برای تعیین اندازه و شکل نانو ساختارها از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می شود. این روش اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانو ساختاری از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا(High-Resolution) استفاده می شود. علاوه بر تعیین شکل و اندازه ذرات به وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری با بهره گرفتن از پراش الکترون و سایر سازوکارهای موجود در برخورد الکترون با ماده، برخی ویژگیهای دیگر مواد نانو ساختاری مانند ساختار بلوری و ترکیب شیمیایی را می توان به دست آورد.

۱-۹-۵- در میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)
همانند میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM)، یک پرتوی الکترونی به نمونه می تابد. در نتیجه بعضی قسمت ها نظیر تفنگ الکترونی، عدسی های متمرکز کننده و سیستم خلآ، درهر دو دستگاه مشابه است. اما روش تشکیل تصویر و نحو بزرگنمایی کاملاً متفاوت است. علاوه بر این، TEM اصولاً برای مطالعه ساختار نمونه های حجیم در سطح یا نزدیکی سطح، استفاده می شود(توپولوژی). درک این نوع تصویر بسیار آسانتر از تصویر الکترون عبوری است. در این پایان نامه از این روش برای کارهای آزمایشگاهی استفاده شده است.
۱-۱۰- گرافن(Graphene)
صفحات گرافن از کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن تشکیل می شوند. صفحات گرافن به عنوان یکی از آلوتروپهای کربن در یک شبکه شش وجهی(لانه زنبوری) با فاصله پیوند کربن-کربن در گرافن حدود ۱۴۲/۰ نانومتر است. صفحات گرافن از کنار هم قرار گرفتن اتم های کربن در شبکه های شش وجهی تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با ۳ اتم کربن پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با ۱۲۰ درجه می باشد. در این حالت اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی های منظم را ایجاد می کنند. البته این ایده آل ترین حالت یک صفحه ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می کند که در آن پنج ضلعی ها و هفت ضلعی هایی نیز ایجاد می شود. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد(اوربیتال p عمود بر صفحه). این پیوند مکان مناسبی برای قرار گیری برخی گروه های عاملی و هم چنین اتم های هیدروژن است. پیوند بین اتم های کربن کووالانسی بوده و بسیار محکم است.
بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست(برهم کنشهای - بین سطوح). این پیوند بسیار ضعیت است. بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند.
در ابعاد نانومتر، چند پارامتر مهم وجود دارد که تأثیر بسیاری بر خواص مواد می گذارد. ازجمله پارامترهای مهم اندازه و شکل فیزیکی نانو مواد و نحوه پیوندهای بین اتمی میان آنها می باشد.
در مورد نانو لوله های کربنی، پارامترهایی مانند طول، قطر، نحوه ی چینش اتم ها در ساختار نانو لوله، تعداد دیواره ها، نقص های ساختاری و گروه های عاملی موجود بر روی نانو لوله، از جمله خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که در تعیین خواص آنها نقش دارند. یک نانو لوله، همانطور که از نامش بر می آید، یک استوانه ی تو خالی با قطری در حد نانو متر است. طول هر نانو لوله می تواند از چند نانومتر تا چند میکرو متر باشد. اگر یک نانو لوله‌ی تک دیواره را در نظر بگیریم، با برش دادن دیواره ی آن در راستای طول نانو لوله، یک صفحه از اتم های کربن به نام گرافن به دست می آید. شکل(۱-۳)[۱۸].
شکل(۱-۳) برش دادن دیواره‏ی نانولوله های کربنی در راستای طول نانولوله[۱۹].
گرافن ورقه ای دو بعدی(۲D) از اتم های کربن می باشد که اتم ها با هیبرید sp² به هم متصل شده اند[۲۳،۲۰].گرافن جدیدترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد، که شامل فولرن به عنوان نانو ماده ی صفر بعدی(۰D)، نانو لوله های کربنی به عنوان نانو مادهی یک بعدی(۱D) و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی(۳D) می باشد.شکل(۱-۴)]۲۴،۲۳].
شکل(۱-۴) ساختار اتمی صفحه گرافن در این شکل اتم‏ های کربن با نقاط سیاه و پیوندها با نقطه چین نمایش داده شده‏ اند[۱۸].
گرافن تک لایه، ساختار زیر بنایی برای ساخت ساختارهای کربنی می باشد که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده های سه بعدی گرافیت را تشکیل می دهند. بر همکنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله بین صفحه ای ۳۳۵/۰ نانو متر می باشد. شکل(۱-۵) اگر تک لایه گرافنی حول محوری لوله شود، نانو لوله کربنی شبه یک بعدی و اگر به صورت کروی پیچانده شود فلورن شبه صفر بعدی را شکل می دهد(شکل۱-۵)]۲۵[.
شکل(۱-۵) فرمهای مختلف کربن گرافیتی[۲۶].
در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک اوربیتال از نوع p در خارج از صفحه دارد. این اوربیتال مکان مناسبی برای پیوند با برخی گروه های عاملی و همچنین اتم های هیدروژن است. پیوند بین اتم های کربن در صفحه کووالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می رود که نانو لوله های کربنی نیز استحکام زیادی داشته باشند. گرافیت نیز که یک ماده پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و تشکیل یک ساختار منظم تشکیل می شود. همانطور که می دانیم، گرافیت بسیار نرم است. آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آنهاست. از آنجا که این پیوندها نسبت به پیوندهای کوالانسی بسیار ضعیف می باشند بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل گرافیت(نوک مواد سیاه) نرم است]۱۸[. لایه های گرافن از ۳ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه) (Few Layer Graphene و بین ۱۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیمThick) (Graphene و یا نانو بلورهای نازک گرافینی می نامند]۲۸،۲۷[. خصوصیت بارز این لایه ها این است که از فضای بین آنها بعنوان trap استفاده می شود(شکل۱-۶).
شکل(۱-۶) ترکیبات بین لایه ای گرافیت(graphite intercalation compounds)[29].
همانطور که قبلاً گفته شد گرافن تک لایه به عنوان یک ورقه دو بعدی از اتم های کربن که به صورت شبکه ای شش ضلعی کنار هم قرار گرفته اند تعریف شده است[۳۰] گرافن دارای هیبرید sp² می باشد و اتم های کربن سه پیوند قوی کووالانسی() در صفحه تشکیل می دهد که ساختار شش ضلعی را تشکیل می دهند و همچنین دارای یک اوربیتال عمود بر صفحه می باشند که تشکیل پیوندهای خارج از صفحه را می‌دهند. این پیوندها می توانند بر همکنشی بین لایه های مختلف گرافن را در گرافن چند لایه کنترل کنند[۳۰].
۱-۱۱- کاربردهای گرافن
انواع مختلف گرافن شامل یک لایه، دو لایه، چند لایه، دارای کاربردهای بالقوه در زمینه های مختلف می باشند الکترون ها در گرافن نسبتاً آزادانه حرکت می کنند. همچنین گرافن می‌تواند به یک تک مولکول گاز واکنش نشان بدهد و در نتیجه برای ساخت ماده ردیاب در حسگرها از جذابیت زیادی برخودار است[۳۱]. بنابراین گرافن می توانند کاربردهای مختلفی داشته باشد[۳۲].
۱-۱۲- ساختار الکترونی گرافن
ساختار الکترونی گرافن بدین صورت است که در سطح آن اتم های کربن دارای اوربیتال هیبریدی sp² بوده و با سه اتم مجاور پیوند محکم کووالانسی یگانه برقرار می کند. اما الکترون چهارم باقیمانده دارای اوربیتال های عمود بر سطح بوده که بالا به پائین سطح دو لپ داشته و هیبریداسیون این بخش های فضایی از تمامی سطح گرافین عبور می کنند[۳۳].
وقتی که به شکل گرافن نگاه می کنیم در می یابیم که گرافن با ساختاری مثل قفس سیمی، بلوک سازنده ی همه موارد گرافیتی و در واقع همه‌ی ساختارهای کربنی در مقیاس نانو است(شکل۱-۶).
گرافیت، فولرین و نانو لوله ها در نظم ساختار اولیه کاملاً مشابه گرافن هستند. شرایط مرزی گرافن براساس نظم کربن ها در لبه به صورت زیکزاگ،^[۱۷] آرمیچیر^[۱۸] و زیگزاگ-آرمچیر^[۱۹]مشخص می شود.
شکل(۱-۶) ساختارهای گرافیتی کربن[۳۴].
۱-۱۳- کاربری محیط زیست
آلودگی محیط زیست و مواجه شدن انسان با یونهای فلزات سنگین مثل Pb²⁺/Zn²⁺/Cu²⁺ /Cd²⁺ /Cr²⁺ در آبهای سطحی در دهه های اخیر بخاطر افزایش استفاده از فرایندهای صنعتی زیاد شده است. یونهای فلزات سنگین در فاضلاب عامل مشکلات بسیار زیاد زیست محیطی گردیده است و باعث توجه گسترده به این موضوع شده است حتی مقدار بسیار کم این فلزات در آب باعث سمیت می شود. به علاوه قوانین سخت گیرانه باعث شده تا دانشمندان به دنبال راهی برای حذف این یونها فلزات سنگین باشد. بنابراین بازیافت، تشخیص و حذف این فلزات سنگین از دو منظر زیست محیطی و اقتصادی بخصوص در مورد فلزات سمی حائز اهمیت است. اخیرا از تکنولوژی های مختلفی مثل تعویض یون، رسوب دادن شمیایی، تبخیر، جذب، اسمز معکوس و الکترو شیمی برای جدا سازی یونهای فلزات سنگین استفاده شده است. در استفاده از این روشها محدویت هایی مثل انتخاب پذیری کم، ظرفیت پایین برای جمع آوری یونهای فلزی و تولید ترکیبات سمی دیگر وجود دارد. علی رغم این نواقص، کارایی این روشها از لحاظ اقتصادی مهم می باشد که این کارایی و کاربرد آنها به تمایل بین جاذب و آلاینده های هدف بستگی دارد .
ورود یک و یا چند ماده شیمیایی، آلی، مواد معدنی و یا ورود مواد زائد جامد به درون آب ناشی از فاضلاب های صنعتی، شیمیایی، انسانی، کشاورزی، خانگی، بیمارستانی و… باعث آلودگی آب می شود که بستگی به مقدار آلودگی، شدت و حجم آن دارد. آلودگی می تواند از یک منبع و یا چندین منبع با هم باشد مانند ورود فاضلاب یک کارخانه که علاوه بر داشتن انواع آلودگی های صنعتی، حاوی آلودگی های انسانی نیز است.
بدترین نوع آلودگی به ترتیب شدت آلودگی عبارتند از:
-آلودگی های ناشی از مواد رادیواکتیو
-آلودگی های بیمارستانی
-آلودگی های صنعتی
-آلودگی های کشاوزی
-آلودگی های انسانی
گرافن از جمله نانو مواد کربنی دو بعدی است که در سالهای اخیر جذابیت خاصی پیدا کرده است این ساختار دو بعدی متشکل از تک لایه اتم های کربن sp² است و دارای خواص فیزکی مثل رسانایی الکتریکی زیاد، پایداری حرارتی زیاد و قدرت مکانیکی عالی است. آرایش هشت وجهی اتمهای کربن در صفحه گرافن برای برهم کنش های قوی با سایر مولکولها ایده ال است. اگر چه گرافن بخاطر بر هم کنش های واندروالس به سختی در حلال ها پراکنده شده و نامحلول است اما می تواند جاذب خوبی برای یون های فلزی و ترکیبات یونی باشد لذا عامل دار کردن صفحات گرافن برای این کاربردها بسیار مهم است]۳۵٫[گرافن اکساید^[۲۰](GO (از طریق اکسیداسیون گرافیت توسط پتاسیم پرمنگنات((KMnO₄ یا پتاسیم دی کرومات((K₂Cr₂O₇ مثل روش Hummer انجام می شود]۳۹،۳۵[ . فرایند اکسیداسیون با قرار گرفتن مقادیر زیادی از اتمهای اکسیژن روی سطح GO با اشکال اپوکسی، هیدروکسیل و گروه های کربوکسیل انجام می شود]۴۰٫[ در نتیجه فضای بین لایه ها از nm335/0 برای گرافیت به nm625/0 برای اکسید گرافن زیاد می شود]۴۱[. به علاوه اینکه اکسید گرافن بسیار آبدوست تراز گرافن است. گروه های عاملی حاوی اکسیژن دارای زوج الکترون تنها بوده و می توانند به یونهای فلزی کمپلکس شوند به علاوه سطح بسیار زیاد GO باعث افزایش ظرفیت جذب آن می شود.
اکسید گرافن با توجه به سطح بسیار زیاد و گروه های عاملی زیادی که دارد قدرت جذب بالایی دارد. لذا جاذب مناسبی برای یونهای فلزی مثل Pb²⁺/Zn²⁺/Cu²⁺/Cd²⁺/Cr²⁺ است]۴۲[. برای این منظور توجه به افزایش گروه های عاملی بر روی گرافن و اکسید گرافن افزایش پیدا کرده است]۴۶،۴۳[.
۱-۱۴- عوامل تأثیر گذار بر آب
افزایش جمعیت، مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه، نیاز به آب را افزایش داده، به دلیل محدود بودن منابع آبی، فشار بر ذخیره ها و منابع آب های زیر زمینی باعث کاهش کیفیت آب در این مناطق شده است.
تقاضای به غذا در این مناطق، استفاده از کودهای کشاورزی و سموم کشاورزی برای دفع آفات، مشکل دیگری برای کاهش کیفیت آب شده است. متأسفانه ایران یکی از بزرگترین وارد کنندگان سموم کشاوزری است. این سموم به دلیل داشتن مواد شیمیایی خطرناک از طریق آبیاری وارد خاک، محصول کشاورزی، منابع آبی(آبهای سطحی و زیر زمینی) می شوند و بر حسب کمیت و سمیت می توانند بر آب زیان وارد کنند.
۱-۱۴-۱- آلودگی شیمیایی
مواد غیر قابل حل مانند رنگ، کف که در مزه، بو، طعم، رنگ pH، هدایت الکتریکی، سختی و مواد شیمیایی درون آب مشکل ایجاد می کنند و بافت و ترکیب آب را به هم می زند.
۱-۱۴-۲- آلودگی بیولوژیکی
میکروارگانیسم ها که با عنوان پروتسیتا تقسیم بندی می شوند شامل گیاهان، جانوران، قارچ ها،^[۲۱] باکتری ها، پروتوزوآها^[۲۲] جلبک ها^[۲۳] می باشند که اغلب در فاضلاب ها یافت می شوند.
۱-۱۵- مواد معدنی در آب و اثرات آن ها
آلودگی آب ها بر اثر ورود فلزات سنگین می تواند ناشی از فعالیت های انسانی باشد مانند بهره برداری از معادن و سنگ ها و فلزات، استفاده صنعتی از ترکیبات فلزی مانند مصرف کروم در دباغی و یا نشت زباله های خانگی و صنعتی می تواند باعث ورود فلزات به منابع آبی باشد. در اثر رسوب معادن وجود لوله های سربی و ورود فلز به زنجیره غذایی، فلز سریع جذب بافت های موجود زنده شده و ذخیره می شود.
آلودگی فلزات سنیگن نه فقط در مقیاس محلی اثر دارد بلکه در مقیاس منطقه ای نیز اثر گذاشته و باعث آلودگی شده است.
۱-۱۵-۱- کادمیم
این یون فلزی عنصر مهمی برای فعالیت های بدنی نیست و از طریق فاضلاب های آبکاری، صنایع شیمیایی و استخراج معادن ممکن است داخل آب شود. در دود سیگار و دودهای آلودگی کننده هوا مقداری کادمیوم موجود است که باعث آلودگی محیط زیست خواهد گردید. در بدن بعضی موجودات آبی که برای انسان جنبه غذایی دارند به صورت تجمع دیده شده که مصرف این مواد غذایی باعث ورود یون کادمیوم به بدن انسان خواهد گردید. یک سوم یون کادمیوم ورودی به بدن در کلیه و بقیه آن در کبد ذخیره می شود و افزایش سن در این تجمع ها اثر مثبت دارد. مهمترین اثر مسمومیت کادمیوم انعقاد پروتئین های اوره و گرفتگی مجاری و لوله های کلیه و تسریع و تشکیل و پیدایش سنگ کلیه است. به علاوه کادمیوم قادر است گروه گوگردی آنزیم ها را از کار انداخته و بر قوای جنسی اثر بگذارد. اثرات مشابهی از یون کادمیوم بر کبد دیده شده است.
۱-۱۵-۲- سرب
سرب در پوسته زمین به میزان ۱۶ میلی گرم در کل موجود است و در تعدادی از مواد معدنی به میزان قابل توجه سرب دیده شده است. در صنایعی چون سرامیک سازی، باطری سازی، تهیه مواد ضد ضربه به سوختها، پوشش کابل ها، ساخت تسلیحات در رنگ ساختمانی به میزان وسیعی مورد مصرف قرار می گیرد.
مهمترین عامل آلودگی محیط از طریق سرب دوده خروجی وسایل نقلیه باشد که احتمالاً به علت مصرف سوخت های بدون سرب در آینده از میزان آلودگی آنها کاسته خواهد شد.
در مجموع می توان گفت که هیچ عنصری در سال های اخیر به اندازه سرب از نظر اثرات آن بر بدن مورد بررسی و تحقیق قرار نگرفته است و به جرات باید اذعان نمود که انسان از طریق سرب بیش از سایر عناصر موجود در محیط زیست مسموم شده است. تجربه نشان داده که خطر سرب حتی از عواملی چون DDT زیادتر است و میزان انباشتگی آن در بدن به اندازه ای رسیده که مسمومیت های کلینیکی آن ظاهر شده است. نوع مسمومیت سرب در بدن به کیفیت شیمیایی آن بستگی دارد و بیشتر اوقات سرب ورودی به بدن با کلسیم استخوان جانشین خواهد شد. از اثرات دیگر ورود سرب به بدن عقب ماندگی ذهنی و ممانعت از رشد طبیعی است. کم خونی، سوزش های تنفسی، تغییر رفتار کودکان توقف فعالیت اکثر آنزیم های بدن و خیلی موارد دیگر از عوارض حضور سرب در بدن است(جدول۱-۲).