واکنش در سطح

واکنش هایی که خواص سطحی در آنها بسیار مهم می باشند
در این بخش، دو واکنش به صورت خلاصه توصیف خواهد شد: یکی واکنش کاتالیستی و دیگری تشخیص می باشد. در این واکنش ها، خواص مواد سطحی به صورت خاص مهم می باشند. همچنین نتایج حاصل از نانوتکنولوژی نیز نشان داده شده است.

کاتالیست

یک کاتالیست در واقع ماده ای است که موجب افزایش سرعت واکنش های شیمیایی می شود، بدون آنکه به صورت شیمیایی و یا فیزیکی تغییر کند. کاتالیست های طبیعی در حقیقت آنزیم نامیده می شوند و قابلیت تولید گونه های شیمیایی خاص را ایجاد می کنند. در واقع این مواد همواره راهی پیدا می کنند که بوسیله ی آن، واکنش های شیمیایی با مصرف حداقل میزان انرژی، انجام شوند. کاتالیست های مصنوعی در حقیقت به این حد صرفه جویی در انرژی ایجاد نمی کنند. آنها اغلب از ذرات فلزی تولید شده اند که بر روی سطح اکسیدی ثابت شده اند. این ذرات در یک جریان واکنشی گرم کار می کنند. یکی از مهم ترین خواص یک کاتالیست، سطح فعالی است که واکنش در آن رخ می دهد. سطح فعال وقتی افزایش می یابد که اندازه ی کاتالیست، کاهش یابد: ذرات کوچکتر کاتالیست به معنای نسبت سطح به حجم بالاتر می باشد که در حقیقت سازمان دهی فضایی سایت های فعال در یک کاتالیست نیز مهم می باشد. هر دو خاصیت (اندازه ی نانوذره و ساختار مولکولی) می تواند بوسیله ی نانوتکنولوژی، اصلاح شود. از این رو، این تکنولوژی پتانسیل خوبی برای توسعه ی طراحی کاتالیست ها دارد. استفاده از نانوذراتی که دارای خاصیت کاتالیستی هستند، موجب کاهش قابل توجه در میزان مواد مورد استفاده می شود و بدین صورت، مزیت های اقتصادی و محیطی ماده بهبود می یابد. کاتالیست ها اهمیت خاصی در کاربردهای محیط زیستی و کاربردهای انرژی دارند. شکل 1 نشاندهنده ی اثر نانوساختار بودن بر روی سطح یک کاتالیست می باشد. یک مثال خوب در مورد این مسئله که علم نانو چگونه می تواند بر روی توسعه ی مواد کاتالیستی اثرگذار باشد، طلا می باشد. طلای بالک یک ماده ی گران بهاست. این ماده پایدار، غیر سمی و مقاوم در برابر اکسیداسیون و حملات شیمیایی می باشد. به خاطر این خواص، این ماده به طور گسترده ای در ساخت جواهرآلات، استفاده می شود. ذرات طلای نانومتری می توانند واکنش های شیمیایی را کاتالیست کنند. این فهمیده شده است که نانوذرات طلای با ابعاد یکنواخت که بر روی یک بخش حمایت کننده ی اکسیدی قرارداده شده اند، از لحاظ کاتالیستی، فعالند. در بسیاری موارد، فعالیت کاتالیستی و گزینش پذیری نانوذرات به نسبت کاتالیست های تولیدی از فلزات انتقالی، مانند پلاتین، رودیم و پالادیم، بیشتر است. این مسئله جالب توجه است زیرا فلزاتی مانند پلاتین و پالادیم سمی هستند و فلزات بسیار نادر و گران قیمتی هستند.

تشخیص

تشخیص یک ترکیب شیمیایی خاص و یا یک ترکیب بیولوژیکی در داخل یک مخلوط، بوسیله ی ابزارهای مختلفی انجام می شود مانند سنسورهای شیمیایی، بیوسنسورها و میکروآرایه ها. مشابه کاتالیست ها، یک واکنش تشخیصی در سطح مشترک مواد انجام می شود. نرخ، دقت و گونه های تشخیص داده شده، می تواند با استفاده از نانومواد بهبود یابند. نسبت سطح به حجم بالاتر نانومواد موجب می شود تا سطح موجود برای تشخیص افزایش یابد. در حقیقت استفاده از این نانومواد اثر مثبتی بر روی دقت تشخیص دارد. علاوه بر این، نانومواد می توانند به گونه ای طراحی شوند که خواص سطحی خاص داشته باشند. این روش موجب می شود تا سایت های فعال موجود بر روی سطح مواد بتوانند به خوبی مولکول های مورد نظر را تشخیص دهند. شکل 2 نشاندهنده ی این مسئله می باشد. ظرفیت کاهش مقیاس به همراه قدرت تشخیص بالا در سایت های تشخیص، با استفاده از نانومواد قابل حصول می باشد. این مسئله موجب می شود تا وسایل تشخیص چندگانه، ایجاد شوند.

خواص الکتریکی

سه گروه از مواد بر پایه ی خواص الکتریکی آنها، وجود دارند: a) رساناها، b) نیمه رساناها، c) مواد عایق. جدایش انرژی میان باند ظرفیت و باند رسانش، گاف انرژی نامیده می شود. قابلیت پر شدن باند رسانش با الکترون ها و انرژی گاف انرژی تعیین می کند که یک ماده رسانا، نیمه رسانا و یا عایق باشد. در مواد رسنا مانند فلزات، باند ظرفیت و باند رسانش همپوشانی می کنند به نحوی که گاف انرژی کوچک می شود. در حقیقت انرژی گرمایی به اندازه ی کافی بزرگ است که موجب می شود الکترون ها حرکت کنند و به باند رسانش برسند. در نیمه رساناها، گاف انرژی چند الکترون ولت است. اگر یک ولتاژ بزرگتر از گاف انرژی، به ماده اعمال شود، الکترون ها از باند ظرفیت به باند رسانش می پرند و موجب تشکیل جفت الکترون ها و حفرات می شوند. این پدیده، تهییج نامیده می شود. عایق ها دارای گاف انرژی بزرگی هستند و ولتاژهای قابل توجهی برای فایق آمدن بر این گاف انرژی ضروری است. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا این مواد رسانای الکتریسیته نیستند (شکل 3).

پیکربندی کوانتمی و اثرات آن بر روی خواص الکتریکی ماده

پیکربندی کوانتمی موجب می شود تا انرژی گاف انرژی افزایش یابد (شکل 4). علاوه بر این، در ابعاد کوچک، وقتی سطوح انرژی کوانتیده می شود، این نوار همپوشانی می کند. این مسئله توضیح می دهد که چرا برخی از فلزات در زمان کاهش اندازه، به نیمه رسانا، تبدیل می شوند.
افزایش در گاف انرژی به دلیل پیکربندی کوانتمی بدین معناست که انرژی بیشتری برای جذب بوسیله ی گاف انرژی مورد نیاز می باشد. انرژی بالاتر به معنای طول موج کوتاه تر است. به این پدیده، شیفت آبی می گویند. همین پدیده در طول موج نور فلئورسنت تابانیده شده از مواد نانومتری، مشاهده می شود. بنابراین، یک روش برای تنظیم جدب نوری و خواص تابشی یک نیمه رسانای با اندازه ی نانومتری در طول موج مورد نظر، کنترل اندازه ی کریستالیست ها می باشد. خواص نوری فلزات نانو اندازه و کوانتم دات های نیمه رسانا، در بخش خواص نوری این مقاله، توصیف شده است.

نانومواد با خواص الکتریکی استثنایی

برخی از نانومواد دارای خواص الکتریکی هستند که در حقیقت در سایر مواد مشاهده نمی شود. خواص الکتریکی آنها به ساختار منحصربفرد آنها، مرتبط است. دوتا از این مواد، فلرن ها و نانوتیوب های کربنی هستند. برای مثال، نانوتیوب های کربنی می توانند بسته به ساختارشان، رسانا و یا نیمه رسانا، باشند. یکی دیگر از مثال ها، ابر خازن ها می باشند. در داخل این مواد، مقاومت مؤثری وجود ندارد و آنها از قانون اهم پیروی نمی کنند.

خواص نوری

برخی از نانومواد خواص نوری بسیار متفاوتی از خود بروز می دهند (مانند رنگ، شفافیت و ...) . در مثال های بعدی در مورد آنها صحبت خواهد شد.

برهمکنش نور با ماده

رنگ یک ماده تابعی از برهمکنش نور با شیئ است. اگر یک ماده نور را در طول موج های خاص جذب کند، مشاهده کننده ها، این رنگ ها را در طیف بازتابش یافته شده از ماده، مشاهده نمی کنند. تنها طول موج های انعکاس یافته، به چشم ما می رسند و از این رو، جسم به رنگ معین دیده می وشد. برای مثال، برگ سبز می شود زیرا کلروفیل که در حقیقت یک پیگمنت است، رنگ آبی و قرمز طیف را جذب می کند و نور سبز را انعکاس می دهد.
به طور کلی، نور برخورد کننده (I) بر روی یک ماده، می تواند عبور کند (T)، جذب شود (A) و یا انعکاس یابد (R).
I=T+A+R
وقتی اندازه ی مواد کاهش می یابد، پراکندگی نور (S) می تواند همچنین بر روی رنگ ظاهر شده در آن مؤثر باشد. یک خلاصه از این موارد، در زیر آورده شده است:
انعکاس (R): وقتی رخ می دهد که چراق قوه بر روی یک سطح صاف قرار گیرد و موج برخورد کننده به داخل محیط اولیه باز گردد. موج انعکاس یافته دارای ساختار هندسی مشابه با طول موج برخورد کرده است.
جذب (A): این فرایند، فرایندی است که شامل انتقال انرژی می باشد. سطوح انرژی یک ماده طول موج های نوری را تعیین می کند که بوسیله ی ماده جذب می شوود. این یک پدیده ی مولکولی است که به ویژگی های شیمیایی و ساختار ماده وابسته می باشد. در این واکنش، انتقال الکترون، نوسان و چرخش انجام می شود. کروموفورها (Chromophores) و فلئوروفورها (fluorephores) مثال هایی از مواد آلی هستند که دارای انتقال الکترونی خاصی می باشند.
انتقال (T): انتقال قابلیت نور در مورد عبور از یک ماده می باشد. در حقیقت انتقال یا عبور، تکمیل کننده ی جذب است. انتقال نور چیزی است که بعد از انعکاس، تفرق و جذب، رخ می دهد.
تفرق (S): این پدیده که در واقع پراکندگی نور نام دارد، وقتی رخ می دهد که تابش نوری به یک ساختار با ابعاد مشابه با طول موج نور، بتابد. بنابراین، این پدیده، یک پدیده ی فیزیکی است که به اندازه ی کلاسترها، اندیس شکست کلاستر و اندیس شکست مربوط به محیط سوسپانسیون، وابسته می باشد. این پدیده در واقع یک پدیده ی فیزیکی است که نه تنها انتقال انرژی در طی تفرق رخ نمی دهند، بلکه انرژی به جهات مختلف، پراکنده می شود. طول موجب نور ورودی و چیزی که در نور خروجی مشاهده می شود، یکسان است. بعد از اینکه نور به کلاسترهای موجود در کلوئید، برخورد می کند، دوباره به کلاستری دیگر برخورد کرده و جهت آن دوباره تغییر می کند. این پدیده، تفرق چندگانه نامیده می شود. در یک سطح ماکروسکوپیکی، این اثر کلی می تواند موجب شود تا نور دوباره در جهت عکس جهت اولیه، حرکت کند. ماکزیمم تفرق برای طول موج هایی رخ می دهد که دو برابر اندازه ی کلاسترها باشد. بنابراین، اگر یک کلاستر در حدود 200 نانومتر باشد، ماکزیمم تفرق در 400 نانومتر، مشاهده می شود. این طول موج مشابه طول موج نور مرئی است.
این فرمول تا زمانی صدق می کند که تفرق رخ دهد. تفرق به سادگی در انعکاس و انتقال مشارکت می کند. نوری که جذب می شود، نمی تواند تفرق پیدا کند.
رنگ های ایجاد شده از مواد نانویی و نانوساختار
نانومواد عموماً می توانند خواص نوری داشته باشند که نتیجه ای از برهمکنش نور و مواد نانوساختار بسیار ریز می باشد. این مسئله در بالا توضیح داده شده است.
رنگ در کلوئیدهای حاوی ذرات فلزی (پلاسمون های سطحی)
یکی از خواص جالب توجه در نانوذرات فلزی، خواص نوری آنهاست. رنگ نانومواد به نسبت حالت بالک آنها، متفاوت می باشد. در صورت ساده باید گفت که وقتی نور به یک سطح فلزی برخورد می کند، برخی از موج های نور در طول سطح فلزی انتشار می یابند و موجب ایجاد یک پلاسمون سطحی می شوند. این پلاسمون در حقیقت یک گروه از الکترون های رسانش سطحی است که در جهتی موازی سطح مشترک فلز/ دی الکتریک (یا فلز/ خلأ) انتشار می یابند. وقتی یک پلاسمون در فلز بالک ایجاد می شود، الکترون ها می توانند به صورت آزاد در ماده حرکت کنند و هیچ اثری ایجاد نمی شود. در مورد نانوذرات، پلاسمون سطحی در فضا متمرکز می شود و بنابراین، به شیوه ای خاص در فضای کوچک، قرار می گیرد. این پدیده اثر رزونانس پلاسمونی سطحی متمرکز نامیده می شود (LSPR). وقتی فرکانس این تشدید، مشابه با فرکانس نوری برخورد کننده باشد، پلاسمون با نور هم رزونانس است.
انرژی LSPR به عملکرد دی الکتریک ماده و محیط، شکل و اندازه ی نانوذرات، وابسته می باشد. این بدین معناست که اگر یک لیگاند مانند پروتئین ها به سطح نانوذرات فلزی بچسبد، انرژی LSPR آن تغییر می کند. به طور مشابه، اثر LSPR به سایر متغیرها مانند فاصله ی بین دو نانوذره وابسته می باشد. این مسئله می تواند با وجود سورفکتانت ها و یا یون ها، نیز تغییر کند. پدیده ی LSPR نه تنها در نانوذرات فلزی، بلکه همچنین در نانوحلقه ها، حفرات موجود در فیلم های فلزی و سایر نانوساختارها نیز مشاهده می شود (شکل 5). یکی از نتایج اثر LSPR در نانوذرات فلزی، این است که آنها دارای جذب نور مرئی بسیار قوی هستند که علت آن وجود نوسانات پیوسته ی رزونانسی پلاسمون ها می باشد. به عنوان یک نتیجه، کلوئیدهای تولید شده از نانوذرات فلزی مانند طلا و یا نقره، می توانند رنگ های متفاوتی نسبت به حالت بالک، داشته باشند. این رنگ به اندازه ی نانوذره و محیط اطراف نانوذره ها وابسته می باشد و می تواند قرمز، بفنش، نارنجی و ... باشد. یک مثال از این مورد در شکل 1 بخش اول این مقاله قایل مشاهده می باشد. در این شکل، کلوئید نانوذرات طلا با اندازه ی 15 نانومتر، به رنگ قرمز یاقوتی به نظر می رسد. خواص نانوذرات فلزی موجب می شود تا این مواد در سنسورها کاربرد داشته باشند.
همانگونه که گفته شد، نیمه رساناهای نانواندازه، دارای حالت های انرژی کوانتیده هستند. بنابراین، نوار رسانش و والانس تقسیم می شوند و به صورت گسسته در می آیند. انتقال بار در بین این سطوح گسسته اتفاق می افتد بنابراین، تنها طول موجب های با ابعاد معین جذب می شوند. به عنوان یک نتیجه، انتشار حالت مونوکرومات پیدا می کند. پیکربندی کوانتمی موجب می شود تا انرژی گاف انرژی افزایش یابد و بنابراین، انرژی بیشتری برای جذب مورد نیاز است. انرژی بالاتر به معنای طول موج های قوی تر (شیفت آبی) می باشد. این مسئله در مورد طول موج های نور فلئورسنت نیز رخ می دهد. این شیفت در حقیقت در این طیف نیز قابل مشاهده می باشد. تنظیم اندازه ی نانوکریستال های نیمه رسانا روشی برای تعیین گاف انرژی است و بنابراین، می توان بدین وسیله، طول موج جذب شده یا انتشار یافته بوسیله ی کریستال را تعیین کرد. به عنوان یک نتیجه، مثلا ماده ای مانند CdSe بسته به اندازه ی آن، دارای رنگ های مختلفی است (شکل 6). کوانتم دات ها هم اکنون به عنوان یک جایگزین در رنگ های متداول در میکروسکوپ های فلئورسنت و سایر روش هایی که در آنها رنگ مصرف می شود (مانند سلول های خورشیدی رنگی) استفاده می شوند. این کوانتم دات ها همچنین به عنوان جایگزینی برای منابع انتشار نور مطرح هستند.

از سفیدی تا شفافیت در یک ماده

تفرق نور مرئی در حقیقت مسئول ایجاد ظاهر سفید رنگ در کرم های ضد آفتاب با محافظت بالا می باشد. دانش آموزان با این نوع از کرم ها آشنایی دارند و اغلب از آنها و به منظور محافظت از پوستشان، استفاده کرده اند. این کرم های ضد آفتاب، حاوی کلاسترهای ZnO و TiO_2 می باشد که اندازه ای در حدود 200 نانومتر دارند. نور مرئی با این کلاسترها برهمکنش می کند و طول موج های مربوطه، تفرق می یابند. ترکیب طیف مرئی در حقیقت نمایشی سفید رنگ دارد و از این رو، کرم سفید به نظر می رسد (شکل 7). اگر ابعاد کلاستر کاهش یابد، برای مثال از 200 به 100 نانومتر، ماکزیمم تفرق در حدود 200 نانومتر رخ می دهد و نمودار به سمت طول موج های کوتاه تر، شیفت پیدا می کند که در حقیقت، طولانی تر از طیف نور مرئی است. این اثر چیزی است که در مواد مشابهی همچون ZnO مشاهده می شود (شکل 7).

خواص مغناطیسی

خواص مغناطیسی یک آهنربا، بوسیله ی نمودار مغناطش آن توصیف می شود. در حالت کلی، نمودار مغناطش یک ماده ی فرومغناطیس در حقیقت تصویری از کل مغناطش نمونه نسبت به میدان DC اعمالی است که در حقیقت استحکام H را دارد (شکل 8). در اصل وقتی H افزایش می یابد، M افزایش می یابد تا جایی که به نقطه ی اشباع یعنی M_s برسیم. وقتی H از نقطه ی اشباع کاهش یابد، M به طور مشابه کاهش نمی یابد و در واقع در بالای نمودار قرار دارد. این پدیده، هیسترسیس نامیده می شود. وقتی میدان H اعمال شده به نمونه، به صفر برسد، ماده ی مغناطیسی و یا آهنربا، هنوز مغناطیسی است و به این خاصیت مغناطیسی باقیمانده، مغناطش باقیمانده گفته می شود (M_r). به منظور حذف مغناطش باقیمانده، یک میدان H_c در جهت مخالف با میدان اعمال شده، اعمال خواهد شد. این میدان را میدان کوهرسیو می گویند.
نانوساختار بودن مواد مغناطیسی بالک می تواند به گونه ای طراحی شود که میدان مغناطش یک ماده منجر به تولید مغناطیس نرم و یا سخت شود.
عموماً رفتار مغناطیسی یک ماده به ساختار ماده و دما وابسته می باشد. به منظور یک میدان مغناطیسی را لمس کنیم، ماده باید اسپین خالص غیر صفر داشته باشد. اندازه ی نمونه وار مربوط به دمین های مغناطیسی مورد انتظار، در حدود یک میکرون می باشد. وقتی اندازه یک آهنربا کاهش می یابد، تعداد اتم های سطحی کسر قابل توجهی از اتم های کل می شود و این مسئله موجب می شود تا اثرات کوانتمی اثرگذارتر شوند. وقتی اندازه ی این دمین ها به مقیاس نانو می رسد، این مواد خواص جدیدی را ارائه می دهند که علت آن، ایجاد پیکربندی کوانتمی می باشد برای مثال، اثر مقاومت مغناطیسی بزرگ (GMR). این یکی از اولین اثرات کوانتمی است که در تولید ذخیره سازهای اطلاعات، مورد استفاده قرار گرفته است.

خواص مکانیکی

برخی از نانومواد دارای خواص مکانیکی استثنایی هستند که در حقیقت این خواص، به ساختار آنها وابسته می باشد. یکی از این مواد، نانوتیوب های کربنی می باشند. این مواد تیوب های بسیار کوچکی هستند که دارای ساختاری مشابه لانه زنبوری (گرافیت) دارند اما خواص آنها نسبت به گرافیت متفاوت می باشد. این تیوب ها می توانند به صورت تک دیواره و یا چند دیواره باشند. شکل 9 نشاندهنده ی نانوتیوب های کربنی هستند. این نانوتیوب ها صد برابر سخت از فولاد و 6 برابر سبک تر از این ماده هستند.

بهبود مواد موجود

نانومواد می توانند همچنین برای بهبود خواص مکانیکی مواد موجود مورد استفاده قرار گیرند. در برخی از این موارد، نانوکامپوزیت ها نیز تشکیل می شوند.
یک مثال از این مواد، مواد نانوکریستال هستند که در حقیقت موادی پلی کریستال محسوب می شوند. این مواد موادی با اندازه ی دانه های نانومتری می باشند. درعوض، اندازه ی دانه در مواد فلزی صنعتی در حدود 10000 نانومتر می باشد. این مواد عموماً دارای خواص مکانیکی بهبود یافته می باشند.
چرا این مسئله رخ می دهد؟ یک ماده ی پلی کریستال (شکل 10)، دارای بسته های بزرگی از کریستال ها و یا دریایی از اتم ها می باشد که نظم خاصی ندارند. در ساختار کریستالی، می تواند عیوبی موجود باشد. اگر این مواد تحت تنش مکانیکی قرار گیرند، مواد پلی کریستال می توانند بشکنند زیرا این عیوب موجب اشاعه ی ترک می شوند. برای بهبود مقاومت در برابر ترک و نابجایی، ذرات ریز (نانوذرات) از یک ماده ی دیگر می تواند در داخل شبکه وارد شود. مواد نانوکریستالی می توانند به طور قابل توجهی دارای خواص مکانیکی، خواص مغناطیسی، الکتریکی، کاتالیستی و مقاومت به خوردگی بهبود یافته ای در مقایسه با مواد با دانه های درشت، باشند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff