قدری کوچکند که می توان گفت بی نظمی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پرقدرت و بسیار سخت را می توان از آنها تولید کرد. مساحت سطحی بالای آنها سبب تولید کاتالیزورهای کاراتر و مواد پرانرژی تر می گردد .
1-10 تولید نانوذرات
نانو ذرات را با انواع مختلفی از روش ها میتوان تولید کرد که برخی قدمتی چندین ساله دارند و برخی بسیار جدیدند در مجموع می توان چهار روش را برای تولید نانو ذرات ذکر نمود که عبارتند از:
1- فرایند شیمیایی: این فرایندها عبارتند از شیمی کلوئیدی ، روش های هیدروترمال ، سل ژل و دیگر فرایند های رسوب دهی. طی این فرایند یون ها متفاوت را تحت شرایط کنترل شده ایی از حرارت دهی، دما و فشار با هم مخلوط می کنند تا ترکیبات نامحلول تشکیل شده را از محلول جدا کنند. سپس این رسوبات از طریق فیلتراسیون و یا خشک شدن پاششی بصورت یک پودر خشک در می آیند. مزین این فرایندها در این است که می توان نانوذرات مختلفی (اعم از مواد عالی ، معدنی و حتی فلزات) را با امکانات ارزان و در مقادیر انبوه تولید کرد .یک عامل مهم دیگر نیز توانمندی کنترل دقیق اندازه ذرات و تولید مواد کاملا یکدست است .
2- فرایندهای مکانیکی : این فرایندها عبارتند است از روش های خردکردن، آسیاب کردن و آلیاژ سازی مکانیکی، این روش ها یکی از روش های قدیمی بوده که با کوبیدن فیزیکی یک پودر درشت مثل آسیاب گندم، پودرهای ریزتری را بدست می دهند. متداول ترین فرایند در این روال آسیاب های گلوله ایی دوار یا سیاره ایی (مداری) می باشند. مزیت این روش سادگی ، تجهیزات ارزان قیمت و خوراک دانه درشت و متنوع آنهاست .
3- فرایندهای شکل دهی درجا : عبارتند از لیتوگرافی، رسوب دهی خلا (رسوب دهی شیمیایی بخار و رسوب دهی فیزیکی بخار) و روکش دهی به کمک اسپری ، این فرایندها بیشتر برای ساخت لایه ها و روکش ها بکار می روند اما با خراشیدن رسوب ها از روی زیرلایه می توان نانو ذرات را تولید کرد، با این حال معمولا ناکارآمد بوده و برای تولید پودرهای خشک بکار نمی روند .
4- سنتز فاز گاز عبارتند از روش های پیررولیز شعله، انفجار الکتریکی، سایش لیزری، تبخیر دمای بالا و سنتز پلاسما، از پیرولیز شعله سالها برای تولید مواد ساده ایی همچون کربن سیاه و سیلیکای دودی و همچنین برای بسیاری از مواد دیگر استفاده شده است .
5- سایش لیزری – از آنجایی که مخلوطی از فرسایش فیزیکی و تبخیر است – قادر به ساخت هر نانو ماده ایی است اما نرخ تولیت آن به حدی کم است تنها به درد مصارف پژوهشی می خورد.
نانو ذرات بعنوان پایه و اساس فناوری نانو، دارای مصارف بسیار متعددی هستند که از جمله کاربردهای آن می توان به استفاده از آنها در تولید مواد منفجره و آلومینیوم نانومتری که می توان سرعت آزاد شدن انرژی را افزایش دهد، به علاوه می توان از آنها در محیط های ذخیره سازی مغناطیسی برای ذخیره سازی چگال تر با ظرفیت های ترابایتی بیشتر استفاده نمود. ]10و9[
1-11 انواع نانوذرات
نانوذرات به سه دسته نانوذرات رسانا، نانوذرات سرامیکی ونانوذرات فلزی تقسیم می شوند که نانوذرات فلزی حدود دوهزار سال پیش شناخته شده اند ]11[ نانوذرات فلزی مانند نقره،پلاتین، طلا و پالادیم خواص فیزیکی،شیمیایی،نوری وترمودینامیکی منحصر به فرد را در سیستم نانو از خود نشان می دهند ]12[ که منجر می شود آن ها را در بسیاری از برنامه های کاربردی مانند کاتالیستها ]13[ سنسورها ضبط مغناطیسی]14[ بیوتکنولوژی]14 [وهمچنین به عنوان حامل دارو ]15[ به کاربرده شود.
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی است این عنصر در سال 1991 کشف شده و در حقیقت لوله های از گرافیک می باشند.
1-12 معرفي ساختار نانولوله‌هاي كربني
نانو لوله‌هاي كربني 1(CNTs) يك نوع آلوتروپ كربن هستند كه اخيراً كشف شده‌اند. آنها به شكل مولكول استوانه‌اي هستند و خواص شگفت انگيزي دارند كه آنها را براي بكارگيري در بسياري از كاربردهاي نانوفناوري، الكترونيك، اپتيك و حوزه‌هاي ديگر علم مواد مناسب مي سازد. آنها داراي استحكام خارق العاده‌اي بوده، خواص الكتريكي منحصر به فردي دارند و هادي كارآمدي براي حرارت هستند.
يك نانولوله عضوي از خانواده فلورن هاست، كه باكي بال‌ها را نيز شامل مي‌شود. فلورن‌ها خوشه‌ي بزرگي از اتم‌هاي كربن در قالب يك قفس بسته مي‌باشند و از ويژگي هاي خاصي برخوردارند كه پيش از اين در هيچ تركيب ديگري يافت نشده بودند. بنابراين، فلورن‌ها به طور كلي خانواده‌اي جالب توجه از تركيب‌ها را تشكيل مي‌دهند كه به طور قطع در كاربردها و فناوري‌هاي آينده مورد استفاده وسيع قرار خواهند گرفت.
ساختارهاي عجيب و غريب زيادي از فلورن‌ها2، شامل: كروي منظم، مخروطي، لوله‌اي و همچنين اشكال پيچيده و عجيب ديگر وجود دارد. در اينجا ما به توضيح مهم ترين و شناخته شده‌ترين آنها مي‌پرداز يم. ساختار باکي بال3 در شكل كره و نانولوله به شكل استوانه است كه معمولاً لااقل يك سر آن با درپوش نيم كروي از ساختار باکي بال پوشيده شده است (شكل 1-1).
شکل 1-1: اشکال متفاوت مواد با پايه کربن
نام آن از اندازه‌اش گرفته شده، زيرا قطر آن در ابعاد نانومتر (تقريباً 50000 برابر كوچكتر از قطر موي سر انسان) بوده و اين در حالي است كه طول آن مي‌تواند به بلندي چند ميليمتر برسد. طول بلند چندين ميكروني و قطر كوچك چند نانومتري آنها نسبت طول به قطر بسيار بزرگي را نتيجه مي‌دهد. لذا مي‌توان آنها را تقريباً به صورت فلورن‌هاي يك بعدي در نظر گرفت. بدين ترتيب انتظار مي‌رود اين مواد از خواص جالب الكترونيكي، مكانيكي و مولكولي ويژه‌اي برخوردار باشند. مخصوصاً در اوايل، تمام مطالعات تئوري نانولوله‌هاي كربني به بررسي اثر ساختار تقريباً يك بعدي آنها بر روي خواص مولكولي و الكترونيكي‌شان معطوف مي‌شد.
نانولوله‌ها در دو دسته‌ي اصلي وجود دارند: نانولوله‌هاي تك ديواره 4نانولوله ي کربني تک ديوارهs) و نانو لوله‌هاي چند ديواره5(MWNTs). نانولوله‌هاي تك ديواره را مي‌توان به صورت ورقه‌هاي بلند گرافيت در نظر گرفت كه به شكل استوانه پيچيده شده‌اند. نسبت طول به قطر نانولوله‌ها در حدود 1000 بوده و همانگونه كه قبلاً ذكر شد مي‌توان آنها را به عنوان ساختارهاي تقريباً يك بعدي در نظر گرفت. نانولوله‌ها مشابه گرافيت تماماً از هيبريد SP2 تشكيل شده‌اند،. اين ساختار هيبريدي، از هيبريد SP3 كه در الماس وجود دارد قويتر است و استحكام منحصر به فردي به اين مولكول‌ها مي‌دهد. نانولوله‌ها معمولاً تحت نيروهاي واندروالس6 به شكل ريسمان به هم مي‌چسبند. تحت فشار زياد، نانولوله‌ها مي‌توانند با هم ممزوج و متصل شوند و اين امكان به وجود مي‌آيد كه بتوان سيم‌هاي به طول نامحدود و بسيار مستحكمي را توليد كرد.]16[
1-13 كشف نانولوله
در سال 2006 مارك مونتيوكس7 و ولاديمير كوزنشف8 در مقاله‌اي در ژورنال كربن به بيان مبدأ و منشا جالب و اغلب تحريف شده‌ي نانولوله‌ها پرداخته‌اند. اغلب مقالات معروف و علمي، كشف لوله‌هاي نانومتري توخالي كربني را به سوميوايجيما9 از NEC در سال 1991 نسبت مي‌دهند.
وليكن تاريخ لوله‌هاي نانومتري كربن گرافيتي به گذشته‌اي دور در سال 1952 بر مي‌گردد. در آن سال رادشكويچ10 و لوكيانويچ11 تصاوير واضحي از لوله‌هاي 50 نانومتري كربني را در مجله‌ي روسي «شيمي فيزيكي» به چاپ رساندند. ممكن است نانولوله‌هاي كربني حتي قبل از آن سال هم ساخته شده بودند ولي تا زمان اختراع TEM امكان مشاهده‌ي مستقيم اين ساختارها فراهم نبوده است (اشکال 1-3، 4، 5). دانشمندان در غرب متوجه اين كشف نشده بودند زيرا به دليل جنگ سرد، تبادل اطلاعاتي بين شرق و غرب بسيار ضعيف بود و نيز مقاله به زبان روسي به چاپ رسيده بود.
شکل 1-2: تصوير گرفته شده TEM که فلورن هايي کپسول شده به صورت نانولوله هاي کربني تک ديواره12(SWCNTs) را نشان مي دهد.
شکل 1-3: تصوير TEM از نانولوله کربني دو ديواره که فاصله دو ديواره در عکس TEM nm36/0 مي باشد.
شکل 1-4: تصوير TEM گرفته شده از نانوپيپاد13
قبل از اولين توليد مصنوعي و يافتن فلورن‌هاي كوچكتر C60 و C70 اين باور وجود داشت كه اين مولكول‌هاي كروي بزرگ عموماً ناپايدار هستند. اما محاسبات چند دانشمند روسي نشان داد كه مولكول C60 در حالت گازي پايدار بوده و شكاف باند بزرگي دارد. مشابه اغلب كشفيات بزرگ علمي ديگر، فلورن‌ها نيز به طور تصادفي كشف شدند. در سال 1985 كروتو و اسمالي با نتايج عجيبي در طيف جرمي كربن تبخير يافته روبرو شدند. در پي اين حادثه فلورن‌ها كشف شدند و پايداري آنها در حالت گازي اثبات گشت. اولين مشاهدات فلورن‌ها در طيف نگاري جرمي غيرمنتظره بود. اولين روش توليد انبوه توسط كرچمر14 و هافمن15 براي سالها، قبل از پي بردن به آنكه اين روش فلورن توليد مي‌كند، استفاده مي‌شده است.]18[
جستجو براي ديگر فلورن‌ها نيز آغاز شد و در سال 1991 نانولوله‌هاي كربني توسط ايجيما و همكارانش كشف شدند. كشف نانولوله‌هاي كربني توسط ايجيما در ماده‌ي حل نشدني لوله‌هاي گرافيتي سوخته شده در دوده‌ي حاصله از تخليه‌ي قوس الكتريكي دو ميله‌ي كربني، سرچشمه‌ي اين همه، همهمه‌ي امروزي در مورد نانولوله‌هاي كربني است. اين يك كشف اتفاقي ديگر در ارتباط با فلورن‌ها بود، هرچند براي توليد فلورن‌ها، روش تخليه‌ي قوس الكتريكي به خوبي شناخته شده بود. از آن پس محققين زيادي در سرتاسر جهان به مطالعه و بررسي اين نانولوله‌ها مشغولند.]19[
به نظر مي‌رسد، درست است كه بگوييم نانولوله‌ها به طرز غيرمترقبه‌اي كشف شده‌اند. وليكن در يك مقاله كه توسط ابرلين16، اندو17 و كوياما18 در سال 1976 چاپ شد، فيبرهاي توخالي كربني در ابعاد نانومتري به روش رشد بخار، به وضوح نشان داده شده بودند. همچنين در سال 1987، در آمريكا يك اختراع به نام جورج تنت2 براي توليد فيبرهاي مجزاي استوانه‌اي كربن با قطري بين 5/3 تا 70 نانومتر و طولي حدود 102 برابر قطر آن ثبت شد. اخيراً، اغلب، اعتبار كشف نانولوله‌هاي كربني را به اندو مي دهند و اعتبار شفاف سازي ساختار نانولوله‌ها به ايجيما داده مي‌شود. يك منظرازساختار نانولوله‌هاي كربني، ساختار يك بعدي و درون تهي آنها است. ساختار يك بعدي آنها بسيار مورد توجه فيزيكدان‌ها است، زيرا امكان آزمايشات در فيزيك كوانتوم يك بعدي را براي آنها فراهم مي‌سازد. ساختار درون تهي آنها هم بسيار مورد توجه شيميدان ها است، زيرا امكان دربرگيري مولكول‌ها، واكنش در فضاي محصور، و رهاسازي كنترل شده‌ي مولكول‌ها براي مصارفي همچون رساندن دارو به بدن را ايجاد مي‌كند. ]20[
1-14 نانو کپسول ها:
سومین عنصر پایه نانو کپسول ها هستند همان طوری که از اسم آن مشخص است کپسول های هستند که قطر نانو متری دارند و می تواند مواد مورد نظر را در درون آن کپسوله کرد. سال هاست که نانو کپسول ها در طبیعت تولید می شوند مولکول هایی موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آب دوست است که وقتی در محیط آبی قرار می گیرند خودبه خود کپسول های را تشکیل می دهند، که قسمت های آبگریز مولکول ها در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب ممانعت می شود، حالت برعکس این مورد قابل توجه است البته عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارد.
1-15 نانوسنسورها
امروزه سنسورها اطلاعات زیادی راجع به حرارت، دما، آب وهوا، موقعیت آب و هوایی، زمین، حمل و نقل دریایی وآلوده کنندگی های شیمیایی فراهم می کنند. ارگانیسم های بیولوژیکی قادر به شناسایی محیط زیست هستند.در زندگی اورگانیسم ها سنسورهای از ابعاد ماکرو تا میکرو و نانو فعالیت دارند.
درنانو تکنولوژی سنسورها حساسیت شان زیاد شده و زمان عکس العمل کاهش پیدا کرده است. تصور کنید یک نانو سنسورها بیوآنالیتیکال می تواند یک ذره کوچک ویروس را قبل از تکثیر و یروس و قبل از بروز علایم، در گیاه و حیوان شناسایی کند. برای شناسایی پاتوژن ها، آلودگی، ویژگی محیطی (روشنی ،تاریکی ،گرمی،سردی ،خشکی و تری)، فلزات سنگین و مواد آلرژی زا استفاده می
