TechFact
تازه های فناوری و علم روز دنیا به همراه آموزش ها و محصولات متنوع

چرا خواص مواد در مقياس نانو متفاوت است؟

خواص نانو

با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.

خواص نانوذرات

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. 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 می دهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند. دربعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانوذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آنها اضافه کرد که آنها را قادر می سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند.

افزايش سطح = افزايش فعاليت
افزايش سطح = افزايش فعاليت

 

البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود.

مقایسه نانو وماکرو
مقایسه نانو وماکرو
نقطه ذوب طلا
نقطه ذوب طلا

 

 

 

 

 

 

 

اثر افزايش سطح

تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است. به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط این نقاط در تشخیص پزشکی و کشاورزی و…کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند.

 

سطح پای مارمولک
سطح پای مارمولک

 

علاوه بر این، کوچکتر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند. اخیراً در ساخت شیشه های ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها، عمر آن ها را نیز چندین برابر می کند.

ويژگي هاي جديد (1)

اولین ویژگی هایی ک می توان برای نانو نام برد تغییر رنگ آن با تغییر ابعاد اتفاق می افتد که در شکل زیر مشاهده میشود.

ویژگی های جدید(1)
ویژگی های جدید(1)

 

ويژگي هاي جديد (2)

تغيير شفافيت

ویژگی دوم نانو
ویژگی دوم نانو

کرم ضد آفتاب

صنايع آرايشي از اكسيدهاي غيرآلي، نظير اكسيد روي و تيتانيم، استفاده مي‌كنند، اما استفاده از اين اكسيدها به علت خاصيت سفيدكنندگي روي پوست محدود است. سفيدي به طور مستقيم با پخش نور رابطه دارد. به طور كلي با كاهش اندازة ذرات، شاهد افزايش جذب نور ماوراء بنفش توسط ذرات (به علت عبور كمترِ اشعه‌ها از بين ذرات) و كاهش پديده سفيدي (به علت كاهش پديدة پخش نور) هستيم. به‌تازگي روش‌هاي گوناگون براي توليد نانوذرات، توسعه يافته‌ و بر صنعت کرم‌هاي ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند.شدت نور پخش‌شده به وسيلة يک تک‌ذره، تابعي از اندازة ذره است. با افزايش اندازة ذرات، نور مرئي به علت برخورد با ذرات پخش می شود و با برگشت نور به چشم، ذرات سفيد ديده مي‌شوند. بنابراين، براي کاهش تأثير سفيدی، کاهش اندازة دانه راهي است بسيار مؤثر.

تاثیر تابش نور

با ريزتر شدن ذرات، علاوه بر اينكه در مسير نور UV ذرات بيشتري براي جذب فاصله باند وجود دارند، نور UV بيشتر پخش خواهد شد. بنابراين، عبور اين نور كاهش مي يابد. جذب فاصله باند به ‌طور کلي تابعی از تعداد اتم‌هايی است که در مسير نور UV قرار گرفته‌اند. بر اساس تحقيقات تجربی، با کاهش اندازة ذرات، به علت کم شدن فاصلة بين آنها براي عبور نور UV، شاهد عبور كم‌ترِ اين اشعه هستيم. اين موضوع در شکل نيز نشان داده شده است. با توجه به اين شكل، در محدوده نور فرابنفش (زير 400 نانومتر) با كاهش اندازه ذرات، عبور نور كمتر خواهد شد. همين پديده است كه متخصصان را به توليد محصولات ضدآفتاب با خاصيت جذب (SPF) بالاتر رهنمون شده است.

کاربردهای دیگر نانوذره

از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگ ها،کاتالیزوها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها، ودرحفاظ هایالکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل ودرو پنجره استفاده شود.پوشش های ضد نوشته برای دیوارها، و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده ازنانوذرات تولید شده اند.