مورفولوژی، فناوری نانو، دینامیکی

دانلود پایان نامه

گرافن و رهایش
Graphene & Release

۱-۱مقدمه:
کربن ( واژه لاتین  carbo به معنی زغال چوب) بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده‌ است و در ساخت ترکیبات مهم شیمیایی بسیاری شرکت دارد تا آنجا که می‌دانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید از این رو ده ها میلیون ترکیب کربنی که برای جهان شناخته شده‌است در جهان هستی وجود دارد که هزاران نوع آنها در فرآیندهای حیاتی و واکنشهای آلی و بسیار مهم اقتصادی، نقش دارند. .ﻛﺮﺑﻦ ﭼﻬﺎرﻣﻴﻦ ﻋﻨﺼﺮ ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ از ﻧﻈﺮ ﻓﺮاواﻧﻲ در ﺟﻬﺎن ﺑﻌﺪ از ﻫﻴﺪروژن، ﻫﻠﻴﻮم و اﻛﺴﻴﮋن به شمار میرود و تا کنون هشت آلوتروپ آن شناخته شده است.(1) اوربیتال های کربن طبق الگوی 2s2 2p2 1s2پر شده و دارای چهار اوربیتال خالی و چهار الکترون آزاد می باشد که امکان تشکیل چهار پیوند را برای این اتم‏ها مهیا می‏ سازد. پیوندهایی که این اتم‏ها تشکیل می ‏دهند، در ترکیبات گوناگون به شکل های متفاوتی دیده می‏شود و بنابراین خواص متفاوتی نیز ایجاد می‏ کند شکل 1-1

شکل1-1: نمودار فازی کربن

آلوتروپ گرافن ورقه ای دو بعدی (d2) از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانه زنبوری) می باشد که اتم ها با هیبرید sP2 به هم متصل شده اند.گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با ۳ اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر ۱۲۰ درجه است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را در حالت ایده آل ایجاد می‏کنند. طول پیوند کربن-کربن در گرافن در حدود ۱۴۲نانومتر است. ﺷﻬﺮت ﮔﺮاﻓﻦ ﺑﻪ دﻟﻴﻞ وﻳﮋﮔﻴﻬﺎی ﻣﻨﺤﺼﺮ به فرد آن اﺳﺖ ﭼﺮا ﻛﻪ اوﻟﻴﻦ ﻧﻤﻮﻧﻪ ﻳﻚ ﺑﻠﻮر دو ﺑﻌﺪی اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﻪ ﻟﺤﺎظ ﺗﺮﻣﻮدﻳﻨﺎﻣﻴﻜﻲ ﺧﻮاص ﻣﺘﻔﺎوﺗﻲ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻣﻮاد ﺳﻪ ﺑﻌﺪی دارد .ﻫﻤﭽﻨﻴﻦ ﭘﺲ از اﺻﻼح ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ آن، ﻣﻲ ﺗﻮاﻧﺪ به عنوان ﻳﻚ ﻣﻮﻟﻜﻮل ﺑﺰرگ در زﻣﻴﻨﻪ اﻟﻜﺘﺮوﻧﻴﻚ، ﻣﻮاد ﻛﺎﻣﭙﻮزﻳﺖ و ﺳﺎﻳﺮ ﺗﺤﻘﻴﻘﺎت ﻣﻴﺎن رﺷﺘﻪ ای ﺑﻪ ﻛﺎر ﺑﺮده ﺷﻮد.(2) شکل ۲-۱

شکل 2-1:ساختار اتمی صفحه گرافن؛در این شکل اتم‏ های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده‏ اند

۱-۲آلوتروپهای کربن:
اﺷﮑﺎل ﻣﺨﺘﻠﻒ آن ﺷـﺎﻣﻞ ﯾﮑـﯽ از نرمﺗـﺮﯾﻦ (گرافیت) و ﯾﮑـﯽ از ﺳـﺨﺖ ﺗـﺮﯾﻦ (اﻟﻤﺎس) ﻣﻮاد ﺷﻨﺎﺧﺘﻪ ﺷﺪه ﺗﻮﺳﻂ اﻧﺴﺎن می باشد. ﮐﺮﺑﻦ در ﻧﻮع ﻏﯿﺮ ﺑﻠﻮرﯾﻦ آن اﺳﺎﺳﺎ ﮔﺮاﻓﯿﺖ اﺳﺖ اﻣﺎ به صورت ﺳﺎﺧﺘﺎرﻫﺎی ﺑﺰرگ ﺑﻠـﻮرﯾﻦ وﺟـﻮد ﻧـﺪارد ،اﯾـﻦ ﺷـﮑﻞ ﮐـﺮﺑﻦ، ﺑﯿﺸﺘﺮ به صورت ﭘﻮدر اﺳﺖ ﮐﻪ ﺑﺨﺶ اﺻﻠﯽ ﻣﻮادی ﻣﺜﻞ ذﻏﺎل ﭼﻮب و ﺳﯿﺎﻫﯽ ﭼﺮاغ (دوده )را ﺗﺸﮑﯿﻞ می دهد. در ﻓﺸـﺎر و دﻣـﺎی اﺗﺎق ﮐﺮﺑﻦ ﺑﻪ ﺷﮑﻞ ﮔﺮاﻓﯿﺖ ﭘﺎﯾﺪارﺗﺮ اﺳﺖ ﮐﻪ در آن ﻫﺮ اﺗﻢ ﺑﺎ ﺳﻪ اﺗـﻢ دﯾﮕـﺮ ﺑﺼـﻮرت ﺣﻠﻘـﻪ ﻫـﺎی ﺷـﺶ وﺟﻬـﯽ (درﺳـﺖ ﻣﺜـﻞ ﻫﯿﺪروﮐﺮﺑﻨﻬﺎی ﻣﻌﻄﺮ ) ﺑﻪ ﻫﻢ ﻣﺘﺼﻞ ﺷﺪه اﻧﺪ .در دﻣﺎ و ﻓﺸﺎرﻫﺎی ﺧﯿﻠﯽ ﺑﺎﻻ ﮐﺮﺑﻦ ﺑﻪ ﺻﻮرت اﻟﻤﺎس ﭘﺎﯾﺪار اﺳﺖ ﮐﻪ در آن ﻫﺮ اﺗﻢ ﺑﺎ ﭼﻬﺎر اﺗـﻢ دﯾﮕـﺮ ﭘﯿﻮﻧـﺪ دارد.اﻟﻤـﺎس ساختار مکعبی ﻫﻤﺎﻧﻨﺪ ﺳﯿﻠﺴﯿﻢ و ژرﻣﺎﻧﯿﻢ دارد (ﺑﻪ ﺳﺒﺐ ﻧﯿﺮوی ﭘﯿﻮﻧﺪﻫﺎی ﮐﺮﺑﻦ -کربن) و ﺳﺨﺖ ﺗﺮﯾﻦ ﺟﺴﻢ از ﻧﻈﺮ ﻣﻘﺎوﻣﺖ در ﺑﺮاﺑﺮ ﺳﺎﯾﺶ ﺑﻪ ﺷﻤﺎر ﻣﯽ رود .ﺗﺒﺪﯾﻞ اﻟﻤﺎس ﺑﻪ ﮔﺮاﻓﯿﺖ در ﺣـﺮارت اﺗـﺎق ﺑـﻪ ﻗﺪری ﮐﻨﺪ اﺳﺖ ﮐﻪ ﻣﺤﺴﻮس ﻧﯿﺴﺖ. ﻓﻮﻟﺮﯾﻦ ﺳﺎﺧﺘﺎری ﻣﺜﻞ ﮔﺮاﻓﯿﺖ دارد اﻣﺎ به جای ﺑﺨﺶ ﻫﺎی ﺗﻤﺎم ﺷﺶ ﺿﻠﻌﯽ، ﺣﺎوی ﭘـﻨﺞ ﺿـﻠﻌﯿﻬﺎ (ﯾﺎ اﺣﺘﻤﺎﻻ ﻫﻔﺖ ضلعی )اﺗﻤﻬﺎی ﮐﺮﺑﻦ ﻧﯿﺰ می ﺑﺎﺷﻨﺪ ﮐﻪ ورﻗﻪ را ﺑﻪ ﺷﮑﻞ ﮐﺮه، ﺑﯿﻀﯽ ﯾﺎ اﺳﺘﻮاﻧﻪ به وجود ﻣﯽ آورﻧـﺪ . (3)
کربن در طبیعت دارای پنج آلوتروپ اصلی الماس، گرافیت، نانولوله، کربن بی شکل و فولرن است، که همگی جامد می باشند شکل ۱-۳

جدول۱-۱انواع صورت ها و آلوتروپ های کربن
شکل های کربن
ﺣﺎﻟﺖ
اﻟﻤﺎس –الماس شش ضلعی
sP3
گرافیت-ﮔﺮاﻓﻦ- ﻓﻮﻟﺮن ها(ﻓﻮﻟﺮن ﺑﺎﮐﻤﯿﻨﺴﺘﺮ)- نانو لوله های کربنی -ﮐﺮﺑﻦ شیشه ای
sP2
ﮐﺮﺑﻦ ﺧﻄﯽ
sP

شکل۱-۳آلوتروپ های مختلف کربن در طبیعت

۱-۲-۱ الماس:
الماس در حالت پایدار دارای ساختار مکعبی است.اتم های کربن در یک پیکربندی چهار وجهی با پیوند های هیبریدی sp3مرتب شده اند .این پیوند قوی کووالانسی باعث شده تا الماس سخت ترین ماده شناخته شده، محسوب شود به همین دلیل از جمله کاربرد های مهم تجاری الماس می توان به عنوان سنباده برای سایش و پرداخت فلزات و به عنوان یک پوشش برای ابزارهای برش نام برد.اﻟﻤﺎس ﺳﺎﺧﺘﺎر ﻣﻨﺸﻮری ﻧﻴﺰ دارد ﻛﻪ اﻳﻦ ﺳﺎﺧﺘﺎر ﺑﺼﻮرت ﺷﺒﻪ ﭘﺎﻳﺪار در ﻃﺒﻴﻌﺖ ﺑﻪ ﺻﻮرت ﻛﺎﻧﻲ وﺟﻮد دارد. شکل 1-4

شکل1-4:ساختار مکعبی الماس
۱-۲-۱-۱ خواص الماس:
۱) الماس در بین جامدات در دمای ۲۵ درجه بالاترین رسانایی گرمایی را دارد. (هدایت گرمایی آن ۵ برابر مس است)
۲) الماس ماده ی نوری ایده‌آلی است که توانایی انتقال طیف نوری فروسرخ تا فرابنفش را دا
را است.
۳) شاخص بازتابش بسیار بالایی دارد.
۴) در برابر تابش نوترونی به‌شدت مقاوم است.
۵) استحکام و صلبیت بسیار بالایی دارد.
۶) سخت‌ ترین ماده ی شناخته شده‌است.
۷)خواص نیمه‌رسانایی قابل توجهی دارد، شکست الکتریکی آن به طور متوسط ۵۰ برابر نیمه‌رساناهای متداول است.
۱-۲-۲ گرافیت:
گرافیت یکی از آلوتروپ‌های کربن است که برخلاف الماس که جامدی سخت و شفاف است،گرافیت جامدی سیاه و نرم و لغزنده است. ساختار لایه-لایه داشته و از قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت شش ضلعی منظم پدید آمده است. این اتم‌ها با پیوند کوالانسی و با هیبریداسیون sp2 هم متصل میشوند و نمی‌توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی تشکیل دهند، بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوند واندروالس -که پیوند ضعیفی است- به لایه‌های زیرین متصل است. این خاصیت سبب می‌شود لایه‌های گرافیت به راحتی به روی هم بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب برای «روان کاری» و «روغن کاری» استفاده میشود. از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها،فولاد های پرکربن، چدن‌ها،مداد گرافیتی و … استفاده می‌شود.
گرافیت بر خلاف الماس هادی جریان الکتریکی و پایدارترین شکل کربن در شرایط استاندارد است.( تنها نافلز رسانای برق) ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ در اﻟﻜﺘﺮوﺷﻴﻤﻲ ﺑﻌﻨﻮان ﺣﺎﻟﺖ اﺳﺘﺎﻧﺪارد در ﺗﻌﻴﻴﻦ ﻣﻴﺰان اﻧﺘﻘﺎلﺣﺮارﺗﻲ اﺷﻜﺎل دﻳﮕﺮ ﻛﺮﺑﻦ اﺳﺘﻔﺎده می شود.

مطلب مشابه :  میزان استفاده

شکل 1-۶ ساختار ملکولی گرافیت شکل 1-5: ساختار فیزیکی گرافیت

گرافن:3-2-1
گرافن ورقه ای دو بعدی از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی می باشد که اتم ها با هیبرید sP2 به هم متصل شده اند. صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم‏های کربن تشکیل می‏شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با 120 درجه است شکل۱-۷ در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند،به عبارتی گرافن را میتوان گرافیتی با قطر یک اتم توصیف کرد. البته این ایده‏آل‏ترین حالت یک صفحه‏ ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ها و هفت‌ضلعی‏ هایی نیز ایجاد می‏شود.اﻳﻦ ﻣﺎده ﺑﺴﻴﺎر ﺳﺒﻚ ﺑﻮده ﺑﺼﻮرﺗﻴﻜﻪ یک متر مربع ان 77/. ﻣﻴﻠﻲ ﮔﺮم وزن دارد. (4)

شکل۱-۷ ساختار گرافن

۱-۲-۴ فولرن:
یکی از دگرشکل‌های مصنوعی عنصر کربن است.که از گرما دادن به گرافیت ساخته می‌شود و به جهت شباهت شکل آن به توپ فوتبال، به آن باکی بال نیز می‌گویند. فولرن خود انواع گوناگون و متعددی دارد و می‌تواند به صورت کره، بیضی‌گون، یا استوانه باشد. فولرین شبیه یک توپ فوتبال است و شامل ۶۰ اتم کربن (C60) در یک ساختار کروی است که ۲۰ شش وجهی و ۱۲ پنج وجهی روی سطح منظم شده اند. هر کربن فولرن، دارای هیبرید sp2 است و با سه اتم دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می‌دهد. فولرینها مولکول های بیش از حد قوی هستند و تحمل فشارهای بسیارزیاد را دارند، به طوری که پس از تحمل فشاری حدود 3000 اتمسفر به شکل اولیهء خود (ساختار کروی فولرین) برمی گردند و دارای چگالی کم و وزن بسیار سبک هستند. مولکولهای فولرین به وسیله پیوندهای ضعیفی که ناشی از نیروهای واندروالس بین آنهاست به هم می چسبند.این نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است.بنابراین برخی از خواص فولرن ها مشابه خواص گرافیت می باشد. فولرنها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند. مطابق شکل ۸-۱و۹-۱ (5)

شکل ۸-۱و۹-۱ ملکول فولرن

۱-۳ تعریف نانو ذرات:
منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود 1 تا 100 نانو متر می باشد (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است) ﻧﺎﻧﻮ ﺳﺎﺧﺘﺎرﻫﺎ ﻛﻮﭼﻜﺘﺮﻳﻦ اﺟﺰا ﺟﺎﻣﺪی ﻫﺴﺘﻨﺪ ﻛﻪ اﻣﻜﺎن ﺳﺎﺧﺘﻦ آﻧﻬﺎ وﺟﻮد دارد. نانوذرات از ده ها یا صدها اتم یا مولکول و با اندازه ها و مورفولوژی های مختلف (آمورف، کریستالی، کروی شکل، سوزنی شکل و …) ساخته شده است. اغلب نانوذرات که به طور تجاری مورد استفاده قرار می گیرند، به شکل پودر خشک و یا به صورت بخش مایع می باشند. البته نانوذرات ترکیب شده (آمیخته شده) در یک محلول آلی یا آبی که به شکل سوسپانسیون یا خمیری شکل است نیز مورد توجه می باشد. این ذرات در شکل ها و مورفولوژی های گوناگونی یافت می شوند، ساختارهایی از کروی گرفته تا فلسی، ورقه ای، شاخه ای، لوله ای و میله ای.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 افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه 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 توده نمونه بسیار زیاد است..مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد.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. 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 ی ذوب ) اثر دارد.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 کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.علاوه بر این، کوچک تر 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 باشندمواد در مقیاس نانو، رفتار کاملاً متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیز تغییر خواهد کرد. مثلاً فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می شود.(7)

مطلب مشابه :  منبع پایان نامه ارشد دربارهانحراف معیار، توزیع فراوانی، پیش آزمون، وضعیت تحصیلی

برخی از خواص نانو ذرات عبارت اند از:

جدول ۱-۲ خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات
مثال
خصوصیات
اثر کاتالیستی بهتر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر
کاتالیستی
افزایش هدایت الکتریکی در سرامیک ها
و نانو کامپوزیت های مغناطیسی،
افزایش مقاومت الکتریکی در فلزات
الکتریکی
افزایش مغناطیسیته با اندازه بحرانی دانه ها،
رفتار سوپر پارامغناطیسیته ذرات
مغناطیسی
خصوصیات فلوئورسنتی، افزایش اثر کوانتومی
کریستال های نیمه هادی
نوری
افزایش نفوذ پذیری از بین حصارهای بیولوژیکی
(غشاء و سد مغز خون و غیره)
و بهبود زیست سازگاری
بیولوژیکی

1-4 پیشینه فناوری نانو:
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده موادبه کاربرد.
با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند. با این حال این کشف‌ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.

در سال1959 ریچارد فاینمن مقاله‌ای را درباره قابلیت‌های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. باوجود موقعیت‌هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند. فاینمن که بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی « فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد » بود.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد.یعنی ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعیش کوچک می شود. او همچنین از دوتایی‌کردن اتم‌ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می‌داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر