۱۹ تیر
تاریخچه نانو
مقدمه (تاریخچه نانو)
علم و تکنولوژی نانو به صورت بسیار گسترده و چند جانبه به عنوان حوزه پژوهشی با کاربردهای نو ظهور در سال های اخیر, تشخیص داده شده است. این حوزه یکی از شناخته شده ترین و همراه با تحقیقات روز افزون در علم مواد می باشد. مواد نانو ساختار شامل خوشه های اتمی , لایه های (فیلم های) نازک , ساختارهای شیشه ای (آمورف), و مواد نانو ساختار بالک می باشد. جنبه برجسته معمول برای این اشکال مختلف در این مواد بدین صورت است که از لحاظ ابعادی در حد مقایس نانو هستند , یعنی حداقل یکی از ابعاد آنها کحمتر از ۱۰۰nm و معمولا کمتر از nm50 است. در بعضی مواد , فیزیک مواد در مقایس نانو می تواند با خواص در مقایس ماکرو متفاوت باشد. بنابراین خواص متفاوت (که اغلب برتر می باشند) می تواند به عنوان نیروی محرکه در توجه پژوهشی فوق العاده به این مواد مطرح باشد.در حالیکه استفاده از ابعاد در مقایس نانو برای بهینه سازی خواص چیز جدیدی نیست (که در ادامه به آن پرداخته می شود), معرفی این حوزه عمدتا به پیشگامی Gleiter و همکارانش در ابتدای دهه ۱۹۸۰ بازگشت می نماید . آنها مواد با اندازه دانه در حد نانو را توسط چگال نمودن (زینتر) خوشه های اتمی , سنتز کردند. بررسی بر روی این خوشه ها بعدا توسط محققینی نظیر Uyeda صورت گرفت.
انستیتو تحقیقات و تکنولوژی بین المللی , بخش تکنولوژی جهانی (WTEC), از تحقیق و توسعه و روندهای مربوط به حوزه ذرات نانو , مواد نانو ساختار , و وسایل نانو در طی سال های ۱۹۹۶-۱۹۹۸ حمایت و پشتیبانی نمود. نتایج عمده در گزارش مربوطه تلاش نموده است تا حوزه خیلی گسترده ای از علم مواد نانو ساختار و تکنولوژی مربوط به آن را تحت پوشش قرار دهد و در این ارزیابی ها , مباحث سنتز , چیدمان , پخش مواد نانو و پوشش ها , مواد دارای مساحت سطحی بالا , وسایل عملگرا در مقایس نانو , مواد نانو ساختار بالک , و جنبه های مرتبط با بیولوژی ذرات نانو , مواد نانو ساختار , و وسایل نانو گنجانده شده است.
نتیجه این گزارش این است که در حالیکه جنبه های زیادی ازحوزه نانو به خوبی قبل از شناسایی این حوزه وجود داشته است , ولی سه پیشرفت علمی / تکنولوژی سبب سهولت پژوهش ددر این زمینه شده است :
- روش های سنتز نوین و بهبود یافته که کنترل اندازه و مهندسی بلوک های سازنده در مقایس نانو را مقدور می سازد.
- ابزارهای نوین آنالیز و تعیین مشخصات بهبود یافته برای بررسی در مقایس نانو (مثل قدرت تفکیک فضایی , و حساسیت شیمیایی).
- درک بهتر ارتباط بین مواد نانو ساختار و خواص و اینکه چطور این مواد می توانند مهندسی گردند.
با توجه زیادی که اخیرا بر روی حوزه گسترده علم و تکنولوژی نانو شده است , تعدادی از کتب , مقالات , و مجموعه مقالات کنفرانس ها منتشر شده اند. توجیه برای نگارش کتابی در این حوزه رو به رشد , دو چندان است. از آنجائیکه بسیاری از شاخه های این حوزه به سرعت در حال حرکت بوده و همراه با شناخت بیشتری از بررسی های تجربی و شبیه سازی است , این نکته سودمند به نظر می رسد تا تصویر لحظه ای از این حوزه داشته باشیم. تا حال حاضر تصور بر این بود که به خاطر رشد سریع این حوزه انتشار اطلاعات معینی در این زمینه ممکن است بی فایده و منسوخ باشد , ولی حداقل بیشتر این اطلاعات هنوز برای پژوهشگران و دانشجویان مفید هستند. ثانیا از آنجائیکه این حوزه بسیار وسیع است و شامل بررسی خوشه های اتمی تا مواد بالک , و مواد بیولوژیکی و ساختار فلزی می باشد , تلاش شد تا کتاب به گونه ای طراحی شود تا عمدتا بر روی معرفی خواص و کابردهای مواد نانو ساختار به صورت اجمالی و سنتز این مواد به صورت مشروح بپردازیم. قبل از اینکه توصیف مختصری از فصل ها و سازماندهی این کتاب صورت گیرد یک دور نمای تاریخی ارائه می شود که مشخص گردد که چطور این حوزه توسعه یافته است ونشان دهد که چه اطلاعاتی نوینی توسط رسیدن به حد مقایس نانو , حاصل می شود.
-
تاریخچه نانو
ریز ساختارهای دارای اجزای در مقایس نانو در جهان طبیعت یا در مهندسی مواد , جدید نمی باشند. مثال هایی از ذرات فرو مغناطیسی در مقایس نانو در میکروار گانسیم ها مثل Fe3 O4 nm50 در ارگانیسم A. magnetotactum مشاهده شده است. تعدادی از شواهد وجود دارد که مبین بهبود در خواص میکانیکی مواد سازه ای است زمانیکه یک ریز ساختار ظریغف و ریز در آنها ایجاد کردد. در ابتدای قرن گذشته , زمانیکه ریز ساختار عمدتا توسط میکروسکوپ نوری مشاهده می گردید , دریافت شد که ساختار ریز و ظریف (یعنی دارای اندازه دانه های ریز), اغلب خواص جالب توجهی نظیر استحکام و چقرگی (تافنس) بالاتر از مواد سازه ای , فراهم می آورد. یک مثال کلاسیک برای بهبود خواص ناشی از از ریز ساختار ریز (که این جنبه از ریز ساختار توسط مشاهده و تفکیک توسط میکروسکوپ نوری بسیار دشوار به نظر می رسد), وقوع سخت شدن ناشی از پیر سازی در آلیاژهای آلومینیوم است که اصطلاحا سختی رسوبی نامیده می شود. این پدیده توسط AIfred WiIm در سال ۱۹۰۶ کشف گردید و اساسا توسط Merica , Waltenberg , Scott در سال ۱۹۱۹توجیه شد. جنبه های ریز ساختاری مسئول این پدیده اولین بار توسط بررسی های اشعه X توسط Guinier و Preston در سال ۱۹۳۸ کشف شد. با ابداع میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) روش های پیشرفته پراش اشعه X , حال می دانیم که رسوبات ریز و ظریف مسئول پدیده سختی رسوبی در آلیاژهای Al-4%Cu هستند; یعنی خوشه هایی از اتم های Cu (که نواحی (GP) Guinier-preston نامیده می شوند) و رسوبات به صورت جزئی هم سیما (کوهرنت) و نیمه پایدار , مسئول ایجاد سختی رسوبی می باشند. حداکثر سختی زمانی مشاهده شده است که مخلوطی از GP (یا که در نواحی GP درشت شده وجود دارد) و ایجاد گردد که ابعاد صفحات معمولا دارای ضخامت حدود nm10 و قطر حدود nm100 است. بنابراین جنبه مهم ریز ساختاری آلیاژهای آلومینیم سختی رسوبی شده این است که رسوبات در ابعاد نانو می باشند.
مقایس های طولی بحرانی , خواص بهینه را که حساس به ساختار می باشند را تعیین می نماید. خواص مکانیکی نظیر استحکام و سختی به جنبه های دریز ساختاری نظیر پخش کامل ذرات و رسوبات در زمینه بستگی دارند , زمانیکه این ذرات و رسوبات در ابعاد نانو باشند. در مواد فرو مغناطیسی , نیروی پسماندزدا زمانی حداکثر مقدار است که ذرات کروی (مثل Fe3C در زمینه Fe) که به صورت قفل کننده دیواره حوزه ها (دامین ها) عمل می نمایند دارای قطری تقریبا برابر با ضخامت دیواره دامین (یعنی nm50) باشند. به طور مشابه در ابر رساناهای نوع , این نکته دریافته شده است که قفل شدن فلاکسئود , اندازه دانسیته جریان بحرانی را تعیین می نماید که موثرترین حالات زمانی اتفاق می افتد که مراکز قفل کننده معمولا دارای ابعادی در حد طول کوهرنت ابر رسانایی برای یک ماده باشد. برای ابر رساناهای با ولتاژ بالا , طول کوهرنت معمولا در حود nm 20-10 است و در واقع ابر رساناهای تجاری دارای مراکز قفل کننده ای هستند که تقریبا در حد این ابعاد می باشند در Nb3Sn , مرزهای دانه عنوان محل های قفل کننده اصلی مطرح هستند و دانستیه های جریان بحرانی بهینه زمانی حاصل می گردند که اندازه دانه ها در حد nm 50 باشند. بسیاری از مثال های دیگر می توانند به عنوان استفاده دراز مدت مواد نانو در کاربردهای علمی مثل کاتالیزورها مطرح گردند.
