درآمدي بر مواد نانوحفرهاي
خلاصه
مواد نانوحفرهاي داراي حفراتي كوچكتر ازnm 100 هستند و مثل اكثر مواد نانوساختاري از مدتها پيش وجود داشتهاند. دنياي زيستشناسي مملو از غشاهاي نانوحفرهاي - همچون ديواره سلولها – است، هر چند آنها از يكسري حفرات نانومقياس ساده، پيچيدهترند. با اين حال صنعت نفت و ديگر صنايع، سالها از مواد نانوحفرهاي طبيعي موسوم به زئوليتها به عنوان كاتاليست سود جستهاند. در سالهاي اخير درك و توانايي ما در ساخت اقسام مواد نانوحفرهاي پيشرفت كرده است. در اين مقاله به بررسي روشهاي توليد مواد نانوحفره اي و ويژگيهاي منحصر بفرد آنها اشاره ميشود.
متن مقاله
مواد (Nanoporous Materials)نانوحفرهاي داراي حفراتي كوچكتر ازnm 100 هستند و مثل اكثر مواد نانوساختاري از مدتها پيش وجود داشتهاند. دنياي زيستشناسي مملو از غشاهاي نانوحفرهاي - همچون ديواره سلولها – است، هر چند آنها از يكسري حفرات نانومقياس ساده، پيچيدهترند. با اين حال صنعت نفت و ديگر صنايع، سالها از مواد نانوحفرهاي طبيعي موسوم به زئوليتها به عنوان كاتاليست سود جستهاند. در سالهاي اخير درك و توانايي ما در ساخت اقسام مواد نانوحفرهاي پيشرفت كرده است.
برخي از كاربردهاي جالب توجه نانوحفرات داراي اندازه مشخص، توانايي آنها در اجازه عبور دادن به برخي مواد و ممانعت از بقيه، يا واداركردن مولكولهايي چون DNA به عبور تكتك است، كه مثالهاي آتي، آن را روشنتر خواهند كرد.كنترل دقيق اندازه اين حفرات نيز يكي از چالشهاي فني ديگر است.
راههاي بسياري زيادي براي ساخت مواد نانوحفرهاي وجود دارد؛ بنابراين ذكر همه آنها ميسر نبود و تنها منتخبي از آنها براي تنوير ذهن ارائه ميشود. ميتوان به طور انتخابي موادي را از يك جامد استخراج كرده، حفراتي در جاي آنها ايجاد نمود، يا مخلوطي از پليمرها را با حرارتدهي به صورت جامدات نانوحفرهاي در آورد، به نحوي كه يكي از پليمرها تجزيه شده و خارج شود. از روش سلژل نيز ميتوان در ساخت مواد مبتني بر ژل سود جست؛ همچون آئروژلها كه انتشار يك گاز در يك ژل به جامدي بسيار سبك (گاهي فقط چهار برابر سنگينتر از هوا) منجر ميشود (راهكار سل ژل در دماي اتاق كار ميكند، در صورتي كه روشهاي اوليه ساخت آئروژلها مستلزم دماهاي بالاست).
مثالي از يك پيشرفت نويدبخش جديد (در اوايل 2002) در راهكارهاي مخلوط آلي/ معدني از محققان ژاپني سرزده است. آنها از سيليكا و بنزن ساختاري خودآرا با حفرههايي به اندازه 3 تا 5 نانومتر ايجاد كردهاند. مهمترين خاصيت اين مواد اين است كه بخش دروني اين حفرات، ساختاري كاملاً منظم دارند. مولكولهاي بنزن را ميتوان با افزايش گروههاي شيميايي، كاركردي كرد. درنتيجه بدون ازبينرفتن نظم حفرات، ميتوان ساختار دروني آنها را به دقت در مقياس مولكولي طراحي كرد.
راهكارهاي مرسوم ليتوگرافي و تلفيق ليتوگرافي نرم با(Etching) حكاكي نيز ميتوانند نانوحفره بيافرينند. مثلاً راهكار پرتويوني به خوبي حفرات بزرگ، حفرات كوچك را نيز ميتواند بسازد.
از حدود اواسط 2001 گروهي از محققان در فلوريدا و سپس افرادي در فنلاند شروع به انتشار منظم يافتههاي خود در زمينه يك روش رسوبدهي ماده درون قالب حفرات چند ده نانومتري آلومينا كردند. با اين فرآيند ميتوان اثرات شيميايي خاصي را پديد آورد، اندازه حفرات را كاهش داد و حتي با حلكردن ماتريس اوليه، نانولولههايي از مواد مختلف را ايجاد كرد.
اين راهكار – كه مورد توجه گروههاي ديگري نيز قرار گرفت- فوقالعاده ساده و در عين حال قابل انعطاف است، ميتواند اندازه حفرات را بادقت بالايي كنترل كند و از مواد مختلف براي دستيابي به كاركرد لازم (براي كنترل عبور مواد از حفرات) يا پديدههاي شيميايي و فيزيكي رخدهنده در حفرات استفاده مينمايد. اين غشاها ميتوانند به نحوي گزينشي به برخي از مولكولها برحسب اندازه، آبدوستي، يونيزاسيون و ديگر خواص اجازه عبور دهند. مواد محبوسشده درون اين حفرات ممكن است رفتار متفاوتي با مواد آزاد داشته باشند؛ مثلاً خواص فلورسنت مولكولهاي خاصي در هنگام قرارگرفتن در حفرات nm50 ماتريس آلومينا، ارتقاء مييابد.
مواد ماتريس ديگري نيز استفاده شدهاند؛ مثلاً غشاهاي پليكربنات حاوي حفرات nm10 با طلا و مولكولهاي آلي موسوم به تيولها- كه با طلا واكنش ميدهند- آستر شدهاند. كنترل اسيديته روي دو طرف اين غشا امكان ميدهد، تا با استفاده از خواص الكترواستاتيك پروتئينهاي هماندازه از هم جدا شوند.
يك راهكار ديگر، كنترل اندازه حفرات در غشاها در اواخر سال 2000 طي يك پروژه مشترك بين آزمايشگاههاي ملي سنديا و دانشگاه نيومكزيكو پديد آمد. در اين روش نور ماوراء بنفش، مولكولهايي را در يك لايه نازك از سيليكاي خودآرا شده و داراي ساختار متناوب، در هم ميشكند. محصول حاصل از قرار گرفتن در معرض نور موجب (Solidify)جمود سيليكا مطابق الگوي متناوب ميشود. تغيير تابش به نحوي بسيار منطقي اندازه حفرات را تغيير ميدهد و محققان اميدوارند به نحوي از اين روش براي كنترل بسيار دقيق حفرات استفاده كنند، كه بتوان مولكولهاي اكسيژن و نيتروژن را-كه فقط دو صدم نانومتر با هم تفاوت دارند - از هم جدا كرد.
يكي از مصارف ويژه نانوحفرات كه پتانسيل بالايي دارد، راهكاري است كه گروهي در دانشگاه هاروارد ارائه كردند. در اين روش از اعمال ولتاژ در عرض حفره براي كشاندن يك رشته واحد از DNA يا RNA به درون نانوحفره استفاده ميشود، تا تغيير جريان الكتريكي بر اثر تغييرات جريان يوني، يا تغيير جريان تونل زني در عرض حفره مد نظر قرار گيرد.
اين تغييرات ميتواند به صورت يك امضاي الكترونيكي براي شناسايي حروف الفباي ژنتيكي و لذا تواليسنجي رشته گذرنده استفاده شود. اين محققان ادعا ميكنند كه ميتوانند كل ژنوم انساني را در عرض چند ساعت تعيين توالي كنند. هر چند تاكنون از دولايههاي ليپيدي استفاده شده است، كه چندان براي مصارف تجاري كاربرد ندارند، اما اين گروه حفرات ساخته شده از نيتريدسيليكون به كمك روشهاي كندهكاري پرتويوني -كه آن هم در هاروارد توسعه يافته- را نيز مطالعه كرده است.
يکكار ابتدايي ديگر در اين عرصه از پروتئين طبيعي (hemolysin)هموليزين- به عنوان نانوحفره سود ميبرد، اما اين پروتئين با مشكلات فني عديدهاي رو به رو بوده و سمي است. مركز نانوتكنولوژي آمز ناسا نيز به دنبال توسعه يك نانوحفره مصنوعي قابل كنترل است. اين فناوريهاي نانوحفرهاي مشكلي براي استفاده در آناليز پروتئينها ندارند، اما تعداد عناصر مورد نياز براي تفكيك بين 24 اسيد آمينه (به جاي 4 باز DNA) كار را كمي مشكلتر ميكند.
مواد نانوحفرهاي تودهاي
مساحت سطحي يك جامد با نانوحفرهايشدن آن افزايش مييابد و سبب بهبود خواص كاتاليزوري، جذبي و جذب سطحي آن ميشود. زئوليتها – كه قسمي از مواد معدني طبيعي يا مصنوعي داراي حفرات نانومقياس و بزرگتر هستند- دهها سال به عنوان كاتاليزورهايي مؤثر به كار رفتهاند. مساحت سطحي جامدات نانوحفرهاي عموماً در حد چندصد مترمربع بر گرم ميباشد.
علاوه بر اثرات كاتاليزوري، هنگامي كه مواد در نانوحفرات قرار ميگيرند، خواصشان به نحو غيرمنظرهاي تغيير ميكند؛ مثلاً نقطه انجماد آب به نحو بارزي افزايش مييابد. خواص جذب و جذب سطحي اين مواد معرف قابليت آنها در علاج مشکلات زيستمحيطي (مثلاً با حذف فلزات سنگين همچون جيوه و آرسنيك) است. اين سه خاصيت مشهودترين مزاياي مواد نانوحفرهاي تودهاي ميباشند، اما خواص بالقوه ارزشمند ديگري هم وجود دارند.
جامدات نانوحفرهاي از انواع مواد ازجمله كربن، سيليكون، سيليكاتها، پليمرها، سراميكها، مواد معدني فلزي و تركيبات مواد فلزي و آلي يا مواد آلي و سيليكون مثل متيل سيلسزكيوكسان (يكي از اعضاي خانواده سيليزكيوكسانهاي اليگومريك چندوجهي يا POSS كه در نانوكامپوزيتها و ديگر كاربردها به كار ميروند) ساخته ميشوند.
آئروژلها- مواد بسيار متخلخلي كه گاهي دانسيته آنها فقط 4 برابر هواست- داراي حفراتي با اندازههاي مختلف هستند، اما آئروژلهاي سيليكا توزيع اندازه باريكي در حول و حوش nm5 دارند و لذا موادي واقعاً نانوحفرهاي ميباشند.
اگرچه آئروژلها جذابيت زيادي دارند، اما استحكام اندك و شكنندگي آنها مصارفشان را محدود كرده است. البته آئروژلهاي متداول آنقدر مقاوم هستند كه در مصارفي همچون كاتاليزور و فيلتراسيون به كار روند. آنها همچنين خواص نوري جالبي را عرضه ميكنند. خواص عايق حرارتي آئروژلها ميتواند در شيشههاي دوجداره- كه وظيفه استحكام بر دوش شيشههاست- مفيد واقع شود. با اين حال كاربردهاي جالب ديگري هم وجود دارد، كه ظهور آنها منوط به افزايش استحكام است. برخي از تحقيقات راههايي را براي دستيابي به آن نشان داده است. مهمترين مورد در اواخر 2002 بود كه آئروژلهايي با 100 برابر مقاومت شكست آئروژلهاي متداول ساخته شدند.
سيليكون نانوحفرهاي- كه از طريق حكاكي سيليكون با اسيدها بهدست ميآيد- توانايي خود را در انتشار نور تحريكشده (مشابه ليزرها) نشان داده است و اميدهايي را به عنوان يك ماده زيستسازگار پديد آورده است. يكي از مشكلات سيليكون نانوحفرهاي در مصارف نوري ناپايداري آن است. با اين حال گروهي در دانشگاه پوردو توانستهاند با استفاده از يك واكنش حاصل از تحريك نوري، روكشي پايداركننده را بر آن اعمال كنند. البته ناپايداري در برخي مصارف ميتواند يك مزيت باشد. مثلاً در قطعات پيوندي جهت مصارف ساختاري يا دارورساني.
درواقع سيليكون نانوحفرهاي خواص جالب متعددي، مثل قابليت تغيير ضريب شكست آن با نور و توانايي نشر امواج صوتي با تحريك حرارتي دارد. همچنين در اواخر 2002 مشخص شد، اين ماده ميتواند بدون وجود محيط خلاء به نشر الكترون (ايجاد جرياني از الكترونها) بپردازد.
كربن فعال مثالي از يك ماده نانوحفرهاي مشابه زئوليت است، كه مدتهاي زيادي به كار رفته است. شركتهاي بسيار زيادي آن را توليد ميكنند و ما در اينجا به جز برخي از نوآوريهاي خاص به بحث در مورد آن نميپردازيم. مثلاً در كره جنوبي با يك روش الگوبرداري با استفاده از نانوذرات سيليكا، كربنهاي فعال با اندازه حفرات يكسان nm8 و nm12 بهدست آمده است. اين ماده بيش از 10 برابر كربن فعال متداول ظرفيت جذب داشته است. حذف يونهاي فلزي از يك ماتريس بلورين حاوي كربن و فلز در شرايط مختلف نيز مواد كربني نانوحفرهاي بديعي را آفريده است. اين راهكار را شركت سوئيسي Skeleton Technologies تجاري کرده است.
با روشهاي ديگري، هندسههاي جديدي از كربن نانوحفرهاي ساخته شده است. يك گروه بينالمللي از محققان در اوايل 2002 شكلي از كربني بسيار نانوحفرهاي را ساختند كه هندسه داخلي آن فركتال بود (فركتالها الگوهايي مثل خطوط ساحلي يا شاخههاي درخت هستند كه در مقياسهاي متفاوت ساختارهاي مشابهي دارند). اين گروه معتقد است كه ماده مزبور قابليت ذخيره متان (گاز طبيعي) را براي خودروها دارد.
گروهي از محققان ايتاليايي و انگليسي در اواخر 2002 شكلي از كربن را ساختند كه يك دهه قبل فرضياتي در مورد خانواده آنها موسوم به شوارتزيتها مطرح شده بود. در اين ماده از حلقههاي كربني حاوي بيش از 6 اتم كربن (مشابه ششضلعيهاي مسطح گرافيت) براي ايجاد يك ساختار دروني واجد انحناي منفي استفاده شده بود. اين ماده بسيار متخلخل، و اندازه حفرات آن بسيار بزرگتر از كربن فعال و در دامنه nm600-500 قرار داشت.
يك دسته كاملاً جديد از مواد نانوحفرهاي كه اخيراً در كرنل توسعه يافته است، يكسري از مواد انعطافپذير حاوي پليمر و سراميك است. اين ماده بر اثر حرارت به مادهاي نانوحفرهاي با اندازه حفره بين 10 تا 20 نانومتر تبديل ميشود. از آنجايي كه از خودآرايي براي ساخت آن استفاده شده است، ساختار آنها از يكنواختي فوقالعادهاي برخوردار است.
زئوليتها- با اين كه مدتها به كار رفتهاند- هنوز جزو موضوعات تحقيقاتياند. در اواخر 2002 يك زئوليت اصلاحشده به عنوان اولين مثال از خانواده موسوم به الكتريدها توليد شد، كه معدني و در دماي اتاق پايدار بود. الكتريدها يك ساختار داراي بار مثبت دارند، كه موازنه بار آنها با «گاز» الكترون موجود در حفرات آنها برقرار ميشود. گذشته از مصارف مشخص كاتاليزوري، اين مواد خواص الكتريكي، مغناطيسي و نوري جالبي نيز دارند.
منابع:
Nanoporous Materials, CMP Cientifica,White Papers, Octobr 2003
Nanoporous Materials, CMP Cientifica,White Papers, Octobr 2003
نوشته شده توسط شورای نویسندگان در سه شنبه بیست و هشتم آذر 1385 و ساعت 9:37
ساخت نانو ذرات اكسيد آهن به روش سل-ژل