك‌هاي CPA، با اندازه ذراتي در حدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده مي‌شود.

H) نانومواد قابل جذب در بدن
​

پليمرهاي قابل جذب در بدن در كاربردهاي پزشكي مانند توليد نخ‌هاي بخيه كاربرد وسيعي دارند. كاشتني‌هاي نانوساختاري قابل جذب در بدن به گونه‌اي سنتز مي‌شوند تا با سرعتي مناسب تجزيه گردند و به سمت التيام بافت هدايت شوند. البته اين نانوذرات در سيستم رهايش دارويي هم كاربرد فراواني دارند.

I) مواد هوشمند (Intelligent materials)

اين مواد با تغييرات محيطي همانند دما, فشار, و ... تغيير مي‌يابند. اين تغيير بر اثر فرايندهاي فيزيكي و شيميايي حاصل از مكانيزم‌هاي تاثيرگذار بدن مي‌باشد. به عنوان نمونه، ماهيچه‌هاي مصنوعي با استفاده از پليمرهاي هوشمند در برابر ويژگي‌هاي مكانيكي خم و راست مي‌گردند و انعطاف پذير مي‌باشند. نمونه ديگري از اين مواد، هيدروژل‌ها هستند كه در سيستم رهايش دارويي بكار مي‌روند و در محيط شيميايي بدن قابل حل مي‌باشند.​

 

[ghxzy]

تشخيص سرطان با کمک نقاط کوانتومي

تشخيص سرطان با کمک نقاط کوانتومي

محققان اموري و جورجيا تک اعلام کرده‌اند که نانوذرات فلورسنت قابل تنظيم که نقاط کوانتومي ناميده مي‌شوند ابزارهايي ايده‌آل براي تشخيص سلول‌هاي سرطاني در نمونه برداري‌هاي بافتي هستند.

در مقاله‌اي که در 15 جولاي با عنوان "آشکارسازي و بيان خصوصيت سلول‌هاي تومور نادر در لنفوماي هاج کين با کمک نقاط کوانتومي" منتشر شد نحوه اتصال آنتي بادي‌ها به نقاط کوانتومي چندرنگ براي تشخيص سلول‌هاي ريد – استرنبرگ لنفوماي هاج کينک شرح داده مي‌شود. نويسنده مقاله، شومينگ ني از دپارتمان کولتر مهندسي زيست‌پزشکي‌ در دانشگاه جورجيا تک و اموري بيان مي‌دارد که روش رنگ کردن نقاط کوانتومي سبب مي‌شود تا به سرعت بتوان سلول‌هاي سرطاني را در نمونه بافت هتروژنژ شناسايي کرد. اين روش را مي‌توان براي شناسايي سلول‌هاي سرطاني ساقه مغز، ماکروفاژ هاي همراه تومور و ساير انواع سلول‌هاي سرطاني علاوه بر لنفوماي هاج کينگ به کار برد.

سلول‌هاي سرطاني ريد – استرنبرگ به‌صورت حاشيه قرمز، آبي ، سفيد و سبز نشان داده شده‌اند
​

نقاط کوانتومي کريستال‌هاي نيمه هادي در ابعاد نانومتر هستند که خصوصيات شيميايي و فيزيکي منحصر‌به‌فردي دارند که اين خصوصيات وابسته به اندازه و شدت فشردگي ساختار آنها است. اين نقاط مي‌توانند به‌صورت شيميايي با آنتي بادي‌هاي سطوح يا بخش‌هاي داخلي سلول‌هاي سرطاني پيوند برقرار کنند.

نويسندگان مقاله از چهار رنگ سفيد، قرمز، سبز و آبي براي تشخيص انواع مختلف پروتئين در نمونه‌هايي که از غدد لنفاوي تهيه شده بود استفاده کردند. هدف، تشخيص شش مورد لنفوماي هاج کينگ از دو نوع ديگر لنفوما بود که نمونه‌ها از دو بيمار مبتلا تهيه شدند. سلول‌هاي ريد – استرنبرگ ظاهري ويژه دارند اما در بافت غدد لنفاوي آنها معمولا توسط گلبول‌هاي سفيد احاطه شده‌اند. نويسندگان شرح مي‌دهند که يافتن آنها مانند يافتن سوزن در انبار کاه است.

اندرو يانگ، استاد پاتولوژي در دانشگاه اموري و رئيس آزمايشگاه‌ها در سيستم سلامت گردي مي‌گويد: اميدواريم اين روش به يافتن درمان براي يک بيمار سرطاني کمک کند و بتوان از آن براي شناسايي انواع سلول‌هاي سرطاني استفاده کرد. يانگ مي‌گويد: قابل اعتمادترين روش شناسايي سلول يافتن بيش از يک پروتئين است. با روش‌هاي استاندارد در بيشتر آزمايشگاه هاي پاتولوژي، سلول‌هاي رنگ شده داراي چهار نوع آنتي بادي مختلف نياز به چهار اسلايد جداگانه دارند که اين در زماني که نمونه خيلي کوچک باشد خود يک معضل است. امروزه تشخيص نمونه‌هاي کوچک معمول است زيرا آنها بار را روي بيمار به حداقل مي‌رسانند. علاوه بر اين، تصاوير گرفته شده از اسلايدهاي جداگانه دقيقا همان سلول‌ها را نشان نمي‌دهند. نقاط کوانتوم امکان مي‌دهند تا برش‌هاي چندتايي داشته باشيم تا با چهار رنگ آنها را رنگ کنيم.

لنفوماي هاج کينگ معمولا با شيمي درماني و پرتودرماني درمان مي‌شود و در بين انواع لنفوماي بزرگسالان رايج است و شانس درمان آن بالاست. يانگ بيان مي‌دارد که تکنيک نقاط کوانتومي مي‌تواند براي تشخيص ساير انواع سرطان‌ها هم مفيد باشد و علاوه بر شناسايي مي‌توان با روش‌هاي هدف گيري روش‌هاي درماني طراحي گردد.

 

[ghxzy]

نانومواد در معماری

نانومواد در معماری

نانومواد در معماری:

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ( طول و عرض و ضخامت ) زیر 100 nm نانو متر باشد تعریف شده اند. یک نانو متر یک هزارم میکرون یاحدود 100000 برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان است. خواص فیزیکی و شیمیاییمواد نانو ( در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف، گلوله و غیره ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی نوع دیگر تفاوت اساسیدارند.تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه ازنظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد.



تاریخچه :

استفاده از نانو تکنولوژی برخلاف تصور عمومی دارای سابقه تاریخی طولانی است.تفهیم اینکه نانوتکنولوژی چگونه اولین اثرات خود را بر زندگی بشریت گذاشت و اینکه از آن زمان تاکنون چگونه موجب زندگی بهتر و گشودن درهایی برای اکتشافات بیشتر بوده است کار چندان آسانی نیست.

کشفیات باستان شناسان روشنگر استفاده از نانو تکنولوژی حتی در دوران قبل از میلاد مسیح است. یک محصول معروف که از آن دوره به جا مانده و در کاوش های اخیر به دست آمده ، جام لیکورگوس است که در موزه بریتانیا نگه داری می شود. ماده اصلی این جام از شیشه است و مربوط به قرن چهارم قبل از میلاد است.

این جام دارای بدنه برنزی با لبه های برجسته است و آن چیزی که این جام را بی همتا می سازد این است که در برابر نورهای با رنگ های مختلف ، رنگ های مختلف را از خود نشان می دهد.

مطالعات میکروسکوپی روشن نموده که شیشه این جام دارای ذرات نانو از جنس طلا و نقره است این ذرات خواصی را بروز می دهند که از ذرات درشت موجود در آن متفاوت است.بعد ها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیسا ها استفاده شد.

همچنین شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی بکاربرده شده توسط قوم مایا موجود است.
شیشه های رنگی (400-1500) :
علی رغم نا آگاهی از دلیل آن ، در ساخت شیشه های رنگی در زمان های بسیار دور ازذرات نانو استفاده می شده است. رنگ سرخ یاقوتی بعضی از شیشه های رنگی به دلیل نانو ذرات طلا بدام انداخته شده در ماده زمینه آن می باشد . به همان ترتیب رنگ زرد پررنگ بدلیل نانو ذرات نقره است . اندازه متفاوت نانوذرات ،دلیل رنگ های الوان و متنوع بوده است . این مثال از تعویض خواص ظاهر شده در مواد ( در مورد رنگ ها ) در ذرات نانو کلیاتی از خواص این ذرات است

دروتا ( ظروف سفالین) (1450- 1600 ) :
دروتا و اُمبریا ظروف سفالین با رنگ آمیزی هنرمندانه در قرون 15 و 16 با بکار گیری اشکال ابتدایی از نانو تکنولوژی هستند . سرامیک دروتا با رنگین کمان های شورانگیز یا لعاب های متالیک که در قرون 15 و 16 در سراسر اروپا متقاضیان فراوان داشت . برای دستیابی به رنگهای طلایی و قرمزاز نانو ذراتی از فلز مس و نقره به اندازه پنج میلیونیوم متر استفاده می شد که در عوض پخش کردن نور از سطح اجسام موجب می گشت تا نور هایی با طول موج های متفاوت ساتع گردد که موجب بوجود آمدن حالت رنگین کمان یا متالیک می گشت.

کشف کلوئید های طلا 1857
گرچه کلمه "نانو" در آن زمان استفاده نمی شد اما میشل فارادی اولین کلوئید های فلزی را در1856 کشف کرد .
کلوئید ها ذراتی هستند که در یک محلول معلق اند ( مابین ذرات حل شونده و آنهایی که در حلال رسوب می کنند).
کلوئید های طلایی فارادی خواص الکترونیکی و شیمیایی مخصوصی داشتند و الآن بعنوان یکی از بهترین نانو ذرات فلزی شناخته می شوند. بنا به تشخیص بسیاری ، یکی از بهترین آزمایشگرها و شیمیست ها و فیزیسین هایی که تابحال بدنیا آمده دانشمند انگلیسی فارادی بوده که دارای تحصیلات ابتدایی بود و در 14 سالگی شاگرد یک صحاف کتاب بوده . در آنجا اوبه کارهای شیمی و فیزیک علاقه مند بود و بعد از شنیدن سخنرانی شیمیست معروف هامفری دیوی یادداشتهایی از سخنرانی دیوی را برایش ارسال می کند و به این ترتیب معاون دیوی در آزمایشگاه رویال در انسیتو لندن می شود . در سن 21سالگی بیش از 600 آزمایش توسط او انجام می گیرد .

1908 تئوری مـای (Mie):
فیزیکدان آلمانی گوستاو مای نقش مؤثری در نانو تکنولوژی با طرح تئوری پراکندگی نور توسط ذرات داشت . او نشان داد که امواج کوتاه در پراکندگی نور مؤثر تر از امواج با طول موج بلند است . ما آسمان را آبی می بینیم چرا که مولکولهای هوا ( که بسیار ریز هستند) در فاصله کوتاه نور را بیشتر در طول موج آبی می شکنند تا زرد یا قرمز چرا که نور آبی امواج کوتاه تری دارد . وقتی خورشید غروب می کند نسبت به وسط روز فاصله بیشتری از ما می گیرد ،در این مورد پراکندگی بیشتر توسط ذرات گرد و غبار صورت می گیرد . این ذرات هنوز اثر بیشتری بر امواج آبی دارد تا زرد و قرمز ، بنابراین نوری که هنوز شکسته نشده به ما می رسد که مخلوطی از رنگهای زرد و قرمز است . پس رنگ آسمان در هنگام غروب قرمز و زرد به نظر می رسد.
تئوری مای به دانشمندان کمک کرد تا به این نتیجه برسند که اندازه ذرات مشخص کننده رنگی است که ما می بینیم . مای اندازه تعداد زیادی از ذرات را بوسیله تشخیص نورهایی که آنها را می شکند بدست آورد . برای اندازه گیری نانو ذرات و ذرات بزرگتر این تئوری مستلزم محاسبات هنگفتی است بنابر این تا حدود 20 سال پیش - که سوپر کامپیوتر ها توانمند شدند - بندرت بکار برده می شد . هم اکنون تئوری مای (بخوبی پیشرفت های اخیر دیگر ) به پژوهشگران کمک می کند تا اندازه نانو ذرات را محاسبه کنند.

ریچارد فیمن 1959
شاید بتوان بزرگترین تحول در تاریخ نانوتکنولوژی را در سخنرانی فیزیکدانی به نام ریچارد فیمن (استاد فیزیک انستیتو کالتک ) در کنفرانس انجمن فیزیک آمریکا در سال 1959 دانست.در این کنفرانس ایشان با ارائه مقاله ای با عنوان (( فضای کافی در پایین وجود دارد))، در باره دستکاری مواد در ابعاد اتمی صحبت نمود.این مقاله امروزه به عنوان بخشی از آیین نامه انجمن های نانو تکنولوژی در آمده است.
او سال 2000 را سال ورود به دنیای ریز نامید .اوبا انجام محاسباتی نشان داد که می توان با استفاده از پرتوی الکترونی کل اطلاعات نسخه 25000 صفحه ای دایره المعارف بریتانیکا را بروی یک سر سوزن جای داد و به حاضرین در جلسه قول داد به اولین کسی این کار را انجام دهد، یک هزار دلار جایزه خواهد داد ( این جایزه را تام نیومن در سال 1985 دریافت کرد).


در آینده بزرگترین طرح ها برای ساختن محیط اطراف، خیلی خیلی کوچک خواهد بود
طرح های کوچک ارائه شده در مقوله نانوتکنولوژی و تاثیرات آن بر ساختار محیط اطراف انسان را می توان در سه مرحله پیش بینی کرد:
نخست اینکه نانو تکنولوژی در طراحی معماری امروز چه نقشی بازی می کند؟ تعداد مصالح با ساختار مهندسی نانو هم اکنون قابل دسترسی معماران و سازندگان برای استفاده در ساختمان ها وجود دارد. که تغییر و تحول ساختمان ها با به کارگیری این مصالح بسیار مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. برخی از نمونه محصولات که در دست تولید است، شامل لایه های نازک و شفاف محافظ پنجره ها که در برابر خراش مقاوم هستند و به صورت خودکار با دریافت پرتو ماورای بنفش خورشید و باران خود را تمیز می کنند، شیشه هایی که رنگ خود را با کاهش یا افزایش حرارت محیط، تغییر می دهند و نور محیط را تنظیم می کنند و بتن های مقاوم در برابر ضربه های ناگهانی و ترک خوردگی ، مقاوم می باشند، البته هنوز گرانقیمت هستند و به تولید انبوه نرسیده اند.
دوم اینکه با نگاهی فراتر، تلاش امروز متخصصین نانوتکنولوژی دست آوردی را در 15 تا 20 سال آینده به وجود خواهد آورد که نمونه بارز آن لوله های کربنی است که استحکام و قابلیت انعطاف پذیری بی نظیری را برای ساختمان ها به ارمغان می آورد و راهنمایی برای ساخت فرم های جدید ،عملکردهای تازه و ارتباط نوین بین مردم، ساختمان و محیط را نوید می دهد.
و سوم در افق های دوردست می توان دید که تاثیر فراگیر نانوتکنولوژی در زندگی بشر و نحوه ی ارتباط او با محیط اطراف و ساختمان ها اجتناب ناپذیر و غیر قابل تصور خواهد بود. پوست های محافظ در برابر خورشید، دیوارهای نامرئی و کپی سازی ساختارهای زاینده، همگی در قلمرو امکان قرار می گیرند. تحولات اجتماعی، اخلاقی و محیطی نیز جدای این سیر تحول کننده نخواهد بود(Elvin,2003,100-105) نانوتکنولوژی با تغییر ساختار زندگی انسان، تحولات بنیادی را ایجاد می کند. به عنوان مثال اگر فردی دارای پوست محافظ در برابر حرارت خورشید باشد، آینده ساختمان ها چه می شود؟ و یا اگر دیوارها و پشت بام ها از کاغذهای نازک نامرئی عایق رطوبت پوشیده شوند، زندگی انسان با محیط اطراف چه ارتباطی خواهد داشت؟ شاید برخی پیشگویی ها در مورد فناوری نانو اغراق آمیز به نظر برسد، ولی هدف نهایی آن ساختن جزء به جزء مواد با خواص متنوع می باشد.
سخن معروف وینستون چرچیل، سیاستمدار انگلیسی، که می گفت:"ساختمان هایمان را شکل می دهیم و (متقابلاً) ساختمان ها ما را شکل می دهند." قبل از شناخت علم نانو بوده ولی شاید قدرتش را در تغییر شکل ساختمان و به تبع آن انسان را به روشنی پیش بینی کرده باشد، که چگونه با تسلط نانوتکنولوژی بر مواد اولیه خلق فضاها (مصالح) و قدرت بی نظیری که در اختیار معماران برای ناممکن ها قرار می دهد، شکل زندگی انسان و ارتباط با دنیای اطراف او را دگرگون خواهد کرد. بنابراین تلاش امروز متخصصان و طراحان جهت ارزیابی دست آوردهای این علم در زمینه های فردی، اجتماعی، اخلاقی و .. ، کاملاً ضروری به نظر می رسد، زیرا که پیکره بندی یک نمونه ی سالم و شایسته بشر از محیط زندگی او، با تفکر اولیه، گفتگو و نتیجه گیری، کمکی شایان توسعه آگاهانه این علم در آینده خواهد نمود..
نانو معماری ، معماری منعطف و سازگار با محیط

معماری اورگانیک که توسط فرانک لوید رایت به عنوان سازگاری ساختار ساختمان ها بر اساس قرارگیری در طبیعت تعریف شده، امروز در قالب معماری پایدار و افق جدید آن، نانوتکنولوزی مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
رایت بر این عقیده بود که شکل معماری باید از بطن طبیعت اشیاء به وجود آید و هر شیء نیز به نوبه خود دارای یک زبان خاص برای تکلم و بیان احساس می باشد. به طور مثال تناسبات، چیدمان و بافت آجرخانه روبی، گستردگی بر روی افق را در یک زمین وسیع نشان می دهد. آجر پخته شده از طبیعت برآمده است و دوباره به آن باز می گردد. حال زمانی را تصور کنید که مصالح تشکیل دهنده خانه به قدری کوچک باشد که تنها با چشم مسلح دیده شود، آنگاه تصور کنید که ارتباط بین اشکال، انسان و محیط چگونه تغییر خواهد کرد.
از آنجا که با استفاده از دستاوردهای نانو تکنولوژی یک شیء -ساختمان- در زمان ها و مکان های مختلف می تواند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهد- سخت و غیر قابل انعطاف و یا نرم و سیال- تئوری های شناخت مواد به طور کلی دگرگون می شوند.
در واقع مصالح، هویت ثابت خود را از دست می دهند و دیگر معماری تعریف محدودی در زمان و مکان نخواهد داشت.
رفتار سازه ها و ساختمان ها کاملا ً عملکردگرا و زمینه گرا می شوند. آنها قادر خواهند بود که با انواع دماها، جریان های هوا، مصرف انرژی و دیگر شرایط اقلیمی، زمین شناسی و ... هوشمندانه وفق داده شوند. تمام این شرایط نیز توسط برنامه ریزان طراحی به صورت داده های خام به ساختمان و سازه آن داده می شود تا در صورت مواجهه با تغییر هر عامل موثر بر شرایط زندگی انسان، در جهت رسیدن به محدوده آسایش او، در محیط سازگار شوند.
یک ساختمان هوشمند، ساختمانی است که خود فکر می کند و با سنجیدن نیازهایش در جهت رفع آنها گام برمی دارد. اما آیا این جواب سوال لویی کان است که پرسید:" این ساختمان چه می خواهد باشد؟". معماران معتقدند که ساختمان ها با آنها صحبت می کنند و نیازها و نقاط ضعف خود را به آنها می گویند، ولی اگر ساختمان ها دارای هوش مصنوعی باشند، بدون مشورت با معمار، خود را هر گونه که محیط طلب کند، سازگار می کنند.
کرزوی- یکی از محققان نانو تکنولوژی و تاثیرات آن بر محیط زندگی انسان- پیش بینی می کند که در قرن آینده انسان ها مهمان و ساختمان ها، خود ساکنان و صاحبان اصلی خواهند بود. او معتقد است که استفاده زیادتر از این مصنوعات به طبیعت، در آینده افزایش خواهد یافت. بناهای آینده ممکن است که هیچ شباهتی به ابنیه قرن حاضر نداشته باشند. معماری گذشته و سنتی اصولاً به دور انداخته می شوند، زیرا که معیار های محدود کننده ی آن نقشی در ساختمان های آینده نخواهند داشت.
طبق نظر کرزوی زمان ساخت و ساز نیز در حال حاضر طولانی بوده که به مرور زمان کاهش خواهد یافت. واضح است که دستاورد نانو تکنولوژی در آینده بشریت بسیار مهم تر از سرنوشت دیگر صنایع است. تغییر و تحولات در عرصه ی معماری، در بعضی کشورها، به خصوص کشورهای پیشرفته و در حال توسعه- به طور مثال در اکثر ساختمان هایی که در دبی ساخته می شوند- نقش پر رنگ این تکنولوژی را نشان می دهد. معماران به ندرت اخلاقیات را قبل از زیبایی و جذابیت بنایشان در نظر دارند، ولی توجه خاص به تکنولوژی که جوابگوی بسیاری از ناتوانایی های آنانست را هرگز در دفتر طراحی جا نخواهند گذاشت. با وجود این اگر هدف معماری فقط خلق اشکال بدیع باشد، به نظر می رسد که در آینده ای نه چندان دور ، معماری به معمار احتیاجی نخواهد داشت.
مدرک بی واسطه و مستدل برخورد مستقیم نانوتکنولوژی و معماری، مصالح (تولیدات فیزیکی) هستند که عموماً کاربری های گوناگونی به ساختمان ها می بخشند. چنین مصالحی، امکانات تازه ای را برای تکمیل و بهبود شیء معماری و اندیشیدن درباره ی شکل جدیدی از زندگی، به وجود می آورند(Rennie,2000,8)
اکنون این سوال مطرح می شود که با مصالحی که توانایی تغییر و تطبیق چگالی، شکل، رنگ، حجم و حالت را با محیط دارند، نقش ثابت معماری به عنوان ماهیت فیزیکی که روابط اجتماعی را شکل می دهد، چه خواهد شد؟ در این صورت، زمان و مکانی که بر شیء معماری مرتبیت است- یعنی تاریخ و اصالت معماری- ثابت نخواهد ماند و با تغییر محیط اطراف در هر زمان و مکانی متحول خواهد شد.
نانو ساختار ها تلاش بی وقفه طراحان و معماران برای رسیدن به فرم های جدید، سازگار با محیط و عملکردگرا را به نتیجه می رساند. این یک رویای علمی تخیلی نیست، زیرا علم نانو خیلی سریع تر از یک واقعیت رخ خواهد داد.
کاربرد مواد نانو در صنعت بتن


1. مواد نانو کمپوزیت
مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .
هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .
در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد:· تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است . · ذرات نانویی غیر فلز مانند:نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .
2. بتن با عملکرد بالا ([1]HPC)
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا(HPC ) می باشد . این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد . خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد .
بنابراین ، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و ... را نام برد .

3. نانو سیلیس آمورف
در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می کند .
محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود 1/0 تا 1 میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90% می باشد . می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .
محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از 100nm یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم([2]SCC) به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند:
خاصیت ضد سایش
ضد لغزش
ضد حریق
ضد انعکاس سطوح
آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس (Colloidal Silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد .
تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانومتر می باشد .
5. نانو لوله ها(NANOTUBES)
معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و . . . در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی (Carbon Nanotubes ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .
نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند . کربن 60 و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند .

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد .
نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند . یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند . بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره , بازی می کنند .

 

[ghxzy]

کاربردفناوری نانو در لاستیک

کاربردفناوری نانو در لاستیک

تاكنون در دنيا در صنايع پليمري تحقيقات بسيار زيادي انجام شده است. از جمله آنها تحقيقات در زمينه فناوري نانو در صنعت لاستيك است. موارد استفاده از فناوري نانو اعم از نانوفيلرها و نانوكامپوزيت است كه به لاستيكها خواص ويژه اي مي دهد.
بازار نانوكامپوزيت در 2005 به ميزان 200 بيليون يورو و در سال 2015 بر اساس آمارBSF به ميزان 1200 بيليون يورو پيش بيني شده است. در سال 2002 كشوري مثل ژاپن 1500 ميليون يورو در تحقيقات در زمينه فناوري نانو صرف كرده است. تحقيقات در زمينه فناوري نانو را بدون شك نمي توانيم رها كنيم. اكثر كشورهاي دنيا تحقيقات و فعاليت در زمينه نانو را شروع كرده است، به عنوان مثال كشور هند توليد نانوكامپوزيت SBR را شروع كرده است.
همچنين صنايع خودرو در دنيا به سمت استفاده از نانو) PP نانوپلي پروپيلن( سوق پيدا كرده است و علت اصلي آن خواص مناسب از جمله سبكي، مقاومت حرارتي و مقاومت ضربه اينگونه مواد است. بنابراين رسيدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بيش از هرچيز ديگر براي ما نمايان مي سازد.

کاربردهاي فناوري نانو در صنعت لاستيک:

با توجه به تحقيقات به عمل آمده چهار ماده نانومتري هستند كه كاربرد فراواني در صنعت لاستيك سازي پيدا كرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز : اكسيدروي نانومتري(NanoZnO)، نانوكربنات كلسيم، الماس نانومتري، ذرات نانومتري خاك رس.
با اضافه كردن اين مواد به تركيبات لاستيك، به دليل پيوندهايي كه در مقياس اتمي بين اين مواد و تركيبات لاستيك صورت مي گيرد، علاوه بر اين كه خواص فيزيكي آنها بهبود مي يابد، مي توان به افزايش مقاومت سايش، افزايش استحكام، بهبود خاصيت مكانيكي، افزايش حد پارگي و حد شكستگي اشاره كرد.در زيبايي ظاهري لاستيك نيز تاثير گذاشته و باعث لطافت، همواري، صافي و ظرافت شكل ظاهري لاستيك مي گردد. همه اينها به نوبه خود باعث مي شود كه محصولات نهايي، مرغوبتر، با كيفيت بالا، زيبايي و در نهايت بازارپسند باشند و توانايي رقابت در بازارهاي داخلي و جهاني را داشته باشند.

كاربرد اكسيدروي نانومتري (NanoZnO) درلاستيك:

اكسيدروي نانومتري مادهاي غيرآلي و فعال است كه كاربرد گسترده اي در صنعت لاستيك سازي دارد.كوچكي كريستالها و خاصيت غيرچسبندگي آنها باعث شده كه اكسيدروي نانومتري به صورت پودرهاي زردرنگ كروي و متخلخل باشد.
از خصوصيات استفاده از اين تكنولوژي در صنعت لاستيك، مي توان به پايين آمدن هزينه ها، بازدهي بالا، ولكانيزاسيون(Volcanization) خيلي سريع و هوشمند و دامنه دمايي گسترده اشاره كرد.
اثرات سطحي و فعاليت بالاي اكسيدروي نانومتري ناشي از اندازة بسيار كوچك، سطح موثر خيلي زياد وكشساني خوب آن است.
استفاده از اكسيد روي نانومتري در لاستيك باعث بهبود خواص آن ميشود از جمله ميتوان به زيبايي و ظرافت بخشيدن به آن، صافي و همواري شكل ظاهري، افزايش استحكام مكانيكي لاستيك، افزايش مقاومت سايشي (خاصيت ضد اصطكاكي و سايش)، پايداري دمايي بالا، طول عمر زياد و همچنين افزايش حد پارگي تركيبات لاستيك اشاره كرد كه همگي اينها بصورت تجربي ثابت شده است.
براساس نتايج بدست آمده ميتوان نتيجه گرفت بهبود يافتن خواص فيزيكي لاستيك در اثر اضافه شدن ZnO ناشي از پيوند ساختار نانومتري اكسيد روي با مولكولهاي لاستيك است كه در مقياس اتمي صورت مي گيرد.
اكسيد روي نانومتري در مقايسه با اكسيد روي معمولي داراي اندازة بسيار كوچك ولي در عوض داراي سطح موثر بسيار زيادي مي باشد. از لحاظ شيميايي بسيار فعال و همچنين به دليل اينكه پيوندهاي بين اكسيدروي نانومتري و لاستيك در مقياس مولكولي انجام مي گيرد، استفاده از اكسيدروي نانومتري خواص فيزيكي و خواص مكانيكي از قبيل حد پارگي، مقاومت سايشي و ... تركيبات لاستيك را بهبود مي بخشد.

كاربرد نانوكربنات كلسيم در لاستيك:

نانوكربنات كلسيم به طور گسترده اي در صنايع لاسيتك به كار مي رود، زيرا اثرات خيلي خوبي نسبت به كربنات معمولي بر روي خواص و كيفيت لاستيك دارد.
استفاده از نانوكربنات كلسيم در صنايع لاستيك باعث بهبود كيفيت و خواص تركيبات لاستيك مي شود. از جمله مزاياي استفاده از نانوكربنات كلسيم مي توان به توانايي توليد در مقياس زياد، افزايش استحكام لاستيك، بهبود بخشيدن خواص مكانيكي )افزايش استحكام مكانيكي) و انعطاف پذير شدن تركيبات لاستيك اشاره كرد. همچنين علاوه بر بهبود خواص فيزيكي، تركيبات لاستيك در شكل ظاهري آنها نيز تاثير مي گذارد و به آنها زيبايي و ظرافت مي بخشد كه اين خود در مرغوبيت كالا و بازارپسند بودن آن تاثير بسزايي دارد.
نانوكربنات كلسيم سبك بيشتر در پلاستيك و پوشش دهي لاستيك به كار ميرود.
براي به دست آوردن مزاياي ذكر شده، نانوكربنات كلسيم به لاستيكهاي طبيعي و مصنوعي از قبيلNP، EPDM ،SBS ،BR ،SBR اضافه مي گردد. نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه استحكام لاستيك بسيار بالا مي رود.
استحكام بخشي نانوكربنات كلسيم برخواسته از پيچيدگي فيزيكي ناشي از پيوستگي در پليمرهاي آن و واكنشهاي شيميايي ناشي از سطح تعميم يافته آن است.
نانوكربنات كلسيم سختي لاستيك و حد گسيختگي پليمرهاي لاستيك را افزايش داده و حداكثر تواني كه لاستيك مي تواند تحمل كند تا پاره شود را بهبود مي بخشد. همچنين مقاومت لاستيك را در برابر سايش افزايش مي دهد.
به كار بردن نانوكربنات كلسيم هزينه ها را پايين مي آورد و سود زيادي را به همراه دارد و همچنين باعث به روز شدن تكنولوژي و توانائي رقابت در عرصه جهاني مي گردد.
به طور كلي نانوكربنات كلسيم در موارد زيادي به طور كلي يا جرئي به تركيبات لاستيك جهت افزايش استحكام آنها افزوده مي شود.

كاربرد ساختارهاي نانومتري الماس در لاستيك:

الماس نانومتري به طور گسترده اي در كامپوزيت ها و از جمله لاستيك در مواد ضد اصطكاك، مواد ليزكننده به كار مي رود. اين ساختارهاي نانومتري الماس از روش احتراق توليد مي شوند كه داراي خواص برجسته اي هستند از جمله مي توان به موارد زير اشاره كرد:
1) ساختار كريستالي( بلوري)
2) سطح شيميايي كاملا ناپايدار
3) شكل كاملا كروي
4) ساختمان شيميايي بسيار محكم
5) فعاليت جذب سطحي بسيار بالا
در روسيه، الماس نانومتري با درصدهاي مختلف به لاستيك طبيعي ، Poly Soprene Rubber و FluorineRubber براي ساخت لاستيك هايي كه در صنعت كاربرد دارند از قبيل كاربرد در تاير اتومبيل، لوله هاي انتقال آب و ... مورد استفاده قرار مي گيرد. نتايج به دست آمده نشان مي دهد كه با اضافه كردن ساختارهاي نانومتري الماس به لاستيك ها خواص آنها به شكل قابل توجهي بهبود مي يابد از جمله مي توان به :
1) 4 الي 5 برابر شدن خاصيت انعطاف پذيري لاستيك
2) افزيش 2 الي 5/2 برابري درجه استحكام
3) افزايش حد شكستگي تا حدود 2 Kg/cm700-620
4) 3 برابر شدن قدرت بريده شدن آنها
و همچنين به اندازة خيلي زيادي خاصيت ضدپارگي آنها در دماي بالا و پايين بهبود مي يابد.

كاربرد ذرات نانومتري خاك رس در لاستيك:

يكي از مواد نانومتري كه كاربردهاي تجاري گسترده اي در صنعت لاستيك پيدا كرده است و اكنون شركت هاي بزرگ لاستيك سازي بطور گسترده اي از آن در محصولات خود استفاده مي كنند، ذرات نانومتري خاك رس است كه با افزودن آن به لاستيك خواص آن بطور قابل ملاحظه اي بهبود پيدا مي كند كه از جمله مي توان به موارد زير اشاره كرد :
1) افزايش مقاومت لاستيك در برابر سايش
2) افزايش استحكام مكانيكي
3) افزايش مقاومت گرمايي
4) كاهش قابليت اشتعال
5) بهبود بخشيدن اعوجاج گرمايي

ايده هاي مطرح شده:

1) افزايش دماي اشتعال لاستيك :
تهيه نانوكامپوزيت الاستومرها از جملهSBR مقاوم، به عنوان مواد پايه در لاستيك سبب بهبود برخي خواص از جمله افزايش دماي اشتعال و استحكام مكانيكي بالامي شود و دليل اصلي آن حذف مقدار زيادي از دوده است.

2) كاهش وزن لاستيك :
تهيه و بهينه سازي نانوكامپوزيت الاستومرها با وزن كم از طريق جايگزين كردن اين مواد با دوده در لاستيك، امكان حذف درصد قابل توجهي دوده توسط درصد بسيار كم از نانوفيلر وجود دارد. بطوريكه افزودن حدود 3 تا 5 درصد نانوفيلر مي تواند استحكام مكانيكي معادل 40 تا 45 درصد دوده را ايجاد كند. بنابراين با افزودن 3 تا 5 درصد نانوفيلر به لاستيك، وزن آن به مقدار قابل توجهي كاهش مي يابد.

3) افزايش مقاومت در مقابل نفوذپذيري گاز :
نانوكامپوزيت الاستومرها بويژه EPDM بدليل دارا بودن ضريب عبوردهي كم نسبت به گازها بويژه هوا مي توانند در پوشش داخلي تاير و تيوب ها مورد استفاده قرار مي گيرد. زيرا يكي از ويژگيهاي نانوكامپوزيت EPDM مقاومت بسيار بالاي آن در برابر نفوذ و عبور گازها مي باشد. بنابراين اين نانوكامپوزيت ها مي تواند جايگزين مواد امروزي گردد. همچنين اين نانوكامپوزيت ها از جمله الاستومرهايي است كه مي تواند در آلياژهاي مختلف با ترموپلاستيكها كاربردهاي وسيعي را در صنعت خوردو داشته باشد.

4) قطعات لاستيكي خودرو :
نانوكامپوزيت ترموپلاست الاستومرها مي تواند به عنوان يك ماده پرمصرف در صنايع ساخت و توليد قطعات خوردو بكار رود. از ويژگي هاي اين مواد، بالا بودن مدول بالا ، مقاومت حرارتي، پايداري ابعاد، وزن كم، مقاومت شعله مي باشد. لذا نانوكامپوزيت ترموپلاستيك الاستومرهاي پايهEPDM و PP مي توانند تحول چشمگيري را در ساخت قطعات خوردو ايجاد نمايد.

5) افزايش مقاومت سايشي لاستيك :
استفاده از نانوسيليكا و نانواكسيدروي در تركيبات تاير سبب تحول عظيمي در صنعت لاستيك مي شود. بطوريكه با افزودن اين مواد به لاستيك علاوه بر خواصي ويژه اي كه اين مواد به لاستيك مي دهند، امكان افزايش مقاومت سايشي اين لاستيكها وجود دارد.

6) نسبت وزن تاير به عمر آن :
با افزودن ميزان مصرف يكي از نانوفيلرها مي توان مصرف دوده را پايين آورد. به عبارت ديگر اگر وزن تاير كم شود، عمر لاستيك افزايش مي يابد. بنابراين جهت بالا بردن عمرلاستيك كافي است با افزودن يك سري مواد نانومتري به لاستيك عمر آن را افزايش داد.

 

[ghxzy]

نانو مواد هوشمند

نانو مواد هوشمند

اصطلاح هوشمند به موادی اطلاق می شود که می توانند با درک (Sense) شرایط محیطی اطراف خود، نسبت به آن واکنش (Response) متناسب را نشان دهند. امروزه کاربرد این مواد (بویژه فلزات و کامپوزیت های هوشمند) در بسیاری از حوزه های صنعت گسترش یافته است. در فناوری نانو، واژه هوشمند به ماده-ای گفته می شود که بر روی آن تغییراتی انجام گرفته است تا کارایی خاصی از آن بر آید. این مواد گاه به صورت پویا (Dynamic) عمل می کنند، به طوری که می توانند خواص یا ساختار خود را مبتنی بر یک الگوی خارجی تغییر دهد.

​

تلاش های فناوری نانو در جهت دستکاری اتم ها، مولکول ها واندازه ذرات با روش هایی دقیق و کنترل شده و با هدف ساخت مواد با ساختاری جدید و در نتیجه خصوصیات جدید می باشد. از جهت دیگر سازه های هوشمند، موادی هستند که شرایط و محرک هایی مانند محرک های مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی را درک می کند و به آن ها عکس العمل نشان می دهند. نانو ساختارهای مورد استفاده به عنوان مواد هوشمند، مواردی همچون نانوالیاف کربن، نانوالیاف گرافیت، نانولوله-های کربنی تک دیواره و چند دیواره، همچنین نانو الیاف پلی آمیدی (Polyamide Fibers) را شامل می شوند. چنین نانو موادی در حال حاضر به طور گسترده در منسوجات هوشمند، مورد استفاده قرار می گیرند. نانو مواد کربنی، نقشی کلیدی در صنعت مواد هوشمند برای حسگری (Sensor Industry) دارند. امروزه کاربرد عمده الیاف هوشمند در صنایع تولید پوشاک، عایق حرارتی، پزشکی و صنعت هواپیما سازی مشهود است. این مواد می توانند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات را نیز متحول نماید.
حسگرها، محرک ها و واحد کنترل سه بخش معمول در نانوساختارهای هوشمند هستند. حسگر یک سیستم عصبی برای تشخیص سیگنال فراهم می کند.


1-2- مواد هوشمند وفناوری نانو

اگر بتوان چیدمان اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند امکان پذیر می شود. قابلیت کار در مقیاس نانو - یعنی سطح نهایی ظرافت - ما را به ایجاد موادی هوشمند با خواص بهتر وکارایی بیشتر از خواص مواد بزرگ مقیاس توانا می کند. حتی فناوری نانو می تواند تقلید از فرایندهای زیستی در ساخت مواد هوشمند را نیز فراهم می آورد. واضح است که مواد هوشمند از طیف بسیار گسترده ساختارها و فعالیت ها تشکیل می شوند و بسیاری از آن ها در کانون توجه قرار دارند. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، انتقال انرژی در ابعاد نانو و پردازش اطلاعات را امکان پذیر می سازد




1-3- انواع مولکول ها و نانو مواد هوشمند

با توجه به تعریف¬های ارائه شده برای مواد هوشمند و خصوصیات منحصر به فرد مواد، می توان آنها را به دو گروه مجزا تقسیم کرد:
گروه اول را اصطلاحاً "مواد هوشمند نوع اول" یا مواد کرومیک (Chromic) می نامند. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی (خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی) دچار تغییر رنگ می شوند. این تغییر رنگ ناشی از تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب (کمیتی است بیانگر قدرت یک گونه ی شیمیایی در جذب نور در یک طول موج خاص)، قابلیت بازتاب و یا شکست نور است که در نتیجه تغییر در ساختار این مواد ایجاد می شوند. گروه دوم مواد هوشمند، قابلیت تبدیل انرژی را از حالتی به حالت دیگر دارا هستند. برای مثال ترکیبات فتوولتائیک (Photovoltaic) زیر مجموعه مواد هوشمند نوع دوم هستند که انرژی نوری را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این ترکیبات امروزه به نحوی گسترده در فناوری های نوین همچون پیل های خورشیدی مورد استفاده اند.

1-3-1- مواد هوشمند نوع اول (ترکیبات کرومیک)

1-3-1-1- مواد فتوکرومیک (Photochromic)
بر اثر جذب انرژی تابشی، در ساختار شیمیایی مواد فتوکرومیک تغییر ایجاد شده و از ساختاری با یک میزان مشخص از جذب نور به ساختاری متفاوت با جذب متفاوت تبدیل می شوند. این بدان معناست که ساختار جدید، می تواند جذب نور را با شدت و/یا در طول موجی متفاوت انجام دهد (در هر حالت طیف های مختلفی از نور می توانند با شدت متفاوتی جذب شوند). به طور معمول از چنین موادی به صورت گسترده در ساخت عینک های طبی محافظ چشم که در مقابل شدت نور بالا تیره می شوند، استفاده می شود. به عنوان مثال، در شکل 1 نانو بلورهای دی آریل اتن (Diarylethene) و خواص فتوکرومیک آن ها نشان داده شده است .تغییر ساختار این کریستال ها را در حضور نور UV مشاهده می کنید. بیشترین استفاده از این مواد در عینک ها و ساخت شیشه پنجره برخی از ساختمان ها می باشد.

​

شکل 1- تغییر ساختار یک نانوکریستال های دی آریل اتن در برابر اشعه ماوراء بنفش



1-3-1-2- مواد ترموکرومیک (Thermochromic)

این مواد در نتیجه جذب گرما یا تغییرات شیمیایی با تغییر فاز مواجه می شوند. تغییرات ایجاد شده برگشت پذیر است و با از بین رفتن عامل ایجاد کننده تغییرات دمایی این مواد به حالت اولیه باز می گردند. همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است، بر اثر گرم شدن یا سرد شدن، تغییر ساختاری در این نانوذرات ایجاد شده که همین امر باعث تغییر رنگ در این ترکیبات می شود.

​

شکل 2- تغییر ساختار نانوذرات نقره پوشیده شده با دودسیل تیول در برابرحرارت و
تغییر رنگ در این نانوذرات در اثر حرارت
​

1-3-1-3- مواد مکانوکرومیک (Mechanochromic) و کموکرومیک (Chemochromic)
در برخی از محصولاتی که از این مواد ساخته شده اند با تغییر فشار، نوشته های مخفی شده در سطح به نمایش در خواهند آمد. کاغذهای تورنسل که در محیط های اسیدی و بازی رنگ های متفاوتی دارند نمونه ای از محصولاتی هستند که براساس ویژگی مواد کموکرومیک (Chemochromic) ساخته شده اند. در شکل 3 مثالی از ماده مکانوکرومیک آورده شده است که در اثر کشش دچار تغییر رنگ می شود [3]. از نانومواد دارای خاصیت مکانوکرمیک در ساخت نانوغشاهای و نانو ربات ها استفاده می شود.

شکل 3- تغییر ساختار یک ماده مکانوکرومیک در برابرکشش ​

1-3-1-4- مواد الکتروکرومیک (Electrochromic)

این گروه از مواد هوشمند، موادی هستند که در نتیجه قرار گرفتن در یک جریان یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آن ها به صورت بازگشت پذیر تغییر می کند. برای مثال در شکل 4 نانوذرات اکسید قلع ایندیم (Indium Tin Oxide- ITO) و 1، 1-دی دودسیل-4-4-بای پیریدینویم دی برمید قرار گرفته برروی شیشه پوشیده شده با ITOنشان داده شده و خواص الکتروکرومیک بررسی شده است.

شکل 4- تغییر رنک مواد الکتروکرومیک با عبور جریان الکتریسته ​

1-3-2- مواد هوشمند نوع دوم

گروه دوم مواد هوشمند را گروهی از مواد تشکیل می دهند که دارای قابلیت تبدیل انرژی از حالتی به حالت دیگر هستند. این بدان معنی است که در این دسته از مواد، تحریک و پاسخ در قالب صورت های متفاوتی از انرژی صورت می گیرد. انواع مواد هوشمند دسته دوم در زیر آمده اند.

1-3-2-1- مواد فتوولتائیک (Photovoltaic)
این مواد در پاسخ به محرک نورمرئی جریان الکتریکی ایجاد می کنند. نانوذرات دی اکسیدتیتانیم در حضور نور فرابنفش این خاصیت را نشان می دهند .

1-3-2-2- مواد ترموالکتریک (Thermoelectric)
این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند. این خاصیت در نوع خاصی از نانو لوله کربنی بررسی شده است و مشاهده شده که در ترکیب شبکه کربن نانو لوله با پلی آنیلین نه تنها باعث بهبود خاصیت ترموالکتریک پلی آنیلین می شود بلکه ساختار انعطاف پذیری نانولوله حفظ می گردد .

1-3-2-3- مواد نورتاب (لومینسانس کننده)
لومینسانس به تابش نوری گفته می شود که عامل ایجاد آن همانند لامپ های رشته ای، التهاب ماده نیست. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را به صورت نشر نور آزاد می کنند . از خاصیت لومینسانس برخی از نانو ذرات مانند CdTe و نانوذرات ترکیب شده از ZnS:Mn برای تعیین دما با استفاده از خاصیت لومینسانس استفاده می شود. در این روش ترمومتری (Thermometry) از موادی استفاده می شود که با تغییر دما تغییر لومینسانس می دهند.

​

شکل 5-تغییر ساختار پلیمر بر اثر حرارت
​

1-4-کاربرد نانو مواد هوشمند
در زیر مثال هایی پژوهشی از کاربرد نانومواد در ساخت حسگرها، مواد پزشکی هوشمند و منسوجات هوشمند آورده شده است. مثال های موردی دیگری از این قبیل را می توان در مجلات پژوهشی متعدد یافت.

1-1-4- کاربرد به عنوان حسگر گاز
در گزارشی توسط هو ا متوجه شدند که سیستم Ag/SiO2 یک سیستم هوشمند، برگشت پذیر است که در اتمسفرهای مختلف رنگ خاص (جذب خاص) از طیف نوری را از خود نشان می دهد. این تغییرات رنگ بر اساس پدیده تشدید سطحی پلاسمون (Surface Plasmon Resonance - SPR) صورت می گیرد. در شکل 6 تغییر رنگ نانوذرات نقره قرار گرفته شده در سطح سیلیکا را مشاهده می کنید. در حضور اکسیژن هوا نانوذرات Ag موجود در کامپوزیت Ag/SiO2 به یون های+Ag اکسید می شوند. از آنجا که برخلاف نانوذرات فلزات نجیب، یون های آنها اثر SPR را نشان نمی دهند، رنگ کامپوزیت به طور کلی محو می شود. در صورت حرارت دادن کامپوزیت فوق در اتمسفرهای خنثی و کاهنده نظیر Ar و یا H2، رنگ SPR نانوذرات نقره باز ظاهر می شود. از آنجا که رنگ SPR نانوکامپوزیت کاهش یافته در حضور هوا سریعا (ظرف 10 ثانیه) مجددا بی رنگ می شود (بر اثر اکسیداسیون مجدد نانوذرات نقره)، این کامپوزیت می تواند به عنوان یک کلید (Switch) روشن و خاموش SPR به حساب بیاید. همچنین گزارش شده است که در معرض گاز هیدروژن سولفید (H2S)، به دلیل تشکیل ترکیبات سولفید هیدروژن (AgS)، رنگ SPR به سمت طول موج هایی متناسب با گپ انرژی نیمه رسانای AgS سوق داده می شود. از آنجا که H2S گازی بی رنگ، آتش گیر و بسیار سمی است، تشخیص آن توسط حسگرهای گازی بسیار با اهمیت است. لذا به دلیل خاصیت تغییر رنگ سریع و برگشت پذیر نانوکامپوریت Ag/SiO2 در مجاورت اتمسفرهای مختلف (SPR Switch)، می توان از آن جهت ساخت حسگرهای گازی استفاده کرد.

​

شکل 6- سطح هوشمند برگشت پذیر نانو ذرات نقره قرار گرفته برروی سیلیکا حساس به اتمسفرهای مختلف
​

1-5-2-استفاده از نانو مواد هوشمند در پزشکی
در گزارشی برای شناسایی تومورهای سرطانی و تصویربرداری و کنترل رهایشی دارویی به طور همزمان، از نانوژل پلی(N-ایزوپروپیل آکریل آمید-co-آکریلیک اسید) در نقش پوسته و نانوذره نقره به عنوان هسته (نانوساختار هیبریدی پوسته-هسته) استفاده شده است .ماده تشکیل دهنده پوسته از دسته مواد هوشمندی می باشد که با تغییر اسیدیته محیط واکنش نشان می دهد.

​

شکل 7- نانوژل هیبریدی هسته-پوسته هوشمند ​

در تماس با محیط اسیدی، پوسته ساخته شده از نانوژل اصطلاحا در خود جمع می شود (Shrinkage). همین امر به تغییر در فضای اطراف نانوذره Ag به عنوان هسته منجر شده که تغییر در طیف SPR نانوذره را به سمت مقادیر آبی تر نتیجه می دهد. همین تغییر جذب SPR می تواند در تشخیص انتخابی سلول های سرطانی کارآیی داشته باشد. از جهتی این نانوژل است که به نانوذره فلزی اجازه ورود به ساختارهای درون سلول و تغییر رنگ حساس به pH را می دهد. همچنین نانوژل می تواند مقادیر بالایی از دارو را در خود ذخیره نموده و در پاسخ به اسیدیته محیط (بر اثر خاصیت جمع شدگی)، دارو را همزمان و به صورت کنترل شده آزاد نماید. با توجه مکانیسم های ذکر شده در بالا، ساختار هیبریدی پوسته-هسته تشکیل شده از نانوژل و نانوذره نقره، می تواند به طور هوشمند و همزمان وظیفه تصویربرداری و همچنین رهایش کنترل شده دارو را در pH های اسیدی انجام دهد.

-5-3- استفاده نانو مواد هوشمند در نساجی

نانو مواد در حال حاضر به طور گسترده ای در منسوجات هوشمند، مورد استفاده قرار می گیرند. خواص منحصر به فرد نانوذرات به دلیل تغییر در خواص مواد در مقیاس نانو است. این امر باعث تمایل تولید کنندگان لباس به استفاده از مواد نانو شده است.
مواد فیبری نساجی شامل پلی اول ها با اتصالات متقاطع (Cross-linked) از این دسته اند. این مواد دارای خواص چند گانه می باشند که مهمترین آنها سازگاری حرارتی، جذب بالا، قابل انعطاف پذیری و خاصیت ضد میکروبی است. خواص سازگاری دمایی و برگشت پذیری به دلیل تغییر فاز پلی اول هاست که در الیاف مورد استفاده قرار می گیرند. در این راستا الیاف های اصلاح شده با فرمول جدید و وزن مولکولی سنگین با استفاده از کاتالیزورهای اسیدی تهیه می شوند.
کاربرد الیاف هوشمند با قابلیت سازگاری حرارتی (Thermally Adaptable) در درجه اول در تولید پوشاک و عایق های حرارتی قابل توجه است. با این حال، بسیاری طرح های کاربردی بر پایه حافظه حرارتی هوشمند با استفاده از این الیاف بررسی شده است. لباس های استتار ساخته شده از این مواد برای ارتش مفید خواهد بود. دمای سطوح مختلف برروی این لباس توسط سنسورهای مادون قرمز تشخیص داده می شود و متعادل می گردد.
باتغییر ظرفیت تحمل (ظرفیت بافری) حرارتی می توان پارچه هایی را ایجاد کرد که در پزشکی برای درمان سوختگی ها، بهبود گردش خون و تنظیم درجه حرارت در بیماران مبتلا به آرتریت و دیابت استفاده می شوند. تغییرات درجه حرارت سطح پارچه می تواند در ساخت دستگاه های سنجش از راه دور برای تشخیص تغیییر درجه حرارت در صنعت, کشاورزی و باغبانی استفاده می شود.
نانو لوله های کربنی (CNT) یکی از نوید بخش ترین بلوک های ساختمانی هستند. قدرت و هدایت بالای الکتریکی آن ها در مقایسه با رسانش ضعیف نانوفیبرهای معمول مورد استفاده در منسوجات، قابل مقایسه نیست. نانو لوله های کربنی جهت ساخت حسگرها در پارچه های هوشمند استفاده می شوند. از آنجا که نانولوله ها توخالی می باشند، قطر آن ها تحت فشار خارجی تغییر می کند. با سنجش این فشار شعاعی می توان فشار وارد شده را تخمین زد [9]. همچنین از نانولوله های کربنی جهت ساخت حسگر حرارتی در پارچه های هوشمند استفاده شده است. با تغییر دما قطر و طول نانولوله تغییر می کند، همچنین ضریب انبساط حرارتی نانو لوله های کربنی تک دیواره در جهت محوری و شعاعی متفاوت هستند.

1-6- نتیجه گیری

همانطور که اشاره شد، مواد هوشمند، موادی هستند که شرایط و محرک هایی مانند تحریکات مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی و مغناطیستی را درک می کند و به آن ها عکس العمل نشان می دهند. با توجه به نوع محرک و نوع عکس العمل، این مواد را به دودسته تقسیم میکنند.
گروه اول را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند،. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی (خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی) دچار تغییر رنگ می شوند دسته دوم موادی هستند که می توانند یک حالت از انرژی را به حالتی دیگر تبدیل کنند. امروزه از ترکیبات هوشمند به طور گسترده در ساخت بسیاری از تجهیزات پیشرفته همچون حسگرها، منسوجات هوشمند، سامانه های رهایش دارو، تصویربرداری سلولی و ... استفاده می شود.

 

[ghxzy]

استفاده گسترده از حلال های سمی و فرار (Volatile) در صنایع شیمیایی منجر به آسیب دیدگی جدی محیط زیست می شود. لذا یافتن جایگزین مناسبی برای این حلال ها که از نظر زیست محیطی سالم بوده و در عین حال خواص حلال های متداول را داشته باشند، به شدت در صنایع دارویی و شیمیایی حس می شود. از حلال های جدیدی که به عنوان حلال و همچنین کاتالیست سبز شناخته می شوند، دی اکسید کربن فوق بحرانی (Supercritical CO2) و مایعات یونی (Ionic Liquids) را می توان نام برد. مایعات یونی شامل ترکیباتی آلی هستند که تماما از یون ها تشکیل شده اند. معمولا این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتی گراد مایع هستند و مهمترین مزیت آنها این است که فشار بخار (Vapor Pressure) قابل ملاحظه ای دارند به همین دلیل غیر فرار بوده (Nonvolatile) و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند.


مقدمه
مایعات یونی ترکیباتی هستند که در چند سال اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز هستند به عنوان حلال، نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست را دارا می باشند. مایعات یونی می توانند جایگزین بسیاری از حلال های معمول در صنایع دارویی باشند. امروزه مایعات یونی به ترکیباتی آلی اطلاق می شوند که از یون ها تشکیل شده و در دمای 100 درجه سانتی گراد به صورت مایع باشند. یکی از دلایلی که امروزه تحقیقات درباره مایعات یونی را شدت داده این است که دانشمندان در پی یافتن یک جایگزین مناسب برای حلال هی آلی فرار (Volatile) در صنایع می باشند. حلال های آلی فرار مهمترین منبع ایجاد آلودگی زیست محیطی در صنایع شیمیایی و دارویی می باشند. البته این بدین معنی نمی باشد که مایعات یونی تماما جزء حلال های سبز محسوب می شوند، حتی بعضی از آنها شدیدا سمی هستند. انواع مختلفی از مایعات یونی وجود دارند که می توان از جمله آنان ما یعات یونی در دمای اتاق (Room Temperature Ionic Liquids: RTILs)، مایعات یونی کایرال (Chiral ILs)، مایعات یونی آب گریز و غیره را نام برد. RTILs مایعات یونی هستند که در دمای اتاق مایع شده و کاربرد بسیار گسترده ایی در شیمی مایعات یونی دارند.

1-1- ساختار مایعات یونی

ساختار مولکولی مایعات یونی متشکل از کاتیون ها و آنیون های مختلف است. معمولا نقش کاتیون را یک ترکیب آلی حجیم (با بار مثبت) بازی می کند اما آنیون ها از لحاظ حجم بسیار کوچک تر از کاتیون ها هستند (با بار منفی) و ساختار آنها معدنی است. به دلیل تفاوت اندازه بین آنیون ها و کاتیون، پیوند میان دو جزءتشکیل دهنده مایعات یونی ضعیف است و این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتی گراد به صورت مایع هستند. ساختار مایع یونی مانند ساختار نمک طعام است ولی نمک طعام به علت پیوند قوی بین کاتیون و آنیون آن (شباهت بالای آنیون و کاتیون از نظر اندازه، بار و ماهیت) ساختار بلورین مستحکم دارد و در دمای 800 درجه سانتی گراد به صورت مذاب در می آید . برای دسته بندی مایعات یونی دمای 100 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. به آن دسته که در دمایی بالاتر از 100 درجه سانتی-گراد مایع هستند، مایعات مذاب و دسته ای که در پایین تر از این دما حالت مایع دارند، مایعات یونی گویند. بعضی از مایعات یونی در دمای اتاق مایع هستند که به آنها RTILs):Room temperature ionic liquids) اطلاق می شود.
در جدول 1 نام و ساختار مایعات یونی متداول آورده شده است.

جدول 1- نام وساختار مایعات یونی متداول

​

دو گروه عمده از مایعات یونی شامل ترکیباتی می شوند که به ترتیب از مولکول های آلی ایمیدازولیم (کاتیون ترکیب Imidazole با فرمول C3H4N2) و پیریدینیوم (کاتیون ترکیب پیریدین با فرمول C5H5N) به عنوان کاتیون ساخته شده اند. ساختارهای هر دو گروه در شکل 1 نشان داده شده است. کاتیون ها و آنیون های متنوعی برای تهیه مایعات یونی به کار می روند که با استفاده از تنوع گسترده می توان مایعات یونی با کاربری های اختصاصی و یا خواص فیزیکی-شیمیایی تقویت شده ساخت (Tuning of Physicochemical Properties). آنیون های متداول شامل BF4-، BF6-، Br-، Cl- و ... هستند.

شکل 1- مایعات یونی با کاتیون ایمیدازول و پیریدین​

1-2 مزایای و ویژگی های مایعات یونی

مهمترین مزیت های مایعات یونی شامل موارد زیر است:
1-این ترکیبات فشار بخار قابل ملاحظه ای ندارند. در نتیجه بر خلاف حلال های آلی معمول موادی غیر فرار هستند و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند.
2- تعداد مایعات یونی که امروزه می توان ساخت مشتمل بر 106 عدد است (تنوع بسیار بالا و خصوصیات متفاوت). در حالی که تعداد کل حلال های مولکولی از 600 عدد تجاوز نمی کند.
3-مایعات یونی بسیار بیش از ترکیبات آلی رسانا بوده (کاربردهای الکترونیکی و الکتروشیمیایی) و آنزیم های مختلف در آنها به راحتی محلول هستند (کاربردهای بیوتکنولوژی).
4-این مواد قادر به تشکیل یک سیستم دوفازی مناسب برای جداسازی (Separation Techniques) هستند. در واکنش های دوفازی پس از اتمام واکنش با دوفاز شدن شدن مخلوط واکنش، فاز آلی و فازآبی حاوی مایع یونی (که معمولا در نقش کاتالیست یا بستر کاتالیست عمل می کند) از هم جدا شده و عمل جداسازی با سهولت و با بازده بالا انجام می شود.
5- به راحتی تشکیل پلیمر و ژل می دهند و انواع مختلفی واکنش آلی و معدنی در آنها انجام پذیر است.
6- اگر از مایع یونی به عنوان کاتالیست استفاده شود، امکان استفاده مجدد و جداسازی کاتالیست از محصولات ساده است.
7- مایعات یونی قادر هستند ترکیبات مختلف اعم از نمک ها، چربی ها، پروتئین ها، آمینواسیدها، قندها و پلی ساکاریدها را در خود حل کنند. همچنین مولکول های آلی مانند نفت خام، جوهرها، پلاستیک ها و حتی DNA به راحتی در مایعات یونی مختلف محلول هستند.
8- می توان با تغییر کاتیون یا آنیون، مایع یونی ساخت که خواص فیزیکی تشدید شده مثل حلالیت، ویسکوزیته و ...نسبت به مایعات یونی متداول داشته باشد.
9-با انتخاب کاتیون یا آنیون خاص می توان کاربری مایعات یونی تهیه شده برای کاتالیز کردن یک واکنش یا استخراج گونه های فلزی را اختصاصی (Specific) کرد. اینگونه ترکیبات را مایعات یونی با کاربری خاص می‌گویند.

ازجمله مزیت های مایعات یونی نسبت به حلال های معمول مثل حلال های کلردار (Chlorinated Solvent) و آروماتیک را می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- مایعات یونی قادر به حل کردن گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی و فلز-آلی (Organometallic) هستند.
2- به شدت قطبی هستند.
3- فشار بخار ناچیز دارند و غیر فرار هستند.
4- در مقابل حرارت تا دمای 300 درجه سانتی گراد عموما پایدار و مقاوم هستند.
5- در گستره وسیعی از دما یعنی تا 200 درجه سانتی گراد به صورت مایع روان هستند.
6- هدایت الکتریکی این ترکیبات بسیار بالا است.
7- این ترکیبات با بسیاری از حلال های معمول آلی غیر قابل امتزاج هستند.


1-3- خواص مایعات یونی
1-3-1- خواص مایعات یونی با کاربری حلال

وجود حلال های فرار و سمی در صنایع شیمیایی که در مقیاس وسیع استفاده می شود، بزرگترین مشکل زیست محیطی صنایع مزبور است. تلاش برای یافتن جایگزین مناسب برای حلال های فرار صورت گرفته است. مواد زیر جدیدا برای این منظور مناسب تشخیص داده شده اند. در عین حال هرکدام از موارد زیر مزایا، محدودیت و مشکلات خاص خود را دارند.
الف) دی اکسید کربن فوق بحرانی (Supercritical CO2)
ب) حلال فلوئوره (Fluorinated Solvents )
ج) مایعات یونی (Ionic Liquids)
در مورد اول، گاز CO2 را در دما و فشار فوق بحرانی قرار می دهند به نحوی که این گاز به صورت مایع در می آید و اکنون دارای تواما خواص گاز و مایع (هر دو) است. دمای بحرانی برای گاز دی اکسید کربن 31 درجه سانتی گراد و فشار فوق بحرانی آن 74 بار است. دی اکسید کربن فوق بحرانی یک حلال سبز است ولی دو مشکل عمده دارد. برای استفاده از این حلال نیاز به تجهیزات لازم برای برای اعمال فشار فوق بحرانی است. همچنین دامنه حلالیت در این حلال بسیار محدود است. حلال فلوئوره دسته دیگری از حلال جایگزین هستند که مشکلات این حلال ها گران قیمت بودن آنها می باشد و در اثر حرارت مواد سمی متصاعد می کنند.
مایعات یونی دسته ترکیباتی هستند که امروزه به عنوان بهترین جایگزین برای حلال های فرار معرفی می شوند. مایعات یونی علاوه بر سبز بودن قادرند که گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی، ترکیبات فلزی-آلی، مولکول های حیاتی و یون های فلزی را در خود حل کنند. بدلیل ساختار یونی، این ترکیبات شدیدا قطبی (Polar) بوده و از این رو با بسیاری از حلال های آلی غیرقابل امتزاج هستند (حلال های آلی معمولا غیرقطبی بوده یا قطبیت پایینی دارند و معمولا با فاز آبی مخلوط نمی شوند). با افزایش طول زنجیره آلکیلی متصل به کاتیون می توان مایعات یونی غیر قابل امتزاجی با آب ساخت و این مایعات یونی در نقش فاز آلی کاربرد دارند.

1-3-2- خلوص مایعات یونی

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مایعات یونی می تواند با حضور ناخالصی ها تغییر پیدا کند. بنابراین خالص سازی مایعات یونی ضروری است. مهمترین آلاینده های مایعات یونی آنیون هالیدها یا بنیان های آلی و آب هستند که معمولا از مواد واکنش نداده (پیش ماده های سنتز مایع یونی که تا آخر تغییر نیافته باقی مانده اند) به وجود می آیند. مایعات یونی تمایل زیادی به جذب رطوبت دارند به طوری مایعات یونی آب گریز هم جاذب الرطوبه هستند. به طور کلی مایعات یونی با حرارت دادن تحت خلاء خشک می شوند ولی خروج کامل آب ( به دلیل ایجاد پیوند محکم هیدروژنی) مشکل است. حضور آب باعث کاهش در چگالی و ویسکوزیته شده و خواص شیمیایی را تعدیل می کند.

1-4- نسل هایی مختلف از مایعات یونی
1-4-1- نسل اول
مایعات یونی، ترکیباتی هستند که کاربرد وسیعی به عنوان حلال دارند. این ترکیبات خواص فیزیکی منحصربه فردی دارند که با تغییر کاتیون یا آنیون آنها می توان این خواص را تقویت کرد. در شکل 2 این مایعات یونی، با عنوان نسل یکم معرفی شده اند.

1-4-2- نسل دوم

با رشد روز افزون این ترکیبات دسته ای از مایعات یونی طراحی شدندکه به عنوان مایعات یونی با کاربری خاص شیمیایی شناخته می شوند. این ترکیبات دارای یک یا چند گروه عاملی خاص بر روی کاتیون هستند که امکان برهم کنش و ایفای نقش شیمیایی خاص را دارند . به عنوان مثال به عنوان روان ساز و لیگاندها ی کمپلکس ساز استفاده می شوند. این ترکیبات علاوه بر خواص فیزیکی ذکر شده کارآیی شیمیایی نیز دارند که با عنوان نسل دوم مایعات یونی شناخته می شوند.
1-4-3- نسل سوم

بعضی ترکیبات فعال دارویی، ساختاری مثل ساختار ما یعات یونی کلاسیک دارند و از لحاظ بیولوژیکی فعال بوده و سمیت آنها مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از ا ین ترکیبات دارویی، نسل جدید مایعات یونی نسل سوم جدیدًا معرفی شده است این ترکیبات سمیت بسیار کمی دارند و خواص فیزیکی مایعات یونی را نیز دارا می باشند. یعنی می توان از ا ین دسته ما یعات یونی به عنوان دارو استفاده کرد.

شکل 2- سه نسل از مایعات یونی با خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ​

1-5- کاربردهای مایعات یونی

امروزه مایعات یونی کاربرد بسیار گسترده در علوم و فنون مختلف دارد. مهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز به جای حلال های فرار است. امروزه مایعات یونی کاربردهای گسترده دیگری نیز دارند که به اختصار به بعضی از آنها اشاره می شود.

1-5-1- واکنش های کاتالیستی

اولین بار 20 سال پیش مایعات یونی به عنوان کاتالیست در واکنش آسیلاسیون فریدیل کرافتس استفاده شد. مایعات یونی به عنوان یک کاتالیست دوفازی یا بستری برای ثابت کردن کاتالیست های دیگر استفاده می شوند. در حضور مایعات یونی امکان استفاده مجدد از کاتالیست وجود دارد.
1-5-2- پایداری نانو کاتالیستها در محیط مایع یونی
نانوکاتالیست های فلزی مانند طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم و روتنیم کاربرد گسترده ای در واکنش های آلی دارند. مشکل نانوکاتالیست این است که در محیط های واکنش به هم متصل می شوند و به صورت کلوخه ای در می آیند و فعالیت آنها به شدت کاهش می یابد. برای جلوگیری از این مورد، انواع مایعات یونی استفاده می شود. به عنوان مثال نانوکاتالیست رودیم (Rh) در مایعات یونی ذکر شده در واکنش هیدروژناسیون آلکن ها و آرن ها فعالیت بیشتری از خود نشان می دهند.

1-5-3- حلال

همانطور که ذکر شد کاربری عمده مایعات یویی به عنوان حلال است. از مهمترین مزایای استفاده از مایعات یونی ازدیاد سرعت واکنش ها و بهبود بخشیدن جهت گزینی نسبت به حلال های دیگر است.
1-5-4- الکتروشیمی

بیشتر از 20 سال قبل اولین بار نمک های مذاب و مایعات یونی توسط الکتروشیمیدانان ها برای استفاده در سیستم های قدرت به کار برده شدند. برخی از مایعات یونی بهترین نمونه برای دستگاه های الکتروشیمیایی مانند ذخیره کننده های قدرت، پیل های سوختی، سلول های فوتوولتایی و آب کاری الکتریکی بودند. این به دلیل پایداری بسیار بالای الکتروشیمیایی، رسانایی بالا و محدوده عملکرد دمایی وسیع است. نیاز به باتری هایی با قدرت بالا برای کاربردهای مختلف (پرتابل های الکترونیکی، ترموبیل های الکتریکی، گوشی تلفن همراه و ...) باعث جستجو برای یافتن محلول های الکترولیتی غیر آبی بیشتر شد. رقابت برای بدست آوردن باتری های قابل شارژ یون لیتیم باعث شناسایی الکترولیت های با قدرت رسانایی بالا شد که از لحاظ الکتروشیمیایی پایدار بوده و ظرفیت زیادی برای استفاده مجدد داشتند.
مایعات یونی به نظر می رسد که الکترولیت های خوبی برای باتری های قابل شارژیون لیتیم می باشند. گستره وسیع پتانسیل الکتروشیمیایی آنها مانع احیاء یا اکسید شدن الکترود می شود. این گستره برای مایعات یونی بیش از 5/4 ولت و برای الکترولیت های آبی 2/1 ولت است. علاوه براین مایعات یونی پایداری حرارتی بیشتر، رسانایی بالاتر و حلالیت بیشتری نسبت به الکترولیت های معمول دارند. به عنوان مثال رسانایی آنها در باتری های لیتیم 5 برابر بیشتر از مخلوط و نمک های لیتیم در حلال غیر آبی است.

1-5-5-استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction)

یکی از روشهای که برای جداسازی استفاده می شود، استخراج مایع-مایع است. این روش در صنعت کاربرد زیادی دارد زیرا بسیار از منظر انرژی مناسب است. در این روش از دوفاز غیر قابل امتزاج یعنی فاز آلی و آبی استفاده می شود. اکثر حلال های مورد استفاده برای فاز آلی کلروفرم از دسته حلال های فرار می باشند. مایعات یونی آب گریز جایگزین مناسبی برای فاز آلی هستند.
مورد استفاده مایعات یونی عمدتا در استخراج یون های فلزی ارزشمند مانند طلا، لانتانیدها و اکتنیدها یا یون های فلزی سمی آب آشامیدنی مانند جیوه و کادمیم می باشد. در جدول لیستی از مایعات یونی مورد استفاده در فرایند استخراج یون های فلزی آورده شده است.

جدول 2- مایعات یونی مختلف با کاربری حلال در فرآیند استخراج یونهای فلزی

​

1-6- نتیجه گیری
مایعات یونی ترکیباتی هستند که در چند سال اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز هستند به عنوان حلال کاتالیست نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست در صنایع دارویی دارا می باشند.
در این مقاله به مزایا و ویژگی‌های منحصر به فرد مایعات یونی اشاره شده و همچنین کاربردهای این ترکیبات به اختصار توضیخ داده شده است. امروزه مایعات یونی کاربرد بسیار گسترده در علوم و فنون مختلف دارد. مهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز به جای حلال های فرار است.

 

[ghxzy]

سنتز نانو ذرات در مایعات یونی

سنتز نانو ذرات در مایعات یونی

مایعات یونی ترکیباتی هستند که در چند سال اخیر انقلابی در مرکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات جزء مواد شیمیایی سبز هستند که در تهیه نانو ذرات به عنوان محیط واکنش، تثبیت کننده (Stabilizer)، واکنشگر کاهنده و ... استفاده می شوند. مایعات یونی این قابلیت را دارا می باشند که بتوانند تمام این ویژگی ها را به طور همزمان داشته باشند. استفاده از مایعات یونی به عنوان محیط واکنش برای تهیه نانوذرات معدنی تاکنون به طور عمده به خاطر قطبیت بالای مایعات یونی بوده است. ایجاد پایداری فضایی و الکتروستاتیک برای نانو ذرات و انتقال فاز مناسب نانو ذرات از آب به حلال های غیرقابل امتزاج با استفاده از ساختارهای از پیش طراحی شده مایعات یونی (به عنوان الگو برای تهیه نانو مواد متخلل) مزیت استفاده از این محیط واکنش می باشد.


تهیه مواد در مقیاس نانو برای مدت طولانی مورد توجه شیمیدانان علم مواد ومهندسین این علم قرار گرفته است. هنگامی که یک ماده در مقیاس نانو تهیه می شود خواص فیزیکی آن تغییر می کند. این خواص وابسته به اندازه نانوساختارهای مختلف فوق العاده ارزشمند است. در سال های اخیر مایعات یونی به عنوان محیط مناسب برای تهیه نانو ذرات شناخته شده اند. اگرچه تهیه نانوذرات در مایعات یونی هنوز در مرحله ابتدایی است ولی نتایج بسیار خوبی با استفاده از این ترکیبات به دست امده است که حاکی از استفاده از این ترکیبات برای تهیه نانوذرات می باشد.
مایعات یونی دارای خواص منحصر به فردی می باشند که آنها را جهت استفاده به عنوان محیط واکنش برا ی سنتز نانوذرات مناسب کرده است. کشش سطحی پایین به عنوان خصوصیت بسیاری از مایعات یونی سبب می-شود تا سرعت هسته زایی افزایش یافته که این باعث ایجاد ذرات با اندازه کوچکتر می شود. همچنین مایعات یونی می توانند هم به عنوان گونه الکترونی و هم تثبیت کننده فضایی، رشد نانو ذرات را به تنهایی کاهش دهند.
سه روش معروف سنتزی نانوذرات توسط مایع یونی در زیر آمده اند که از خواص منحصر به فرد این حلال (در مقایسه با حلال های فرار) در این روش ها بهره گرفته شده است. روش اول سنتز مستقیم با استفاده از ریزموج (Microwave Assisted Synthesis) می باشد. خصوصیت یونی و قطبیت بالای مایعات یونی دلیل استفاده از این ترکیبات به عنوان محیط واکنش ریزموج می باشد (قطبیت محیط واکنش جذب انرژی ریزموج را باعث می شود). روش دوم، ترسیب بخار فیزیکی (Physical Vapour Deposition) PVD تحت شرایط خلاء بالاست. به علت اینکه مایعات یونی دارای فشار بخار پایین هستند از این ترکیبات به عنوان محیط واکنش در روش اخیر استفاده می شود. روش سوم سونوشیمی (Sonochemistry) است که یک راه قدرتمند را برای تهیه نانوذرات اکسیدی با استفاده از مایعات یونی فراهم آورده است.

مزایای استفاده از مایعات یونی در سنتز نانو ذرات

1-می توان مایعات یونی را به گونه ای طراحی کرد که نمک های معدنی (به عنوان پیش ماده برای سنتز نانو ذرات) را به راحتی در خود حل کنند.

2- مایعات یونی را می توان به گونه ای انتخاب کرد که سنتز معدنی با مواد اولیه قطبی/یونی بدون آب (به عنوان یک حلال قطبی) قابل انجام باشد. سنتز در غیاب آب می تواند از تشکیل مواد جانبی نظیر هیدروکسیدها و یا اکسیدهای آبی جلوگیری کند.

3-مایعات یونی کششش سطحی پایین دارند که باعث افزایش سرعت تشکیل هسته¬ها می¬شود. این امر سبب ایجاد نانوذرات با اندازه کوچک می شود.

4- مایعات یونی به خاطر وجود کاتیون و آنیون می توانند یک پوسته الکتروستاتیک در اطراف نانوذرات تشکیل دهند که باعث جلوگیری از انباشتگی نانوذرات می شود. به علاوه نانوذرات با پیوند کئوردینانسی (Coordination Bonding) از طریق کاتیون یا آنیون (پیوند یونی یا کوالانسی) پایدار می شوند. کاتیون یا آنیون با زنجیر آلکیل طولانی باعث پایداری نانوذرات در محلول می شود.

5-پراکندگی نیروی کشش سطحی اجزاء موجب افزایش تفاوت هایی بین انرژی سطحی در جهات مختلف بلور می شود. از آنجا که مایعات یونی کشش سطحی پایینی دارند، کنترل مورفولوژی نانوذرات در محیط مایع یونی تضمین می شود.

6-مایعات یونی ممکن به صورت گسترده در حالت مایع پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. در این موارد مایعات یونی به عنوان حلال های ابرمولکولی (Supramolecular) شناخته می شوند. مایعات یونی می توانند در سنتز نانوذرات با کنترل مورفولوژی استفاده شوند.

7-با تغییر کاتیون و آنیون موجود در مایع یونی می توان خواص یا خاصیت های آن را تغییر داد. خواصی همچون آب گریز یا آب دوست بودن مایعات یونی، پیون هیدروژنی، حلالیت گازها در این مایعات از این دسته است.

8-مایعات یونی واکنشگرهای فعالی هستند. برای مثال مایع یونی دارای گروه هیدروکسیل همزمان به عنوان عامل کاهنده، حلال و پایدار کننده نانوذرات استفاده می شوند.

9-با توجه به نوع مایع مورد استفاده به عنوان محیط واکنش برای سنتز، نانو مواد سنتز شده می¬توانند محلول در آب یا غیر محلول باشند. لذا می توان با تغییر خصوصیات مایع یونی، خصوصیات آب دوستی یا آب گریزی را به نانوذرات سنتز شده القا نمود.

10-فشار بخار پایین و غیر قابل اشتعال بودن این ترکیبات باعث شده که به راحتی بتوان واکنش را در دمای بالا و تحت خلاء انجام داد.

11- مایعات یونی حلال های سبز ( Green Solvents) هستند. این ترکیبات غیرفرار، غیرسمی و غیرخورنده هستند. استفاده از حلال کمکی و مواد جداکننده در محیط مایعات یونی غیرضرورری است و می توان مایعات یونی را طراحی کرد که تمام این قابلیت ها را همزمان داشته باشد.

استفاده از مایع یونی در سنتز نانو ذرات
استفاده از مایعات یونی به عنوان محیط واکنش برای تهیه نانوذرات معدنی تاکنون به طور عمده به دلیل خصوصیات منحصربه‌فرد زیر بوده است: بار ذاتی بالا ، قطبیت بالای مایعات یونی برای ایجاد پایداری فضایی و الکتروستاتیک برای نانو ذرات ، انتقال فاز مناسب نانو ذرات از آب به حلال های غیرقابل امتزاج با استفاده از ساختارهای از پیش طراحی شده و همچنین قابلیت مایعات یونی به عنوان الگو برای تهیه نانو مواد متخلل.
نانو ذرات فلزی مانند ایریدیوم (Ir)، رودیوم (Rh)، پالادیم (Pd)، پلاتین (Pt)، و نانوذرات طلا (Au) از طریق روش کاهشی استاندارد، که در آن از مایع یونی به عنوان حلال کمکی و تثبیت کننده استفاده میشود، تهیه شدند. همچنین نانو ذرات آلیاژی از طریق تخریب گرمایی (Thermolysis) در مایعات یونی تهیه می شوند. با این حال در اکثر موارد از مایعات یونی به عنوان حلال کمکی استفاده می شود. در این حالت تغییرات مشخصی در خواص حلال در مقایسه با حلال تنها (مخلوط نشده) مشاهده می شود. همچنین استفاده از مایعات یونی در روند سنتز باعث می شود تا تعداد پارامترهای موثر بر واکنش کاهش یابد و باعث قابل فهم¬تر شدن مکانیسم واکنش می‌گردد. این اجازه می دهد که پارامترهای واکنش به خوبی تنظیم شوند و از آنجا که واکنش عاری از هرگونه محصول جانبی می شود، به سمت واکنش های سبز پیش می رود.

روش های استفاده از مایع یونی برای تهیه نانو ذرات
سنتز نانوذرات از طریق رسوب بخار فیزیکی
مایعات یونی فشار بخار پایین دارند که این باعث شده بتوان از آنها تحت شرایط خلاء و دمای بالا استفاده کرد. به همین خاطر می توان از روش رسوب بخار فیزیکی برای تهیه نانو ذرات با استفاده از مایعات یونی استفاده کرد.
دستگاه آزمایشگاهی استفاده شده در این روش دستگاه تبخیر تجاری (Torrovap TVP 800) می باشد. این دستگاه شامل یک ظرف دوار (Rotary Seal) است که منبع بخار کننده در آن سوار شده است (شکل 1). محفظه واکنش به پمپ خلا متصل بوده (پمپ روغن چرخشی همراه پمپ انتشار روغن) و تحت خلاء بالا قرار می گیرد. این سبب می شود که مایع یونی در ظرف واکنش در حال چرخش ایجاد یک فیلم مایع برروی دیواره داخل ظرف کند. سپس خلاء قطع شده و یک فلز یا نمک فلزی از طریق تبخیر با حرارت مقاومتی از یک ظرف تنگستن یا مولیبدن و یا از طریق تفنگ الکترونی در داخل مایع یونی منتشر می شود. روش حرارت مقاومتی برای تبخیر در دمای 200-25 درجه سانتیگراد استفاده می شود، در حالی که پرتو الکترونی برای محدوده 2500-1000 مناسب می باشد.

شکل 1 - دستگاه آزمایشگاهی برای رسوب بخار فیزیکی از واکنش دهنده در مایع یونی ​

تفنگ الکترونی برروی مرکز نمونه متمرکز می شود و تنها بخشی از نمونه ذوب می شود و سپس تبخیر می گردد. این روش برای تبخیر در مقیاس بالا (Kg h[SUP]-1[/SUP]) از هالیدهای فلزی، کاربیدها، اکسیدها فلزی و الیاژها استفاده شود. در این دستگاه همچنین یک ترازوی کریستالی کوارتزی تعبیه شده است که برای نظارت بر پیشرفت تبخیر تعبیه شده است.
وقتی مایع یونی در مقدار زیاد در این روش استفاده شود، نانو ذرات تشکیل شده خیلی سریعتر با مایعات یونی واکنش می دهند تا با همدیگر و این سبب جلوگیری از تشکیل ذرات حجیم تر می شود. در واقع مایعات یونی با مسدود کردن رشد و با تشکیل فیلم از طریق چرخش فلاسک از تشکیل ذرات درشت‌تر جلوگیری می کنند.
در شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ذرات مس در مایع یونی 1-بوتیل-3-متیل-ایمیدازلیوم هگزافلوروفسفات به عنوان یک نتیجه متداول از فرآیند تبخیر فلز می باشد. این ذرات توسط تبخیر مس تحت تعادل ترمودینامیکی در خلاء بالا در مایع یونی تهیه شدند. اندازه ذرات تهیه شده با این روش 3 نانومتر و ذرات به صورت تک‌پخش و منظم گزارش شده اند. این نشان دهنده این است که مایعات یونی مانند محافظی نانو ذرات را در بر می گیرد که منجر به تولید نانو ذرات تک‌پخش می شود.

شکل 2 - TEM ذرات مس در مایع یونی 1-بوتیل-3-متیل ایمیدازلیوم هگزافلوروفسفات [1]​

روش تبخیر بخار فیزیکی PVD با استفاده از مایعات یونی یک روش مفید و کارآمد برای برای سنتز نانو ذرات فلزی در مقایسه با سنتز آنها در محلول و حلال های فرار می باشد. در مرحله اول عوامل پایدار کننده به غیر از مایع یونی نیاز نیست و دوم اینکه هیچ واکنش اضافی مانند عوامل کاهنده در محلول وجود ندارد.

سنتز نانو ذرات از طریق ریز موج
مایعات یونی به علت خصلت یونی بالا قادر به جذب امواج ریز موج (Microwave) هستند و همین امر باعث افزایش تشکیل نانو ذرات تحت شرایط ریز موج می¬شود. تابش موثر ریزموج باعث کاهش زمان واکنش در حد ثانیه تا دقیقه می شود. همین مزیت باعث می شود از مایعات یونی به عنوان حلال متداول برا ی تهیه نانو ذرات تحت شرایط ریز موج استفاده شود. اندازه ذرات را می توان با کنترل دما، غلظت واکنش دهنده ها و مایع یونی کنترل کرد. در شرایط ریز موج نمونه به صورت همگن گرما داده می شود که این باعث می گردد تا ذرات به صورت یکنواخت رشد کنند.
مایعات یونی می توانند به عنوان عامل کاهنده یون فلز نیز طراحی شوند. برای تهیه نانوساختارهای فلزی مایعات یونی بر پایه کاتیون کولین سنتز شده‌اند. این مشتقات در ترکیب با متانوآت یا بیس(تری فلورومتان)سولفونیل آمیدها به عنوان آنیون همراه در این مایعات یونی می باشند (شکل 3)

شکل 3 - مایعات یونی به عنوان عامل کاهنده استفاده شده برای تهیه نانو ذرات فلزی ​

2-هیدروکسی اتیل آمونیوم متانوآت عامل کاهنده قوی می باشد که قادر است تا کاتیون مس را کاهش دهد. شکل 4 نتایج حاصل از گرما دادن محلول مس (II) پنتان-2، 4 دی اُن در حضور مایع یونی 2-هیدروکسی اتیل-آمونیوم متانوآت برای 5 دقیقه در دمای 80 درجه سانتیگراد تحت شرایط ریز موج را نشان می دهد. کلوئیدهای مس تشکیل شده خیلی سریع در مجاورت هوا اکسید می شوند.

شکل 4 -سنتز محلول کلوئیدی مس از محلول مس(II) پنتان-2،4-دی اُنات و 2-هیدروکسی اتیل آمونیوم متانوآت تحت تابش ریز موج ​

همین روش برای تهیه نانو ذرات نقره و طلا استفاده شد. در این روش از مایع یونی 2-هیدروکسی-N,N,N,-تری متیل آمونیوم بیس{(تری فلورو متیل)سولفونیل} آمید به عنوان کاهنده نمک نیترات نقره و نمک طلا (II) استفاده شد.

شکل 5 - ذرات نقره (چپ) و طلا (راست) سنتز شده توسط ریز موج در حضور مایع یونی 2-هیدروکسی-N,N,N,-تری متیل آمونیوم بیس{(تری فلورو متیل)سولفونیل} آمید ​

سنتز نانو ذرات از طریق امواج فراصوت
روش فراصوت می توانند جایگزینی برای روش های ذکر شده ی قبلی باشد. این روش برای تهیه تعداد زیادی از مواد مانند نانو ذرات فلزی، اکسیدها، سولفیدها و کاربیدها استفاده می‌شود. امروزه به طور گسترده از مایعات یونی به عنوان محیط واکنش در این روش استفاده شده است. در این روش از خاصیت ویسکوزیته قابل تنظیم مایع یونی استفاده می شود.
نانو ذرات لانتنید (III) اکسید به راحتی تحت تابش فراصوت در حضور مایع یونی 2-هیدروکسی-N,N,N, تری متیل آمونیوم بیس{(تری فلورو متیل)سولفونیل} آمید تهیه شدند که قطر ذرات 40 نانومتر و طول آنها 200-800 نانومتر می باشد (شکل 6)

شکل 6-TEM نانوذرات Tb[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB] ​

نتیجه گیری:
فشار بخار و کشش سطحی پایین مایعات یونی، سبب استفاده از این مواد در تهیه نانو ذرات شده است. مایعات یونی به خاطر وجود کاتیون و آنیون می¬توانند یک پوسته الکتروستاتیک در اطراف نانوذرات تشکیل دهند که این باعث جلوگیری از کلوخه ای شدن می¬شود.
سه روش کارآمد برای تهیه نانوذرات در مایع یونی ارئه شده‌اند. در هرکدام از روشها از یکی از خصوصیات مایع یونی استفاده شده است. روشهای استفاده از مایع یونی برای تهیه نانو ذرات شامل روش رسوب بخار فیزیکی، روش ریزموج، روش امواج فراصوت می باشد. در روش تبخیر شیمیایی از خاصیت فشار بخار پایین این ترکیبات استفاده می¬شود. این مزیت آنها باعث شده که بتوان با استفاده ازمایعات یونی تحت دمای بالا و در شرایط خلاء بالا، نانو ذرات فلزی را با اندازه بسیار کوچک و به صورت ذره های تک پخش تهیه کرد.
در سنتز به روش ریز موج از خاصیت قطبی زیاد مایعات یونی استفاده می‌شود. این امر باعث جذب بیشتر امواج ریز موج توسط این مایعات شده و باعث کاهش زمان واکنش و افزایش بازده برای تولید نانو ذرات می¬شود. در روش فراصوت نیز از خاصیت تنظیم پذیر بودن گرانروی این مواد سود برده شده است.
مسیرهای سنتزی پیشنهاد شده سنتز نانوذرات با استفاده از مایع یونی، در برگیرنده واکنش های تمیز، سبز، بدون هیچ گونه محصول جانبی و واکنش اضافی می باشند.

 

[ghxzy]

نانو ذرات اصلاح شده با مایعات یونی

نانو ذرات اصلاح شده با مایعات یونی

ذرات با اندازه نانو، مواد امید بخشی در بسیاری از کارایی‌های مختلف هستند. اصلاح سطح نانو مواد یک تکنولوژی مهم برای توسعه این کارایی ها می باشد. در سال های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی (Ionic Liquids) از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا با استفاده از سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. در این مقاله روش انجام اصلاح سطوح با مایعات یونی از طریق اتصالات کوالانسی، جذب فیزیکی، پلیمریزاسیون و یا روش سل-ژل مرور خواهد شد. همچنین کاربرد این سطوح اصلاح شده در زمینه های مختلف شیمی بررسی شده است.



سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در زمینه های مختلف شیمی مانند شیمی آلی، معدنی، الکتروشیمی و شیمی تجزیه کاربرد دارند. مایعات یونی با قطبیت زیادی که دارند محیط های مناسبی برای نگهداری (Immpbilization) گونه¬های کاتالیستی همچون کمپلکس های فلزی می باشند. کاربرد این مواد در شیمی تجزیه بیشتر در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز-مایع، استخراج میکروفاز-جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) می باشد.

در سال های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا توسط سطوح جامد دیگری صورت گرفته است.اصلاح سیلیکا و زئولیت یا آلومینا با مایعات یونی دارای مزیت های زیادی است. قدرت اسیدی این سطوح به آسانی قابل تنظیم می باشند. همچنین با تغییر اندازه زنجیره جانبی کاتیون می توان خواص آب گریز و آب دوست بودن این سطوح را نیز تغییر داد. اصلاح سطح با مایعات یونی با روش‌های اتصالات کوالانسی ، جذب فیزیکی، پلیمریزاسیون و یا سل-ژل انجام می گیرد. وقتی که به عنوان کاتالیست از این مواد استفاده می شود، اصلاح سطح باعث افزایش انتخاب پذیری و واکنش پذیری می گردد (برای اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله نانوکاتالیست‌ها مراجعه بفرمایید). در سال های اخیر اصلاح سطح نانوسیلیکا از طریق پیوند کوالانسی با مایعات یونی صورت گرفته است. هرچند قرار دادن مایعات یونی بر سطح باعث می شود که برخی از خواص این ترکیبات همچون گستره مایع بودن آن‌ها (Liquid Range) تغییر کند، ولی خواص منحصر به فردمایعات یونی همچون قطبیت و فشار بخار بسیار پایین با قرارگیری بر سطح حفظ می‌ شود.

روشهای اصلاح سطح توسط مایع یونی
اصلاح سطح با مایعات یونی می تواند از طرق مختلف انجام گیرد که با توجه به برهمکنش های بین مایع یونی و سطح دسته بندی می شوند. در شکل 1 این دسته بندی نشان داده شده است. مایع یونی می تواند از طریق پیوند کوالانسی بین گروه سیلانول (Si-OH) سطح و آنیون و یا کاتیون از مایع یونی صورت پذیرد. همچنین مایع یونی بدون پیوند کوالانسی به شکل فاز مایع بر سطح قرار داده شده (Supported Liquid Phase- SLPs) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 1- اصلاح مایع یونی به طریق آنیون ، کاتیون یا فاز مایع بر سطح قرار داده شده ​

اتصال کوالانسی
در این روش اصلاح سطح، مایع یونی توسط پیوند کوالانسی با سطح اتصال برقرار کرده و بر آن قرار می گیرد. در شکل 2 قرار گرفتن ایمیدازول بر سطح از طریق پیوند کوالانسی نشان داده شده است.

شکل 2- اصلاح سطح سیلیکا با استفاده از اتصال کوالانسی با ایمیدازول ​

اصلاح سطح با اتصال آنیون
یک روش آسان برای اصلاح سطح با یک مایع یونی به روش Incipient Wetness معروف است. در این روش اتصال مایع یونی به سطح جامد از طریق آنیون آن صورت می گیرد. مایع یونی به حدی به فاز جامد افزوده می شود که ترکیب حالت پودری و خشک خود ا از دست بدهد. شکل 3 زئولیت اصلاح شده با مایع یونی را توسط این روش نشان می دهد. در این روش مایع یونی از طریق پیوند یونی با سطح اتصال برقرار می کند.

شکل 3 - اصلاح مایع یونی به طریق آنیون​

اصلاح سطح با اتصال کاتیون (Grafting)
همانطور که قبلا ذکر شد، اصلاح مایعات یونی از طریق پیوند کوالانسی بین آنیون مایع و گروه سیلانول (Si-OH) برروی سطح انجام می گیرد. معایب این روش این می باشد که خاصیت اسیدی مایع یونی افزایش می یابد. برای رفع این مشکل به جای افزایش مایع یونی به سطح سیلیکا، هالیدهای آلی شامل کاتیون در مایع یونی برروی سطح قرار می گیرد و در مرحله بعد هالیدهای فلزی اضافه می گردد. در این روش در واقع مایع یونی را روی سطح با تعویض آنیون همراه ایجاد می کنیم.

شکل 4- اصلاح از طریق کاتیون (روش پیوند) ​

پلیمریزاسیون
در این روش مایع یونی از طریق پیوند کوالانسی برروی سطح پلیمر قرار گرفته است. مایع یونی قرار گرفته شده برروی پلیمر از طریق گروه پلیمری (معمولا توسط یک متصل کننده) به ایمیدازول و یا آنیون مایع یونی متصل می شود. معمولا با اتصال پلیمر به مایع یونی هدایت پلیمر افزایش می یابد. در شکل 5 اصلاح سطح پلیمر با استفاده از مایع یونی ایمیدازولیوم نشان داده شده است که باعث افزایش هدایت پلیمر شده است.

شکل 5 - اصلاح سطح پلیمر با مایع یونی ​

روش سل-ژل
در این روش سطح اصلاح شده با مایع از طریق روش سل-ژل تهیه می شود. 1-(تری اتوکسی سایلیل پروپیل)-3-متیل ایمیدازولیوم کلرید به مخلوطی از منبع سیلیکا و ماده متخلخل از سیلیکا تشکیل می شود. سپس با افزایش آلومینیوم کلرید کمپلکس یونی ایجاد می شود (شکل 6).

شکل 6- اصلاح سطح توسط مایع یونی از طریق سل-ژل ​

جذب فیزیکی
در این روش مایع یونی از طریق پیوندهای ضعیف وان دروالس برروی سطح قرار می گیرد و در این مورد اتصال کوالانسی خاصی مطرح نیست. برای مثال شکل 7 سطح نانوذره SBA-15 اصلاح شده توسط مایع یونی از طریق جذب فیزیکی را نشان می دهد.

شکل 7- جذب فیزیکی مایع یونی در سطح نانو ذرات ​

3 - رو ش‌های القاح کاتالیستهای مولکولی در فاز مایع یونی قرار گرفته بر سطح

مزیت مایعات یونی اصلاح شده بر سطح نسبت به مایع یونی خالص این است که به راحتی قابل بازیافت (Recovery) می باشند. کاتالیست، مایع یونی و فاز جامد به روش های مختلفی می توانند با هم ترکیب شوند. در شکل 8 ساختار( SILP=Supported Ionic Liquid Phase) نشان داده شده است.

آ) در نوع اول، اصلاح سطح فاز جامد با مخلوط کاتالیست و مایع یونی از طریق پیوندهای نسبتا ضعیف واندروالسی می‌باشد. در این حالت کاتالیست به صورت همگن (Homogeneous) عمل می کند.

ب) در نوع دوم مایع یونی به طور مستقیم به فاز جامد متصل شده و به صورت تک لایه (Monolayer) برروی سطح قرار می گیرد. این نوع سطوح از طریق روش پیوند کوالانسی سل-ژل تهیه می شوند و کاتالیست برروی این سطح کپسوله می شود. در شکل اصلاح سطح نانو لوله کربنی با مایع یونی نشان داده شده است و سپس کاتالیست پلاتین بروی سطح پخش می شود.

ج) در نوع سوم، مایع یونی از طریق پیوند کوالانسی برروی سطح جامد قرار گرفته و کاتالیست نیز از طریق پیوند کوالانسی به مایع یونی متصل می شود.

د) در نوع چهارم، کاتالیست برروی سطح از طریق پیوند کوالانسی قرار می گیرد و سپس مایع یونی برروی این سطح از طریق پیوند ضعیف واندروالسی قرار داده می‌شود. در شکل پخش شدن مایع یونی ایمیدازیلیوم روی سطح نانوذره SBA-15 که کاتالیست برروی سطح آن قرار دارد نشان داده شده است.

شکل 8- انواع مختلف کاتالیت/مایع یونی/فاز جامد [3]

​

کاربردهای سطوح اصلاح شده با مایع یونی
استفاده به عنوان حسگر
خواص آب دوستی و آب گریزی سطح با تغییر آنیون در مایع یونی تغییر می کند. در گزارشی نانوذرات اصلاح شده با مایع یونی بر پایه کاتیون ایمیدازولیوم تهیه شد.سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با مایع یونی در محلول آبی به عنوان حسگر رنگ‌سنجی برای گونه های آنیونی مختلف به کار رفت. این حسگر از طریق مکانیسم تغییر آنیون (Anion Exchange) مربوط به گونه مایع یونی عمل می کند. در شکل 9 تغییر رنگ این حسگر در حضور آنیون های کلرید([SUP]-[/SUP]Cl)، برمید ([SUP]-[/SUP]Br)، یدید ([SUP]-[/SUP]I) و تترافلوروبورات ([SUP]-[/SUP]BF[SUB]4[/SUB]) نشان داده شده است.

شکل 9- حسگر نوری برای آنیون سطح نانو ذره طلا اصلاح شده با مایع یونی ​

کاربرد در پزشکی
نانوذرات معدنی اکسید آهن اصلاح شده با N-متیل ایمیدازولیوم کلرید طبق روش نشان داده در شکل 10 تهیه شدند و خواص زیست-دارویی آن‌ها بررسی شد. این مواد در بدن و در محیط آزمایشگاه سمیت کمی نشان می دهند. محلول آبی از این نانوذرات معدنی اصلاح شده، سیگنال قوی در تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI) در مقایسه با محصولات تجاری نشان می دهد. علاوه بر این با مولکول های زیستی مانند DNA نیز برهمکنش می کند.

شکل 10- N-متیل ایمیدازولیوم کلرید، اصلاح برروی سطح نانوذرات اکسید آهن ​

همچنین نانوذرات طلا‌ی اصلاح شده با متیل ایمیدازولیوم کلرید همین رفتار را نشان می دهد. تغییرخواص فیزیکی و شیمیایی برای کاربرد های زیست‌دارویی حائز اهمیت می باشد. ویژگی‌های آب دوستی یا آب گریزی نسبت به اینکه آنیون همراه مایع یونی آب دوست و یا آب گریز باشد تغییر می کند. در شکل 11 با تغییر آنیون مایع یونی باعث ایجاد مایع یونی با خواص متفاوت می شود.

شکل 11- تغییر آب گریزی نانوذرات از طریق تغییر آنیون [5]​

کاربرد در شیمی تجزیه

این مواد در شیمی تجزیه بیشتر در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز مایع، استخراج میکروفاز جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین) می باشد.
سطوح اصلاح شده با مایع یونی با تغییر کاتیون و آنیون ها در جداسازی به عنوان فاز ساکن (Stationary Phase) با قطبیت کم برای ترکیبات غیرقطبی و در رفتار متضاد (با ساختار قطبی) برای ترکیبات که پروتون دهنده قوی هستند استفاده می شود. این رفتار به مکانیسم جداسازی که شامل برهمکنش های الکتروستاتیک، آب گریز و π است بستگی دارد.

ویژگی های منحصربه فرد مانند رفتار دوگانه، پایداری حرارتی و طراحی سطوح با مایعات یونی دارای خواص مختلف باعث شده است که برای گستره وسیعی از گونه های تجزیه ای (Analyte) استفاده شوند. به همین دلیل این مواد به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography)، کروماتوگرافی مایع (Liquid Chromatography) و الکتروفورز موئینه (Capillary Electrophoresis ) استفاده می شود و به عنوان جاذب در استخراج فاز جامد و میکرواستخراج فاز جامد (Solid Phase Microextraction) استفاده می شود. همچنین به عنوان افزودنی به فاز متحرک در کروماتوگرافی مایع استفاده می شود.
معمولا از کاتیون ایمیدازولیوم برای اصلاح سطح به خاطر خواص عالی‌اش در استخراج و جداسازی در حالت مایع استفاده می شود. به علاوه آروماتیک بودن حلقه باعث می شود که سطح برهمکنش π-π با گونه‌ تجزیه‌ای داشته باشد. به همین خاطر برای جداسازی و استخراج ترکیبات آروماتیک استفاده می شود. دیگر کاتیون‌‌ها مانند پیریدینیوم و تری آلکیل فسفونیوم به ندرت استفاده شده اند. آنیون های همراه برای این مایعات یونی کلرید، برمید، هگزافلوروفسفات ([SUP]-[/SUP]PF[SUB]6[/SUB]) و تترا فلورو بورات می باشند.
مشکل سطوح اصلاح شده با مایعات یونی در کاربرد استخراج و جداسازی این می باشد که وقتی در مجاورت محلول نمکی قرار می گیرند واکنش تغییر آنیون در این سطح رخ داده و خواص سطح تغییر می کند. موادی همچون سیلیکا و پلیمرها با مایعات یونی اصلاح می شوند. این مواد برای استخراج و جداسازی گستره وسیعی از مواد (اسیدی، بازی، طبیعی، قطبی و غیرقطبی) استفاده می شوند.

کروماتوگرافی گازی (GC)
سطح های اصلاح شده با مایع یونی در کروماتوگرافی گازی به عنوان فاز ساکن به کار می روند. پایداری حرارتی (در GC معمولا از شرایط دمایی بالا استفاده می‌شود) و انتخاب پذیری بالا علت استفاده از سطوح در کروماتوگرافی گازی می باشد. مایعات یونی دارای پیوند هیدروژنی و اسیدی، انتخاب پذیری بالایی نسبت به سطح سیلان و پلی اتیلن گلیکول دارند. این نشان می دهد که در کروماتوگرافی به خاطر گستره دمایی بالا و نیاز به ستون قطبی از این سطوح استفاده می شود. در جدول 1 گونه های تجزیه ای جدا شده با استفاده از ستون های برپایه سطوح اصلاح شده با مایع یونی نشان داده شده است.

جدول 1 - ستون های ساخته شده از سطوح اصلاح شده در کروماتوگرافی گازی

​

کروماتوگرافی مایع
مایع یونی به عنوان فاز ساکن (Stationary Phase) و متحرک (Mobile Phase) در کروماتوگرافی مایع استفاده می شود. ویژگی منحصر به فرد این سطوح موارد زیر می باشد.

آ-اصلاح سطح توسط مایع یونی با عث می شود که با تغییر کاتیون و آنیون و یا گروه آلکیل و یا اضافه کردن گروه های عامل دار خواص سطح را تغییر داد.

ب- با استفاده از مایع یونی به عنوان فاز ساکن می توان از آب به عنوان فاز متحرک استفاده کرد (بدون احتیاج به حلال آلی).

در جدول 2 نمونه های از سطوح اصلاح شده با مایع یونی به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع آورده شده است.

جدول 2 - مایع یونی استفاده شده به عنوان فاز ساکن در کروماتوگرافی مایع [6]

​

نتیجه گیری:
در سال های اخیر اصلاح مواد با مایعات یونی از طریق قرار دادن آنها بر روی سطح مواد سیلیکا و پلیمرها و یا توسط سطوح جامد دیگری صورت گرفته است. اصلاح سطح توسط مایع یونی با توجه به برهمکنش بین سطح و مایع یونی دسته بندی می شوند. اصلاح سطح جامد با مایع یونی از طریق اتصال کوالانسی، جذب فیزیکی، پلیمر شدن و سل-ژل انجام می‌گیرد.

در ادامه کاربرد سطوح اصلاح شده در شیمی تجزیه، در استخراج (استخراج مایع-مایع، استخراج میکروفاز-مایع، استخراج میکروفاز-جامد) و جداسازی (کروماتوگرافی مایع، الکتروفورز موئین)بررسی شد. همچنین در مقاله به روش تهیه نانوذرات معدنی اصلاح شده بر مایع یونی اشاره و کاربردهای زیستی مانند استفاده در تصویر برداری رزونانس مغناطیسی بحث شد.

 

[hana.m]

سلام دوست عزیز. شما میتونید به من کمک کنید؟
من نیاز فوری به اطلاعاتی در مورد مزونانوحفره MCM-41 دارم. در مورد سنتز، خواص ، کاربردها.....
ممنون

 

[ghxzy]

سلام عزیزم خوبی؟
نانو حفره ها در واقع همون نانو ذرات متخلخل هستن که روش سنتز اونها فرایند اندایزینگ هستش که میتونید اینجا مشاهده کنید ببینیدhttp://www.www.www.iran-eng.ir/showthread.php/454096-روش-های-سنتز-نانو-ساختارها

پست #4و #5

اما در ارتباط با MCM-41 ومزو نانو حفره ها

Mobil Composition of Matter (MCM) is the initial name given for a series of mesoporous materials that were first synthesized by Mobil's researchers in 1992. MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41) and MCM-48 (Mobil Composition of Matter No. 48) are two of the most popular mesoporous molecular sieves that are keenly studied by researchers.

The most striking fact about the MCM-41 and MCM-48 is that, although composed of amorphous silica wall, they possess long range ordered framework with uniform mesopores. These materials also possess large surface area, which can be up to more than 1000 m[SUP]2[/SUP]g[SUP]−1[/SUP]. Moreover, the pore diameter of these materials can be nicely controlled within mesoporous range between 1.5 to 20 nm by adjusting the synthesis conditions and/or by employing surfactants with different chain lengths in their preparation.
MCM-41 and MCM-48 have been applied as catalysts for various chemical reactions, as a support for drug delivery system and as adsorbent in waste water treatment.
MCM-41 is a material similar to FCM-16
​

MCM-41​

​

​

MCM-41 (Mobile Crystalline Material) is a silicate obtained by a templating mechanism[SUP]1,2,3[/SUP]. It is ordered to some degree, so that there are arrays of non intersecting hexagonal channels, identifiable by TEM, XRD, and vapor adsorption. By changing the length of the template molecule, the width of the channels can be controlled to be within 2 to 10 nm. The walls of the channels are amorphous SiO[SUB]2[/SUB]. This feature, together with its exceptional porosity (up to 80%), makes MCM-41 is the least mechanically stable compared to, e.g., other porous silicas, silica gels or zeolites[SUP]4[/SUP]. Attempts to synthesize crystalline MCM-41 are underway


A Chime-enhanced version of this page is also available
​

Methane and ethane inside one of the hexagonal pores of molecular sieve MCM-41 (of about 3 nm pore diameter).

Red = oxygen, Blue = silicon,
Light Blue = hydrogen, Brown = carbon

Two hexagonal channels of MCM41, linked to its 3D structural pdb file.
http://www.chm.bris.ac.uk/motm/mcm41/mcm41.htm


Mesoporous silica is a form of silica and a recent development in nanotechnology. The most common types of mesoporous nanoparticles are MCM-41 and SBA-15. Research continues on the particles, which have applications in catalysis, drug delivery and imaging

http://en.wikipedia.org/wiki/Mesoporous_silica
​

---

​

​

در مورد کاربرد نانو ذرات متخلخل یا همون نانو حفره ها :کاربرداشون خیلی زیاده مثل نانو ذرات متخلخل روی یا اهن (که تو همین تاپیک موجود هستش) ،نانو حفره های الومینیم ،نانو حفره های سیلیکا و ...که میتونی با همین کلید واژه ها سرچ کنی
یا از کلید واژه های nano hole , meso MCM-41 برای مشاهده نتایج بیشتر در گوگل استفاده کنی

من دو تا از کاربرداشو براتون میذارم:

نانوکاتالیزوری که مانند یک نانو راکتور عمل می‌کند

محققین دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، موفق به طراحی و سنتز نانوکاتالیزور MCM-41-SO3H شدند. این نانوکاتالیزور جدید مانند یک نانوراکتور عمل می‌کند و علاوه‌بر پایداری شیمیایی و مکانیکی بالا، بازیافت آن به راحتی صورت می‌گیرد و موجب کاهش حجم پسماند می‌شود.

علی محمد امانی، دانشجوی دوره دکتری تخصصی شیمی آلی، گفت: «این نانوکاتالیست بدلیل داشتن ساختار نانو و به تبع آن سطح بسیار مؤثر ،(1500 m2 g−1) پایداری شیمیایی و مکانیکی بالایی داشته و جزو مزوپروس‌های سیلیکاتی عامل‌دار شده‌است و می‌تواند در انجام بسیاری از واکنش‌های چند جزیی آلی، مورد استفاده قرارگیرد».

دکتر امانی با اشاره به کارایی بالای کاتالیزوری کلروسولفونیک‌اسید و وجود مشکلات عملیاتی متعدد در کاربری آن به‌طور مستقیم، اظهار داشت: «با این روش، هم از مزایای MCM-41 و هم از مزایای کلروسولفونیک‌اسید بهره‌مند می‌شویم و استفاده از این کاتالیزور، مشکلاتی نظیر جداسازی محصول و خوردگی تجهیزات را برطرف کرده‌است. MCM-41، ماده‌ای است که در صنعت نفت مورد استفاده بسیاری دارد و به‌طور وسیعی برای حذف آلودگی‌های فوق‌العاده کوچک به کار می‌رود».

وی، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، روش سنتز این نانوکاتالیزور را بدین‌گونه شرح‌داد که: «پس از تهیه مزوپروس MCM-41، برای حذف سورفکتانت، نمونه سنتزشده به مدت 6 ساعت در دمای 600C° قرار داده‌‌شد. سپس، در نتیجه واکنش عامل‌دار شدن، گروه‌های –SO3H، به‌طور مستقیم با پیوندهای کووالانسی به سطوح داخلی نانوذرات متصل شدند. از این ‌رو، احتمال جدایی آنها طی انجام واکنش، به کمترین مقدار ممکن ‌می‌رسد و این امکان وجود دارد که کاتالیزور بدون تغییر در فعالیت، بازیافت شود».

شایان ذکر است که به‌دلیل محدودیت اندازة منافذ جاذب‌های معدنی مانند زئولیت(<15Å)، کاربرد آنها محدود ‌شده‌است. از این‌رو تهیۀ این‌گونه الک‌های مولکولی مزوپروس عامل‌دار شده، برای توسعة حسگرها، جاذب‌های جدید و طراحی کاتالیست‌های جدید، مورد توجه محققان قرار گرفته است. برای بهبود خواصی نظیر گزینش‌پذیری، مقاومت مکانیکی و حرارتی، کیفیت و کارایی این ترکیبات جامد متخلخل، با ورود عناصر متعددی به درون شبکة کریستالی آنها، تغییراتی در ساختارشان داده می‌شود و جامدات متخلخل غیرسیلیکاتی متنوعی تشکیل می‌گردد.

دکتر امانی، با بیان این نکته که «هدف نهایی پژوهش‌ها در زمینه کاتالیست، بهبود گزینش‌پذیری، فعالیت، بازده انرژی، سازگاری با محیط زیست و کاهش مراحل واکنش است»، این موارد را عوامل مهمی در تجاری‌شدن یک محصول دانست.

از آنجایی که امروزه استفاده از کاتالیست‌های ناهمگن (نظیر نانوکاتالیست-نانوراکتور ساخته شده)، به‌دلیل مزایایی مانند بازیافت آسان، استفاده مجدد، کاهش حجم پسماند و حذف مواد شیمیایی خطرناک، افزایش یافته‌است، بنابراین توسعۀ یک نانوکاتالیست جدید سنتز شده، مستلزم تلفیق مواردی از جمله تئوری، آزمایش و کاربرد آن در مسائل مهم صنعتی است، بنابراین باید امکانات پژوهشی و صنعتی در جهت دستیابی به آنچه موردنظر است، استفاده شود

ایجاد آلومینای متخلخل با آرایه‌های نانو‌حفره‌ای بسیار منظم


پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر و شرکت مهار فن ابزار، با بهینه‌سازی فرآیند الکتروپولیش، گام بلندی در تولید و بهینه‌سازی غشاهای نانوحفره‌ای، نانوسنسورها، نانوسیم‌ها و حافظه‌های با ظرفیت بسیار بالا برداشتند.

مدیر کل واحدهای تحقیقاتی و قطب‌های علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو گفت: «در سال‌های اخیر آلومینای متخلخل با آرایه‌های نانو‌حفره‌ای بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است که از آن جمله می‌توان به کاربری آن به عنوان قالب (در تولید انواع نانومواد مانند نانوذرات، نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها)، استفاده در فیلترهای خاص و ... اشاره کرد. از سویی دیگر آرایه‌های نانوحفره‌ای بسیار منظم آلومینا، به علت خواص فیزیکی منحصربه‌فرد در زمینه‌هایی مانند الکترونیک، اپتوالکترونیک، حسگر، پیل‌های سوختی، خازن‌های با دانسیته بالا و دستگاه‌های نمایشگر بسیار نازک نیز مورد توجه واقع شده‌اند. نظم هرچه بیشتر حفرات در کاربری این مواد به عنوان قالب‌، یک پارامتر کلیدی محسوب می‌شود.

ساخت حافظه‌های با ظرفیت بسیار بالا و سنسورهای گازی بسیار حساس از جمله امکاناتی است که در صورت تولید قالب‌های بسیار منظم، فرصت دستیابی به آنها فراهم می‌شود».

ولتاژ اعمالی در مرحلة الکتروپولیش از جمله عوامل موثر بر میزان نظم ایجاد شده در ساختار آلومینایی آندایز شده است. این مرحله به منظور صاف کردن سطح و از بین بردن ناهمواری و زبری قبل از مرحله آندایزینگ انجام می‌شود. انجام این مرحله برای ایجاد ساختار متخلخل ضروری نیست و در بسیاری از فرایندها حذف می‌شود. با این حال اجرای آن بر نظم نهایی بسیار موثر است.

دکتر سید هادی طبائیان از محققین این پژوهش، در مورد نحوه انجام آن چنین گفت: «ابتدا نمونه خام آلومینیوم خالص تهیه و چربی‌زدایی و تمیزکاری شد. سپس عملیات حرارتی نمونه خام برای برطرف کردن مراکز تمرکز تنش انجام و پولیش الکتروشیمیایی(الکتروپولیش) نمونه‌ها در حالت ولتاژ ثابت و در ولتاژهای مختلف اعمال شد. در ادامه دو مرحله آندایزینگ برای رسیدن به تخلخل نانومتری در لایه اکسید آندی تشکیل شده صورت گرفت.

در پایان کار، با استفاده از روشی جدید به نام LA-FFT که برنامه‌ای به زبان مطلب و براساس تبدیل فوریه است، کمیت نظم قطعه حفره‌دار شده به صورت کمی اندازه‌گیری گردید

اینم دو تا مقاله راحع به mcm-41

http://www.www.www.iran-eng.ir/images/icons/pdf.gifمشاهده پیوست BOMS-D-12-00691.pdf

http://www.www.www.iran-eng.ir/images/icons/pdf.gifمشاهده پیوست The%20Complete%20Control%20for%20the%20Nanosize%20of%20Spherical%20MCM-41.pdf