چرا خواص مواد در ابعاد نانو ذرات تغییر میکند؟

تغییر خواص مواد در ابعاد نانو ذرات

دو دلیل اصلی تغییرخواص شیمیایی و فیزیکی مواد در ابعاد نانو ذرات عبارت است از اثرات سطحی و ورود به دنیای فیزیک کوانتوم. منظور از اثرات سطحی، افزایش نسبت سطح به حجم با کوچکتر شدن اندازه ذره و رسیدن به ابعاد زیر صد نانومتر میباشد.

 

افزایش نسبت اتمهای سطحی در ماده باعث میشود تا ویژگیهای اتمهای سطحی بر روی ویژگیهای کل ماده تاثیر گذارد. از جمله این تاثیرها میتوان به واکنش پذیری بسیار بالا اشاره نمود. دلیل دیگر، ورود به دنیای فیزیک کوانتوم و گسسته شدن نوارهای انرژی و تبدیل به ترازهای انرژی است.

در اثر این عامل است که خواص نوری ویژه ای در نقاط کوانتومی مشاهده میشود یا سیمهای کوانتومی رسانایی الکتریکی بالستیک از خود بروز میدهند. در این مقاله این دو دلیل بیان و بررسی شده اند. تا به حال مفهوم خاصیت ماده را شنیده اید؟

مشاهدات نشان میدهد که مواد در ابعاد نانو ذرات خواص جدید و ویژه ای از خود نشان میدهند. خواص شیمیایی و فیزیکی مواد همچون خواص نوری، الکتریکی، حرارتی، مغناطیسی، واکنش پذیری و مکانیکی با ورود به ابعاد نانو دچار تحول چشمگیری میشود.

مطالعه ی این مطلب نیز پیشنهاد می شود: پژوهشگاه مواد و انرژی در توسعه فن آوری نانو

دلیل تغییرات گسترده خواص مواد در ابعاد نانو ذرات چیست؟

چرا بدون تغییر در جنس ماده و فقط با رسیدن ابعاد آن به مقیاس نانو، خواص مواد دستخوش تغییرات فراوان میشود؟ دو دلیل اصلی برای این تغییرخواص میتواند وجود داشته باشد.

 یکی از آنها اثرات سطحی است و دیگری ورود به محدوده فیزیک کوانتوم. در ادامه هرکدام از این دلایل توضیح داده میشود. اثرات سطحی یک مثال بسیار ساده از اثر سطح، مقایسه بین حل شدن شکر و قند در چای است.

همانطور که میدانید، شکر نسبت به قند بسیار سریعتر در چای حل میشود. دلیل آن ریزتر بودن شکر و درنتیجه بیشتر بودن سطح شکر نسبت به قند در صورتی که مقدار هر دو یکسان باشد. شکر چون سطحش بیشتر است، با چای در تماس بیشتری است و سریعتر در آن حل میشود(شکل ۱) .

نانو ذرات به علت اندازه بسیار کوچکشان، دارای نسبت سطح به حجم بسیار بالایی هستند.

چگونه می توان تغییرات مواد در اندازه ی نانو ذرات را آزمایش نمود؟

 

برای فهم بهتر این موضوع میتوانید یک مکعب با ضلع یک سانتیمتر را فرض کنید. فرض کنید میخواهید این مکعب را آنقدر ریز کنید تا هر ضلع آن برابر با یک نانومتر شود. برای اینکار مطابق شکل۲ در هر مرحله آن را از دو مقطع برش میدهید و به هشت مکعب کوچکتر تقسیم میکنید.

 

 

حال چند مورد را باید بررسی و محاسبه نمود. مورد اول اینکه چند مرحله برش دهی نیاز است تا این مکعب با ضلع یک سانتیمتر به مکعبهایی با ضلع یک نانومتر تبدیل شود؟ مورد دوم اینکه چند مرتبه باید برش دهی را تکرار کرد تا به این هدف برسیم؟ و مورد آخر هم اینکه مجموع سطح در هر مرحله چقدر است؟ آیا میتوانید این محاسبات را انجام دهید؟ نتیجه سوال بالا در جدول۱ آورده شده است.

شکل۱ -شکر نسبت به قند سطح بیشتری دارد و سریعتر حل میشود.

شکل۲ -در هر مرحله برش دهی هشت مکعب کوچکتر ایجاد میشود.

 

نانومواد به علت اندازه بسیار کوچکشان، دارای نسبت سطح به حجم بسیار بالایی هستند. برای فهم بهتر این موضوع میتوانید یک مکعب با ضلع یک سانتیمتر را فرض کنید. فرض کنید میخواهید این مکعب را آنقدر ریز کنید تا هر ضلع آن برابر با یک نانومتر شود.

برای اینکار مطابق شکل۲ در هر مرحله آن را از دو مقطع برش میدهید و به هشت مکعب کوچکتر تقسیم میکنید. حال چند مورد را باید بررسی و محاسبه نمود. مورد اول اینکه چند مرحله برش دهی نیاز است تا این مکعب با ضلع یک سانتیمتر به مکعبهایی با ضلع یک نانومتر تبدیل شود؟ مورد دوم اینکه چند مرتبه باید برش دهی را تکرار کرد تا به این هدف برسیم؟ و مورد آخر هم اینکه مجموع سطح در هر مرحله چقدر است؟ آیا میتوانید این محاسبات را انجام دهید؟ نتیجه سوال بالا در جدول۱ آورده شده است.

همانطور که در جدول ۱ مشاهده می کنید، در ابتدا این مکعب با ضلع یک سانتیمتر تنها مساحت شش ده هزارم متر مربع معادل ۶ سانتیمتر مربع را دارا بوده است. برای درک بهتر، با این مقدار صرفا بخش کوچکی از یک کاشی که در کف اتاقتان قرار دارد را میتوان پوشاند.

ولی مشاهده میکنید که پس از ۲۳ مرحله تقسیم آن به مکعب های کوچکتر، حدود ده به توان بیست مکعب کوچکتر بدست می آید که ضلع هرکدام از آنها تنها حدود ۱/۲ نانومتر است و نکته شگفت انگیز این است که با این تعداد مکعب بسیار کوچک حال میتوان سطحی به اندازه ۵۰۳۳ متر مربع را پوشاند!

این مقدار تنها مقداری از مساحت یک زمین فوتبال کمتر است! یعنی صرفا اگر یک مکعب با ضلع یک سانتیمتر را آنقدر کوچک کنیم تا به تعداد زیادی مکعب بسیار کوچک با ضلع یک نانومتر تبدیل شود، میتوانیم تقریبا یک زمین فوتبال را پوشش دهیم! این در صورتی است که در ابتدا صرفا با آن می شد بخش کوچکی از یک کاشی را پوشاند! این مثال به خوبی نشان می دهد که رسیدن ذرات به ابعاد نانو تا چه میزان شگفت انگیزی نسبت سطح به حجم را افزایش میدهد.

 همچنین اگر به جدول ۱ بیشتر دقت کنید، می بینید که افزایش نسبت سطح به حجم با کوچکتر کردن مکعب از سانتیمتر به میکرومتر نیز اتفاق افتاده است ولی اثر آن قابل توجه نبوده است و این اثر چشمگیر با رسیدن ابعاد به زیر ۱۰۰ نانومتر اتفاق افتاده و هرچه این ریزترشدن بیشتر شده، این اثر چشمگیرتر شده است.

برای مثال میتوانید ببینید که کوچکتر کردن ذره از مکعبی به ضلع ۴/۸ نانومتر به ۱/۲ نانومتر باعث افزایش سطح از ۱۲۵۸ متر مربع به ۵۰۳۳مترمربع شده است. پس با این مثال توانستید به خوبی تاثیر ورود به مقیاس نانو را بر افزایش نسبت سطح به حجم درک کنید.

در شکل۳ تاثیر اندازه ذره بر نسبت سطح به حجم را مشاهده میکنید. همانطور که در شکل۳ مشاهده میکنید، با کوچکتر کردن اندازه ذره از ابعاد بزرگ در حد یک متر تا ابعاد میکرومتری، تغییر قابل توجهی در درصد اتمهای سطحی مشاهده نمیشود. برای مثال برای یک ذره ۶۳ میکرومتری، نسبت اتمهای سطحی به قدری کم است که آن را صفر در نظر میگیرند.

این به این معنی است که تقریبا تمام اتمهای تشکیل دهنده این ذره میکرومتری درون حجم هستند و نسبت اتمهای سطحی آن به اتمهای درون حجم آن به قدری کم است که میتوان از آنها چشم پوشی کرد. اما با کوچکتر شدن ذره و رسیدن ابعاد آن به زیر صد نانومتر، افزایش درصد اتمهای سطحی قابل توجه میشود و هرچه اندازه کمتر میشود، شیب افزایش نسبت اتمهای سطحی نیز بیشتر میشود. همانطور که مشاهده میکنید، در یک نانوذره با قطر ۷ نانومتر، تقریبا ۳۵ درصد اتمهای تشکیل دهنده آن بر روی سطح قرار دارند.

در نتیجه دیگر در این ابعاد اثر اتمهای سطحی قابل چشم پوشی نیست. در یک نانوذره با قطر ۱/۲ نانومتر، تقریبا ۷۶ درصد اتمها در سطح قرار دارند! یعنی در این ابعاد بسیار کوچک، تعداد اتمهایی که در سطح قرار دارند بیشتر از اتمهایی است که درون حجم ذره هستند! همانطور که مشاهده میکنید در دو ناحیه نمودار تقریبا مسطح است.

در شکل۴ میتوانید اتمهایی که در سطح ذره نیستند و اتمهای سطحی را مشاهده کنید. همانطور که میبینید اتمهای حجمی تمام پیوندهای یکی در اندازه های بزرگتر از صد نانومتر که دلیل آن ذکر شد. دیگری نیز در اندازه های کمتر از یک نانومتر که دلیل آن نیز این است که در این اندازه ها دیگر تقریبا تمام اتمها در سطح هستند و نسبت سطح به حجم ثابت و تقریبا برابر با صد درصد در نظر گرفته میشود. تا اینجا فهمیدیم که با رسیدن ابعاد ذرات به زیر صد نانومتر، نسبت سطح به حجم آنها به صورت چشمگیر افزایش مییابد و سهم اتمهایی که بر روی سطح هستند چشمگیر میشود.

 در نتیجه اتمهای سطحی دیگر میتوانند بر روی خواص شیمیایی و فیزیکی ماده تاثیر بگذارند. حال سوال بعدی اینجاست که اتمهای سطحی چه تفاوتی با اتمهای درون حجم میکنند؟ برای پرسش به این پاسخ به شکل۴ توجه کنید.

در شکل۴ میتوانید اتمهای حجمی اتمهایی که در سطح ذره نیستند و اتمهای سطحی را مشاهده کنید.

 

همانطور که می بینید اتمهای حجمی تمام پیوندهای ممکن در این مثال برابر با چهارتا است را برقرار کرده اند و اشباع هستند. اما اتمهای سطحی تعدادی پیوند شکسته شده یا ناقص دارند که با دایره های قرمزرنگ کوچک نمایش داده شده است. درنتیجه، تفاوت بین اتمهای سطحی و حجمی دارا بودن پیوندهای ناقص و یا اصطلاحا عدم اشباع شدن اتمهای سطحی میباشد.

این اتمها به دلیل داشتن پیوندهای شکسته شده، نسبت به اتمهای حجمی واکنش پذیرتر و ناپایدارترند و تمایل به اشباع شدن دارند. به همین دلیل است که وقتی نسبت اتمهای سطحی در یک ذره زیاد میشود، آن ذره بسیارواکنش پذیرتر میشود.

در اثر انرژی بالاتر اتمهای سطحی، نانومواد بسیار ناپایدارند و تمایل به کلوخه ای شدن دارند. همچنین پارامتر شبکه نانومواد به همین دلیل تغییر میکند.

منبع مقاله: ماهنامه جهان گستر علم و تکنولوژی