دلایل تغییر خواص در ابعاد نانو

دلایل تغییر خواص در ابعاد نانو
شکل 1 را در نظر بگیرید. در ابتدا، مکعب اول به 8 قسمت مساوی تقسیم میشود. اگر این 8 مکعب را روی یکدیگر قرار دهیم همان مکعب اولیه با همان حجم حاصل میشود اما تفاوت آن با حالت اول، مساحت آن است. با تقسیم مکعب به 8 قسمت، یک سری سطوح جدید ایجاد شدهاند که در ابتدا وجود نداشتند. در مرحله دوم هر کدام از 8 مکعب به دست آمده به 8 قسمت دیگر تقسیم میشوند. مجدداً اگر 64 مکعب به دست آمده را روی هم قرار دهیم همان حجم مکعب ابتدایی حاصل میشود اما مساحت افزایش زیادی پیدا کرده است.

همان طور که از رابطه بالا مشخص است، با ریز شدن ابعاد کره (کم شدن شعاع آن)، نسبت مساحت به حجم آن افزایش مییابد. هر چه ریز شدن بیشتر باشد، این نسبت افزایش بیشتری مییابد. با افزایش سطح تعداد اتمهایی که روی سطح قرار میگیرند، بیشتر میشود. در علم فیزیک و شیمی بین اتمهایی که روی سطح یک جسم هستند و اتمهایی که در داخل آن هستند، تفاوت وجود دارد. اتمهایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتمهای اطراف آنها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتمهایی که روی سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتمهای کمتری در ارتباط هستند، ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند. بنابراین واکنشپذیری آنها نسبت به اتمهای داخل ماده بیشتر است که در شکل 2 هم نشان داده شده است.

همانطور که گفته شد، بسیاری از خواص مواد در مقیاس نانو متفاوت است. برای نمونه، در مورد نانوذرات آرسنید گالیم (GaAs)، اگر سلول واحد، ساختار مکعبی سطوح مرکزدار داشته باشد و نانوذرات شامل n3 تا از این سلولهای واحد باشند، میتوان نشان داد که شمار اتمهای واقع بر سطح NS و شمار کل اتمها NT به صورت روابط زیر با هم در ارتباط هستند:
NT=8n3+ 6n2+3n (3
d=na=0.565n (4
مقدار d، NS، NT و Ns/NT به ازای مقادیر مختلف n در جدول 1 نشان داده شده است. با افزایش n در حقیقت ذرات در حال بزرگ شدن هستند. درصد زیاد اتمهای واقع بر سطح به ازای مقادیر کوچک n یکی از فاکتورهای اصلی در تفاوت خواص نانوساختارها با مواد در ابعاد معمولی است. در مورد نانوذرات کروی همچون ذرات طلا، حالتی مشابه با نانوذرات GaAs مشاهده میشود. اگر سطح نانوذرات به وسیله مواد مشخص محافظت نشود، به دلیل سطح انرژی بالا و پیوندهای ناقص، بلافاصله نانوذرات به یکدیگر میچسبند که منجر به کاهش انرژی سطحی و در نتیجه کلوخه شدن (Agglomeration) و خارج شدن آنها از ابعاد نانو (بزرگترشدن ابعاد آنها) میشود. به هم چسبیدن نانوذرات و خارج شدن آنها از ابعاد نانو یکی از بزرگترین مشکلات در فناوری نانو است. موادی که از به هم چسبیدن نانوذرات جلوگیری میکنند، به صورت یک پوشش روی آنها قرار میگیرند. این مواد میتوانند مولکولهای آلی، پلیمرها یا مولکولهای زیستی باشند و از طریق سازوکارهای مختلف مانند بار الکتریکی و ممانعت فضایی از به هم چسبیدن بیشتر نانوذرات جلوگیری میکنند.


هر مادهای که اطراف ما وجود دارد یک ساختار انرژی منحصر به فرد دارد و ساختار انرژی مواد مختلف با یکدیگر متفاوت است. ساختار انرژی اتمها متشکل از ترازهای انرژی بوده اما ساختار انرژی مواد ماکروسکوپی و معمولی به صورت نوار انرژی است که در شکل 4 نشان داده شده است. در اتمهای مختلف فاصله بین ترازها با یکدیگر متفاوت است و در مواد معمولی، پهنای باندهای انرژی و پهنای منطقه ممنوعه (گاف انرژی) با یکدیگر متفاوت است.

در فیزیکی که در ابعاد معمولی وجود دارد و به عنوان فیزیک کلاسیک معروف است (همین فیزیکی که در دبیرستان میخوانیم)، انرژی و اکثر کمیتها، مقادیری پیوسته بوده و هر مقداری میتوانند داشته باشند، برای مثال انرژی جنبشی یک انسان در حال حرکت میتواند 1، 1.5، 2.7 و یا هر مقدار دیگری ژول باشد. حال فرض کنید، میخواهیم یک ماده معمولی با ابعاد مشخص را ریز کنیم و به ابعاد نانو برسانیم. هنگامی که یک ماده ریز میشود، در واقع اتمهای آن کاهش مییابد. اتمی که از ماده جدا میشود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا میشود. زیر یک ابعاد مشخص (معمولاً زیر 100 نانومتر) تعداد اتمها و ترازهای انرژی به قدری کم میشود که دوباره نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی میشود. پس با ریز شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، دومین اتفاقی که میافتد، گسستگی نوارهای انرژی و تبدیل به تراز انرژی است. حال دیگر کمیتی مانند انرژی یک الکترون هر مقداری نمیتواند داشته باشد و باید انرژی آن به اندازه ترازهای انرژی باشد. از اینرو به فیزیکی که در این ابعاد (ابعاد نانو) و ابعاد زیر آن یعنی ابعاد مولکولی و اتمی صادق است، فیزیک کوانتوم و یا فیزیک گسستگی میگویند. در شکل 5 نحوه تبدیل نوار به تراز نشان داده شده است.

