نانو | مقاله نانو | آئروژل ها

نانو | مقاله نانو | آئروژل هاReviewed by @alborzco on Aug 13Rating: آئروژل ها : آئروژل ها ساختارهای

نانو | مقاله نانو | آئروژل هاReviewed by @alborzco on Aug 13Rating:

آئروژل ها :
آئروژل ها ساختارهای غیرعادی ای و فوق العاده ای می باشند که خواص جالبی از قبیل عایق حرارتی با کارآیی فوق العاده ، خواص نوری و الکتریکی ویژه از خود نشان می دهند . به طور کلی خواص آئروژل ها به پارامتر های ساختاری آنها نظیر اندازه حفره ، اندازه ذرات اولیه وغیره بستگی دارد . این پارامترها به وسیله اتخاب دقیق مقدار و طبیعت ماده شیمیایی مورد استفاده برای ساختن ماده ژل اولیه ، می توانند کنترل شود .
آئروژل ها هدایت بسیار کمی دارند که غالبا ناشی از ساختار منحصر به فرد آنها می باشد : شبکه ای از ذرات کوچک با اتصال درون شبکه ای و حفره های باز با اندازه های نانو متری .
برحسب موادی که ساختار اصلی ماده جامد را تشکیل می دهد ، آئروژل ها می توانند نقش می توانند نقش عایق های الکتریکی ( مانند آئروژل ها سیلیکایی ) یا مواد هادی ( مانند آئروژل های کربنی ) داشته باشند .
آئروژل ها به طور کلی شفاف هستند . با این وجود در یک بررسی دقیق تر ، دفتار های نوری آئروژل ها به عنوان نتیجه ای از پدیده ها جذب و پراش که در ماده اتفاق می افتد ، مورد توجه قرار گرفته است .
خواص شیمیایی این ساختارها غالبا به ماهیت گروههای سطحی بستگی دارد که تعیین کننده طبیعت آب دوست / آب گریز بودن آنها می باشد .
خواص آئروژل ها :
خواص الکتریکی :
درحالیکه اعلب آئروژل ها عایق الکتریکی هستند ، آئروژل های کربنی بدست آمده به وسیله ی پیرولیز ژل های آلی در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد ، بطور استثناء رسانایی الکتریکی شدیدی از خود نشان می دهند . کربن آئروژل ها دارای یک ساختار آمورف شامل حلقه های آروماتیک ، شش ضلعی های ناقص ، کریستال های گرافیتی و پیوند های غیر مستقر است که باعث ایجاد یک مانیزم پیچیده هدایت الکتریکی می گردد .
خواص شیمیایی :
ماهیت شیمیایی سطح آئروژل ها به شدت به شرایط تهیه آن بستگی دارد . گروههای سطحی ممکن است الکوکسی (-oR)و گروه های هیدروکسیل (-OH) باشند . به علت وجود سطح هیدروکسیلی ، آئروژل ها سیلیکایی پیوند هیدروژنی قوی ای از خود یشان می دهند . آئروژل های سیلیکایی آبگریز را می توان با جایگزین کردن گروههای سطحی با انواع غیر قطبی شان ( مانند : گروه خطی آلیفاتیک تری متیل سیلیل ) بدست آورد.
خواص حرارتی :
هدایت حرارتی آئروژل ها حاوی سه مولفه است : هدایت جامد ، هدایت گاز و عبور بابشی . با توجه به مقدار کم ماده جامد و ساختار پیچیده آئروژل ، هدایت جامد و گاز به شکل بارزی محدود می شود . در دماهای بالا ۲۰۰ درجه سانتی گراد عبور تابش قابلیت عایق حرارتی آئروژل را کاهش می دهد .
خواص نوری :
رفتار نوری سیلیکا آئروژل ها ، به طور طبیعی جذب سیلیس در ناحیه مرئی پایین است . بنابراین پراکندگی نور در این ناحیه بر روی عبور نور تاثیر می گذارد . پراش نور زمانی کارامدتر است که اندازه مراکز پراکندگی در حدود طول موج نور تابش شده ( نود ورودی ) باشد و همچنین باکاهش ابعاد مراکز پراکندگی با زیر طول مرج ، پراش نور نیز کاهش می یابد.

 نانو لوله ها کربنی :
ماهیت ویژه ی کربن همراه با ساختار مولکولی نانو لوله های کربنی سبب شده است با این مواد دارای خواص فوق العاده ای از قبیل هدایت الکتریکی ، حرارتی ، استحکام ، سختی و چقرمگی باشند . پیوند های sp2 در لایه های گرافیکی به نانو لوله های کربنی ، الاستیسیته و استحکام مکانیکی ویژه ای می بخشد . ورقه های گرافیکی لوله شده ( به منظور تشکیل نانو لوله های کربنی ) مومنتوم الکترونی کوانتیده شده را نشان می دهند که ناشی از طبیعت دوگانه نانو لوله های کربنی می باشد : برحسب ساختار هندسی شان ، می توانند خواص فلزی و یا خواص نیمه هادی از خود نشان دهند . خواص نوری CNTها به طور مستقیم به ساختار الکترونی آنها مربوط می شود . طیف نوری نانو لوله های کربنی نیمه هاری ، شکاف نوارهای غیرمجاز را از طریق فلورسانس در طیف IRنزدیک نشان می دهد . ویژگی آنیزوتروپی هدایت گرمانن کریستال های گرافیتی بطور طبیعی در نانو لوله های کربنی منعکس شده است . وقتی قطر لوله کاهش می یابد ، تغییر از ساختار صفحه ای شبه دوبعدی به لوله تک بعدی یقش بسیارمهمی را در افزایش هدایت حرارتی در راستای محور لوله و اطمینان از عایق بودن حرارتی در عرض لوله دارد .
انواع :
برحسب نحوه ی قرار گیری واحدی های شش ضلعی در پیرامون یک استوانه ، سه ساختار هندسی را می توان برای نانولوله های کربنی تصور کرد . ساختارهای هندسی صندلی وزیگراگ ، دو موردی می باشند که ساختار ساده ای دارند . سومین دسته از این ساختارها ، ساختار کایرال بوده که واحد های شش ضلعی به شکل مارپیچ حول محور استوانه قرار گرفته اند . ساختارهای هندسی مذکور تاثیر بسزایی در ویژگیهای نانو لوله های کربنی دارند .
ساختار :
به طور کلی نانو لوله های کربنی همانند گرافیت از پیوند های SP2 ساخته شده اند . این ساختارپیوندی استحکام خاصی را برای آنها ایجاد میکند بطوریکه از پیوندهای SP3 موجود در الماس قویتر می باشد . نانو لوله های کربنی دارای نسبت صفحه ای بالایی می باشند که موجب شده تا غالبا ساختار یک بعدی داشته باشند .
طرز تهیه :
در سال ۲۰۰۳ ، کانگ و همکارانش سنتز یک مرحله ای نانو لوله های کربنی با کیفیت بالا با استفاده از آب ( به طور مستقیم از گرافیت ) را گزارش کردند . این روش جدید و جالب به شکل موفقیت آمیزی با سایر روش های ساخت مانند بجزیه کاتالیتیکی هیدروکربن ها ، تخلیه قوس الکتریکی ، فداشوندگی لیزری و روش های الکترولیز رقالت می کند . نقطه ی قوت این روش در سادگی ، هزینه کمتر و بازده ای بالا میباشد .
خواص نانو لوله های کربنی :
نانو لوله های کربنی ، استوانه های ساخته شده از اتم های کربن در اندازه های نانو متری میباشند .نانو لوله های کربنی استوانه هایی یک پارچه ( بدون درز ) ، شبیه به نگک ورقه گرافیتی لوله شده که دو انتهای آن توسط نیمی از مولکول ۶۰Cمسدود شده است ، می باشند . با وجود اینکه قطر این نانو لوله ها در حد نانو متر می باشد ولی طول آنها می تواند به چندین میکرومتر برسد .
دو نوع عمده از نانو لوله های کربنی وجود دارد : نانو لوله های کربنی چند دیواره (MWCNT) و تک دیواره (SWCNT) هر دو نوع آنها توسط انواع مختلفی از ساختارهای هندسی مشخصه سازی می شوند . نانو لوله های کربنی صندلی شکل ، زیگزاگ و کایرال .
روش های مختلفی برای ساخت نانو لوله های کربنی توسعه یافته است : تجزیه کالالیتیکی هیدروکربن ها ، تخلیه قوس الکتریکی ، فداشوندگی لیزری و روش های الکترولیز . عیب مهم این روش ها خلوص پایین بوده که برای خالص سازی ، فرایند های پر هزینه ای باید به کار برده شود . به علت خواص الکتریکی ؛ نوری و مکانیکی غیرعادی وفوق العاده نانو لوله های کربنی ، این مواد می توانند به عنوان مواد جدید ، کاربردهایی در زمینه های الکترونیک مولکولی ( ترانزیستود=ر اثر میدان نانو لوله های کربنی ، سیم های کوانتومی نانو لوله های کربنی )، علم مواد ( کامپوزیت های پیشرفته ، سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)( بیو شیمی (حسگرهای شیمیایی ، ظروف مولکولی ) و غیره داشته باشند .
خواص مکانیکی :
نانو لوله های کربنی رفتار الاستیکی قابل توجهی را از خود نشان میدهند بطوریکه می توانند بیش از پنج برابر طول لولیه شان کشیده شوند . همچنین آنها بالاترین استحکام کششی را که به حال اندازه گیری شده را دارند .بالابرین مقدار اندازه گیری شده برای یک نانو لوله ، ۶۳ گیگا پاسکال بوده است . هیچ مواد کامپوزیتی تا به حال تولد نشده است که این مقدار استحکام کششی داشته باشد.
خواص الکتریکی :
بعد نانو متری قطر CNT، اثرات کوانتومی مانند کوانتیده بودن حالت های الکترونی در سراسر محیط لوله را افزایش می دهد . این ویژگی را می توان به طور مستقیم با در نظر گرفتن طول موج دوبروی که با الکترون همراه است درک کرد .برحسب کایرالیته ،CNTها می توانند فلزی یا نیمه هادی باشند .همچینین رسانایی شان به میزان دپه شدن و قطر لوله بستگی دارد .
خواص حرارتی :
انرژی گرمایی درنانو لوله های اساسا در یک جهت ، در راستای محور لوله توسط امواج صوتی حمل می شود . مطالعات بر روی هدایت حرارتی نانو لوله ها نشان می دهد که انرژی گرمایی باسرعت ۱۰۰۰۰ متر برثانیه در طول لوله انتقال می یابد . به علت ضعیف بودن نیروهای واندروالسی درون لوله ای ، امواج صوتی حتی در یک مجموعه سه بعدی از نانو لوله ، در یک بعد حرکت می کند .
خواص نوری :
وقتی نانو لوله های کربنی شروع به تابش می کنند پدیده ی فلورسانس رخ می دهد. به خاطر طبیعت تک بعدی بودن نانو لوله های کربنی ، اثرات کوانتیده ای که موسوم به تکینی های اون هوف می باشد ظاهر می گردد . برای مثال ترازهای انرژی مجزا ، پدیده فلورسانس در نتیجه فرآیندهای تریک و آسایش الکترون ها در این تراز های الکترونی حاصل می شود .

 دندریمرها :
دندریمرها ( از واژه ی یونانی ” دندرون ” به معنای “درخت ” و پسوند یونانی ” مر ” به معنای ” پخش ” ) مولکول های شاخه داری هستند که شامل یک بخش مرکزی متصل به شاخه های درخت مانند بوده که به شکل تکرار شونده ای به یکدیگر متصل هستند .
دندریمر ها به جای استفاده از واحد های مونومری AB که سبب تولید پلیمر های معمولی دندریمرها توسط فرآیندهای بکرارشونده ساخته می شوند ، که هر چرخه منجر به ایجاد یک لایه از شاخه ها موسوم به ” نسل ” می گردد .
دو روش سنتزی جداگانه برای ساخت دندریمر ها به کار می رود . در روش واگرا رشد از هسته آغاز می شود و به شکل شعاعی پیش می رود . در روش همگرا حالت عکس رخ می دهد : فرایند در حاشیه آغاز می شود و به طرف داخل رشد می کند .
تا به امروز دو گروه از خانواده ی دندریمرها به شکل تجاری قابل دسترس می باشد : پلی آمیدوآمین ها (PAMAM) و پلی پروپیلن ایمین ها (PPL).
اولین ساختارهای دندریتیکی ، دندریمرهای پلی لیزین می باشند که در سال ۱۹۸۳ توسط رابرت دنک والتر و همکارانش از allied crop شناخته شد . ساختاهای دندریتیکی تا ۱۰ نسل را نشان می دهند و وزن مولکولی بیش از ۹۰۰۰۰۰ گرم بر مول را دارا هستند.
انواع سنتز :
در روش واگرا تعدادی از گروههای واکنش دهنده با واحدهای مونومری بر همکنش می کنند که از این طریق یک نسل جدید به ساختار دندریتیکی افزوده می شود . بعد از هر چرخه تعداد مراکز فعال دو یا سه برابر می شوند که در واقع به ساختارمونومر (AB2 AB3)بستگی دارد . در روش همگرا ، مراکز واکنش دهنده ی آغزی در اطراف مستقر می شوند در حالی که واکنش ها درهسته اتفاق می افتد .
ساختار :
سری ها شاخه دار دندریمرهای PAMAMوPPLاز لحاظ تجاری قابل دسترس می باشند . دندریمرهای PAMAMدارای هسته از جنس ترکیبات آمونیاکی می باشد . سنتز تکراری (تکرار شونده) شامل یک افزایش مایکل سه گانه و بسط زنجیره ای می باشد . دندریمر PPL ( حاوی سه نسل ) به وسیله ی میجر و همکارانش بدست آمد که از هسته ای از جنس دی آمینو بوتان سنتز تشکیل می شود.
 نانو ذرات فلزی :
تغییر خواص نانو ذرات از حالت توده ای ماده به سطح مواکولی با کاهش اندازه ی ذرات به تدریج انجام می شود . در فلزات توده ای شکل ، به علت تعداد زیاد الکترون های رسانایی ، نواد رسانا ، ماهیتی پیوسته دارد . همگامی ککه اندازه ی ذرات به کمتر از ۳ نانو متر کاهش می یابد ، اکترون های لایه ظرفیت محدود شده و و تراز های انژی به شکل گسسته ظاهر می شوند . توزیع این تراز های انرژی به شکل و انداره ی نانو ذرات فلز بستگی دارد. این ویژگی در اندازه و شکل وابسته به خواص الکتریکی نانو درات فلزی منعکس می شود .
نانو ذرات فلزی با اعداد موسوم به اعداد جادویی هسته مشخص می شوند : ۱۳ ، ۵۵ ،۱۵۷ ، ۳۰۹ ،۵۶۱ و غیره . نانوذرات حاوی شماری از اتم ها که معادل همان عدد جادویی می باشد ، ساختار هندسی مطلوبی از احاظ انرژی در ارتباط با ماختارهای پیوسته –بسته دارند .
با کاهش اندازه ی ذرات ، کسر اتمهای سطحی به شکل چشمگیری افزایش می یابر ( برای مثال : یک نانو ذره با قطر ۳ نانو متر تقریبا در حدود ۴۵% اتم هایش بر روی سطح قرار گرفته اند در حالیکه برای نانو ذره ای با قطر ۱ نانو متر در حدود ۷۶ % اتم سطحی دارد .)
از آنجایی که واکنش های شیمیایی در سطح ذرات انجام می شوند بنابراین اتمهای سطحی نقش ویژه ای را در خواص شیمیایی ( به عنئان مثال : خاصیت کاتالیزوری ) نانو ذرات دارند .
 نانو رس ها :
یکی از مهمترین خصوصیات رس ها نسبت صفحه ای بسیار بالای صفحات منفرد ( ۳۰۰:۱ تا ۱۵۰۰:۱ )می باشد . مساحت صفحات از هم گسیخته می تواند به ۱۰۰۰M2/g برسد .
به علت ساختار شبه صفحه ای ، نانو رس ها اثر تقویت کننده ای بر روی مواد پلیمری رایج دارند که منجر افزایش استحکام مکانیکی ، مدول و پایداری ابعاد می گردد .
این صفحات به عنوان محافظ رطوبت و مواد شیمیایی عمل می کنند و سد های گازی خوبی نیز می باشند. پلیمرهایی که با نانو رس ها ترکیب شده اند در مقایسه با مواد پلیمری رایج نسبت به گرما و حرارت مقاومتر می باشند و قابلیت بیشتری در بازدارندگی شعله و تغییر شکل پذیری کمتری در هنگامی که در معرض دمای بسیار بالا یا مواد شیمیایی مهاجم قرار می گیرند از خود نشان می دهند . نانو کامپوزیتهایی که با استفاده از نانو رس ها ساخته می شوند ، هدایت الکتریکی و وضوح نوری بهتری نیز نشان می دهند.
یکی از پیامد های مهم ماهیت باردارشده ی نانورس ها ( برای مثال توانایی تبادل یون ) این است که آنها به طور کلی آبدوست می باشند و از این رو به طور طبیعی با طیف وسیعی از پلیمر ها سازگار نمی باشند . یک عملکرد ضروری برای تشکیل نانو کامپوزیتهای پلیمر-رس ، تغییر قطبیت رس و تبدیل آن به مواد آلی دوست می باشد .
کامپوزیت پلیمر نانو رسی :
درشرایط مناسب فضاهای گالری (فضای میان دو صفحه نانورس ) می توانند بوسیله مونومر ها ، اولیگومرها ، پلیمر ها اشغال شوند و فاصله بین صفحات را افزایش داده و باعث متورم شدن رس ها می شوند . صفحات رس متورم شده با پلیمرها ، صفحات در میان لایه ای نامیده میشوند . وقتی رس خیلی متورم می شود به طوریکه کمتر به شکل به هم پسبیده در می آید آنگاه به این ساختار ، ساختار از هم گسیخته اطلاق می شود.

ساختار :
نانو رس ها شامل صفحاتی کوچک و نا منظم با ضخامتی در حدود ۱ نانو متر و قطر ۱۰۰ نانو می باشند . ساختار کریستالی آنها عمدتا شامل ماختار باصطلاح T-O-T می باشد . دو لایه نازک از اتم سیلسیم ( چهار وجهی ) ، یک لایه ی آلومینیوم ( هشت وجهی ) را احاطه می کنند . اساسا این ساختار سه قسمتی یک لایه از نانو رس را نشان می دهد .

 تک لایه های خود انباشته :
پتانسیل بزرگ SAM ها به طبیعت مدولارشان و تنوع گسترده ای از واحدهای ساختمانی قابل دسترس به منظور مونتاژ کردن آنها ، بر می گردد . وجود تعداد عجیبی از ترکیب این بخش های اصلی ، امکان هر نوع سطحی با هر نوع کاربردی را فراهم می کند .
به طور کلی خصوصیات الکترونی SAMها به طول زنجیره و ترکیب مولکولی آنها وابسته است . SAMها می توانند یک هدایت الکتریکی کمی ( برای مثال یک گروه آلی ) از خود نشان دهند ولی آنها ، عایق الکتریکی خوبی هستند . در اثر گسترده ی وسیعی از مولکولهای سازنده ی SAM و خصوصیات نوری متنوع ، تعداد زیادی از SAM ها به همراه خصوصیات نوری مطلوب قابل دسترس است . معمولا با افزایش دمای یک تک لایه ی خودمونتاژی ، اتفاقاتی مانند انتقال فاز جامد – جامد، انتقال فاز مایع – جامد ، واجذبی و تفکیک مولکولها رخ می دهد .
SAMها در علم سطح ( ضدخوردگی ، روان کننده) ، علم مواد ( چسبندگی ) و زیست فناوری ( فیلتر کردن ، سطح مشترک آلی –آبی ) به کار می روند .
ساختار :
تنوع موثر SAMها از طبیعت مدولار مولکولهای مجزا سر چشمه می گیرد . قسمت هایی از مولکول به طور واضح قابل تشخیص است و می تواند انتخاب شود تا اثر مطلوب بدست آید . گرههای ابتدایی مختلف به عنوان عامل مهار کننده به سطح های مختلف به کار می رود . ازدیاد اسکلت مولکولی اجازه ی افزایش خواص سطحی مناسب را می دهد . گره انتهایی ، عاملیت هایی را برای برهمکنش های مسخصی با مولکول ها یا سطوح دیگر تامین می کند.
انواع :
تنوع زیاد SAMها از طبیعت مدولار مولکولهای مجزا سر چشمه می گیرد . بخشی از مولکول به طور واضح تشخیص داده می شود و می تواند برای تاثیر مطلوبی انتخاب شود . گروههای ابتدایی مختلف ، محکم شدن به سطح های مختلف را امکان پذیر می کند . ازدیاد اسکلت مولکولی به خواص مکانیکی و الکتریکی مناسب سطح کمک می کند . گرههای انتهایی ، برای عاملیت به کاربرده می شود.
خواص :
تک لایه های خود مونتاژی (SAMS)تک لابه هایی از مولکول های آلی هستند که به طور شیمیایی بر روی سابستریت های جامد جذب شده اند . مولکولهای دو گانه دوست ( مولکول های آلی در بیوشیمی بوده که هم گروه آبدوست و هم آبگریز دارند ) تک لایه ای را تشکیل می دهند که شامل سر قطبی آلکیلی بلند ( اسکلت ) و نیز حاوی گروه عاملی می باشد .
تهیه SAMها اغلب به وسیله ی تکنیک های بر پایه ی محلول انجام می شود . از روش ته نشینی با بخار نیز می توان استفاده کرد اما کنترل بر روی ساختار تک لایه کم میباشد .
زمانیکه اسکلت و گروه ها انتهایی مولکول SAM به صورت انتخاب شده باشد ،SAMها بر اساس نوع پیوند بین مونتاژ مولکولی و سابستریت تقسیم بندی می شوند .
دو نوع SAM وجود دارد که بیشتر از همه مورد استفاده قرار میگیرد : سیستم های بر پایه ی تیول بر روی سطح فلز ( برای مثال Au Ag Cu Hg ) و ساختارهای بر پایه ی سیلان بر سطح اکسیدهای فلزی ( غیر فلزی ) ( برای مثال AL2O3 TiO2 SnO2 SiO2 , شیشه ) اسید های پر چرب بر روی اکسیدهای فلزی و آلکیل فسفوتیک اسیدها بر روی سطوح فلزات نیز از دیگر موادری می باشند که تحقیقاتی بر روی آنها انجام شده است .
به طور بالقوه SAMها در طراحی مدولار و در انواع گروه های عاملی انتهایی کاربرد دارند .

نانو | مقاله نانو | آئروژل ها
امتیاز دهید