تحصیل در فناوری نانو

 

تحصیل در فناوری نانو

ادامه مطلب

چگونه خواص نانولوله‏های کربنی را بررسی کنیم؟

 

ویژگی‏های نانولوله‏های کربنی (1)

 

 

 مقدمه
در مقاله‏ های قبلی از سری مقالات با عنوان «ساختار نانولوله‏های کربنی» و دیگر مقالات مرتبط با این نانومواد، با ساختار اتمی نانولوله‏های کربنی آشنا شدیم. روش تجسم ساختار نانولوله‏های کربنی از طریق لوله کردن صفحات گرافن، به دست آوردن مولفه‏های کایرال نانولوله‏ها، محاسبات ساختاری آن‏ها و برخی اطلاعات دیگر، از آموزه‏های این مقالات بودند. اکنون می‏دانیم که نانولوله‏های کربنی می‏توانند به شکل‏های مختلف وجود داشته باشند که در هر یک از آن‏ها ترتیب چیدمان اتم‏های کربنی با دیگری متفاوت است. در ادامه، در سری مقالات «ویژگی‏های نانولوله‌های کربنی» به بررسی خواص این نانومواد جذاب می‏پردازیم. در اولین مقاله از این سری، به نوعی دسته‏ بندی از روش‏های مختلف بررسی این مواد اشاره می‏کنیم.
در این مقاله صرف نظر از میزان کارآیی روش‏ها، تنها به کلیات روش‏ها اشاره شده است و تنها به این نکته که این روش‏ها بالقوه امکان مطالعه‏ی خواص نانولوله‏های کربنی را دارند، بسنده می‏کنیم. بدیهی است که در عمل، استفاده از این روش‏ها از پیچیدگی‏های خاصی برخوردار است و با چالش‏های بسیاری روبرو می‌شود. اشاره به این نکته لازم است که لازمه‏ی مطالعه‏ی این مقاله، صبر و حوصله‏ی خواننده است. همچنین توصیه می‏شود برای درک بهتر این مطالب که چکیده‏ای از انبوه اطلاعات موجود در این زمینه می‏باشند، حتما به مراجع اشاره شده در مقاله رجوع شود.
 

1. معرفی و طرح مسئله
   همان‏گونه که می‏دانیم، نانولوله‏های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن‏ها را روی هم بریزیم، مانند یک توده‏ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می‏آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی‏توانیم نانوله‏ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این‏ها آن قدر کوچک هستند که نمی‏توان آن‏ها را با استفاده از دستگاه‏های متداول نگه داشت. این سوال پیش می‏آید که با وجود این شرایط، چگونه می‏توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی کنیم؟

شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله‏های کربنی

برای روشن‏تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می‏کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته‏ی خواص مکانیکی قرار می‏گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروهایی که آن را از دو طرف می‏کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا پلیمرها، نمونه‏ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می‏کنند (مثال‏هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می‏شود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره‏هایی قرار می‏دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور کردن آن‏ها از یکدیگر وارد می‏شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می‏گیرد و در نهایت می‏شکند. از طریق محاسبه‏ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می‏توان استحکام ماده را به دست آورد.

شکل 2- نمونه‏های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده‏اند.

اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده‏اید، قطر نانولوله‏های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (شکل 3).

شکل 3- یک نانولوله‏ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.

• راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی

1. شبیه سازی
   مطمئنا در زمینه‏ی شبیه‏سازی مطالبی را مطالعه نموده‏اید. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی، شبیه‏سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم‏افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از زبان‏های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش‏های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‏ها را به شکل مقدماتی بررسی می‏کنیم.
   1-1) دینامیک مولکولی
   روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. در این روش، اتم‏ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می‏کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای کوچک داریم، می‏دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن‏ها بر یکدیگر نیرو وارد می‏کنند. برای مثال می‏توان فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4).

شکل 4- در مواد جامد، می‏توان فرض کرد که پیوند بین اتم‏ها مانند یک فنر عمل می‏کند و آن‏ها را در یک فاصله‏ی مشخص تعادلی از یکدیگر قرار می‏دهد.

با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن‏ها در هر لحظه، می‏توانیم حرکت تک تک آن‏ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می‏توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا حدودی به ویژگی‏های دنیای نانومتری پی ببریم. آیا می‏دانید این ویژگی‏ها کدام هستند؟
1-2) روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (در اصطلاح به آن «تیر» می‏گویند که معادل واژه‏ی beam در انگلیسی می‏باشد) در نظر بگیریم و اتم‏های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن‏ها بازی می‏کنند. به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می‏شناسند و می‏توانند با بررسی‏های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند یک سازه‏ی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

شکل 5- تصویری از یک نانولوله‏ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود

1-3) روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه‏ی اصول بسیار پیچیده‏ی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می‏توان روابط بین اتم‏های کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین اتم‏های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.
 

2. بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏های کربنی
   همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏اند نانولوله‏های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ AFM قرار متصل کنند و با کشش آن‏ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار جالب، نانولوله‏ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ی استحکام آن پرداختند.

 

3. بررسی کامپوزیت‏های حاوی نانولوله‏های کربنی
   همان‏گونه که در مقالات قبلی در مورد کامپوزیت‏ها و نانوکامپوزیت‏ها مطالعه نموده‏اید (مانند مقاله‏ی «ک مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)، می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله‏ها و زمینه‏های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته‏اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.
   هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده‏ی افزودنی یا پر کننده) متفاوت است. برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه‏ی استحکام ماده‏ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می‏افتد. بنابراین می‏توان این افزایش خواص را به حضور ماده‏ی افزودنی نسبت داد. برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می‏توان رابطه‏ی 1 را نوشت. در این رابطه f نماد کسر حجمی و σ نمایانگر استحکام است. اندیس‏های c، r و m نیز به ترتیب نماینده‏ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه می‏باشند.

رابطه‏ ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت‏ها

در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏گیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولوله‏های کربنی می‏پردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان می‏کنیم.

 منبع : باشگاه نانو

روشي نوين براي توليد انرژي الکتريکي

پژوهشگران دانشگاه مازندران، با پخش و تثبيت نانوذرات روي سطح الکترودها و اصلاح آنها، موفق به ارايه روشي ارزان براي آزادسازي هيدروژن شدند.

فلزات نجيب، نظير پلاتين مي‌توانند به عنوان کاتاليزور براي انجام فرايندهاي کاهش در پيل‌هاي سوختي عمل کنند، ولي قيمت بالاي اين فلزات، عامل محدودکننده در کاربرد آنها است. از اين رو، در سال‌هاي اخير، توجه محققان به اصلاح سطوح الکترودها و تهيه‌ي ارزان آنها به کمک فناوري نانو، معطوف شده‌است.

خانم صالحه اصغري، کارشناس ارشد شيمي تجزيه، براي کاهش مقدار مصرفي پلاتين، از نانوذرات پلاتين براي تهيه‌ي الکترود استفاده نموده‌است.

وي در گفتگو با بخش خبري سايت ستاد ويژه‌ي توسعه‌ي فناوري نانو گفت: «ابتدا فلز ارزان قيمت مس را در ابعاد نانو در سطح الكترود کربن شيشه‌اي اصلاح شده پليمري سنتز و تثبيت کرديم، سپس از طريق جابجايي گالواني نانوذرات مس با يون‌هاي پلاتين، نانوذرات فلزي پلاتين را تهيه و در سطح الکترود اصلاح شده‌ي پليمري پخش نموديم».

خانم اصغري در ادامه افزود: «مقدار نانوذرات پلاتين ترسيب شده در سطح الکترود در اين روش، بسيار کم است. در واقع با ترسيب کمترين مقدار پلاتين در سطح الکترود اصلاح شده‌ي پليمري، بيشترين استفاده‌ي تجزيه‌اي از آن حاصل گرديده‌است».

نتايج بررسي اين محقق ثابت کرده‌است که فيلم پلي(8- هيدروکسي کينولين) مي‌تواند به‌عنوان يک پيکره‌ي مناسب براي پيش تغليظ کردن يون‌هاي مس(II) و تثبيت نانوذرات مس در سطح الكترود عمل کند.

از سويي ديگر الکتروکاتاليز فرايند آزادسازي هيدروژن در سطح اين الكترود به روش ولتامتري چرخه‌اي بررسي شده‌است و نتايج حاکي از آن است که اين الكترود مي‌تواند به عنوان بستري مناسب براي الکتروکاتاليز فرايند آزادسازي هيدروژن عمل نمايد.

اين پژوهش مي‌تواند در صنايع مختلف نظامي و غيرنظامي، توليد انرژي‌هاي نو و در پيل‌هاي سوختي به عنوان روشي جديد براي توليد انرژي الکتريکي (تبديل مستقيم انرژي شيميايي مواد سوختني به انرژي الکتريکي) استفاده شود.

جزئيات اين کار -که بخشي از پايان‌نامه‌ي دوره‌ي کارشناسي ‌ارشد خانم صالحه اصغري است و با راهنمايي دکتر جهانبخش رئوف، مشاوره دکتر رضا اوجاني و همکاري خانم سحر رشيد نديمي انجام شده- در مجله‌يInternational Journal of Hydrogen Energy (جلد 35، صفحات 3944- 3937، سال 2010) منتشر شده‌است.

 

روشي نوين براي اندازه‌گيري هيدرازين

روشي نوين براي اندازه‌گيري هيدرازين

محققان دانشگاه تبريز، به کمک الکترودهاي اصلاح شده با نانوذرات نقره، موفق به اندازه‌گيري هيدرازين با هزينه‌ي کمتري شدند.

گزارش‌هاي موجود از مسموميت‌هاي حاد خوراکي با هيدرازين حاکي از آن است که خوردن حدود 20 تا 50 ميلي‌ليتر هيدرازين مي‌تواند مرگ‌آور باشد. سرطان‌زايي هيدرازين در جانوران آزمايشگاهي به اثبات رسيده‌است، ولي در مورد انسان، داده‌هاي کافي براي چنين ادعايي وجود ندارد. بدين ترتيب، اندازه‌گيري هيدرازين موضوع مهمي است که محققان تبريزي گام مهمي در اين جهت برداشته‌اند.

دکتر ميرقاسم حسيني، دانشيار دانشگاه تبريز، در گفتگو با بخش خبري سايت ستاد ويژه‌ي توسعه‌ي فناوري نانو با بيان اين مطلب که «ارزان‌ترين، ساده‌ترين و در عين حال دقيق‌ترين روش براي اندازه‌گيري هيدرازين، روش‌هاي الکتروشيميايي است»، افزود: «مشکل عمده در اندازه‌گيري هيدرازين با الکترودهاي جامد، وجود تمايل نسبتا زياد اکسيداسيون آن است. البته فلزاتي مانند طلا، پلاتين و نقره براي اکسايش آندي هيدرازين مناسب هستند اما به دليل محدوديت‌هاي اقتصادي، استفاده از اين فلزات در صنعت مقرون به صرفه نيست».

وي راه‌حل اين مسئله را استفاده از «اصلاح‌گرهاي سطح الکترود» دانست و اظهار داشت: «در اين راستا، در پژوهش حاضر از فلز تيتانيم به عنوان زيرلايه استفاده شده‌است».

دکتر حسيني در ادامه اذعان داشت: «تيتانيم فلز فعالي است که به سرعت در هواي معمولي، اکسيد مي‌شود و لايه‌اي غيريکنواخت و چسبنده از اکسيد تيتانيم روي سطح آن ايجاد مي‌شود. بنابراين اولين مرحله، برداشتن اين زيرلايه است که با استفاده از روش‌هاي مختلف، امکان‌پذير است. بعد از حذف زيرلايه از روي سطح تيتانيم، به کمک روش الکتروپليمريزاسيون، پوششي از پلي‌آنيلين و در ادامه نانوذرات نقره را روي اين پوشش پليمري ايجاد نموديم و در نهايت، فعاليت الکتروکاتاليستي آن را در فرايند اکسيداسيون الکتروشيميايي هيدرازين بررسي کرديم».

دانشيار دانشگاه تبريز نتيجه اين پژوهش را، تهيه‌ي الکترودي با مساحت سطح زياد، فعاليت الکتروکاتاليستي بالا و قيمت تمام شده پايين بيان کرد که در مقايسه با الکترود نقره، فعاليت الکتروکاتاليستي بيشتري دارد.

دکتر حسيني در پايان تاکيد کرد: «در ادامه نيز سعي داريم که با بررسي زيرساخت‌هاي موجود در کشور، اين کار را به مرحله‌ي تجاري‌سازي برسانيم. البته ناگفته نماند که حمايت سازمان‌هاي دخيل در اين مسير، لازم و ضروري است».

اين پروژه با همکاري آقاي محمدمحسن مومني هامانه انجام شده و جزئيات آن در مجله‌ي  MKS است. '> MKS است. '> J Mater Sci (جلد 45، صفحات 3310- 3304، سال 2010) منتشر شده‌است.