پایان نامه ارشد: سنتز نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل و نانو ذرات فریت کبالت و بررسی ویژگی های مغناطیسی آن
:
از اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیدهی عدهای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد میکند. این فناوری نوین که در رشتههایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. میتوان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشتهها میباشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعهی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبکهای مختلف به بازآرایی اتمها و مولکولها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظهای به مطالعهی نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایهای فیزیک بلكه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی كه ابعاد یک ماده از اندازههای بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازههایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر كاهش مییابد، اثرات کوانتومی را میتوان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار میدهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگیهای نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جملهی این خواص میباشند [1].
1-1- شاخه های فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوریهای دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار میگیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوریهای دیگر بیان نماییم، میتوانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذرهی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر میباشد. عنصر پایهی بعدی نانولولهها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان میدهند و شامل نانولولههای کربنی، نیترید بور و نانولولههای آلی میباشند [4].
2-1- روش های ساخت نانوساختارها
تولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوریهای امروزی است. دستورالعملهای مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق[1] وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوبگیری و روشهای افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیدههای فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده میشود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روشهای پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست . مراحل
مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحلهی هستهزایی اولیه و مرحلهی هستهزایی[2] و رشد خود به خودی[3]. در ادامه به طور خلاصه روشهای مختلف تولید نانوذرات را بیان میکنیم. به طور کلی روشهای تولید نانوذرات عبارتند از:
– چگالش بخار
– سنتز شیمیایی
– فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
– استفاده از شارهها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
– استفاده از امواج ماكروویو و امواج مافوق صوت
– استفاده از باكتریهایی كه میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقرهای تولید كنند
پس از تولید نانوذرات میتوان با توجه به نوع كاربرد آنها از روشهای رایج زمینهای مثل روكشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده كرد [7].
3-1- کاربردهای نانوساختارها
یکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت میتوان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنشهای شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنشها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر استحکام آنها را افزایش داده و یا وزن آنها را کم میکند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را بالا برده و واکنش آنها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر میدهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آنها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع سایندهها، رنگها، لایههای محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشهها، عینکها (ضدجوش و نشکن)، کاشیها و در حفاظهای الکترومغناطیسی شیشههای اتومبیل و پنجره استفاده میشود. پوششهای ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلولهای خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شدهاند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر میرسد یکی از ویژگیهایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمیگیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسبهایی از نانوذرات تولید شدهاند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولولهها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بودهاند. روشهای تولید نانولولهها نیز متفاوت میباشد، همانند تولید آنها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولولهها در قالب که توسط مارتین[1] مطرح شد. نانولایهها در پوششهای حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفتهاند. هاروتا[2] و تامسون[3] اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار میکنند [7].
4-1- مواد نانومتخلخل
مواد نانو متخلخل دارای حفرههایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آنها را فضای خالی تشکیل میدهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی[1] زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگیهای مهم آنها میباشد. با توجه به ویژگیهای ساختاری، این به عنوان تبادلگر یونی[2]، جدا کننده[3]، کاتالیزور، حسگر، غشا[4] و مواد عایق استفاده میشود.
نسبت حجمی فضای خالی مادهی متخلخل به حجم كل ماده تخلخل[5] نامیده میشود. به موادی كه تخلخل آنها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل[6] میگویند. حفرهای كه متصل به سطح آزاد ماده است حفرهی باز[7] نام دارد كه برای صاف كردن غشا، جداسازی[8] و كاربردهای شیمیایی مثل كاتالیزور و كروماتوگرافی[9] (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آنها) مناسب است. به حفرهای كه دور از سطح آزاد ماده است حفرهی بسته[10] میگویند كه وجود آنها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفرهها دارای اشكال گوناگونی همچون كروی، استوانهای، شیاری، قیفی شكل و یا آرایش شش گوش[11] هستند. همچنین تخلخلها میتوانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک[12] صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفرهها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
– میكرومتخلخل[13]: دارای حفرههایی با قطر كمتر از 2 نانومتر.
– مزومتخلخل[14]: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
– ماكرومتخلخل:[15] دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
بر اساس شکل و موقعیت حفرهها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفرهها به چهار دسته تقسیم میشود: حفرههای راه به راه[1]، حفرههای کور[2]، حفرههای بسته[3] و حفرههای متصل به هم[4] که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفرهها را نشان داده شده است.
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل[1] را برای موادی كه دارای حفرههایی با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار میبرند كه ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در كاربردهای شیمیایی است.
[1] Nanoporous
4 Closed pores
5 Inter-Connected pores
[1] Permeability
[2] Ion Exchanger
[3] Separator
[4] Membrane
[5] Porosity
[6] Porous
[7] Open Pore
[8] Filteration
[9] Chromatography
[10] Closed Pore
[11] Hexagonal
8 IUPAC
[13] Microporous
[14]Mesoporous
1 Microporous
2 Passing pores
3 Dead end pores
[1] Martin
[2] Haruta
[3] Thompson
[1] Colloidal
[2] Nucleation
[3] Spontaneous Nucleation
نسخه قابل چاپ | ورود نوشته شده توسط نجفی زهرا در 1399/10/26 ساعت 11:27:00 ق.ظ . دنبال کردن نظرات این نوشته از طریق RSS 2.0. |