مترجم: حبیب الله علیخانی
علم نانو اغلب به عنوان "علم کوچک ها" نامیده می شود. سوالی که ما در این مقاله پاسخ می دهیم، این است که چرا این اندازه مهم می باشد؟ چه چیزی مواد دارای اندازه ی نانومتری، را خاص می کند؟ چگونه خواص این مواد نسبت به مواد بالک، متفاوت است؟ در اینجا، بررسی کامل موضوع، در حقیقت نیازمند بررسی کامل فیزیک کوانتم و بررسی اثرات اساسی علم نانو می باشد که در واقع برای یادگیری خواص استثنایی مواد در مقیاس نانو، مهم می باشد. به جای تمرکز بر روی تئوری های نهفته در پشت این اثرات، تمرکز بر روی پیچیدگی هایی است که این اثرات بر روی خواص مواد ایجاد می کنند.
چه اتفاقی در مقیاس نانو رخ می دهد؟
خواص فیزیکی ماکروسکوپیک یک ماده (مانند نقطه ی ذوب، نقطه ی جوش، رسانایی و ...) بوسیله ی مطالعه ی یک نمونه ی خالص و با مقدار کافی، انجام می شود. این اندازه گیری باید در شرایط آزمایشگاهی استاندارد انجام شود. یک مول از هر ماده ای حاوی 6.022×〖10〗^23 مولکول می باشد. برای مثال، یک مول آب 18 گرم وزن دارد. بنابراین، وقتی نقطه ی جوش یک مول آب تعیین می شود، این مقدار بیان کننده ی رفتار متوسط میلیاردها مولکول می باشد. البته این مسئله برای بسیاری از مواد صدق نمی کند و در حقیقت وقتی اندازه ی ماده کاهش می یابد و به سطح نانو برسیم، این ممکن است که همین مواد خواص متفاوتی داشته باشند (مثلا نقطه ی جوش، رسانایی و ... متفاوت). این مسئله به خاطر این است که در مقیاس نانو، دیگر از فیزیک نیوتنی طبعیت نمی کند، بلکه از مکانیک کوانتم تبعیت می کند.
به عبارت دیگر، خواص مواد می توانند به اندازه وابسته باشد. این مسئله ممکن است یک جنبه ی جدید برای دانش آموزانی باشد که به تازگی با علم نانو آشنا شده اند. در واقع خاصیت یک ماده (مایع، گاز و یا جامد) با اتم ها و مولکول هایی مرتبط است که آن را تشکیل داده اند. این خاصیت همچنین به روش اتصال آنها به همدیگر نیز بستگی دارد. اندازه به صورت نرمال یک فاکتور کلیدی تلقی نمی شود. دانش آموزان احتمالا انتظار دارند که یک قطعه طلا به رنگ زرد طلایی باشد، خواص بزرگ است خواه کوچک. این مسئله در مقیاس ماکرو صحیح است اما در مقیاس نانو، اثرات کوانتمی اثر بیشتری دارند. در حقیقت، طلا می تواند به عنوان یک مثال اولیه در نظر گرفته شود. یک کلوئید از نانوذرات طلا دیگر طلایی رنگ نیست، این کلوئید قرمز رنگ است (شکل 1).
نانومواد بیان کننده ی نوع خاصی از کوچک شدن می باشد. نانومواد به اندازه ی الکترون ها و یا اتم های منفرد کوچک نیستند و همچنین از سایر چیزهای کوچکی که ما می شناسیم، بزرگتر هستند مثلا از سلول یا باکتری ها. ساختارهای نانویی تحت تأثیر اجسام مصنوعی ساخت بشر می باشند (مثلا آخرین نسل ترانزیستورها ، DNA یا پروتئین ها). نانومواد دارای اندازه ای بین اتم ها و مولکول های منفرد و مواد بالک می باشند. در این مقیاس ماده دارای خواص استثنایی است.
در مورد خواص ممتاز آنها فکر کنید. در حقیقت، نانومواد دو امکان جالب توجه ایجاد می کنند:
نانومواد می توانند برای بهبود مواد کنونی مورد استفاده قرار گیرند که دارای خواص استثنایی هستند.
از انجایی که نانومواد دارای ابعادی در گستره ی مولکول ها بزرگ طبیعی می باشند، این ممکن است که این مواد با هم تجمیع شوند و بتوان از آنها وسایل جدید تولید کرد.
در اینجاف تنها یک خلاصه در مورد اثرات کوانتمی مهم ارائه خواهیم کرد و بدین صورت در مورد خواص فیزیکی در مقیاس نانو نیز اطلاعاتی ارائه خواهیم کرد.
به دلیل کوچک بودن نانومواد، جرم آنها اندک و نیروی گرانش مؤثر بر آنها نیز ناچیز است.
دوگانگی موج- ذره: برای اجسامی که بسیار کوچک هستند مانند الکترون ها، طبیعت موجی اثر غالب می باشد. بنابراین، الکترون ها رفتار موجی دارند و موقعیت آنها به صورت تابعی از موج بیان می شود.
یکی از نتایج مربوط به این پدیده، پدیده ی تونل زنی، نامیده می شود. فیزیک کلاسیک می گوید که یک جسم می تواند یک سد پتانسیل را رد کند اگر و تنها اگر انرژی کافی برای پرش آن فراهم آید. بنابراین، در فیزیک کلاسیک، اگر جسمی انرژی کمتری نسبت به انرژی مورد نیاز برای پرش داشته باشد، داری احتمال محدودی برای پیدا شدن در آن سمت مانع می باشد. از لحاظ عددی، می توان فرض کرد که ذره از یک تونل واقعی موجود در مانع، می گذرد (شکل 2). این مسئله تذکر داده شده است که به منظور داشتن یک اثر تونل زنی، ضخامت مانع (پتانسیل انرژی) باید با طول موج ذره، مرتبط باشد. بنابراین، این اثر تنها در سطح نانومتری مشاهده می شود. بنابراین، به بیان ساده، تونل زنی الکترونی و یا کوانتمی وقتی ایجاد می شود که یک ذره (یک الکترون) با انرژی کینتیکی کمتر، قادر باشد در سمت دیگر سد انرژی، وجود داشته باشد. بنابراین، یک اصل از مکانیک کلاسیک، نقض می شود. تونل زنی یک نفوذ الکترون به ناحیه ای از انرژی است که در حقیقت به صورت کلاسیک، ممنوع می باشد.
تونل زنی یک اثر کوانتمی اساسی است و در حقیقت اساس یک ابزار مهم در تصویر برداری از سطوح نانوساختار می باشد. این دستگاه، میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) نامیده می شود. همین ابزار همچنین به عنوان ابزاری در نانوساخت مورد استفاده قرار می گیرد.
محدود شدن کوانتمی: در یک نانوماده، مانند یک فلز، الکترون رد یک فضا محدود می باشد و نمی تواند به صورت راحت در همه ی جای مواد بالک، حرکت کند.
کوانیده شدن انرژی: الکترون ها می توانند تنها در سطوح انرژی گسسته ای وجود داشته باشند. کوانتم دات ها نانوموادی هستند که اثر کوانتیده شدن انرژی را به نمایش می گذارند.
حرکت های مولکولی تصادفی: مولکول ها به دلیل انرژی کینتیکی، حرکت می کنند (فرض کنید که نمونه در صفر مطلق قرار دارد). این پدیده، حرمت مولکولی تصادفی نامیده می شود و همواره وجود دارد. در سطوح ماکرو، این حرکت در مقایسه با اندازه ی جسم بسیار کوچک تر است و بوسیله ی نحوه ی حرکت مولکول ها، تحت تأثیر نمی باشد. در سطح نانومتری، این حرکت ها می توانند در اندازه ی ذرات باشند و بنابراین، اثر مهمی بر روی نحوی رفتار اجزا دارد. یک مثال از حرکت کینیکی تصادفی، حرکت برونی است.
افزایش نسبت سطح به حجم : یکی از خواص متمایز نانومواد این است که آنها دارای مساحت سطح قابل توجهی هستند. این ویژگی در ادامه توضیح داده می شود.
پیوندهای داخل مولکولی (intramolecular bonding ) (برهمکنش های شیمیایی) : این پیوندها، پیوندهایی است که منجر به ایجاد تغییر شیمیایی در ساختار شیمیایی مولکول ها و یون ها می شود.
پیوندهای بین مولکولی (intermolecular bonding) (برهمکنش های فیزیکی): این پیوندها، پیوندهایی است که منجر به ایجاد تغییر در ساختار شیمیایی مولکول ها و برهمکنش های یون- یون و یون – دوقطبی ها می شود. این برهمکنش های همچنین شامل برهمکنش های واندروالسی، پیوند هیدروژنی، برهمکنش های آب گریز، نیروهای دافعه ای و ... می شود.
این فرض شده است که توصیف پیوندهای شیمیایی و فیزیکی یک بخش از برنامه درسی دانش آموزان می باشد. بنابراین، در اینجا، برهمکنش های شیمیایی و فیزیکی که اغلب خواص مواد نانومتری را توصیف می کند، پر رنگ شده است.
نانومواد اغلب از یک تعداد از مولکول ها تشکیل شده اند که فرض می شود دارای ساختار سه بعدی خاص می باشند. این مواد بوسیله ی پیوندهای بین مولکولی به هم متصل می شوند. بنابراین، علم نانو همچنین مرتبط با شیمی سوپرامولکول هاست (یعنی علم شیمی که درگیر برهمکنش های میان مولکول هاست). این بخش از علم، یکی از نواحی مربوط به شیمی می باشد. در این ماکرومولکول ها، پیوندهای بین مولکولی اغلب نقش مهمی ایفا می کند.
پیوندهای بین مولکولی مانند پیوند هیدروژنی و واندروالسی برهمکنش های ضعیفی هستند اما در یک تعداد بزرگ، این نیروها می توانند انرژی کلی را ایجاد کند که می تواند واقعا قابل توجه باشند. برای مثال، ساختار DNA را در نظر بگیرید: دو ساختار حلزونی با استفاده از پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند. این نقطه در علم نانو، موردی جالب توجه است. در حقیقت مواد می توانند مساحت سطح بزرگی داشته باشند و در نتیجه، نیروهای اندک گفته شده، می توانند به سطوح بسیار بزرگی، اعمال شوند.
پیوندهای بین مولکولی اغلب ماکرومولکول هایی مانند پروتئین ها را در کنار هم نگه می دارد و موجب تشکیل ساختارهای سه بعدی با عملکردهای بیولوژیکی معین می شود. گسستگی در این برهمکنش ها در یک پروتئین، به صورت برعکس بر روی ساختار سه بعدی، مؤثر می باشد و منجر به از بین رفتن عملکرد پروتئین می شود.
یک نوع از پیوندهای بین مولکولی خاص اثر قابل توجهی در علم نانو دارد. این اثر، پدیده ی آب گریزی است. این پدیده در حقیقت فرایندی است که از آنتروپی، مشتق می شود. این پدیده در اصل نقش مهمی در مواد بیولوژیکی دارد. به صورت ساده باید گفت: این پدیده موجب می شود تا مولکول های غیر قطبی بر روی مولکول های قطبی مانند آب، جمع شوند.مولکول ها به عنوان وسایل
در نتیجه، نسبت سطح به حجم ماده در مقایسه با ماده ی بالک اولیه، افزایش می یابد. به نظر شما اگر یک مکعب یک سانتیمتر مکعبی، به مکعب های کوچک تر تقسیم شود، مساحت سطحی چه میزان افزایش می یابد؟ در جدول 1، خلاصه ای از این نتایج آورده شده است:
حقیقت امر این است که نانومواد دارای کسر اتم سطحی بالایی است که این مسئله بر روی خواص فیزیکی مانند نقطه ی ذوب، مؤثر می باشد. برای یک ماده ی معین، وقتی نانوسایز می شود، نقطه ی ذوب کاهش خواهد یافت. اتم های سطحی با سهولت بیشتری نسبت به اتم های موجود در حالت بالک، حذف می شوند. بنابراین، انرژی کل مورد نیاز برای فایق آمدن بر نیروهای بین مولکولی که اتم ها را در کنار هم نگه می دارند، کمتر است و بنابراین، نقطه ی ذوب کاهش می یابد.
همانگونه که در بخش قبلی گفته شد، نانومواد دارای کسر زیادی از اتم ها و مولکول ها در سطح می باشند. به عبارت دیگر، یک اصل اساسی شیمیایی، این است که سیستم های دارای انرژی بالا، تلاش می کنند تا حالتی با انرژی کمتر بدست آورند. بنابراین، چگونه می توان نانومواد را در طبیعت یافت؟ نانو مواد در طبیعت اندک هستند (مانند پروتئین ها، DNA و ...). نانومواد به صورت ذاتی ناپایدارند و بنابراین روش های متعددی وجود دارد که بوسیله ی آنها، نانومواد انرژی سطحی ذاتی خود را کاهش می دهند.
یکی از راه های کاهش در انرژی سطحی نانومواد، آگلومره شدن می باشد. انرژی سطحی یک کمیت اضافی است. سطح 10 نانوذره معادل مجموع انرژی سطحی تمام نانوذرات منفرد می باشد. اگر این نانوذرات آگلومره شوند و یک ذره را تشکیل دهند، انرژی سطحی کل کاهش می یابد. این مفهوم در شکل 5 نشان داده شده است. اگر یک مقدار انرژی سطحی کلی (Y) مرتبط با تک تک سطوح جانبی مکعب A باشد، بنابراین کل انرژی سطحی می شود 6Y. همین مسئله در مورد مکعب B صدق می کند. بنابراین، انرژی سطحی کل مربوط به دو مکعب A و B، برابر است با 12Y. انرژی سطحی کل در جهت موازی محور C، برابر 10Y است.
نانوذرات دارای تمایل ذاتی قوی برای کلوخه ای شدن، دارند. برای جلوگیری از این مسئله، سورفکتانت ها می توانند مورد استفاده قرار گیرند. این مسئله همچنین توضیح می دهد که چرا وقتی نانوذرات در کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی استفاده می شوند، در داخل یک بخش جامد بی حرکت می شوند و یا با یک زمینه، مخلوط می شوند. حتی محصولات تجاری که ادعا می شود حاوی نانوذرات هستند (مانند صفحات نمایش) در حقیقت شامل شکلی از آگلومره ها هستند که ابعادی بزرگتر از 100 نانومتر دارند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff
چه اتفاقی در مقیاس نانو رخ می دهد؟
خواص فیزیکی ماکروسکوپیک یک ماده (مانند نقطه ی ذوب، نقطه ی جوش، رسانایی و ...) بوسیله ی مطالعه ی یک نمونه ی خالص و با مقدار کافی، انجام می شود. این اندازه گیری باید در شرایط آزمایشگاهی استاندارد انجام شود. یک مول از هر ماده ای حاوی 6.022×〖10〗^23 مولکول می باشد. برای مثال، یک مول آب 18 گرم وزن دارد. بنابراین، وقتی نقطه ی جوش یک مول آب تعیین می شود، این مقدار بیان کننده ی رفتار متوسط میلیاردها مولکول می باشد. البته این مسئله برای بسیاری از مواد صدق نمی کند و در حقیقت وقتی اندازه ی ماده کاهش می یابد و به سطح نانو برسیم، این ممکن است که همین مواد خواص متفاوتی داشته باشند (مثلا نقطه ی جوش، رسانایی و ... متفاوت). این مسئله به خاطر این است که در مقیاس نانو، دیگر از فیزیک نیوتنی طبعیت نمی کند، بلکه از مکانیک کوانتم تبعیت می کند.
به عبارت دیگر، خواص مواد می توانند به اندازه وابسته باشد. این مسئله ممکن است یک جنبه ی جدید برای دانش آموزانی باشد که به تازگی با علم نانو آشنا شده اند. در واقع خاصیت یک ماده (مایع، گاز و یا جامد) با اتم ها و مولکول هایی مرتبط است که آن را تشکیل داده اند. این خاصیت همچنین به روش اتصال آنها به همدیگر نیز بستگی دارد. اندازه به صورت نرمال یک فاکتور کلیدی تلقی نمی شود. دانش آموزان احتمالا انتظار دارند که یک قطعه طلا به رنگ زرد طلایی باشد، خواص بزرگ است خواه کوچک. این مسئله در مقیاس ماکرو صحیح است اما در مقیاس نانو، اثرات کوانتمی اثر بیشتری دارند. در حقیقت، طلا می تواند به عنوان یک مثال اولیه در نظر گرفته شود. یک کلوئید از نانوذرات طلا دیگر طلایی رنگ نیست، این کلوئید قرمز رنگ است (شکل 1).
یک نوع متفاوت از کوچک شدن
موادی که در مقیاس نانو قرار دارند، حداقل از کلاسترهای اتمی و یا مولکولی تشکیل شده اند و نه اتم های منفرد. برای مثال یک نانومتر برابر قطر 3.5 اتم طلا و 8 اتم هیدروژن است. مولکول گلوکز تقریباً یک نانومتر اندازه دارد.نانومواد بیان کننده ی نوع خاصی از کوچک شدن می باشد. نانومواد به اندازه ی الکترون ها و یا اتم های منفرد کوچک نیستند و همچنین از سایر چیزهای کوچکی که ما می شناسیم، بزرگتر هستند مثلا از سلول یا باکتری ها. ساختارهای نانویی تحت تأثیر اجسام مصنوعی ساخت بشر می باشند (مثلا آخرین نسل ترانزیستورها ، DNA یا پروتئین ها). نانومواد دارای اندازه ای بین اتم ها و مولکول های منفرد و مواد بالک می باشند. در این مقیاس ماده دارای خواص استثنایی است.
در مورد خواص ممتاز آنها فکر کنید. در حقیقت، نانومواد دو امکان جالب توجه ایجاد می کنند:
نانومواد می توانند برای بهبود مواد کنونی مورد استفاده قرار گیرند که دارای خواص استثنایی هستند.
از انجایی که نانومواد دارای ابعادی در گستره ی مولکول ها بزرگ طبیعی می باشند، این ممکن است که این مواد با هم تجمیع شوند و بتوان از آنها وسایل جدید تولید کرد.
فیزیک در مقیاس نانو
نانومواد دارای اندازه ای نزدیک به اندازه ی اتم ها و مولکول ها، می باشند. برای توصیف رفتار آنها، این ضروری است که از مکانیک کوانتم استفاده شود. مکانیک کوانتم در حقیقت یک مدل علمی است که برای توصیف حرکت و انرژی اتم ها و الکترون ها، پیشنهاد شده است. از آنجایی که جنبه های مختلف مکانیک کوانتم، به صورت طبیعی در یک علم ثانویه (مانند فیزیک یا شیمی) می باشد و در برنامه ی درسی دانش آموزان، یافت می شود، در ادامه، در مورد این مسئله صحبت خواهیم کرد.در اینجاف تنها یک خلاصه در مورد اثرات کوانتمی مهم ارائه خواهیم کرد و بدین صورت در مورد خواص فیزیکی در مقیاس نانو نیز اطلاعاتی ارائه خواهیم کرد.
به دلیل کوچک بودن نانومواد، جرم آنها اندک و نیروی گرانش مؤثر بر آنها نیز ناچیز است.
دوگانگی موج- ذره: برای اجسامی که بسیار کوچک هستند مانند الکترون ها، طبیعت موجی اثر غالب می باشد. بنابراین، الکترون ها رفتار موجی دارند و موقعیت آنها به صورت تابعی از موج بیان می شود.
یکی از نتایج مربوط به این پدیده، پدیده ی تونل زنی، نامیده می شود. فیزیک کلاسیک می گوید که یک جسم می تواند یک سد پتانسیل را رد کند اگر و تنها اگر انرژی کافی برای پرش آن فراهم آید. بنابراین، در فیزیک کلاسیک، اگر جسمی انرژی کمتری نسبت به انرژی مورد نیاز برای پرش داشته باشد، داری احتمال محدودی برای پیدا شدن در آن سمت مانع می باشد. از لحاظ عددی، می توان فرض کرد که ذره از یک تونل واقعی موجود در مانع، می گذرد (شکل 2). این مسئله تذکر داده شده است که به منظور داشتن یک اثر تونل زنی، ضخامت مانع (پتانسیل انرژی) باید با طول موج ذره، مرتبط باشد. بنابراین، این اثر تنها در سطح نانومتری مشاهده می شود. بنابراین، به بیان ساده، تونل زنی الکترونی و یا کوانتمی وقتی ایجاد می شود که یک ذره (یک الکترون) با انرژی کینتیکی کمتر، قادر باشد در سمت دیگر سد انرژی، وجود داشته باشد. بنابراین، یک اصل از مکانیک کلاسیک، نقض می شود. تونل زنی یک نفوذ الکترون به ناحیه ای از انرژی است که در حقیقت به صورت کلاسیک، ممنوع می باشد.
تونل زنی یک اثر کوانتمی اساسی است و در حقیقت اساس یک ابزار مهم در تصویر برداری از سطوح نانوساختار می باشد. این دستگاه، میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) نامیده می شود. همین ابزار همچنین به عنوان ابزاری در نانوساخت مورد استفاده قرار می گیرد.
کوانیده شدن انرژی: الکترون ها می توانند تنها در سطوح انرژی گسسته ای وجود داشته باشند. کوانتم دات ها نانوموادی هستند که اثر کوانتیده شدن انرژی را به نمایش می گذارند.
حرکت های مولکولی تصادفی: مولکول ها به دلیل انرژی کینتیکی، حرکت می کنند (فرض کنید که نمونه در صفر مطلق قرار دارد). این پدیده، حرمت مولکولی تصادفی نامیده می شود و همواره وجود دارد. در سطوح ماکرو، این حرکت در مقایسه با اندازه ی جسم بسیار کوچک تر است و بوسیله ی نحوه ی حرکت مولکول ها، تحت تأثیر نمی باشد. در سطح نانومتری، این حرکت ها می توانند در اندازه ی ذرات باشند و بنابراین، اثر مهمی بر روی نحوی رفتار اجزا دارد. یک مثال از حرکت کینیکی تصادفی، حرکت برونی است.
افزایش نسبت سطح به حجم : یکی از خواص متمایز نانومواد این است که آنها دارای مساحت سطح قابل توجهی هستند. این ویژگی در ادامه توضیح داده می شود.
شیمی در سطح نانومقیاس
این گفته شده است که نانومواد حداقل از کلاسترهای اتمی تشکیل شده اند که اغلب حاوی کلاستری از مولکول ها، می باشد. این گفته شده است که تمام انواع پیوندهایی که در شیمی مهم است، همچنین در مقیاس نانو نیز مهم می باشد. آنها عموماً به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:پیوندهای داخل مولکولی (intramolecular bonding ) (برهمکنش های شیمیایی) : این پیوندها، پیوندهایی است که منجر به ایجاد تغییر شیمیایی در ساختار شیمیایی مولکول ها و یون ها می شود.
پیوندهای بین مولکولی (intermolecular bonding) (برهمکنش های فیزیکی): این پیوندها، پیوندهایی است که منجر به ایجاد تغییر در ساختار شیمیایی مولکول ها و برهمکنش های یون- یون و یون – دوقطبی ها می شود. این برهمکنش های همچنین شامل برهمکنش های واندروالسی، پیوند هیدروژنی، برهمکنش های آب گریز، نیروهای دافعه ای و ... می شود.
این فرض شده است که توصیف پیوندهای شیمیایی و فیزیکی یک بخش از برنامه درسی دانش آموزان می باشد. بنابراین، در اینجا، برهمکنش های شیمیایی و فیزیکی که اغلب خواص مواد نانومتری را توصیف می کند، پر رنگ شده است.
نانومواد اغلب از یک تعداد از مولکول ها تشکیل شده اند که فرض می شود دارای ساختار سه بعدی خاص می باشند. این مواد بوسیله ی پیوندهای بین مولکولی به هم متصل می شوند. بنابراین، علم نانو همچنین مرتبط با شیمی سوپرامولکول هاست (یعنی علم شیمی که درگیر برهمکنش های میان مولکول هاست). این بخش از علم، یکی از نواحی مربوط به شیمی می باشد. در این ماکرومولکول ها، پیوندهای بین مولکولی اغلب نقش مهمی ایفا می کند.
پیوندهای بین مولکولی مانند پیوند هیدروژنی و واندروالسی برهمکنش های ضعیفی هستند اما در یک تعداد بزرگ، این نیروها می توانند انرژی کلی را ایجاد کند که می تواند واقعا قابل توجه باشند. برای مثال، ساختار DNA را در نظر بگیرید: دو ساختار حلزونی با استفاده از پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند. این نقطه در علم نانو، موردی جالب توجه است. در حقیقت مواد می توانند مساحت سطح بزرگی داشته باشند و در نتیجه، نیروهای اندک گفته شده، می توانند به سطوح بسیار بزرگی، اعمال شوند.
پیوندهای بین مولکولی اغلب ماکرومولکول هایی مانند پروتئین ها را در کنار هم نگه می دارد و موجب تشکیل ساختارهای سه بعدی با عملکردهای بیولوژیکی معین می شود. گسستگی در این برهمکنش ها در یک پروتئین، به صورت برعکس بر روی ساختار سه بعدی، مؤثر می باشد و منجر به از بین رفتن عملکرد پروتئین می شود.
یک نوع از پیوندهای بین مولکولی خاص اثر قابل توجهی در علم نانو دارد. این اثر، پدیده ی آب گریزی است. این پدیده در حقیقت فرایندی است که از آنتروپی، مشتق می شود. این پدیده در اصل نقش مهمی در مواد بیولوژیکی دارد. به صورت ساده باید گفت: این پدیده موجب می شود تا مولکول های غیر قطبی بر روی مولکول های قطبی مانند آب، جمع شوند.
مولکول ها به عنوان وسایل
در علم نانو، ماکرومولکول ها اغلب به عنوان وسایلی در نظر گرفته می شود که می توانند یک یون خاص را تحت محیط های خاص، رها کنند. بنابراین، در علم نانو و نانوتکنولوژی، که در حقیقت مولکول ها می توانند خود به عنوان وسایل عمل کنند، اتصال ها ممکن است به عنوان وسیله، عمل کنند. برای مثال، یک زمینه ی مطالعه، استفاده از سوئیچ های مولکولی، محرک ها و سیم های الکترونیکی است.
خواص ویژه ی مواد در مقیاس نانو
خواص سطحی
صرفنظر از اینکه یک ماده حالت بالک و یا نانومقیاس باشد، خواص فیزیکی و شیمیایی به بسیاری از خواص سطحی آنها وابسته است. سطوح عملکردهای مختلفی دارند: آنها می توانند مواد را در داخل و یا خارج خود نگه دارند؛ اجازه دهند آنها بر روی سطح جریان یابند و یا می توانند یک واکنش شیمیایی را شروع و یا به اتمام برساند (مشابه کاتالیست ها). آن دسته از علمی که در حقیقت درگیر خواص شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی سطوح می باشد، علوم سطحی نامیده می شود. در این عبارت، واژه ی سطح مشترک برخی اوقات به جای سطح مورد استفاده قرار می گیرد و منظور آن مرز بین دو فاز می باشد.
اگر یک ماده ی بالک به نانومواد تقسیم شود، حجم کل آن ثابت باقی می ماند اما مساحت سطح آن به طور قابل توجهی افزایش می یابد (شکل 3).
اهمیت برهمکنش اتم های سطحی
در علم سطوح، گروه های شیمیایی سطوح مشترک موادی هستند که تعیین کننده ی خواص می باشند. خواصی مانند فعالیت کاتالیستی، مقاومت الکتریکی، چسبندگی، دخیره سازی گاز و فعالیت شیمیای به طبیعت سطح مشترک، وابسته می باشد. نانومواد دارای بخش قابل توجهی اتم ها هستند که در سطح قرار دارند. این مسئله یک اثر عمیق بر روی واکنش هایی دارد که در سطح اتفاق می افتد مانند واکنش های کاتالیستی، واکنش های تشخیصی و واکنش هایی که برای شروع، نیازمند جذب فیزیکی گونه های خاص در سطح ماده، می باشند.حقیقت امر این است که نانومواد دارای کسر اتم سطحی بالایی است که این مسئله بر روی خواص فیزیکی مانند نقطه ی ذوب، مؤثر می باشد. برای یک ماده ی معین، وقتی نانوسایز می شود، نقطه ی ذوب کاهش خواهد یافت. اتم های سطحی با سهولت بیشتری نسبت به اتم های موجود در حالت بالک، حذف می شوند. بنابراین، انرژی کل مورد نیاز برای فایق آمدن بر نیروهای بین مولکولی که اتم ها را در کنار هم نگه می دارند، کمتر است و بنابراین، نقطه ی ذوب کاهش می یابد.
شکل نیز عامل مهم می باشد
در یک حجم معین، میزان مساحت سطح به شکل ماده وابسته می باشد. یک مثال ساده، در حقیقت یک کره و یک مکعب است که دارای حجم مشابعی هستند. مکعب دارای مساحت سطح بزرگتری نسبت به کره می باشد. به همین دلیل، در علم نانو، نه تنها اندازه ی نانومواد مهم می باشد، بلکه همچنین شکل آنها نیز مهم می باشد. شکل 4 نشاندهنده ی این مسئله می باشد. برای مثال، در مورد کاتالیست ها، یک مورد جالب توجه، نانوموادی هستند که خواص آنها نه تنها بواسطه ی اندازه، بلکه بواسطه ی شکل نیز تعیین می شود.
انرژی سطحی
اتم ها و مولکول ها که در سطح وجود دارد و یا در سطح مشترک قرار دارند، نسبت به اتم هایی که در داخل ماده قرار دارند، متفاوت می باشند. این مسئله در واقع برای هر ماده ای صدق می کند. اتم ها و مولکول ها در سطح مشترک فعالیت را افزایش می دهند و همچنین موجب می شود تا ماده تمایل به کلوخه ای شدن داشته باشد. اتم های سطحی و مولکول ها، ناپایدارند و دارای انرژی سطحی بالایی هستند.همانگونه که در بخش قبلی گفته شد، نانومواد دارای کسر زیادی از اتم ها و مولکول ها در سطح می باشند. به عبارت دیگر، یک اصل اساسی شیمیایی، این است که سیستم های دارای انرژی بالا، تلاش می کنند تا حالتی با انرژی کمتر بدست آورند. بنابراین، چگونه می توان نانومواد را در طبیعت یافت؟ نانو مواد در طبیعت اندک هستند (مانند پروتئین ها، DNA و ...). نانومواد به صورت ذاتی ناپایدارند و بنابراین روش های متعددی وجود دارد که بوسیله ی آنها، نانومواد انرژی سطحی ذاتی خود را کاهش می دهند.
یکی از راه های کاهش در انرژی سطحی نانومواد، آگلومره شدن می باشد. انرژی سطحی یک کمیت اضافی است. سطح 10 نانوذره معادل مجموع انرژی سطحی تمام نانوذرات منفرد می باشد. اگر این نانوذرات آگلومره شوند و یک ذره را تشکیل دهند، انرژی سطحی کل کاهش می یابد. این مفهوم در شکل 5 نشان داده شده است. اگر یک مقدار انرژی سطحی کلی (Y) مرتبط با تک تک سطوح جانبی مکعب A باشد، بنابراین کل انرژی سطحی می شود 6Y. همین مسئله در مورد مکعب B صدق می کند. بنابراین، انرژی سطحی کل مربوط به دو مکعب A و B، برابر است با 12Y. انرژی سطحی کل در جهت موازی محور C، برابر 10Y است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff
