مقدمه

نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوفن آورها شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند که از قالب‌های قدیمی برای شکل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌کرده‌اند وشیشه ها را به رنگ قرمز در می آوردند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند که چرا با اضافه‌کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌کند. در آن زمان شیشه گران ناخواسته برای ساخت شیشه‌های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می‌ کردند و با این کار شیشه‌های رنگی بسیار جذابی بدست می‌آمده است. این قبیل شیشه‌ها هم ‌اکنون در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در این شیشه‌ها برپایه این حقیقت استوار است که مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میکرو نمی‌باشند

در واقع یافتن مثالهایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست.رنگدانه‌های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه‌ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. نور انعکاس یافته از آن سبز است ولی اگر نوری از درون آن بتابد، به رنگ قرمز دیده می‌شود. آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریزدر مقیاس حدودا700نانو متری دارد ، که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا 14 به 1 است حضور این نانوبلورها باعث رنگ ویژه جام لیکرگوس

مقیاس نانو و اهمیت آن

نانو متر برابریک میلیاردیم (000000001/ ) متر است مقیاسی که تقریبا برابر با پهنای 3 تا 4  اتم است

اما چرا در بین تمام مقیاس ها این مقیاس اهمیت ویژه ای دارد؟

در پاسخ باید گفت مواد در این مقیاس از خود ویژگی هایی بروز می دهند که در مقیاس های بزرگتر از آنها سر نمی زند واگر بخواهیم به مقیاس های کوچکتر برویم کار کردن سخت تر و پر هزینه تر خواهد بود

و بهترین بازه برای تغییر بنیادی در ویژگی های مواد مقیاس نانو است (بازه01/ تا 100 نانو متر) از اینرو این مقیاس به مقیاس جادویی معروف است

تعریفی از علم نانو

ساده ترین تعریف از علم نانو را می توان اینگونه بیان کرد :

      "بررسی مواد در مقیاس نانو برای تولید مواد با ویژگی های تازه"

در واقع می توان این تعریف را بدین صورت شرح داد:

دستکاری اتمها بطور جداگانه و جای دادن دقیق آنان در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده‌آل موردنیاز می‌باشد.و می توان با کمک این ساختار ها به موادی در مقیاس میکرو یا بزرگتر رسید که بازدهی ایده آل تری در صنعت یا علمی خاص دارد

مختصری درباره تاریخچه علم نانو

ریچارد فاینمن( دانشمند کوانتم و برنده جایزه نوبل فیزیک) طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیز ها را رد نمی کند. وی اظهار داشت میتوان با استفاده از ماشین های کوچک اقدام به ساخت ماشین های کوچکتر کرد و این عمل را تا سطح اتم ادامه داد

این سخننرانی فاینمن که در آن زمان همه به دید یک خیال و افسانه به آن نگاه کردند در آینده باعث بوجود آمدن علم نانو شد

Richard Feynman‌

همانطور که گفته شد نظریه کار بر روی سیستم ها در سطح نانو برای اولین بار توسط استاد کوانتم ریچارد فاینمن بیان گردید.

بعد ها دانشجویی به نام اریک درکسل که علاقه ی زیادی به احیا نظریات فاینمن داشت پس از اخذ دوره دکترا در ضمینه کامپیوتر اقدام به جمع آوری دانشجویان علاقه مند در این زمینه را نمود ونظریه نانو تکنولوژی را بنا نهاد و اولین مقاله خود را در سال 1981 در ضمینه نانو تکنولوژی ملوکولی به چاپ رسید

وی اولین کسی است که در سال 1991  از دانشگاه  ام-آی-تی مدرک دکترا درزمینه نانو گرفت

Eric Drexler

روش های تولید نانو ساختار ها

(( رو _ پایین )) و ((زیر _ بالا ))

))bottom_up ))  , (  top _ down ))

با اینکه اسم این دو نوع ساختار کمی نا ملموس است اما روش کار کرد آنها به سادگی بیان میشود.

(( رو _ پایین )):

یعنی مواد را از سطوح بزرگتر مثل میکرو خرد کرده و با کاهش تعداد ملکول ها و اتم ها به ساختاری در مقیاس نانو برسیم( در واقع عکس تعریف فاینمن )

((زیر _ بالا )):

یعنی ساختار هایی را در سطح نانو در کنار هم قرار دهیم تا به ساختار ها ی بزرگتری در سطح میکرو یا بالا تر برسیم

برخی از رویدادهای مهم تاریخی در شکل گیری فناوری و علوم نانو
 

در پایان باید اشاره کنم که نانو تکنولوژی یک تکنولوژی تک بعدی نیست ودر تمام علوم و صنایع توانایی  دارد و می تواند مفید واقع شود از جمله در صنایع  هوا فضا . مخابرات و ارتباطات . صنایع دفاع . تولید سخت افزا در ابعاد کوچک.کامپوزیت ها. سا خت رسانا ها نیمه رسانا ها و ابر رسانا ها با بازدهی بالا . دارو سازی و انتقال دارو. مبارزه با سرطان . ساخت مواد با مقاومت بسیار بالا . وهزارن ساختار دیگر که شاید هنوز هم خارج از تصور بشر است

 تا سال 1980 سه آلوتروپ کربن(کربن غیربلوری) به نامهای الماس وگرافیت وکربن بی شکل شناخته شده بودند.اما  امروز می دانیم که اشکال مختلفی از خانواده کربن وجود دارد .                                                                                     

نامهای دیگر باکی بال وفولرن نام گذاری شده است.فولرن ها ملکول های کروی کربن هستند که به سبب شکل زیبا وخواص شگفت انگیز توجه بسیاری از دانشمندان رابه خود معطوف کرده است.آلوتروپ بعدی کربن که درسال1991 کشف شد نانولوله نام دارد که به توضیح ان می پردازیم.

نانو لوله های کربن از صفحات کربن به ضخامت یک اتم وبه شکل استوانه  ای   توخالی درسال1991 توسط سامیوایجیما(از شرکت N.E.C  ژاپن)کشف شد.

نانولوله ها به ساختارهایی اطلاق می شود که قطرآنها تاحدود 100 نانو مترباشد. آرایش اتم های کربن در دیواره این ساختار استوانه ای دقیقا مشابه ساختار کربن درصفحات گرافیت است درگرافیت شش ضلعی های منتظم کربنی در کنار یکدیگر صفحات گرافیت رامی سازند این صفحات کربنی بر روی یکدیگرانباشته میشوند وهرلایه ازطریق پیوند های ضعیف واندروالس به لایه زیرین متصل می شوند.وهنگامیکه صفحات گرافیت در هم پیچیده می شوند نانولوله های کربنی را تشکیل میدهند در واقع  نانو لوله های کربنی گرافیتی است که به شکل لوله در           . آمده 

 ویژگی نانو لوله های کربنی                                                                                                   

خواص ویژه ومنحصربه فرد از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب و طبیعت کربنی نانو لوله ها(به خاطر اینکه کربن ماده ای است کم وزن وبسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایند ها که نسبت به فلزات برای تولید ارزنتر میباشد)یکی از خصوصیات برجسته ینانو لوله های کربنی استحکام کششی بالای آنها است که نزدیک 100گیگا پاسکال یعنی بیش از 100برابر استحکام فولاد است در حالی که وزنش یک ششم وزن فولاد است با این حال این مقیاس غلط انداز است چرا که فولاد ازتجمع بلورها مواد افزودنی حاصل می شود ولی نانولوله ها مثل هم خانواده ی خود گرافیت به یک دیگر نچسبیده تنها بر اثر نیروهای ضعیف واندروالس جذب یک دیگر می شوند نانولوله ها به مواد دیگر نیز به راحتی نمی چسبند و میتوان با اصلاح شیمیایی آنها به یک دیگر شوند نانولوله های کربنی دارای خواص الکتریکی بالایی میباشند آنها بسته به کایراتیه (نحوه ی پیچش ساختارهای گرافیتی به دور نانولوله)میتوانند رسانا (نانولوله هایی با خاصیت فلزی)یا نیم رسانا باشند.                                            

نانولوله های کربنی سیم های ملکولی بزرگی هستند که الکترون میتواند آزادانه درآن حرکت کند . این قطعات میتوانند درکنار مدارات الکترونیکی خیلی سریعتر و با توان کمتر از مدارات کنونی کار کنند و هدایت گرمایی نانو لوله های کربنی درجهت لوله ها و نه عمود برآنها باعث شده است که این ترکیبات قابلیت بالقوه ای در گودال های حرارتی در زمینه ی نانو الکترونیک از خود نشان دهند .یکی دیگر از ویژگی های نانولوله ها نشر میدانی است .قطعات نشر میدانی یا(اف ای دی )ها ساختارهایی هستند که تحت تاثیر میدان الکتریکی از خود الکترون منتشر می کنند نانولوله ها قادرند تحت تاثیر میدان های الکتریکی جریان های بالایی را انتشار دهند .اکسایش نانو تیوپها از دو سر آغازمیشوند در نتیجه این عمل باعث باز شدن تیوژ خواهد شد.

نانو تیوپها از لحاظ کاتالیزی فعال می باشند همچنین خاصیت مویینگی بالایی دارند  و میتوانند گازها ومایعات را در خود جای دهند. رفتار میکروسکوپی یک نانو  تیوپ(نانو لوله ای از جنس کربن) که پاره است همانند یک کفشدوزک به نظر میرسد. شکاف موجود در بافت نانو تیوپ ناشی از تنشهای حرارتی وارد شده به آن بوده ودرحین فرایند گذر از ساختار پنج وجهی به هفت وجهی کربن در طول لوله دوخته میشود.نانولوله ها میتوانند نور مادون قرمز را جذب و دفع کنند همچنین تزریق هم زمان الکترون از یک سر و تزریق حفره ای ازسردیگرلوله موجب میشود نوربا طول موج1.5میکرومتر از نانولوله منتشر شود همچنین دارای چگالی سطحی بسیار بالایی میباشند که باعث استحکام بالای نانولوله میشود میتوان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آنها پدیدارمیشود .

درنانولوله ها هر سه اتم کربن قابلیت ذخیره سازی یک یون لیتیم را دارد درحالی که گرافیت هر شش اتم کربن توانایی  ذخیره  یک یون لیتیم را دارند .همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله هاچند برابر الکترود های گرافیتی است و نانولوله ها در دمای زیر 15درجه کلوین ابر رسانا میشوند و شعاع این نانولوله های ابر رسانا 0.4نانومتر است.

انواع نانولوله های کربنی

 نانولوله ها به دو دسته ی تک جداره و چند جداره تقسیم میشوند نانولوله های تک جداره بر حسب آرایش اتم های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی و کایرال که دارای خاصیت فلزی هستند و زیگزاگ که خاصیت نیمرسانایی دارد تقسیم میشوند نانولوله های کربنی تک جداره فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه ای از شش ضلعی های منتظم)تشکیل شده اند از آغاز کار روی تک جداره ها از آن ها به عنوان یک پدیده ی تک بعدی اتم برده میشد تا اینکه این نظریه مرحله به مرحله پیشرفت کرد .علت علاقه به این نانولوله ها تک جداره و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت  بر اساس محاسبات نظری تاثیرات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی ورسانایی الکتریکی آنها مانند فلزات میباشد البته تولید نانولوله های تک جداره دارای هزینه بالایی است وتولید به همراه پایدار کردن خصوصیات آنها در حین فراوری پلیمر نانولوله مشکل می باشد هر چند نانولوله هایی که با استفاده ازتکنیک لانگهوری-بلاجت که شامل حرکات افقی و عمودی می باشند تولید شده اند علاوه بر اینکه ثابت نگه داشته میشوند توسط ژلاتین و تشکیل نانو ژل کربنی از لحاظ نوری نیز یکدست و همگن و از لحاظ ساختاری قابل کنترل میباشند .برعکس در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله های کربنی چند جداره باعث شده که پیشرفت های زیادی در این زمینه داشته باشیم تا حدی که محصولاتی در آستانه تجاری شدن تولید شده است .یکی از معایب نانولوله های چند جداره نسبت به تک جداره این است که استحکام دهی آنها کمتر می باشد زیرا پیوند های صفحات داخلی ضعیف میباشند اما از آنجا که در حال حاظر کاربرد های نانولوله ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص الکتریکی و گرمایی میشود تا بهبود خواص مکانیکی کاربرد نانولوله های کربنی چند جداره بسیار زیاد میباشد از طرفی تکنیک های موجود نیز برای تولید نانولوله های تک جداره به اندازه  کافی بازدهی ندارد و خلوص لازم را نیز به همراه نمی آورد تلخیص این مواد بسیار زحمت آور استو در نهایت ممکن است به ساختار نانولوله نیز صدمه بزند .

کاربرد نانولوله های کربنی

وجود یک سری مختصات ویژه نانولوله های کربنی آنها را به انتخاب ایده آلی برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است.بنابراین در ادامه به شرح چندین مورد از حوزه های مهم کاربرد نانولوله ها می پردازیم.

تهیه الیاف از نانو لوله های کربنی:

پژوهشگران موسسه نانو تک در تگزاس در زمینه تهییه الیاف از نانو لوله های کربنی به پیشرفت های چشمگیری دست یافته اند این الیاف محکم و فوق العاده انعطاف پذیر بوده و از نظر حرارتی و الکتریکی رساناست .از این الیاف برای تولید نخ های فلامینتی استفاده می کنند ومی توانند جایگزین الیاف معمولی در زمینه فیلترها .جلیقه های نجات.لباس های ضد اشتعال.منسوجات الکترونیکی .ساخت ماهیچه های مصنوعی و ابر خازن ها شونداین الیاف به علت ویزگی های نانو لوله های کربنی به عنوان موادی دوستدار محیط زیست که به مصرف بهینه ی انرژی نیز کمک می نمایند شناخته شده اند.

نانو کامپوزیت های کربنی:

نانو کامپوزیت های نانولوله ای کربنی دارای استحکام بیشتری نسبت کامپوزیت های موجود و کامپوزیت های مبتنی بر نانو ذرات هستند از نظر تئوری کاربرد نانو لوله ها  در کامپوزیتها به دلیل استحکام کششی بالا مانع مصرف  الیاف کربنی در کامپوزیتها خواهد شد .خواص رسانایی  یا حفاظت در در برابر اشعه نانولوله ها می تواند برای کامپوزیت ها ارزشمند باشد .

کاربرد های پزشکی:کربن به عنوان یک بیوسرامیک دربیو فناوری کاربرد های وسیعی یافته و در حال حاظر نیز مطالعاتی در باره فعال سازی شیمیایی نانو لوله ها برای ساخت هیبرید های نانولوله - مولکول جهت کاربرد در داربست ها رشد سلول وبافت وبیوسنسور ها با کارایی بالا انجام گرفته است این نانولوله ها میتوانند به عنوان داربست بافت سلول ها عصبی ایفای نقش نمایند از دیگر کاربردهای آن در زمینه پزشکی میتوان به درمان آسیب دیدگی مغز- دارو رسانی به سلولهای آسیب دیده ، از بین بردن تومور های سرطانی و ژن درمانی اشاره کرد. 

کاربردها در صنعت نفت:

استفاده از نانو لوله های کربنی به عنوان نانو کاتالیست برای جذب و ذخیره سازی گاز طبیعی و هیدروزن، سولفورزدایی از نفت خام و تولید سوخت (جی تی ال)

علم پزشکی اگرچه تاکنون بسیاری از مشکلات جسمی بشر را برطرف ساخته است اما هنوز مسائل حل نشده ای در زمینه ی درمان بسیاری از بیماری ها وجود دارد.در 50 سال اخیر علم پزشکی راه های نوینی را برای درمان بیماری ها در پیش گرفته است.

نانو تکنولوژی در زمینه ی پزشکی این قابلیت را دارد که با استفاده از تکنولوژی مولکولی اقدام به شناسایی و رفع این مشکلات نماید.

ابزارهای بسیار ابتدایی نانو پزشکی می توانند برای شناسایی بیماری ،توضیع دارو ، همچنین توضیع هورمون در بیماری های مزمن و نقص های سیستم بدن به کار روند.ابزارهای بسیار پیشرفته تر از قبیل نانو رباتها (رباتهایی که اندازه ی آنها در حد نانو متر باشد )که به عنوان جراحان کوچک در داخل بدن عمل می کنند.این نانورباتها به صورت ماشین هایی هوشمند برنامه ریزی می شوند .آنها به حسگرهایی مجهزند که می توانند قدرت تصمیم گیری و تاثیرپذیری از محیط را برای ماشین فراهم کنند.این ماشینها می توانند جلوی عوارض جانبی و واکنش های حساسیت زا را بگیرند و مانع بروز مسمومیت دارویی شوند.چنین ماشین هایی می توانند با ورود به داخل سلول ها ساختار آسیب دیده آنها راتغیر دهند و در صدد تعمیر آنها برآیند.آنها قادرند خود را تکثیر کنند یا نواقص ژنتیکی را با دست کاری(دی ان ای) بر طرف سازند. با تزریق نانو ماشین ها به ماهیچه می توان توانایی انسان را افزایش داد آنها می توانندجایگزین گلبول های خون نیز شوند و خونی بسازند که قابلیت نقل وانتقال و ترمیم سلول های مختلف بدن را داشته باشد و موجب حیات ابدی شود.

 نانو ماشین های نانو پزشکی به وجود آورنده ی مرحله ی جدیدی از تکامل انسانی هستند که سبب بقاء بشر می شود و طوری طراحی شده اند که قادر به ساخت اتم ها و در نتیجه درمان بسیاری از بیماری های مزمن امروزی هستند .

تصلب شراین یکی از این بیماری هاست بر اثر این بیماری کلسترول در داخل دیواره ی رگها رسوب می کند وسبب تنگ شدن رگها میشود اگر بیماری تشدید شود ماهیچه های قلب می میرند و سبب حمله ی قلبی میشود به همین منظور نانو ماشین هایی طراحی شده اند که قادر به جوستجو ،یافتن و برطرف کردن رسوبات کلسترول و در نتیجه باز شدن رگها هستند. از این روش جهت انتقال فعال وهدفمندداروها به سلول های سرطانی استفاده می کنند که بیشترشان برای قرار دادن مولکول های فعال آنتی بادی ها جهت اتصال به سلول های سرطانی برنامه ریزی شده اند.

همچنین از فناوری نانو در درمان بیماری های عفونی هم بهره می برد در درمان این بیماری ها هدف،هدف قرار دادن سلول های بیگانه خوار برای درمان عفونت هاست.

در مجموع فناوری نانو ابزارهای جدید وجالبی برای مقابله با انواع بیماری ها عفونی ارائه کرده است و قابلیت بالایی برای توسعه ی روش های دارو سازی و تهیه واکسن دارد.    

مواد در مقیاس نانو به دسته های زیر قابل تقسیم میباشند

1-نانو لایه ها

2-نانو پوشش ها

3-نانو خوشه ها

4-نانو سیم ها

5-نانو لوله ها

6-نانو حفره ها

7-نانو ذرات

در این مقاله به بررسی نانو ذرات می پردازیم.

مقدمه

نانو ذرات از ده ها  یا صدها اتم یا مولکول با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف (امورف،کریستالی،کروی شکل،سوزنی شکل و...) ساخته شده است.اغلب نانو ذرات که به صورت تجاری مورد استفاده قرار میگیرندبه شکل پودر خشک و یا به صورت بخش مایع میباشند.البته نانو ذرات ترکیب شده (آمیخته شده) در یک محلول آبی یا آلی که به شکل سوسپانسیون یا خمیری شکل است نیز مود توجه میباشد.اندازه این نانو ذرات در حدود 1 تا100 نانو متر است.

تاریخچه نانو ذرات

نانو ذرات از زمان های بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است شاید اولین استفاده آنها در لعاب های چینی و سرامیک های تزئینی سلسله های ابتدایی چین بوده است( قرن 4و5).در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگ های متفاوتی از جام بر حسب نحوه تابش نور از جلو یا عقب پدید آیدالبته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.

کربن سیاه مشهورترین مثال از نانو ذراتی است که ده ها سال به طور انبوه تولید شده است و در تایر های اتومبیل به منظور افزایش طول عمر آنها به کار رفته است و علت رنگ سیاه تایر هم وجود این افزودنی سیاه رنگ است. گذشته از آن در دهه 1930 برای اولین بار روشهای فراوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفت .در سالهای اخیر پیشرفتهای بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانو ذرات از مواد گوناگون و کنترل شدید بر روی اندازه ترکیب و یکنواختی آن صورت گرفته است.

نانو ذرات طلا 

خواص نانو ذرات

با گذر از میکرو ذرات به نانو ذرات با تغیر برخی از خواص فیزیکی روبه رو میشویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از:افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتمی.

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ مدهد باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی میشود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد.

افزایش سطح،واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش میدهدزیرا