نانومواد: بلوک های ساختاری و اساسی

این بخش در مورد خواص سه نوع از ماده ی نانوتکنولوژیکی متداول یعنی، نانوتیوب های کربنی، نانوذرات و کوانتوم دات ها صحبت می کند.

نانوتیوب های کربنی

نانوتیوب های کربنی در واقع ساختارهای لوله ای شکل از لایه های اتمی گرافیت هستند که ممکن است خواص جدید و قابل توجهی ایجاد کنند. این مواد امروزه بعد کشف پلاستیک ها، دومین ماده ای متداول و کاربردی از زیرمجموعه ی نانومواد می باشند. آنها دارای ساختار متفاوتی هستند که موجب می شود گستره ای از خواص در این مواد ایجاد گردد. نانوتیوب ها ممکن است در ذخیره سازی هیدروژن استفاده شوند. هیدروژن در داخل مراکز توخالی این مواد ذخیره سازی می شود و به تدریج قابلیت رهایش دارد. این مواد همچنین برای نگهداری یون های لیتیم نیز استفاده می شوند. این کار منجر به افزایش عمر مفید باتری ها، می شود. آنها عموماً به عنوان نانوتیوب های تک دیواره (SWNT) و چند دیواره (MWNT) طبقه بندی می شوند. نانوتیوب های تک دیواره دارای یک دیواره ی منفرد می باشند در حالی که نانوتیوب های چند دیواره، در واقع شامل چند استوانه ی در داخل هم، می باشد. وقتی خبرها، حاکی از خواص جالب توجه نانوتیوب ها می باشد، در واقع منظور نانوتیوب های تک دیواره می باشد. جدول 1 بیان کننده ی خواص مربوط به نانوتیوب های تک دیواره می باشد:
جدول 1
به هر حال، نانوتیوب های تک دیواره به سختی تولید می شوند (در مقایسه با نانوتیوب های چند دیواره). در واقع در موقع تولید این مواد، مخلوطی از نانوتیوب های تک دیواره و چند دیواره تولید می شود و هنوز هم مسائل گیج کننده ای در زمینه ی میزان نانوتیوب های تولیدی واقعی، وجود دارد. Houston یکی از پیش گام ها در زمینه ی نانوتکنولوژی و تولید نانوتیوب های کربنی، روزانه تنها 500 گرم نانوتیوب تولید می کند. یکی از مسائل مطرح شده در این زمینه، قیمت بالای این نانوتیوب هاست که موجب محدود شدن استفاده از آنها با توجه به تکنولوژی های کنونی، می شود. در واقع ماشین آلات مورد استفاده برای تولید نانوتیوب ها را نمی توان به مقیاس صنعتی وارد کرد و بنابراین، تولید مقادیر زیاد از این ماده، به معنای استفاده از ادوات بیشتر می باشد.
یکی دیگر از محدودیت های مربوط به این ماده، مشکل برهمکنش پایین نانوتیوب ها با مواد دیگر است. برای مثال، برای اینکه استحکام کامل این مواد در مواد کامپوزیتی، نمود کند، نانوتیوب ها باید به زمینه ی پلیمری کامپوزیت، متصل شوند. آنها باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند تا بدین صورت این اتصال دهی، تسهیل شود اما این فرایند موجب کاهش بسیاری از خواص نانوتیوب های مورد استفاده می شود. در دراز مدت، راه حل ایده آل استفاده از نانومواد خالص مانند نانوتیوب های بافته شده به صورت الیاف می باشد. البته یک چنین توسعه ی تکنولوژیکی، احتمالا در طی دو دهه ی آینده ایجاد می شود.
متداول ترین کاربردهای مربوط به نانوتیوب های کربنی، ممکن است در زمینه ی الکترونیک و اپتوالکترونیک، باشد. امروزه، صنعت الکترونیک اجزای حیاتی از جمله MOSFETs تولید می کند که ابعاد بحرانی آنها در سال 2009 زیر 100 نانومتر بوده است. این اجزا امروزه ابعادی برابر با 22 نانومتر، دارند. به هر حال، این صنعت امروزه با موانع فنی و محدودیت های فیزیکی قابل توجهی برای کاهش اندازه، روبروست. در همین حال، به منظور ادامه ی تحقیقات در این زمینه، نیاز به سرمایه گذاری های قابل توجه، می باشد. در واقع این کار به منظور افزایش کارایی سیستم های کامپیوتری مورد نیاز بوده است. یک میکروچیپ جدید برای تولید، نیازمند 1.5 میلیارد دلار سرمایه گذاری می باشد. بنابراین، توسعه ی این تکنولوژی ها، در سال های پس از سال 2010 بسیار مهم می باشد. یک رویه در حقیقت فایق آمدن بر موانع موجود است در حالی که در همین حال، میزان هزینه ی این تکنولوژی ها نیز مینیمم باشد.
در زمینه ی نانوتیوب های کربنی، این ممکن است که کارایی بهترین را بدون داشتن فیلم های عایق تولیدی از سیلیکون دی اکسید، حاصل کرد. علاوه بر این، نانوتیوب های کربنی تک دیواره ی نیمه رسانا نیز فرصت های جالب توجهی در زمینه ی تکنولوژی اپتوالکترونیک، ایجاد می کند. وسایل حاوی این مواد هنوز هم با مشکلات تولید مواجه است که علت آن، اثرات کوانتمی در ابعاد نانومتری است. بنابراین، به منظور توسعه ی این تکنولوژی در آینده، نیاز است تا نانوتیوب های کربنی با روش های ساده تر تولید شود.
سایر استفاده های پیشنهاد شده برای نانوتیوب ها

پروب های شیمیایی و ژنتیکی

یک میکروسکوپ نیروی اتمی مجهز به سری نانوتیوبی، قابلیت ردیابی DNA و سایر مارکرهای شیمیایی را دارد. این روش، تنها روشی است که تاکنون برای تصویربرداری شیمی یک سطح، پیشنهاد شده است البته هنوز به صورت متداول مورد استفاده قرار نمی گیرد. تاکنون، این ماده تنها برای بررسی قطعات کوتاه DNA استفاده شده است.
حافظه های مکانیکی (RAM غیر فرار): یک صفحه نمایش از جنس نانوتیوب نیز می تواند به عنوان وسیله ی حافظه ای دوتایی، مورد استفاده قرار گیرد. در واقع نیروی ولتاژ اعمالی می تواند برخی از نانوتیوب ها را در حال باز و برخی دیگر را در حالت بسته، قرار دهد. سرعت این باز و بسته شدن، هنوز اندازه گیری نشده است اما محدودیت سرعت برای حافظه های مکانیکی، احتمالا در حدود یک مگاهرتز است. این میزان بسیار آهسته تر از چیپ های حافظه ی متداول، می باشد. وسایل بر پایه ی انتشار میدانی: نانوتیوب های کربنی دارای انتشارگرهای میدانی مؤثر می باشند و در برخی از کاربردها از جمله صفحات نمایش مسطح مورد استفاده در تلویزیون ها و یا کامپیوترها نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. در این وسایل نیاز است تا وسیله ی منجر به تولید الکترون شود مثلا منابع اشعه ی X از جمله این کاربردها، می باشد.
نانوقیچی ها (Nanotweezers): دو نانوتیوب که به الکترودهایی بر روی یک میله ی شیشه ای اتصال می یابند، می توانند با تغییر ولتاژ باز و بسته شوند. این کار مشابه کار یک قیچی می باشد که می تواند برای بریدن اشیایی در ابعاد کمتر از 500 نانومتر، استفاده شود. اگر چه این قیچی ها می توانند بسیاری از مواد را ببرند، به دلیل چسبندگی آنها، کار کردن با آنها مشکل است. همچنین راه های ساده تری به جای استفاده از نانوتیوب ها، وجود دارد.
سنسورهای با حساسیت بالا: نانوتیوب های نیمه رسانا می توانند مقاومت الکتریکی خود را به طور قابل توجهی در زمان برخورد با مواد قلیایی، هالوژن ها و سایر گازها در دمای اتاق، تغییر دهند. این مسئله در واقع امیدها در زمینه ی بهبود سنسورهای شیمیایی را نوید می دهد. حساسیت این وسایل 1000 بار بیشتر از وسایل حالت جامد متداول، می باشد.
ذخیره سازی هیدروژن و یون ها: نانوتیوب ها ممکن است در ذخیره سازی هیدروژن استفاده شوند. هیدروژن در داخل مراکز توخالی این مواد ذخیره سازی می شود و به تدریج قابلیت رهایش دارد. این مواد همچنین برای نگهداری یون های لیتیم نیز استفاده می شوند. این کار منجر به افزایش عمر مفید باتری ها، می شود. تاکنون، بهترین گزارش ها در این زمینه حکایت از این دارد که میزان جذب هیدروژن در بهترین حالت، 6.5 % است. این میزان برای تولید سلول های سوختی، اقتصادی نیست. کارها در زمینه ی استفاده از این مواد در افزایش عمر باتری ها نیز در مراحل اولیه می باشد.

بیشتر بخوانید: کاربردهای محیط زیستی نانومواد

میکروسکوپ روبشی تیزتر: اتصال نانوتیوب ها به سری های پروب میکروسکوپ پویشی، منجر به افزایش رزولیشن این دستگاه ها به میزان 10 برابر می شود. در واقع با استفاده از نانوتیوب ها، می توان دید تمیزتری نسبت به پروتئین ها و سایر مولکول های بزرگ، داشته باشیم. اگر چه این وسایل به صورت تجاری موجود می باشند، هر سری هنوز هم به صورت منفرد تولید می شود. سری های حاوی نانوتیوب موجب بهبود رزولیشن عمودی نمی شوند اما این سری ها، موجب تصویربرداری عمیق تر می شود.
مواد ابر سخت: با استفاده از این مواد در داخل یک کامپوزیت، می توان استحکام کششی و انعطاف پذیری را بهبود بخشید و موادی با ویژگی های مکانیکی بهتر، پدید آورد مانند ماشین های دارای پانل های ضربه گیر و بخش های مورد استفاده در جلوگیری از خسارت در حین زلزله. نانوتیوب ها هنوز هم هزینه هایی 10 تا 1000 برابر نسبت به الیاف کربنی دارند. این مواد سطح بسیار صافی دارند و در داخل زمینه، لیز می خورند بنابراین، شکست در مواد حاوی نانوتیوب های کربنی، به سهولت انجام می شود. هنوز هم موانع فنی زیادی باید برطرف شود تا بدین صورت نانوتیوب ها بتوانند در مقیاس صنعتی، مورد استفاده قرار گیرند اما این مواد، پتانسیل بالایی در استفاده شدن در بسیاری از کاربردها، دارند. برای مثال، Fujitsu انتظار دارد که بتواند در سال 2010 از نانوتیوب های 45 میکرونی و در سال 2013 از نانوتیوب های 32 میکرونی در وسایل خود، استفاده کند.

نانوذرات

نانوذرات از زمان های قدیم بوسیله ی محققین سرامیک در چین و غرب، مورد استفاده قرار می گرفته است؛ در حالی که 1.5 میلیون تن از کربن بلک، متداول ترین ماده ی نانومتری، هر ساله مورد استفاده قرار می گیرد. اما همانگونه که قبلا گفته شد، نانوتکنولوژی به عنوان علم بررسی طبیعت نانومقیاس مواد، تعریف می شود. اگر چه نانوذرات اکسید فلز، سرامیک، فلز و سیلیکاتی متداول ترین نانوذرات مورد استفاده می باشد، سایر نانوذرات نیز وجود دارند. یک زیرلایه که در حقیقت کیتوسان نامیده می شود، از نانوذرات برای بهبود خواص جذبی، استفاده می شود.
حرکت به سمت مقیاس نانو موجب افزایش نسبت مساحت سطح به حجم می شود و در واقع موجب تولید موادی می شود که اثرات کوانتمی در آنها قابل توجه است. مساحت سطح بالا یک فاکتور کلیدی در کارایی کاتالیست ها و ساختارهایی مانند الکترودها می باشد. بدین صورت کارایی یک چنین تکنولوژی هایی مانند پیل های سوختی و باتری ها، بهبود می یابد. مساحت سطح بالا همچنین منجر به برهمکنش های مفید میان مواد در مقیاس نانومتری می شود. این مسئله منجر به خواص خاصی همچون افزایش استحکام و یا افزایش مقاومت شیمیایی و یا حرارتی در ماده می شود. این حقیقت که نانوذرات دارای ابعادی زیر یک طول موج بحرانی هستند، موجب شفاف شدن آنها می شود. این اثر می تواند در بسته بندی، محصولات آرایشی و بهداشتی و همچنین تولید پوشش ها، استفاده شود.

کوانتم دات ها

همانگونه که گفته شد نانوتیوب ها مانند پلاستیک های جدید، می توانند نقش های قابل توجهی ایفا کنند، کوانتم دات ها نیز به عنوان اتم های مصنوعی در نظر گرفته می شوند. این مواد ددارای ساختارهای یک نانومتری هستند که از موادی همچون سیلیکون تولید می شوند. این مواد قابلیت محدود کردن الکترون ها را دارند. همچنین یک تعداد از آنها که دارای حالات انرژی مشابهی هستند، می توانند با اعمال پتانسیل معین، کنترل شوند. از لحاظ تئوری، این مواد می توانند برای برطرف کرد تغییرات قابل توجه در طبیعت شیمیایی یک ماده، مورد استفاده قرار گیرد و مثلا بدین صورت، ماده ای شبه طلا تولید شود.
یک گروه ممکنه از کاربردهای این مواد می تواند در تولید نور با طول موج های مختلف، استفاده شود. دات ها در یک گستره از طیف نوری، تابش می کنندو این مسئله موجب می شود تا این مواد در تصویربرداری مناسب باشند، مخصوصاً تصویربرداری نمونه های بیولوژیکی. هم اکنون، مولکول های بیولوژی با استفاده از مولکول های فلئورسنت مانند رنگ های آلی تصویربرداری می شوند. در این روش، رنگ های مختلف به هر یک از مولکول های موجود در یک نمونه، می چسبند. اما این رنگ ها ور را در یک گستره از طیف انتشار می دهند که این بدین معناست که طیف آنها هم پوشانی دارد و تنها سه نوع مختلف از نور تابش یافته در طی یک طول موج گسترده، وجود دارد. این بدین معناست که طیف آنها هم پوشانی دارد و تنها سه رنگ مختلف می تواند در یک زمان، مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از کوانتوم دات ها، تصویربرداری با رنگ های کامل، از طریق منابع نوری با یک طول موج، مقدور می باشد.
گستره ی وسیع مربوط به رنگ هایی که می تواند با استفاده از کوانتوم دات ها تولید شود، همچنین بدین معناست که آنها می توانند پتانسیل بالایی در زمینه ی امنیت داشته باشند. برای مثال، آنها می توانند در برگه های بانکی و یا در کارت های اعتباری، مورد استفاده قرار گیرند و تصویر مرئی منحصربفردی را در زمان برخورد نور فرابنفش به آنها، ایجاد کنند.
این ممکن است که دیودهای نوری (LEDs) را از طریق استفاده از کوانتوم دات ها، تولید کرد که در حقیقت نور سفید تولید می کنند (مثلا برای ساختمان ها و یا ماشین). با کنترل میزان رنگ آبی در کنترل تابش و یا میزان تن رنگی، رنگ سفید می تواند تنظیم شود.
کوانتوم دات ها مواد مناسبی برای سوئیچ تمام نوری و فوق سریع و گیت های منطقی است که سریع تر از 15 ترا بیت بر ثانیه کار می کنند. برای مقایسه باید گفت که ارتباط اترنت عموماً می تواند تنها 10 مگابیت بر ثانیه انتقال داده انجام دهد. سایر کاربردهای ممکنه عبارتند از دی مالتی پلکسرهای تمام نوری (all-optical demultiplexers)، محاسبات تمام نوری و رمزگذاری. در این کاربردها، اسپین یک الکترون در یک کوانتوم دات بیان کننده ی یک بین کوانتمی و یا کوبیت اطلاعاتی است. بیولوژیست ها با ترکیباتی از سلول های زنده و کوانتم دات ها، کار می کنند. این مسئله احتمالا برای ترمیم مسیرهای طبیعی آسیب دیده و یا تحویل دارو (بواسطه ی واکنش نور با دات ها) استفاده می شود.
دوباره باید گفت که پیشرفت های قابل توجه در تولید نیازمند شناسایی پتانسیل مناسب مربوط به کوانتوم دات ها، می باشد. برای مثال، حالت کوانتومی برای تولید کامپیوترهای کوانتمی مورد نیاز می باشند. البته رفتار این مواد هم اکنون قابل پیش بینی نمی باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Opportunities and risks of nanotechnologies/ Report in co-operation with the OECD international futures programme