انواع مواد توده ای نانوساختار
در مقاله «نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی» نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی معرفی شد؛ در این مقاله نانوساختارهای توده‌ای (بالک) یا با نام دیگر نانوساختارهای سه‌بعدی معرفی می‌شود. این نانوساختارها شامل مواد نانوکریستالین، مواد مزومتخلخل و نانوکامپوزیت‌ها، آرایه‌های روی سطح و نانوساختارهای منظم کریستالی هستند. هدف این مقاله معرفی اجمالی و دسته‌بندی شده انواع نانوساختارهای توده‌ای است. بحث‌های مفصل درباره سنتز، خواص و کاربردهای هر کدام در مقالات مربوطه خواهد آمد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- معرفی
2- نانوکامپوزیت‌ها
3- نانوساختارها بر روی سطح
4- مواد نانوکریستالین
5- مواد نانومتخلخل
6- نانو ساختارهای منظم کریستالی
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
1- معرفی
در مقاله «نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی» سه نوع نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی مشخص شدند، اما غیر از آن‌ها مواد دیگری نیز وجود دارند که گر چه ماده بالک (منظور از بالک ماده توده‌ای، یعنی ابعاد میکرون و بزرگ‌تر است) و حتی قابل دیدن است ولی ساختارش به نوعی با نانو مرتبط است و این، تفاوت آن با مواد بالک غیرنانویی است. ما این مواد جدید را مواد نانوساختار بالک، یا مواد سه‌بعدی نانوساختار می‌نامیم. به طور مثال، در مواد مزومتخلخل ابعاد ماده غالباً خیلی بزرگ‌تر از نانوست ولی دارای تخلخل‌هایی در محدوده نانو است.
ذکر این نکته لازم است که حتی بعضی محققان نظرشان بر این است که فقط برای مواد سه بعدی نانوساختار نام “نانوساختار” استفاده شود و برای مواد 0 و 1 و 2 بعدی فقط کلمه نانومواد استفاده شود؛ چون در این موارد ساختار معنای خاصی ندارد و خود ماده ابعادش نانومتری است ولی به هر حال کلمه نانوساختار به طور گسترده برای همه نوع نانومواد استفاده می‌شود و ما نیز در این مقالات کلمه نانوساختار را برای همه ابعادی‌ها استفاده کرده‌ایم.
ذکر این نکته لازم است که حتی بعضی محققان نظرشان بر این است که فقط برای مواد سه بعدی نانوساختار نام “نانوساختار” استفاده شود و برای مواد 0 و 1 و 2 بعدی فقط کلمه نانومواد استفاده شود؛ چون در این موارد ساختار معنای خاصی ندارد و خود ماده ابعادش نانومتری است ولی به هر حال کلمه نانوساختار به طور گسترده برای همه نوع نانومواد استفاده می‌شود و ما نیز در این مقالات کلمه نانوساختار را برای همه ابعادی‌ها استفاده کرده‌ایم.
2- نانوکامپوزیت‌ها
نانومواد ابعادی (0 و 1 و 2) در هنگام کاربرد از چند حالت خارج نیستند یا درون محیطی (مایع یا جامد) پراکنده شده‌اند، یا بر روی سطحی قرار گرفته‌اند، یا با نانوماده دیگری ترکیب شده‌اند. در حالتی که در محیط مایع پراکنده شده باشند به مجموعه نانومواد و مایع، کلویید گفته می‌شود. کلوییدها به طور گسترده برای سنتز نانومواد استفاده می‌شوند و بیشترین استفاده مستقیم را در پزشکی دارند و استفاده مستقیم آن در مهندسی کمتر است. کلوییدها در حالات خاصی می‌توانند یک ساختار سه بعدی منظم ایجاد کنند ولی اهمیت آن در مقایسه با دیگر نانوساختارهای سه بعدی به مراتب کمتر است بنابراین در اینجا پوشش داده نمی‌شود. کریستال‌های مایع و بعضی مایسل‌ها نیز گروه دیگری از سه بعدی‌ها در مایع هستند که در صفحات نمایشگر LCD کاربرد دارند. به طور کلی تنوع و اهمیت ساختارهای سه بعدی در مایعات کمتر از جامدات است.
در حالتی که نانومواد ابعادی در یک جامد پراکنده شده باشند، نانوکامپوزیت‌ها را می‌سازند که یکی از نانوساختارهای پُراهمیت بوده و حتی امروزه کاربردهای صنعتی فراوانی دارد. محیط پراکندگی می تواند پلیمر، سرامیک یا فلزات باشند و جنس نانومواد نیز می‌تواند هر کدام از این موارد باشد. شکل 1 یک نمونه نانوکامپوزیت را نشان می‌دهد.
نانومواد ابعادی (0 و 1 و 2) در هنگام کاربرد از چند حالت خارج نیستند یا درون محیطی (مایع یا جامد) پراکنده شده‌اند، یا بر روی سطحی قرار گرفته‌اند، یا با نانوماده دیگری ترکیب شده‌اند. در حالتی که در محیط مایع پراکنده شده باشند به مجموعه نانومواد و مایع، کلویید گفته می‌شود. کلوییدها به طور گسترده برای سنتز نانومواد استفاده می‌شوند و بیشترین استفاده مستقیم را در پزشکی دارند و استفاده مستقیم آن در مهندسی کمتر است. کلوییدها در حالات خاصی می‌توانند یک ساختار سه بعدی منظم ایجاد کنند ولی اهمیت آن در مقایسه با دیگر نانوساختارهای سه بعدی به مراتب کمتر است بنابراین در اینجا پوشش داده نمی‌شود. کریستال‌های مایع و بعضی مایسل‌ها نیز گروه دیگری از سه بعدی‌ها در مایع هستند که در صفحات نمایشگر LCD کاربرد دارند. به طور کلی تنوع و اهمیت ساختارهای سه بعدی در مایعات کمتر از جامدات است.
در حالتی که نانومواد ابعادی در یک جامد پراکنده شده باشند، نانوکامپوزیت‌ها را می‌سازند که یکی از نانوساختارهای پُراهمیت بوده و حتی امروزه کاربردهای صنعتی فراوانی دارد. محیط پراکندگی می تواند پلیمر، سرامیک یا فلزات باشند و جنس نانومواد نیز می‌تواند هر کدام از این موارد باشد. شکل 1 یک نمونه نانوکامپوزیت را نشان می‌دهد.
نانوکامپوزیت‌های با زمینه پلیمری پیشتازترین نانوکامپوزیت‌ها در زمینه کاربردی و صنعتی هستند. نانوکامپوزیت‌ها در واقع خواص ماده زمینه را بهینه می‌کنند. این خواص می‌تواند الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی، پزشکی و … باشد. البته کاربردهای مکانیکی و خواص شیمی-فیزیکی مثل نفوذپذیری و … در نانوکامپوزیت‌ها اهمیت زیادی دارد و خواص دیگر در درجه بعدی اهمیت قرار می‌گیرد. اهمیت نانوکامپوزیت‌ها به حدی است که بیان مطالب مربوط به آن در این مقاله امکان‌پذیر نیست.
3- نانوساختارها بر روی سطح
نانوساختارها در حالتی دیگر می‌توانند روی سطح قرار بگیرند. این نانوساختارها تقریباً نام خاصی ندارند. شکل 2 قرارگیری نانوساختارهای صفر و یک بعدی را بر روی سطح نشان می‌دهد. نانوساختارهای دو بعدی غالباً فقط به شکل لایه نازک بر روی سطح قرار می گیرند و تا جایی که نگارنده می‌داند نانوصفحات و نانوورق‌ها به شکل دیگری بر روی سطح قرار نمی‌گیرند.
اگر نانوساختارهایی که بر روی سطح قرار می‌گیرند منظم باشند آرایه‌ها (Arrays) را می‌سازند. آرایه‌ها را می توان به نوعی یک گروه دیگری از سه بعدی‌ها دانست، در حالی که حالت بی‌نظم موجود در شکل قبلی هیچ نامی ندارد و در دسته بندی سه بعدی نمی‌گنجد. در شکل 3 دو نمونه از آرایه‌ها یکی برای نانوذرات و دیگری نانوسیم‌ها آورده شده است. مطالب مفصل‌تری درباره آرایه‌ها مانند ابرشبکه‌ها و ارتباط با خودآرایی در مقالات دیگر بیان شده است.
4- مواد نانوکریستالین
گروه دیگری از نانومواد سه بعدی مواد نانوکریستالین یا مواد نانودانه‌ای هستند. در این مواد ابعاد دانه‌ها در محدوده نانومتری است. منظور از دانه چیست؟ در این باره در بخش بلورشناسی توضیحاتی ارایه شده است اما توضیح مختصری نیز اینجا ارائه می‌شود. می‌دانیم تمامی مواد از اتم‌ها و یون‌ها تشکیل شده‌اند و همه مواد (غیر از مواد آمورف) نظم اتمی (نظم کریستالی) مشخصی دارند؛ مثال ساده‌اش نمک طعام با فرمول NaCl است که وقتی مشاهده می‌شود شکل بلوری آن (همانند شکل 4 قسمت a) مشخص است، البته ممکن است بلورها ریز باشند و به راحتی قابل دیدن نباشند. این شکل بلوری حکایت از نظم درونی دارد؛ یعنی شکل بلوری به نظم اتمی یا یونی بستگی دارد. در شکل 4 بلور نمک و ساختار آن نمایش داده شده است. شکل a ذرات بلور نمک را که نشان می‌دهد و شکل‌های b و c به ترتیب ساختار یونی نمک و ساختار اتمی یک فلز مثل طلا، نقره و مس را نمایش می‌دهد.
با توجه به بحث بالا و اینکه همه مواد (غیر از مواد آمورف) دارای نظم هستند پس چرا شکل بلوری در خیلی مواد مثلاً فلزات دیده نمی‌شود. دلیل این اتفاق تغییر جهت نظم میکروسکوپی (نظم اتمی یا یونی) در طول یک قطعه ماده است. به این ترتیب که نظم میکروسکوپی در حوزه‌هایی به نام دانه (Grain) یا کریستالیت وجود دارد ولی وقتی از یک دانه به دانه مجاور می‌رویم جهت نظم تغییر می‌کند. توجه شود که نوع نظم در هنگام تغییر دانه‌ها عوض نمی‌شود بلکه فقط جهتش تغییر می‌کند. شکل 5 در این رابطه آورده شده است تا مطلب به خوبی روشن شود.
اصطلاحاً به موادی که فقط از یک دانه تشکیل شده باشند تک کریستال گویند. مواد تک کریستال اهمیت بیشتری در الکترونیک و اپتیک و مباحث تحقیقاتی علم مواد و شیمی-فیزیک دارند و کمتر در کاربردهایی که خواص مکانیکی و مانند آن مطرح است کاربرد دارند. مثال خیلی کاربردی الکترونیک و اپتیک، سیلیکون (سیلسیوم) تک کریستال است که برای ادوات الکترونیکی و سلول‌های خورشیدی کاربرد دارد.
اگر مواد دارای دانه باشند به آن‌ها مواد پلی کریستالین گویند. اگر در مواد پلی کریستال ابعاد دانه‌ها در محدوده نانومتری قرار داشته باشد به آن‌ها مواد نانوکریستالین گفته می‌شود. مواد نانوکریستال در شکل بالک آن بیشتر به دلیل خواص مکانیکی و تا حدودی شیمی فیزیکی و ساخت قطعه کاربرد دارند.
دانه‌بندی نه تنها در مواد با ابعاد بزرگ (بالک)، بلکه در نانومواد ابعادی (صفر، یک و دو بعدی) هم وجود دارد. مثلاً در صفر بعدی‌ها هر نانوذره خود می‌تواند از تعدادی دانه تشکیل شده باشد. درباره علت و چگونگی تشکیل دانه‌ها، مشابهت‌ها، ارتباطات و تفاوت‌های ابعاد دانه و ابعاد ذره در سنتز و آنالیز XRD، تعریف و اهمیت مرزدانه‌ها و … مطالب مهمی در مقالات مواد نانوکریستالین و … آورده می‌شود.
سنتز نانومواد ابعادی تک دانه (تک کریستال) اگر چه از سنتز تک کریستال مواد توده‌ای به دلیل ابعاد کوچک‌تر راحت‌تر است، ولی باز هم از سنتز نانومواد ابعادی پلی کریستال سخت‌تر است. به عنوان یک اصل برای استفاده از صفر بعدی‌ها، یک بعدی‌ها و دو بعدی‌هایی (مثل نانوصفحه و نانوورق)، حالت تک کریستال بهتر است ولی بسته به کاربرد، حساسیت روی این موضوع متفاوت است؛ به طور مثال در الکترونیک و اپیتیک حساسیت بیشتری در این زمینه وجود دارد.
برای لایه‌های نازک (یک نوع دیگر از دو بعدی‌ها) نیز همان مطالب بیان شده در بالا صدق می‌کند ولی در اینجا حتی موارد زیادی وجود دارد که لازم است ماده پلی کریستال باشد؛ به طوری که در خیلی موارد مثل حافظه مغناطیسی و حسگرهای گازی، دی الکتریک‌ها و خیلی خواص مکانیکی و … لازم است که لایه نازک نانوکریستالین باشد. لایه‌های نازک تک کریستال نیز کاربردهای فراوان خاص خود را دارند. موارد زیادی نیز وجود دارد که گرچه تک کریستال بهتر است ولی الزام شدیدی بر تک کریستال بودن ماده نیست.
اگر مواد دارای دانه باشند به آن‌ها مواد پلی کریستالین گویند. اگر در مواد پلی کریستال ابعاد دانه‌ها در محدوده نانومتری قرار داشته باشد به آن‌ها مواد نانوکریستالین گفته می‌شود. مواد نانوکریستال در شکل بالک آن بیشتر به دلیل خواص مکانیکی و تا حدودی شیمی فیزیکی و ساخت قطعه کاربرد دارند.
دانه‌بندی نه تنها در مواد با ابعاد بزرگ (بالک)، بلکه در نانومواد ابعادی (صفر، یک و دو بعدی) هم وجود دارد. مثلاً در صفر بعدی‌ها هر نانوذره خود می‌تواند از تعدادی دانه تشکیل شده باشد. درباره علت و چگونگی تشکیل دانه‌ها، مشابهت‌ها، ارتباطات و تفاوت‌های ابعاد دانه و ابعاد ذره در سنتز و آنالیز XRD، تعریف و اهمیت مرزدانه‌ها و … مطالب مهمی در مقالات مواد نانوکریستالین و … آورده می‌شود.
سنتز نانومواد ابعادی تک دانه (تک کریستال) اگر چه از سنتز تک کریستال مواد توده‌ای به دلیل ابعاد کوچک‌تر راحت‌تر است، ولی باز هم از سنتز نانومواد ابعادی پلی کریستال سخت‌تر است. به عنوان یک اصل برای استفاده از صفر بعدی‌ها، یک بعدی‌ها و دو بعدی‌هایی (مثل نانوصفحه و نانوورق)، حالت تک کریستال بهتر است ولی بسته به کاربرد، حساسیت روی این موضوع متفاوت است؛ به طور مثال در الکترونیک و اپیتیک حساسیت بیشتری در این زمینه وجود دارد.
برای لایه‌های نازک (یک نوع دیگر از دو بعدی‌ها) نیز همان مطالب بیان شده در بالا صدق می‌کند ولی در اینجا حتی موارد زیادی وجود دارد که لازم است ماده پلی کریستال باشد؛ به طوری که در خیلی موارد مثل حافظه مغناطیسی و حسگرهای گازی، دی الکتریک‌ها و خیلی خواص مکانیکی و … لازم است که لایه نازک نانوکریستالین باشد. لایه‌های نازک تک کریستال نیز کاربردهای فراوان خاص خود را دارند. موارد زیادی نیز وجود دارد که گرچه تک کریستال بهتر است ولی الزام شدیدی بر تک کریستال بودن ماده نیست.
5- مواد نانومتخلخل
دسته دیگری از نانوساختارهای بالک آن‌هایی هستند که خود ماده توده‌ای است ولی دارای تخلخل‌هایی در محدوده نانومتری است. مواد متخلخل تنوع ساختاری فراوان و اهمیت و کاربرد گسترده‌ای دارند. اندازه حفرات در مواد متخلخل بسیار مهم است؛ بر اساس تعریف آیوپاک به موادی که ابعاد تخلخل‌ها بین 2 تا 50 نانومتر باشد مواد مزومتخلخل (Mesoporous) گفته می‌شود. شکل 6 تصویر میکروسکوپی یک ماده متخلخل را نشان می‌دهد. اگر تخلخل‌ها زیر 2 نانومتر باشد ماده میکرومتخلخل و اگر بزرگ‌تر از 50 نانومتر باشد ماده را ماکرومتخلخل می‌نامند. با توجه به این تعریف مواد نانومتخلخل به مزومتخلخل‌ها نزدیک‌تر هستند ولی تا حدودی دو نوع دیگر را هم شامل می‌شوند. در این بخش مختصری درباره مواد متخلخل بیان شده است و مباحث کامل‌تر در مجموعه مقالات نانوساختارهای متخلخل در سایت آموزش وجود دارد.
دسته دیگری از نانوساختارهای بالک آن‌هایی هستند که خود ماده توده‌ای است ولی دارای تخلخل‌هایی در محدوده نانومتری است. مواد متخلخل تنوع ساختاری فراوان و اهمیت و کاربرد گسترده‌ای دارند. اندازه حفرات در مواد متخلخل بسیار مهم است؛ بر اساس تعریف آیوپاک به موادی که ابعاد تخلخل‌ها بین 2 تا 50 نانومتر باشد مواد مزومتخلخل (Mesoporous) گفته می‌شود. شکل 6 تصویر میکروسکوپی یک ماده متخلخل را نشان می‌دهد. اگر تخلخل‌ها زیر 2 نانومتر باشد ماده میکرومتخلخل و اگر بزرگ‌تر از 50 نانومتر باشد ماده را ماکرومتخلخل می‌نامند. با توجه به این تعریف مواد نانومتخلخل به مزومتخلخل‌ها نزدیک‌تر هستند ولی تا حدودی دو نوع دیگر را هم شامل می‌شوند. در این بخش مختصری درباره مواد متخلخل بیان شده است و مباحث کامل‌تر در مجموعه مقالات نانوساختارهای متخلخل در سایت آموزش وجود دارد.
انواع گوناگونی از مواد متخلخل با ترکیبات و ساختارهای مختلف وجود دارند؛ بعضی از معروف‌ترین آن‌ها عبارتند از: زئولیت‌ها، کربن فعال، چارچوب‌های آلی-فلزی، آئروژل‌ها و مواد نانوحفره‌ای اکسید آلومینیوم. کاربردهای گوناگونی نیز برای مواد متخلخل وجود دارد؛ به صورت فهرست‌وار برخی از مهم‌ترین این کاربردها عبارتند از: کاهش مقدار ماده و سبک شدن آن، عایق حرارتی و صوتی، نقش کاتالیستی و پایه کاتالیست، مبادله‌گر یونی، به عنوان ماده جاذب، جداسازی و نقش فیلتر در تصفیه آب و مانند آن، به عنوان ذخیره‌ساز و حامل برای مواد دارویی و کودها و گاز هیدروژن.
زئولیت‌ها دسته دیگری از مهم‌ترین مواد متخلخل با ترکیب آلومینوسیلیکاته (ترکیب اکسید سیلیسیوم-آلومینیوم) هستند که در طبیعت نیز انواع مختلفی از آن به وفور یافت می‌شوند. این مواد در دسته میکرومتخلخل‌ها قرار می‌گیرند ولی تحقیقات فراوانی برای ساخت مواد مزومتخلخل از آن‌ها نیز وجود دارد. تخلخل در این مواد، همان گونه که در شکل 7 دیده می‌شود، به دلیل ساختار اتمی (ساختار بلوری) است. دسته دیگری از مواد میکرومتخلخل چارچوب‌های آلی-فلزی است که به نسبت زئولیت‌ها جدیدترند. در این مواد می‌توان سایز تخلخل را بهتر از زئولیت‌ها تنطیم کرد. البته هر کدام از این دو کاربردهای خاص خود را دارند. هر دو گرچه در گروه میکرومتخلخل‌ها هستند ولی در حوزه فناوری نانو قرار می‌گیرند.
زئولیت‌ها دسته دیگری از مهم‌ترین مواد متخلخل با ترکیب آلومینوسیلیکاته (ترکیب اکسید سیلیسیوم-آلومینیوم) هستند که در طبیعت نیز انواع مختلفی از آن به وفور یافت می‌شوند. این مواد در دسته میکرومتخلخل‌ها قرار می‌گیرند ولی تحقیقات فراوانی برای ساخت مواد مزومتخلخل از آن‌ها نیز وجود دارد. تخلخل در این مواد، همان گونه که در شکل 7 دیده می‌شود، به دلیل ساختار اتمی (ساختار بلوری) است. دسته دیگری از مواد میکرومتخلخل چارچوب‌های آلی-فلزی است که به نسبت زئولیت‌ها جدیدترند. در این مواد می‌توان سایز تخلخل را بهتر از زئولیت‌ها تنطیم کرد. البته هر کدام از این دو کاربردهای خاص خود را دارند. هر دو گرچه در گروه میکرومتخلخل‌ها هستند ولی در حوزه فناوری نانو قرار می‌گیرند.
یکی از مزومتخلخل‌های معروف، سیلیکاهای متخلخل با نام MCM است. در این مواد تخلخل‌ها منظم هستند و توسط سورفکتانت‌ها ایجاد می‌شوند. آئروژل‌ها نوع دیگری از مواد متخلخل هستند که توسط خشک کردن ژل در شرایط فوق بحرانی در روش سل-ژل به‌دست می‌آیند (به مقاله سل-ژل مراجعه شود). آئروژل‌ها بسیار سبک بوده و عایق صوتی و حرارتی بسیار عالی هستند و بنابراین اهمیت زیادی دارند. آلومینیوم آندایز شده که با نام‌های AAO و AAM شناخته می‌شود نیز یکی دیگر از مواد متخلخل است. این ماده که از آندایز آلومینیوم تهیه می‌شود، بیشتر به عنوان یک قالب برای ساخت نانوساختارهای یک بعدی (نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها) استفاده می‌شود. شکل 8 یک نمونه AAO را نشان می‌دهد.
کاربردهای مواد نانومتخلخل به نوع تخلخل‌ها، هندسه آن‌ها و ترکیب ماده بستگی دارد. مواد مزومتخلخل به دلیل سطح ویژه بالا (مقدار سطح به ازای جرم) برای کاربردهایی که به سطح مرتبط هستند اهمیت فراوانی دارند. مثلاً به دلیل سطح فراوان‌شان جاذب‌های خوبی برای رطوبت و گازهای سمی و … هستند، یا چون اثر کاتالیست به سطح ارتباط دارد، مواد متخلخل به عنوان کاتالیست یا پایه کاتالیست استفاده می‌شوند.
یکی دیگر از کاربردهای نانومتخلخل‌ها مربوط به ذخیره‌سازی مواد یا نقش حمل‌کننده آن‌ها به دلیل وجود حفره‌هاست. مثلاً زئولیت‌ها مواد شیمیایی مرتبط با کود را در حفرات خود ذخیره می‌کنند و به تدریج و متناظر با نیاز گیاه آزاد می‌کنند، در حالی که اگر کودها به شکل معمولی به خاک اضافه شوند ممکن است توسط جریان آب و مانند آن شستشو شده و دیگر برای گیاه در دسترس نباشند. مثالی از کاربردها به عنوان حامل این است که چون در حالت معمولی احتمال از بین رفتن دارو قبل از رسیدن به بافت مورد نظر وجود دارد، داروها را درون حفرات MCM ذخیره کرده و به بافت مورد نظر می‌رسانند و از این طریق دارو از تأثیرات محیط بدن در امان می‌ماند. یا به دلیل وجود حفرات و سطح ویژه بالا در چارچوب‌های آلی-فلزی می‌توان هیدروژن را، که سوخت آینده است، ذخیره کرد.
بعضی کاربردها به سایز حفرات و نقش آن‌ها در جداسازی ارتباط دارد. در این حالت می‌توان برای مواد نانومتخلخل نقشی مشابه غربال یا الک را قائل شد. از این‌رو مواد متخلخل بسته به سایز تخلخل‌ها در مراحل مختلف فیلتراسیون آب استفاده می‌شوند، یا در جداسازی گازها و دیگر مواد، می‌توان از مواد متخلخل استفاده کرد. یا در کاتالیست‌ها نیاز است که انتخاب‌پذیری وجود داشته باشد و در این مورد، سایز حفرات به بعضی مولکول‌ها اجازه عبور داده و شرایط انجام واکنش کاتالیستی را فراهم می‌کند، در حالی که بعضی مولکول‌ها را از حفرات عبور نمی‌دهد.
تخلخل‌ها به دو دسته باز و بسته تقسیم‌بندی می‌شوند. تخلخل‌های باز به سطح ماده راه دارند، در حالی که در تخلخل‌های بسته چنین نیست. تخلخل‌های بسته کاربردهای کمتری دارند و هرچند کاربردهای قبلی را ندارند ولی می‌توانند به عنوان مثال موجب سبکی ماده و کاهش وزن آن شوند یا در تغییر انتقال و هدایت صوت و نور نقش داشته باشند. آئروژل‌ها موادی هستند که به دلیل این ویژگی‌ها، در کاربردهایی همچون سبکی، عایق حرارتی و صوتی و … مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تا به حال فرض‌مان بر این بود که مواد متخلخل بالک بوده ولی دارای تخلخل‌های نانومتری (در محدوده نانو) هستند. اما غیر از این حالت بالک، برای مواد متخلخل چند حالت دیگر نیز متصور است؛ یکی اینکه انواع مواد متخلخل شرح داده شده در بالا، ابعادشان در محدود نانو و به فرم یکی از نانومواد ابعادی (0 و 1و 2) باشند، مثلاً در شکل 9 نانومواد زئولیتی و سیلیکای متخلخل نمایش داده شده که علاوه بر تخلخل نانومتری، ابعادشان نیز نانومتری است. حسن این حالت این است که سطح افزایش می‌یابد و مسافت نفوذ کمتر می‌شود.
یکی دیگر از کاربردهای نانومتخلخل‌ها مربوط به ذخیره‌سازی مواد یا نقش حمل‌کننده آن‌ها به دلیل وجود حفره‌هاست. مثلاً زئولیت‌ها مواد شیمیایی مرتبط با کود را در حفرات خود ذخیره می‌کنند و به تدریج و متناظر با نیاز گیاه آزاد می‌کنند، در حالی که اگر کودها به شکل معمولی به خاک اضافه شوند ممکن است توسط جریان آب و مانند آن شستشو شده و دیگر برای گیاه در دسترس نباشند. مثالی از کاربردها به عنوان حامل این است که چون در حالت معمولی احتمال از بین رفتن دارو قبل از رسیدن به بافت مورد نظر وجود دارد، داروها را درون حفرات MCM ذخیره کرده و به بافت مورد نظر می‌رسانند و از این طریق دارو از تأثیرات محیط بدن در امان می‌ماند. یا به دلیل وجود حفرات و سطح ویژه بالا در چارچوب‌های آلی-فلزی می‌توان هیدروژن را، که سوخت آینده است، ذخیره کرد.
بعضی کاربردها به سایز حفرات و نقش آن‌ها در جداسازی ارتباط دارد. در این حالت می‌توان برای مواد نانومتخلخل نقشی مشابه غربال یا الک را قائل شد. از این‌رو مواد متخلخل بسته به سایز تخلخل‌ها در مراحل مختلف فیلتراسیون آب استفاده می‌شوند، یا در جداسازی گازها و دیگر مواد، می‌توان از مواد متخلخل استفاده کرد. یا در کاتالیست‌ها نیاز است که انتخاب‌پذیری وجود داشته باشد و در این مورد، سایز حفرات به بعضی مولکول‌ها اجازه عبور داده و شرایط انجام واکنش کاتالیستی را فراهم می‌کند، در حالی که بعضی مولکول‌ها را از حفرات عبور نمی‌دهد.
تخلخل‌ها به دو دسته باز و بسته تقسیم‌بندی می‌شوند. تخلخل‌های باز به سطح ماده راه دارند، در حالی که در تخلخل‌های بسته چنین نیست. تخلخل‌های بسته کاربردهای کمتری دارند و هرچند کاربردهای قبلی را ندارند ولی می‌توانند به عنوان مثال موجب سبکی ماده و کاهش وزن آن شوند یا در تغییر انتقال و هدایت صوت و نور نقش داشته باشند. آئروژل‌ها موادی هستند که به دلیل این ویژگی‌ها، در کاربردهایی همچون سبکی، عایق حرارتی و صوتی و … مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تا به حال فرض‌مان بر این بود که مواد متخلخل بالک بوده ولی دارای تخلخل‌های نانومتری (در محدوده نانو) هستند. اما غیر از این حالت بالک، برای مواد متخلخل چند حالت دیگر نیز متصور است؛ یکی اینکه انواع مواد متخلخل شرح داده شده در بالا، ابعادشان در محدود نانو و به فرم یکی از نانومواد ابعادی (0 و 1و 2) باشند، مثلاً در شکل 9 نانومواد زئولیتی و سیلیکای متخلخل نمایش داده شده که علاوه بر تخلخل نانومتری، ابعادشان نیز نانومتری است. حسن این حالت این است که سطح افزایش می‌یابد و مسافت نفوذ کمتر می‌شود.
حالت دیگر وقتی است که که نانومواد ابعادی معمولی را به دلیل اهداف خاصی متخلخل می‌سازیم؛ شکل 10 دو نمونه از این نوع را نشان می‌دهد. در شکل سمت چپ نانوساختار صفر بعدی توخالی است و در دیگری نانوساختار صفر بعدی متخلخل است.
حالت دیگر این است که اجتماع نانومواد ابعادی به شکل یک ماده متخلخل باشد، در این حالت تنوع فراوان‌تری وجود دارد. شکل 11 سه نوع از این حالت را نشان می‌دهد.
6- نانو ساختارهای منظم کریستالی
یک حالت دیگر از نانوساختارهای بالک، حالتی است که این نانوساختارها با اجزای سازنده‌ای از نانومواد ابعادی (خصوصاً صفر بعدی‌ها) به شکل منظم تشکیل می‌شوند. در این حالت منظم ساختار مشابه یکی از شبکه‌های کریستالی است؛ شکل 12 برای مشخص کردن این مطلب آورده شده است. شکل a ، یک شماتیک از این نوع ساختارها را نشان می‌دهد، شکل b اجتماع منظم نانوذرات به فرم ساختار کریستالی FCC را نشان می‌دهد؛ به این نوع ساختارها کریستال‌های کلوییدی می‌گویند و در فوتونیک ( نور) کاربرد زیادی دارند. در c و d دو نوع ساختار کریستالی تشکیل شده از فولرین نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که در c فولرین‌ها یک ساختار FCC و در d یک ساختار BCC همراه با اتم سزیم ساخته‌اند. این گروه نانوساختارها در مقایسه با انواع نانوساختارهای دیگر این مقاله اهمیت و کاربردهای کمتری دارند و بیشتر تحقیقاتی هستند.
یک حالت دیگر از نانوساختارهای بالک، حالتی است که این نانوساختارها با اجزای سازنده‌ای از نانومواد ابعادی (خصوصاً صفر بعدی‌ها) به شکل منظم تشکیل می‌شوند. در این حالت منظم ساختار مشابه یکی از شبکه‌های کریستالی است؛ شکل 12 برای مشخص کردن این مطلب آورده شده است. شکل a ، یک شماتیک از این نوع ساختارها را نشان می‌دهد، شکل b اجتماع منظم نانوذرات به فرم ساختار کریستالی FCC را نشان می‌دهد؛ به این نوع ساختارها کریستال‌های کلوییدی می‌گویند و در فوتونیک ( نور) کاربرد زیادی دارند. در c و d دو نوع ساختار کریستالی تشکیل شده از فولرین نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که در c فولرین‌ها یک ساختار FCC و در d یک ساختار BCC همراه با اتم سزیم ساخته‌اند. این گروه نانوساختارها در مقایسه با انواع نانوساختارهای دیگر این مقاله اهمیت و کاربردهای کمتری دارند و بیشتر تحقیقاتی هستند.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله به صورت کلی مواد نانوساختار معروف مثل مواد نانوکریستالین، مواد نانومتخلخل، و نانوکامپوزیت‌ها معرفی شد. همچنین نانوساختارهای دیگری همچون آرایه‌های روی سطح و ساختارهای منظم کریستالی بیان شد. مشخص شد که خیلی از این موارد می‌توانند با هم و با نانومواد ابعادی ترکیب شوند و نانوساختارهای پیچیده‌تری را متناظر با کاربرد موردنظر ایجاد کنند، یا اینکه یک نانوساختار توده‌ای یا ابعادی به طور هم‌زمان در چند گروه قرار داشته باشد. به طور مثال مشخص شد که الزامی ندارد یک ماده نانومتخلخل نانوکریستال نباشد یا آرایه روی سطح یک ساختار منظم کریستالی نشود.
در این مقاله به صورت کلی مواد نانوساختار معروف مثل مواد نانوکریستالین، مواد نانومتخلخل، و نانوکامپوزیت‌ها معرفی شد. همچنین نانوساختارهای دیگری همچون آرایه‌های روی سطح و ساختارهای منظم کریستالی بیان شد. مشخص شد که خیلی از این موارد می‌توانند با هم و با نانومواد ابعادی ترکیب شوند و نانوساختارهای پیچیده‌تری را متناظر با کاربرد موردنظر ایجاد کنند، یا اینکه یک نانوساختار توده‌ای یا ابعادی به طور هم‌زمان در چند گروه قرار داشته باشد. به طور مثال مشخص شد که الزامی ندارد یک ماده نانومتخلخل نانوکریستال نباشد یا آرایه روی سطح یک ساختار منظم کریستالی نشود.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Poole Jr, Charles P.,Frank J. Owens. Introduction to nanotechnology. John Wiley & Sons, 2003.
۲ – مقالات موجود در سایت آموزش
۳ – García-Martínez, Javier,Kunhao Li, eds. Mesoporous Zeolites: Preparation, CharacterizationApplications. John Wiley & Sons, 2015
۴ – Stavila, V., A. A. Talin,M. D. Allendorf. “MOF-based electronicopto-electronic devices.” Chemical Society Reviews 43.16 (2014): 5994-6010.
۵ – Cong, Hailin, et al. “Current statusfuture developments in preparationapplication of colloidal crystals.” Chemical Society Reviews 42.19 (2013): 7774-7800.
۶ – Tanaka, Masatoshi, Jun Takeda,Yoshiyuki Kawazoe, eds. Nano-and micromaterials. Vol. 9. New York: Springer, 2008
۷ – Bréchignac, Catherine, Philippe Houdy,Marcel Lahmani, eds. Nanomaterialsnanochemistry. Springer Science & Business Media, 2008.
۸ – Edelstein, Alan S.,R. C. Cammaratra, eds. Nanomaterials: synthesis, propertiesapplications. CRC Press, 1998
۹ – Šesták, Jaroslav, Jiří J. Mareš,Pavel Hubík, eds. Glassy, amorphousnano-crystalline materials: thermal physics, analysis, structureproperties. Vol. 8. Springer Science & Business Media, 2010
۱۰ – Knauth, Philippe,Joop Schoonman, eds. Nanostructured materials: ed synthesis methods, propertiesapplications. Vol. 8. Springer Science & Business Media, 2006.
۱۱ – Yang, Peidong. The chemistry of nanostructured materials. World Scientific, 2003
۱۲ – Cao, Guozhong. Synthesis, PropertiesApplications. Imperial college press, London, 2004.
