مونت موریلونیت زئولیت هالوسیت گرافیت

طبیعت مملو از نانومواد و نانوساختارهای مختلفی است که الهام بخش و یاری‌دهنده بشر در پیشرفت علم و فناوری بوده‌اند. از جمله این مواد که در ساختارهای سنگی و خاکی به وفور یافت می‌شوند می توان به رس‌ها، زئولیت‌ها، هالوسیت‌ها و گرافیت‌ها اشاره کرد. خصوصیات ساختاری شگرف رس‌ها؛ موجب بروز ویژگی‌هایی همچون واکنش پذیری بهتر، قابلیت بازگشت به ابعاد اولیه در مجاورت گرما، ضد شعله بودن، قابلیت کنترل عبور گاز از درون پلیمرها و … می‌گردد. زئولیت‌ها به سبب ساختار ویژه کریستالی کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، پتروشیمی و تصفیه آب پیدا کرده‌اند و کانی‌ای کربنی به عنوان یک نمونه نانوساختار پر کاربرد قرن‌هاست که استفاده می‌شوند.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- هالوسیت‌ها
2- ایموگولایت
3- زئولیت‌ها
4- گرافیت

شاید امروزه رس‌ها شناخته شده‌ترین موادی باشند که بازار وسیعی را در حوزه فناوری نانو به خود اختصاص داده‌اند. این مواد منشأ طبیعی دارند و به سبب آنکه مقدارشان در طبیعت بسیار زیاد است می‌توانند با هزینه‌های بسیار کمتری نسبت به سایر نانومواد، صنعتی شوند. نانوکامپوزیت‌های رس ذرات میکرومتری لایه‌های نانومتری رس را به عنوان پرکننده استفاده می‌کنند. اما شاید این ماده بخش کوچکی از صد‌ها نانومواد کانی نهفته در زمین باشد. رس نشان دهنده‌ی روشنی‌ست که زمین داشته‌هایی دارد که تعیین ارزش آن‌ها جز با بررسی دقیق آزمایشی و همراه کردن آن‌ها با مواد دیگر امکان ندارد. رس‌های اصلاح شده اولین کاربردهای فناوری نانو را در نانوکامپوزیت‌ها به تحقق رسانده اند[3].
بیشتر کانی‌هایی که در اینجا بحث شده است به صورت مصنوعی با استفاده از تکنیک‌های مختلف فناوری نانو تولید می‌شوند و در برخی موارد کارایی به مراتب بالاتری از ساختارهای طبیعی پیدا می‌کنند.
رس (clay) دسته گسترده‌ای از ترکیبات خاکی را در بر می‌گیرد که در آن‌ها صفحاتی موازی از اتم‌های سیلیکون با صفحاتی از سایر اتم‌ها به صورت متناوب تکرار شده‌اند. رس‌های طبیعی خانواده‌هایی همچون مونت موریلونیت، کائولین و کلویزیت را دارند. مونت‌موریلونیت فراوان‌ترین عضو گروه اسمکتیت است که در بنتونیت وجود دارد. بنتونیت خاکستر آتشفشانی دگرسان شده به رنگ روشن، نرم، خمیری و متخلخل می‌باشد. بنتونیت از زمان باستان در ایران ‌شناخته شده است و گونه‌‌های مختلف آن را از یکدیگر تشخیص ‌می ‌دادند، به‌طوریکه از آن به عنوان ماده‌ی شوینده و پاک‌کننده چربی‌ها و در مواردی به‌ عنوان دارو استفاده می‌کردند[2].
مونت موریلونیت یا MMT نانوساختاریست که برای مصارف نانوکامپوزیتی می‌باشد. این ماده یک کانی بسیار نرم از آلومینوسیلیکات ها با فرمول

است که کریستال‌هایی میکروسکوپی را به صورت پودر می‌سازد. صفحات سیلیکاتی مونت موریلونیت فاصله نانومتری دارند و جامع خواص بسیار مطلوبی است که در هر محصول طبیعی دیگری یافت نمی‌شود. این خواص عبارتند از: ضریب منظر بالا (نسبت طول به ضخامت) و ساختاری به شدت یونی. ضریب منظر بالا یعنی هر ذره دارای مساحت سطحی بالایی می‌باشد که منجر به واکنش‌پذیری بالاتر با رزین ها و پلیمرها می‌گردد. MMT به یک شبکه یونی وصل شده است. ترکیبات قطبی شبیه مثل MMT تمایل دارند به مواد قطبی پیوند بخورند. برخی پلیمرها مانند نایلون کاملاً قطبی هستند و از این رو رس‌هایی مانند MMT با آن ها پیوند محکمی را ایجاد می‌کنند. معمولاً رس‌های MMT با نمک‌های آمونیوم چهار عاملی اصلاح سطحی می‌شوند و با این کار با پلیمرهای غیر قطبی مثل پلی پروپیلن و پلی اتیلن نیز همراه می‌شوند[3].

ورمیکولیت‌ها کانی های رسی شکلی هستند که به گروه میکای کانی‌های فیلوسیلیکاتی تعلق دارند و می‌توانند بارها با گرم کردن به ابعاد اول خود باز گردند. آن‌ها خواص مطلوبی در کنترل عبور گازها از یک پلیمر ایجاد می‌کنند و ضد شعله‌اند[3].
ماده اولیه در بنتونیت سیلیکات آلومینیوم، هیدراته شده است. ترکیبات دیگر در بنتونیت شامل کلسیم، منیزیوم و آهن هستند. این ترکیب بسته به موقعیت جغرافیایی فرق می‌کند. وقتی رس وارد یک سیستم پلاستیک می‌شود، خواص مکانیکی آن معمولاً ارتقا می‌یابد، استحکام مکانیکی به خصوص چقرمگی افزایش دارد، سطح ضد شعله می‌شود و پلیمر می‌تواند از عبور گازها هم برای مصارف خاص کاملاً جلوگیری کند[3].

جدول1: مقایسه سه نوع نانورس طبیعی

هکتوریت ماده‌ای نرم و رسی ‌ای است که ترکیباتی مثل سدیم، لیتیوم، منیزیوم، سیلیکون، هیدروژن و اکسیژن دارد.از نانورس هکتوریت در پلی پروپیلن و پی وی سی استفاده می‌کند و مزیت‌های زیادی در حوزه‌ی ثبات حرارتی نسبت به MMT و بنتونیت دارد. بنتونیت هیچ گروه کاتالیستی (اسیدی) ندارد که باعث تخریب پلیمر در دماهای بالا شود[3].

هالوسیت‌ها نیز یک ماده نانوساختار رسی معدنی هستند. کاوش‌ها در معادن نشان می‌دهد که این نانولوله‌های طبیعی از ترکیب سیلیکون (21.76%) و آلومینیوم (20.90%) و هیدروژن تشکیل شده‌اند. هالوسیت به طور طبیعی در خاک رسی مناطق خاصی از شمال آمریکا یافت می‌شوند[7].

رس هالوسیت برای ساخت چینی‌ها و سرامیک‌های ظریف مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانولوله‌های هالوسیت در محصولات مختلف از جمله پلاستیک‌ها و پلیمرها، قطعات الکترونیکی، لوازم آرایشی و جاذب ها به صورت افزودنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ایموگولایت (Imogolite) یک نانولوله معدنی است که به طور طبیعی در خاک‌های آتشفشانی وجود دارد و اولین بار توسط محققان ژاپنی کشف شد. این ترکیبات از نانولوله‌های تک دیواره با ساختار شیمیایی متشکل از آلومینا و سیلیکا تشکیل شده است. نانولوله‌های ایموگولایت دارای طول و قطر مشخصی هستند. از مهم‌ترین ویژگی‌های این ترکیبات می‌توان به توانایی بالا در جذب یون‌ها و سطح تماس بالا اشاره کرد[7].

این ویژگی‌ها نانولوله‌های ایموگولایت را از انواع نانولوله‌های دیگر متمایز می‌سازد. قطر خارجی این نانولوله‌ها حدود2.3 نانومتر و قطر داخلی حدود یک نانومتر و طول متوسط آنها 100 نانومتر می‌باشد. از جمله کاربردهای ایموگولایت می‌توان به استفاده از آن برای ذخیره گازها، غربال مولکولی و جذب اشاره کرد. گروه‌های هیدروکسیل در ایموگولایت می‌تواند برای کاربردهای مختلف مانند انتقال الکترون مورد استفاده قرار گیرد. استخراج ایموگولایت خالص از خاک سخت و زمان بر است، لذا تلاش‌های زیادی در این زمینه انجام نگرفته است[7].

بیش از چهل نوع زئولیت طبیعی در سراسر جهان شناسایی شده است که در نتیجه‌ی انتقال خاکسترهای آتشفشانی به کیلومترها دورتر از منشأ تولید آن می‌باشد[5].

زئولیت‌ها نانوذراتی طبیعی، ساکن و غیر سمی با ساختمانی شبکه‌ای هستند که شامل روزنه‌ها و حفره‌های پر شده با یون‌های مثبت و مولکول‌های آب می‌باشد. کاتیون‌ها و مولکول‌های آب موجود در ساختمان زئولیت به طور قابل توجهی آزادانه حرکت داشته و به تبادل یون و تصفیه آب کمک می‌کنند. این ویژگی زئولیت‌ها را درطبقه‌ای به نام “الک‌های مولکولی” قرار داده است[5].

قطر فضاهای کانال مانند، مشخص و تابع ترکیب شیمیایی زئولیت است. موادی که ابعاد مولکول آن‌ها کمتر از قطر فضای زئولیت باشد جذب می‌شود و آن‌هایی که بزرگتر هستند جذب نخواهند شد[6].
مساحت سطح یک قاشق زئولیت با مساحت دو زمین فوتبال برابر است. این افزایش سطح در یک حجم ثابت، مانند افزایش سطح سیب زمینی با خلال کردن است[6].

منافذ موجود در زئولیت باعث شده که زئولیت‌ها مثل اسفنج عمل کنند. زئولیت بسته به اندازه منافذ موجود در خود، قادر به جذب مولکول‌ها با سرعت‌های کند، متوسط و سریع است. به این ترتیب عملکرد الک‌های مولکولی، جذب مولکول‌هایی با اندازه مشخص و نگه داشتن ذرات بزرگتر است. سطح منافذ واحدهای زئولیت حدود 800 متر مربع در هر گرم از وزنشان می‌باشد[6].
به علت قطبی بودن بالای زئولیت‌ها و منافذ موجود در ساختمان آن‌ها ، جدا کردن فلزات سمی سنگین، سموم شیمیایی یا دیگر ترکیبات به راحتی ممکن است. زئولیت‌ها توان بسیار بالایی در مکش و جذب آب و دیگر مواد قطبی دارند، حتی اگر غلظت این مواد در محیط بسیار کم باشد. کریستال‌های پیشرفته‌ی نانوزئولیت دارای ساختمان متخلخل سه بعدی با منافذی با قطر معین و مشخص هستند. منافذ زئولیت‌ها یکنواخت و در ابعاد نانومتری می‌باشد. ساختمان بلوری این زئولیت‌ها به مولکول‌های کوچک‌تر از قطر منافذ، مانند جیوه اجازه عبور داده است و حین عبور آن‌ها را جذب می‌کند، در حالی که مولکول‌های بزرگتر نظیر کلسیم و پتاسیم را جدا نمی‌کند[5].

گرافیت از دیگر ساختارهای طبیعی با ساختار لایه لایه است که صفحات آن روی هم مانند یک دسته کارت صاف روی هم قرار گرفته‌اند. یک کارت می‌تواند روی دیگر کارت‌ها بلغزد و با اعمال فشار زیاد احتمال خمیدگی آن وجود دارد. بیشتر ما گرافیت را با مغز مداد سیاه می‌شناسیم. هر اتم کربن از 3 الکترون خودش برای ایجاد 3 پیوند یک گانه کوالانسی با 3 اتم کربن استفاده می‌‏کند. نیروی بین لایه‌ها نیروی واندروالسی نام دارد و نیرویی است که دو لایه‏ گرافیت را کنار هم نگه می‌دارد. اگر چه گرافیت نرم است، اما استحکام گرافیت در ساختارهای دما بالا آن را برجسته کرده است[7].

ساختار دیگر کربن یعنی الماس از سخت‌ترین مواد طبیعی شناخته شده است. الماس اتم‌های کربنی دارد که به شکل سه بعدی آرایش یافته‌اند. این ساختار الماس را به ماده بسیار سخت و مناسب برای فرآیندهای برش و سنگ زنی فلزات و سایر مواد تبدیل کرده است. برخلاف گرافیت، الماس رسانای خوبی برای الکتریسیته نیست، اما رسانای خوب حرارت است. کاربرد الماس در محصولات مختلفی شامل دیودهای لیزری و ابزارهای مایکروویو کوچک، پایه مدارهای مجتمع و صفحات مدار است. الماس در حال حاضر به عنوان بخشی از پوشش محافظ در محیط کاری خطرناک استفاده می‌شود، که خصوصیات مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی قابل توجهی دارد. ضریب اصطکاک کم، رسانایی حرارتی بالا، مقاومت الکتریکی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، برخی از این خصوصیات به شمار می روند[7].
فولرین یا باکی بال ساختار دیگری از کربن است که با سنتز در آزمایشگاه شناسایی شده است، این ماده کره‌ی بسیار کوچکی به قطر حدود یک نانومتر را می‌سازد. اما نمونه طبیعی فولرین نیز یافت شده است. شانگیت اولین نمونه طبیعی کربن متشکل از آرایش کربن C₆₀ است. شانگیت نام روسی نوعی گرافیت است که از نام رودخانه شانگ در کارلیای روسیه می‌آید. یک تخته سنگ که شامل مقدار کمی کره‌های باکی بال است[7].

این موارد نمونه‌هایی از ساختار سنگ‌ها و فایده آن‌ها بود که با بررسی زیر میکروسکوپ‌های الکترونی شناخته شده است. اما شاید گنج‌های نهان دیگری در زمین باشد که شناخت و فایده آن‌ها با بررسی دقیق و موشکافانه ابزارهای دقیق آنالیز تعیین شود. این مسئله تنها به علاقه مندی و انگیزه‌ی ما نیاز دارد نه چیز دیگر.