شکل(۳-۵) تصویر SEM از گرافن اکسید ۵۴
شکل(۳-۶) تصویر SEM 6-آمینو اوراسیل ۵۵
شکل(۳-۷) جذب یونهای فلزی توسط برهم کنش های الکترستاتیک روی سطح GO 56
شکل(۳-۸) تصویری از جذب یون های فلزی توسط جاذب ۵۸
فصل اول
مروری بر پیشینه پژوهش و
تحقیق
۱-۱- مقدمه
امروزه نانو تکنولوژی در پیشبرد دانش بشری جایگاه ویژهای یافته و اکتشافات حوزه ی نانو به علوم فیزیک و شیمی جان تازه می بخشد. علم و فناوری نانو توانایی به دست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانو متری و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است و در واقع رویکرد جدید در تولید فراورده های مورد نیاز انسان می باشد. به نظر می رسد که علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند. صدها سال است که شیمی دانان از تکنیک های در کار خود استفاده می کنند که بی شباهت به تکنیک های امروزی نانو نیست.
مسیر تحول و شکل گیری علم نانو به شکل امروزی، با کشف محلول کلوئیدی طلا در سال ۱۸۵۷ توسط فارادی آغاز شد و سال ۱۹۵۹، فاینمن ایدهی«فضای زیاد در سطوح پایین»را برای کار با مواد در مقیاس نانو مطرح کرد در سال ۱۹۷۴ برای اولین بار واژهی فناوری نانو توسط تانیگوچی بر زبانها جاری شد و در دهه ی ۱۹۸۰ این ایده به گونه ای وسیع تری توسط دکتر درکسلر مورد بررسی قرار گرفت.
۱-۲- مفهوم نانو[۶]
نانو یک پیشوند یونانی به معنای کوتوله است. یک نانومتر مقیاسی معادل یک میلیاردم متر(m9-10) می باشد، که نسبت به قطر موی سر انسان که یک دهم میلی متر است، صد هزار بار کوچکتر است[۱،۲[. مواد در مقیاس نانو، موادی را شامل می شود که ابعادشان در سطع کمتر از یک میکرون است. این اندازه تقریباً پهنایی معادل ۳ تا ۴ اتم می باشد. خواص مواد با چنین ابعاد و اندازه هایی، با مواد متعارف، اساساً متفاوت بوده و به همین لحاظ تحقیقات در حوزه ی نانو مواد،[۷] روز به روز فعال تر می شود]۳[. از آنجا که خواص مواد قویاً به اندازه ی اجزای تشکیل دهنده و به عبارتی ریزدانه ها وابسته است، موادی که ریزدانه های آنها در مقیاس نانو طراحی می شوند از کیفیت نوینی برخور دارند که در مواد معمولی یافت نمی شود]۴]. اهمیت این مقیاس طولی به این مفهوم بر می گردد که از دیدگاه مکانیک کوانتومی، خاصیت موجی الکترون های داخل ماده و تقابل اتم ها با یکدیگر، از جابه جایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می پذیرد[۶،۵[.
۱-۳- فناوری نانو چیست؟
نخستین کسی که واژه ی فناوری نانو[۸] بر زبانش جاری شد نوریا تانیگوچی[۹]، استاد دانشگاه علوم توکیو بود که در سال ۱۹۷۴ این واژه را برای توصیف ساخت مواد دقیقی که تولرانس ابعادی آنها در حد نانو متر است، به کار برد]۸،۷٫[ فناوری نانو عبارت از کاربرد ذرات در ابعاد نانو است. به بیان دیگر توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی، اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می شود[۹،۸ .[دست کاری هوشمندانه و کنترل هدفمند مواد در مقیاس اتمی هدف عمده ی فناوری نانو تلقی می شود[۱۰]. لذا فناوری نانو یک رشته جدید محسوب نمی شود، بلکه رویکرد جدید در تمام رشته‌هاست[۹].
یکی از ویژگی های مهم نانو فناوری، جنبه ی چند رشته ای آن است. به عبارتی، برای درک مفاهیم پایه ای و تدوین قوانین در مقیاس نانو تقریباً به تمام علوم نیاز است. به عنوان مثال به علم زیست شناسی نیاز است؛ زیرا اولاً محصولات نانو فناوری به شدت از سیستم های زیستی تبعیت می کنند، و ثانیاً محصولات نانو کاربردهای چشم گیری در زیست پزشکی دارد. علم فیزیک مورد نیاز است، زیرا دنیای نانو، دنیای تابع موج، تونل زنی کوانتومی و کشف نیروهای اتمی ناشناخته است علم شیمی مورد نیاز است، زیرا روش های پیوند مولکولها با هم دیگر و چگونگی ترکیب مواد را به ما می آموزد.
تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد، در این میان مؤسسه‌ی پیشگامی ملی فناوری نانو در آمریکا[۱۰]-که نهاد دولتی متولی این فناوری در آن کشور است-تعریفی را برای فناوری نانو ارائه می دهد که سه اصل زیر را در برمی گیرد:
تحقیق و توسعه ی فناوری در سطوح اتمی، مولکولی با ماکرومولکولی(ابر مولکولی) در مقیاس اندازهای در حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر]۱۰[.
ساخت و به کارگیری ساختارها، ابزارها و سیستم هایی که به علت داشتن ابعاد کوچک یا متوسط خواص و عملکرد نوینی دارند.
توانایی کنترل یا دست کاری در مقیاس اتمی]۸،۷ .[
۱-۴- چرا نانو فناوری؟
شاید این سؤال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانو متری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن نهاده شده است؟ آنچه باعث شکل گیری نانو فناوری شده است، ظهور و خواص بی نظیر در این مقیاس است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار تودهای ماده غلبه می کند. در نتیجه برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می شود.
با کوچکتر شدن مقیاس مواد، نسبت سطح به حجم افزایش می یابد. بنابراین، نیروهای سطحی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. در حقیقت در این مقیاس قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده از جمله نقطه ذوب، خواص مغناطیسی، خواص الکتریکی و حتی رنگ مواد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت. نسبت سطح به حجم بالا، سبب افزایش واکنش پذیری نیز خواهد شد، و مواد در مقیاس نانو، واکنش پذیرتر می باشند. هم چنین کاتالیزورهایی با کارایی بالاتر خواهیم داشت.
۱-۵- اهمیت فناوری نانو
فناوری نانو رویکردی جدید به علم و فناوری و پژوهش است به عبارت دیگر نگاهی بنیادی از مقیاس مولکولی به دنیای اطراف است.
تحلیلگران بر این باورند که فناوری نانو، فناوری زیستی[۱۱] و فناوری اطلاعات[۱۲] سه قلمرو علمی هستد که انقلاب سوم صنعتی را تشکیل می دهند. مهمترین عامل و محرک اصلی رشد فناوری نانو، سود اقتصادی آن می باشد. این رویکرد جدید ریشه در پنجاه سال گذشته دارد و در علوم فیزیک و شیمی ردپای آن دیده می شود]۱۱[. در فناوری نانو قادر به تولید ساختارهایی هستیم که در طبعیت موجود نیست]۱۲[.
علم نانو و فناوری نانو، اطلاعاتی را پیرامون کنترل اندازه ی ساختارهای نانو، توزیع اندازه‌ی این مواد و ترکیبات و نحوه‌ی چیدمان آنها ارائه می دهد. برخی از مزایای فناوری نانو، تولید مواد قویتر و کاهش هزینه های تولید است. تفاوت اصلی فناوری نانو با سایر فناوریها، در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرد و معیار اصلی آن عناصر پایه است.
عناصر پایه همان عناصر نانو مقیاسی می باشند که خواص شان در حالت نانو در مقایسه با مقیاس بزرگتر تفاوت دارد. مثلاً به دلیل توسعه ی خواص ویژه ی پودرهای بسیار ریز شیمی سطح؛ نظیر تراکم، مقاومت، خواص نوری و واکنشهای سینیتکی؛ تقاضای این پودرهای ریز در حوزه ها و صنایع مختلفی مانند مواد سرامیکی از جمله خواص جالبی که نانو ذرات دارند این است که در رنگهای مختلف یافت می شوند. نانو ذرات طلا بسته به اندازه خود، می توانند نارنجی، ارغوانی، قرمز، یا آبی متمایل به سبز به نظر برسند، اما وقتی این نانو ذرات به هم متصل می شوند رنگشان زرد تبدیل می شود یا محلولهای کلوئید تیتانیم در رنگهای مختلف وجود دارد.
۱-۶- تفاوت فناوری نانو با فناوریهای دیگر
در فناوری نانو تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و… تغییر می یابد.
در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر بیان نماییم، می توانیم وجود«عناصر پایه»را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.
۱-۷- طبقه بندی نانو تکنولوژی
۱-۷-۱-Wet nanotechnology
مطالعه سیستم های بیولوژیکی و سیستم هایی که محیط اطراف شان بر مبنای آب است. ساختارهای نانومتری که می توان مثال زد.
الف)مواد ژنتیکی
ب)غشاءها
ج)آنزیمها و سایر اجزای سلولی
۱-۷-۲- Dry Nanotechnology
در این نوع در سطح علوم دیگر مثل فیزیک و شیمی مطرح است. مثل ساختارهای مولکول کربن.
۱-۷-۳- Nano computational
نانو محاسبات، مدل سازی و شبیه سازی ترکیبات نانو متریک محاسبه و پیش بینی عملکرد ساختارهای به وجود آمده می باشد.
ارتباط نانو با علوم دیگر مثل شیمی، فیزیک، علوم مهندسی و بیولوژیکی و زیر شاخه‌هایشان را می توان به صورت فلوچارت شکل(۱-۱) زیر نمایش داد.
شکل(۱-۱) ارتباط نانو با علوم دیگر
۱-۸- دسته بندی مواد در فناوری نانو
مواد در مقیاس نانو دارای یک بعد(پوششها و لایه ها) دو بعد(نانو سیم و نانو تیوب) و سه بعد(کلوئیدها، کوانتوم دات که ذرات تشکیل دهنده نیمه هادی‌ها هستند و نانو کریستالین ها با دانه بندی) هستند و در مقیاس نانو به دسته های زیر قابل تقسیم هستند:
۱-۸-۱- نانو لایه
۱-۸-۲- نانو پوشش
۱-۸-۳- نانو خوشه
۱-۸-۴- نانو سیم
۱-۸-۵- نانو لوله
