تحقیق درباره فناوری نانو

مقدمه

فناوري نانو نقطه تلاقي اصول مهندسي، فيزيك، زيست شناسي، پزشكي و شيمي است و به عنوان ابزاري براي كاربرد اين علوم وغني سازي آنها درجهت ساخت عناصر كاملا جديد عمل مي كند. فناوري نانو منجر به انقلاب فناوري در هزاره جديد خواهد شد و كاربردهاي آن پتانسيل زيادي دارد كه جهان را تحت تاثير قرار خواهد داد، از كالاهاي مصرفي گرفته تا الكترونيك، اطلاعات، زيست فناوري، صنايع هوا فضا، محيط زيست و پزشكي.

تمام بخش هاي اقتصادي نيز بطور عمده با فناوري نانو در ارتباط مي باشند. در آمريكا، اروپا، استراليا، و ژاپن، تحقيقات مختلفي توسط دولت وبخش خصوصي به منظور افزايش تحقيقات و پيشرفت در فناوري نانو صورت گرفته و در اين زمينه صدها ميليون دلار سرمايه گذاري شده است. تحقيق و توسعه در فناوري نانو براي تغيير در روش طراحي، تحليل و ساخت بسياري از توليدات مهندسي لازم است بنابراين براي استفاده از تمام ظرفيت هاي فناوري نانو براي كمك به جامعه لازم نيست نيروي كار مورد نياز براي تحقيق،  توسعه و ساخت فراهم باشد و اين موضوع نيازمد آموزش دانشجوياني با دانش وتخصص لازم توسط دانشگاه هاست.

ازسوي ديگر در حالي كه دولت ها وبسياري از كسب و كارهاي سراسر جهان به خوبي از اثرات بالقوه فناوري نانو باخبرند، هنوز اكثريت مردم و كسب و كارها درك نكرده اند كه فناوري نانو چيست و چرا مهم است.

عمده مشكلات در نحوه اطلاع رساني اين موضوع كاملا فني(كه توسط متخصصين دانشگاهي توسعه يافته است) به عامه مردم است به منظور ارتقاي درك فناوري نانو، دولتها و شركت ها بايد تلاش بيشتري را براي مرتبط كردن آنچه در آزمايشگاه هايشان رخ مي دهدف به زندگي واقعي شهروندان معمولي صورت دهند. بر خلاف فناوري اطلاعات،كه محصولاتشان را مي توانستيد در جيب گذاشته و با آنها به اينترنت متصل شده يا ايميل بفرستيد، فناوري نانو به عنوان يك فناوري بنيادين خيلي كمتر ملموس مي باشد.

هنوز هم اين تلقي عمومي وجود دارد كه فناوري نانو علمي مربوط به آينده و روبات هاي كوچك است. در حالي كه فاصله اي عميق بين صورت گرفته از فناوري نانو و واقعيت كاربردي نانو علم در فرآيند صنعتي وتجاري وجود دارد. و اين چيزي است كه علاوه بر متخصصين هر رشته، عامه مردم نيز بايد از آن آگاه باشند.

حركت جهاني به سمت فناوري نانو

در سال 2004، 51 كشور در برنامه هاي تحقيق و توسعه فناوري نانو سرمايه گذاري كرده اند. كل هزينه هاي تحقيق وتوسعه در جهان حدود 12 ميليارد دلار آمريكا مي شود. عمده ترين زمينه تحقيقات در پروژه هاي امنيتي و دفاعي مي باشد.

سايت hkc22.com گزارش هايي را از بازارهاي جهاني فناوري نانو در 3 سال منتشر كرده است و هر 6 ماه گزارشي تكميلي در اين زمينه ارائه مي كند. آخرين نتايج نشان مي دهد كه در بخش خصوصي و دولتي ميزان سرمايه گذاري 25 درصد افزايش داشته است و كل سرمايه گذاري انجام شده رقمي معادل 12 ميليارد دلار آمريكا برآورد مي شود.

حدود 4000 پروژه تحقيقاتي درحال انجام اند كه تقريبا 40 درصد آنها در شركت ها و موسسات تحقيقاتي مشترك است. بيشترين افزايش نرخ سرمايه گذاري در زمينه هاي امنيتي، دفاعي و نظامي بوده است.

نتيجه گيري

فناوري نانو فرصت هاي سرمايه گذاري فراواني را بوجود خواهد آورد. بواسطه فوايد اقتصادي و تكنولوژيكي بالقوه اي كه اين فناوري ايجاد خواهد كرد بخش هاي مختلف جامعه جهاني خواهان بهره برداري مناسب از آن براي پيشرفت خود در جنبه هاي گوناگون هستند. در نتيجه كشورها براي فرصتهاي شغلي ايجاد شده در
آينده اي نزديك به نيروي كاري فعالي و آموزش ديده در زمينه فناوري نانو نياز خواهند داشت. اين امر جامعه علمي را با چالش هايي مواجه خواهد كرد. چالش واقعي آموزش دادن واقعيت هاي فناوري نانو به جوامع تجاري وعموم مردم است. ساختار برنامه هاي آموزشي فعلي دانشگاه هاي دنيا براي آموزش فناوري نانو مناسب نيست. از اينرو لازم است برنامه هاي آموزشي دانشگاه ها متناسب با نياز به گسترش اين فناوري تغيير داده واصلاح شود.

عموم مردم نياز دارند به نحو ساده اي دريابند، كه فناوري نانو يك فناوري سطح بالا است و همچون هر فناوري ديگري داراي خطرات و مزايايي است. اين فناوري ها در زمان هاي مختلف به بلوغ خواهند رسيد و لازم است روشن شود كه اين خطرات و مزايا كداميك هم اكنون رخ دادن است و كدام مورد در زماني در آينده رخ خواهد داد.

عمده مسئوليت اين آموزش دهي بر عهده دولت هها و كسب و كارهاست. كه نيازمند آموزش دادن نيروهاي فعال مي باشند. به محض اين كه همه ما در مورد واقعيات فناوري نانو اطلاع كافي پيدا كنيم، همه ما براي حصول داراز مدت اكثر اين منافع فراوان وگاها انقلابي آماده خواهيم شد.

عواملي كه حركت به سمت اهداف بلند مدت فناوري نانو در فاصله زماني كمتر از 20 سال را ميسر مي سازد عبارتند از:

ايجاد مراكز فناوري نانو چند رشته اي در داشنگاه ها، دوره هاي ليسانس، فوق ليسانس و دكتراي متمركز بر روي فناوري نانو و برنامه ها و گروه هاي تحقيقاتي چند رشته اي در دانشگاه ها.سخن آخر آنكه فناوري ما را مجبور به تعريف دوباره مفاهيم (آموزش، متخصص و مهندس) خواهد نمود و براي اين تعريف مجدد لاز م است تغييري اساسي در سيستم آموزشي دانشگاه ها و مدارس ما بوجود آيد. دولت، صنايع و دانشگاه ها نيز بايد در آموزش دانشجويان در زمينه فناوري نانو به همديگر همكاري نمايند.

زمينه هاي اصلي توسعه نانوتكنولوژي  در روسيه:

نتايج علمي موثر تر مي توانند در زمينه هاي مختلف زير بدست آيند:

در ايجاد سطوح سخت و چند لايه اي توسط طيف الكتروني داده شده و كليه خصوصيات الكتريكي، اپتيكي، مغناطيسي و غيره، طراحي آنها در برري سطح اتم (بطور مثال توسط بخش Engineering و عملكرد امواج Engineering) و استفاده از تكنولوژيهاي مدرن سطح بالا (انواع مدلهاي ملكولي- دسته اي و ملكولي- شيمايي، اپي تاكسي، ليتوگرافي الكتروني، متدهاي تكنولوژيكي ميكروسكوپي تونلي) كه در نتيجه از نظر اصولي به دستگاههاي و تجهيزاتي دست پيدا مي كند كه براي تحقيقات و كاربردهاي مختلف از جمله در زمينه: ماوراء شكبه اي، گودالهاي كوانتمي، نقطه ها و نخ ها، اتصالات كوانتمي، كلاسترهاي اتمي، كريستالهاي فوتوني و ساختارهاي گردش تونلي بكار گرفته مي شود.

(Nanostructre)

در ليتو گرافي ماوراي بنفش حدنهايي، بر اساس استفاده از طول موج برابر با 13.5 نانومتر كه مي توان باعث ايجاد يك سيستم حسابگر نانوالكتروني با ظرفيت بسيار بالا شد و وارد جهان دقتهاي اتمي گردد.

در پايه و اساي ميكروالكترومكانيك پيوستگي ميكروطراحي هاي سطحي در تكنولوژي ميكروالكتروني مورد استفاده قرار مي گيرد، اين پيوستگي با طراحي ظرفيتي و بكارگيري نانو ماد جديد، تاثيرات فيزيكي،LIGA تكنولوژي بر اساس پرتوهاي سينكروتوني همراه است. پرتوهاي سينكروتوني به نوبه خود باعث دسترسي به ساخت ميكروموتورها، ميكروپمپها براي بكارگيري در ميكورفلويدبكها، ميكرواپتيكها مي شود و همچنين در سنسورهاي بسيار حساس با كميتهاي فيزيكي مختلف از جمله: فشار، سرعت، درجه حرارت بكار گرفته مي شوند و همچنين مي توانند باعث ساخت دستگاههاي نهفته درخود وضد ويروس و ضد التهابي موثر

پودرهاي نانويي با انرژي سطحي بالا از جمله مغناطيس، براي سختي آلياژها، ساخت المنتهاي حافظه اي صوتي- تصويري، افزودنيها به كودهاي شيميايي، علوفه جات، مايعات مغناطيسي و رنگها

نانو مواد پليمري و مواد غشايي براي سيستمهاي مغناطيسي واپتيكي غير خطي، سنسورهاي گازي، بيوسنسورها و غشاهاي كمپوزيتي با لايه هاي فراوان.

پليمرهاي پوشاننده براي پوششهاي حفاظتي غير فعالي، آنتي فراكشش، انتخابي و روشنايي دهنده.

نانو ساختراهاي پليمري براي صفحه هاي انعطاف پذير

صفحه سگنتوالكتريكي دو بعدي دستگاههاي حافظه داري كه به انرژي بستگي ندارند.

نانو مواد كريستالي مايع براي نمايشگرههاي اطلاعاتي قوي

دور نماي استفاده از نانو تكنولوژي

در ماشين سازي:

افزايش اثر ابزار آلات برنده (برش دهنده) و پرداخت كاري به كمك امولسيونها و پوششهاي مخصوص بكارگيري وسيع طراحيهاي نانو تكنولوژيكي در مدرن سازي دستگاههاي با دقت بالا، متدهاي اندازه گيري موضعي با استفاده از نانو تكنولوژي باعث تامين تسهيل جهت برش با ابزار آلات مي شوند، كه اين برش بر اساس اندازه گيري اپتيكي سطح پرداخت كاري شده قطعه و سطح پرداخت كننده ابزار برش دهنده در پروسه تكنولوژيكي انجام مي شود.

براي مثال اين روش امكان كاهش خطاي پرداخت كاري را از 40 ميكرومتر تا صدها نانومتر با يك دستگاه روسي به قيمت 1200 دلار را فراهم مي سازد و هزينه مدرن سازي آن بيش از 3000دلار نخواهد بود قيمت همين دستگاه در كشورهاي اروپايي از 300 تا 500 هزار دلار مي باشند.

استفاده از نانو مواد با پرداخت كاري دقيق و بازسازي سطوح را مي توان به ميزان بالاي (15 تا 4 برابر) در حمل ونقل اتومبيل وهمچنين كاهش هزينه ههاي بهره برداري ( از جمله هزينه سوخت)، بهبود كليه پارامترهاي فني (كاهش صدا، دفع مواد زيان آور) فراهم كرد و موفقيتهاي بسياري را هم در بازارهاي داخلي و هم خارجي بدست آورد.

در الكترونيك و اوپتوالكترونيك:

گسترش امكانات سيستم هاي راديو- راداري با استفاده از شبكه هاي آنتن با ترانزيستورهاي كم صدا بر اساس نانو ساختارها و خطوط ارتباطاي رشته اي- اپيتيكي با قدرت عبوري بالا با استفاده از فتو گيرنده ها وليزرهاي تزريقي در ساختارها با نقاط كوانتومي ساخت ليزرهاي تزريقي قوي، مقرون به صرفه بر اساس نانو ساختار براي انتقال ليزرهاي مقاوم، در سيستمهاي فمتو ثانيه اي مورد استفاده قرار مي گيرند.

در انفورماتيك:

افزايش چند برابر ظرفيت سيستمهاي انتقال، پرداخت كاري و حفاظ اطلاعات و همچنين طراحي و شيميايي را ظرف مدت 5 تا 6 ماه تا دستيابي كامل به وضعيت ميكروفلوري خالص خاك، پاكسازي نمود.

تجزيه و تحليل تجربه جهاني در تشكيل برنامه هاي ملي ومنطقه اي در زمينه هاي علمي- فني گواهي بر نياز بروز مسائل كليدي در طراحي نانو مواد ونانو تكنولوژي در روسيه مي باشد.

مساله اول:

تشكيل مجموعه اي، مصرف كنندگان آن بتوانند بالاترين كار آيي را از بكارگيري دستاوردهاي پيشرفته بدست آورند مصرف جامعه را ابتدا بايد مشخص و سپس در جهت رشد وتوسعه نانو تكنولوژي كه بتوانند بر اقتصاد، توليد، بهداشت، اكولوژي، آموزش، دفاع وامنيت تاثير گذار باشد، را شكل داد.

مساله دوم:

افزايش كارآيي استفاده از ماتريال ونانو تكنولوژي در مرحله اول قيمت ماتريالهاي معمولي خواهد بود، اما كارآيي بالاي استفاده از آنها سود قابل توجهي به همراه خواهد داشت به همين دليل نياز به سرمايه گذاري دراز مدت در بخش علمي تحقيقاتي- تجربي ساختماني در زمينه نانومتريال ونانو تكنولوژي با انتخاب راههاي علمي سازي برنامه مربوط به آن مي باشد. دولت علاقمند توسعه سريع اين برنامه مي باشد به همين دليل دولت بايد مسئوليت تامين هزينه هاي اصلي براي تحقيقات پايه اي و كاربردي ايجاد فن آوري را بعهده گيرد.

مساله سوم:

طراحي تكنولوژي صنعتي جديد براي بدست آوردن نانو مواد كه امكان در اولويت بودن روسيه را در علم و توليد مي دهد.

مساله چهارم:

تامين ورود از ميكرو تكنولوژي به نانو تكنولوژي و اتمام طراحيهاي نانو تكنولوژي تا توليد صنعتي مخصوصا در بخش الكترونيك وانفورماتيك.

مساله پنجم:

توسعه گسترده تحقيقات پايه اي در تمام بخشهاي علمي- فني كه با توسعه نانوتكنولوژي در ارتباطات مي باشند.

مساله ششم:

ايجاد زير بناهاي تحقيقاتي از جمله:

ايجاد مراكز استفاده گروهي با تجهيزات تكنولوژي و تشخيص منحصر بود

اشباع سازمانهاي توليدي، باتجهيزات و دستگاه ها وابزار آلات پيشرفته جهت پيشبرد دستگاه ها و ابزار آلات پيشرفته جهت پيشبرد كارهاي مربوط به نانوتكنولوي

تامين دستيابي كادر فني به منابع سينكروتروني ونوتروني (هم روسي و هم خارجي)

طراحي مترولوژي مخصوص واستاندارد دولتي در بخش نانوتكنولوژي  

توسعه فيزيكي وتجهيزاتي

روشهايي براي تشخيص مناسب در نانو مواد بر پايه ميكروسكوپ هاي الكترونيك قوي

روشهاي راديولوژيكي بسيار حساس با استفاده از اشعه سينكروتروني، استفاده از ميكروسكوپ الكتروني براي آناليز شيمايي

فعاليتهاي توسعه نانوتكنولوژي  مي توانند به صورت زير هماهنگ شوند:

در مراحل اول (شروع از سال 2005) گنجاندن برنامه تحقيقات طراحي توسعه علم و فن در بخشهايي كه الويتهاي بيشتري در تركيب برنامه هاي علمي- فني كلي فدرايتودارند. از سال 2003 تا 2006، تشكيل بخشي اختصاصي در مورد توسعه فعاليتهاي مه مربوط به ايجاد واستفاده از نانوتكنولوژي  مي باشد كه در آن منابع معنوي، سرمايه اي، ماتريالي- فني نهفته شده اند.

در مرحله اول با توجه به ابعاد مسئله در زمينه توسعه تحقيقات پايه اي به فعاليتهاي كاربردي تكنولوژيكي وايحاد زير بناي نو آوري، برنامه واحدي را در سطح فدرالي از 2006 تا 010 طراحي نمود كه شامل برنامه هايي باشد كه توسط ارگانها زير مجموعه ها وديگر بخش هاي دولتي تحت عنواتن نانوتكنولوژي  عملي گردد.

و تحقيقات كاربرديوبكارگيري پايه اي، طراحي ها وتحقيقات كاربردي وبكارگيري وهماهنگي توليد باشد وهمچنين مواردي كه ارتباط با آموزش و جذب كادر متخصص دارد. آماده سازي و به تاييد رساندن اين برنامه مي توانست از سال 2004 شروع ونسخه نهايي تا سال 2005 معرفي گردد.

ترتيب هماهنگي هاي پيشنهادي و اجراء فعاليتهاي مشروط به اين است كه، امروزه توسعه نانوتكنولوژي  به عنوان يك جهت علمي- فني در بسياري از موارد هنوز در مرحله تشخيص و اكتشاف مي باشد و يافتن راههاي ممكنه براي اجراي علمي آن تحت بررسي است و نياز به دستيابي به نتايج عملي با كاربرد بالا نيز هست، به همين دليل نياز فعالانه دولت در اين پروژه و روشهاي و حمايتهاي آن مي توانند بسيار مثمر ثمر باشد. نتايج اجرايي برنامه ملي، بايد باعث مجهز شدن بخشهاي تخصصي صنعتي بر اساس بكارگيري گسترده انوتكنولوژي گيرد.

براي طراحي واجراي عملي كليه موارد ذكر شده، هماهنگي ارگانهاي دولتي براي حل مسائل مربوط توسط علوم و اقتصاد روسيه نياز به ايجاد يك هيات بين سازماني و بين اداري در زمينهن نانوتكنولوژي  مي باشد در تركيب اين هيئت بخشهاي مربوط آن بايد محققين و متخصصين آكادمي علوم وصنعت، ارگانهاي اجرايي دولتي فدرال ونمايندگان بخشهاي تجاري حضور داشته باشند.

موارد اشاره شده به آن ميز گردي به نام نانوتكنولوژي  در 20 متاه مي 2004 در چارچوب نمايشگاه تكنولوژيهاي پيشرفته قرن 21، مطرح شد، كه وزارت علوم و آموزش عالي فدراسيون روسيه هماهنگ كننده آن بود.

روش هاي تهيه نانوپودرهاي سراميكي

مقدمه

بي شك رويكرد جديد به مقوله نانو و خواص فوق العاده اي كه در ابعاد نانومتري به دست مي آيد انقلابي شگرف در علم مهندسي مواد و به خصوص دانش سراميك  را سبب شده است. با توجه به اينكه فرآيند توليد سراميك هاي مهندسي و سازه اي همواره متكي بر استفاده از مواد اوليه اي با درجه خلوص وهمگني بالا و پودري داراي اندازه و توزيع اندازه دانه مناسب است ونيزبا در نظر گرفتن خواص منحصر به فرد نانوپودرها پرداختن به روش هاي توليد نانوپودرهاي سراميكي ضروري به نظر مي رسد. همان گونه كه مواد نانومتري كاربردهاي مختلفي دارند، روش هاي سنتز مختلفي نيز براي اين مواد ابداع و به كار گرفته شده است. در اين مقاله تلاش شده است تا تعدادي از روش هاي مطرح در زمينه سنتز مواد نانومقياس مورد بحث و بررسي قرار گيرد

مواد نانومقياس را مي توان از دو روش سنتز از بالا و سنتز از پايين تهيه كرد. اين بدين معناست كه مي توان يك ساختار نانو مقياس را با جمع كردن و چيدن اتم ها و يا با شكستن و خردايش ذرات درشت تر تهيه كرد (شكل 1). بنابراين براي سنتز مواد نامقياس نياز به تلفيق روش هاي فيزيكي و شيميايي مختلفي است.

روش هاي توليد مواد نانوساختاري

روش هاي مختلفي براي رسيدن به مواد نانو ساختاري وجود دارد كه اين روش ها از لحاظ ترموديناميكي، به صورت تعادلي و غير تعادلي امكان تهيه چنين ساختارهايي را به محققان داده است.

خردايش مكانيكي يك روش مرسوم ومثال واضحي از تكنيك بالا به پايين در سنتز مواد نانوساختاري است كه بر خلاف روش پايين به بالا مواد از خوشه هاي اتمي اوليه تشكيل نشده و تنها از طريق خرد شدن، و تغيير فرم پلاستيك شديد اين مواد تهيه مي شوند. به دليل سهولت تجهيزات نسبتا ارزان قيمت (در مقياس آزمايشگاهي) و قابليت سنتز اكثر مواد، اين روش كاربرد فراواني يافته است. در عين حال مي توان اين روش را به سادگي براي توليد در مقياس صنعتي به كار گرفت. عمده محدوديت هاي اين روش، آلودگي ناشي از محيط و اتمسفر آسياب و نيز متراكم شدن و آلگومره شدن ذرات در حين آسياب است.

در اين فرايند معمولا از آسياب هاي ماهواره اي با انرژي بالا، استفاده مي شود. نانوذرات بر اساس تنش هاي برشي وارده بر ذرات توليد مي شوند. انرژي دستگاه از طريق گلوله هاي آسياب به ذرات وارد مي شود (شكل 2) ميزان انرژي به سرعت لغزش، اندازه و تعداد گلوله ها، نسبت وزني گلوله به پودر، زمان آسياب واتمسفر آسياب بستگي دارد. به طور مثال بيان شده كه آسياب واتمسفر آسياب بستگي دراد به طور مثال بيان شده كه آسياب در محيط مايعات سرمازا، سبب افزايش تردي پودر مي شود. از سوي ديگر از اكسيد شدن ذرات حساس به اكسيداسيون بايد جلوگيري شود، به همين منظور توليد برخي مواد به خصوص مواد غير اكسيدي در اتمسفر خاصي صورت مي پذيرد. در صورتي كه انرژي به ميزان كافي وجود داشته باشد، مي توان كامپوزيت همگني از اجزاء مختلف را در ابعاد نانومتري تهيه كرد. بر اساس انرژي آسياب ونيز ترموديناميك واكنش هاي رخ داده مواد به صورت بلوري ويا آمورف و تك فاز و يا چند فاز سنتز مي شوند. در اين روش براي خردايش از مواد داراي سختي بالا (شكل 3) مانند AL₂O₃  و ZrP₂ به عنوان گلوله استفاده مي شود]1[

2- سنتز به روش شيمي تر

سنتز شيميايي مواد نانومتري مي تواند به دو طريقه سنتز بالا به پايين وسنتز پايين به بالا انجام گيرد. به عنوان مثال اچ كردن تك بلورها در يك محلول مناسب و يا سنتز سيليكون به روش اچ الكتروشيميايي از روشهاي بالا به پايين مي باشند. تكنيك هاي سل-ژل و رسوب از فاز مايع كه در آنها مي توان با يك ماده آغازين مناسب به تركيب نانوساختاري مورد نظر دست يافت از روش هاي پايين به بالا به حساب مي آيند. در ادامه برخي از روش هاي مطرح از اين گروه، معرفي مي شود.

2-1 سل = ژل

فرايند سل- ژل متداولترين روش شيميايي براي توليد مواد نانومتري است. در اين فرايند يك شبكه غير آلي به صورت يك سوسپانسيون كلوئيدي (سل) تهيه شده و در نهايت طي فرايند تشكيل ژل، فاز مايع از آن خارج مي شود. ماده آغازين اين روش فلزات حاوي ليگاندهاي فعالي ويا ذرات كلوئيدي اكسيدي پخش شده در محيط آب و يا اسيد رقيق مي باشد. با كنترل فرايند تبديل سل به ژل مي توان اندازه و شكل ذرات را كنترل كرد و درنهايت با كلسيناسيون ژل، مي توان اكسيد ماده مورد نظر را توليد كرد.

دو روش اصلي براي سنتز ژل در دماهاي اتاق وجود دارد يكي از اين روش ها استفاده از ذرات كلوئيدي تركيب مورد نظر مي باشد كه به طور پايداري تشكيل سل داده است وطي فرايند تغيير غلظت نمك و يا PH محيط به صورت شكبه اي ژل مانند استحصال مي شود. روش ديگر استفاده از آلكوكسيدهاي فلزي حل شده در محيط الكل است كه در گام اول سل حاصل طي فرايند هيدروليز، كه سبب جانشيني گروه هاي OH- به جاي گروههاي OR مي شود، به صورت ژل رسوب مي كند. جزئيات روش سل= ژل در شكل (4) به خوبي نشان داده مي شود.

در شكل (5) فرايد سنتز پودر زير كونياي پايدار شده به روش سل- ژل نشان داده شده است. معمولا در حين دهيدارته كردن، ژل اكسيدي زينتر شده و رشد دانه در آن نيز رخ مي دهد. براي جلوگيري از اين صدمات وعيوب سعي مي شود قطعه حاصل در دما و فشار خاصي دهيدارته شود. عمده دليل توجه به اين روش، سنتز مواد غير آلي نظير شيشه ها، شيشه سراميك ها و يا مواد سراميكي در دماي خيلي پايين به نسبت به ساير روش هاست.

2-2 واكنش هاي جامد- مايع

ذرات بسيار ريزدانه از طريق رسوب از محلول نيز توليد مي شوند كه به طريقه جوانه زني و رشد در محلول پيش مي رود. به طور مثال مي توان به پودر TiO₂ با اندازه ذرات nm 300-70 حاصل از رسوب محلول تترا ايزوپرويوكسايد تيتانيم و نيز پودر ZnS حاصل از واكنش محلول نمك روي با تيواستاميد اشاره كرد ]11[.

3- سنتز از فاز گاز

كليه روش هايي كه در آن پودر از واكنش يك يا چند گاز به دست مي آيد، جزء اين گروه محسوب مي شوند. در اين روش به دليل كنترل دقيق شرايط سنتز، توانايي كنترل اندازه، شكل و تركيب شيميايي پودر بالاست. قبل از توضيح برخي از روش هاي سنتز از فاز گازي به برخي از جنبه هاي كلي اين تكنيك اشاره مي شود. با استفاده از روش رسوب شيميايي بخار (CVD)، بسته به كاربرد مورد نظر، مي توان با كنترل شرايط پودري با تركيب همگن و يا غير همگن سنتز كرد. در روش CVD همگن، ذرات در درون فاز گاز تشكيل شده و به دليل نيروي محركه ناشي از گراديان دمايي به طرف بيرون رشد مي كنند. ولي در روش CVD غير همگن، جامد روي سطح يك زير پايه كه نقش كاتاليزور را دارد تشكيل مي شود.

روش سنتز از فاز گازي مدام در حال توسعه و تغيير و تحول مي باشد. مزاياي ذاتي اين روش عبارتند از:

-         كنترل دقيق اندازه، شكل، درجه بلوري بودن و تركيب شيميايي پودر حاصل

-         خلوص بالاي محصول نهايي

-         كنترل راحت مكانيزم هاي واكنش

اين روش مبتني بر تشكيل خوشه هاي كوچكي از اتم هاست و از متراكم شدن اين خوشه ها نانوپودر توليد مي شود. تراكم خوشه ها زماني كه بخار فوق اشباع شود در داخل آن خوشه هاي اتمي تشكيل شده باشند، رخ مي دهد.

3-1 سنتز از فاز گاز در كوره

استفاده از كوره ساده ترين شكل سنتز از فاز گاز و مطلوب براي مواد با فشار بخار بالاست. انرژي حرارتي به روش قوس الكتريكي و يا توسعه اشعه الكتروني به ماده اوليه داده مي شود. اتم هاي ماده اوليه بخار شده و وارد محيط راكتور مي شوند. اتمسفر محيط خنثي و يا حاوي گاز واكنش دهنده است. براي مواد با فشار بخار پايين، از ماده آغازين مناسبي مانند تركيبات آلي- فلزي استفاده مي شود اتم هاي داغ بخار شده از ماده آغازين با ايجاد جوانه همگن سبب كاهش انرژي سيستم شده و در نهايت متراكم مي شوند (شكل 7). براي سنتز كامپوزيت پودري- گازهاي مختلفي را وارد محفظه راكتور مي كنند. عامل محترك رشد جوانه هاي ايجاد شده فوق اشباع ماند ناحيه بخار است با كنترل سرعت خروج جوانه ها از محيط فوق اشباع  مي توان اندازه ذرات را كنترل كرد. انداره و نحوه توزيع خوشه هاي اتمي به پارامترهاي زير بستگي دارد:

1-سرعت تبخير شدن (ميزان انرژي اعمالي به سيستم)

2- سرعت متراكم شدن

3- سرعت خروج خوشه ها

به دليل سادگي اين روش، امكان تبديل آن از مقياس آزمايشگاهي به صنعتي وجود دارد.

3-2 پيروليز پاششي با استفاده از شعله

در اين روش ماده آغازين به صورت ذرات ريز در آورده شده (پودر شده) وتركيبات زايد آن در معرض شعله مي سوزد. براي مثال در اين روش ZrO₂ از ماده آغازين Zr(CH₃CH₂CH₂O)₄ به دست مي آيد. از سوي ديگر با تغيير شعله مي توان مواد مختلفي را سنتز كرد. به عنوان مثال تتراكلريد سيليسيم با قرار گرفتن در معرض شعله اكسيدي هيدورژن توليد ذرات نانومقياس SiO₂ مي كند (شكل 8). محدوده اندازه ذرات حاصل از اين روش در حدود 40-7 نانومتر است.

با تغيير نوع شعله به شعله انفجاري مي توان محصولات نانومقياس در حجم انبوه توليد كرد، به همين منظور ماده آغازين را در محفظه اي با مخلوط گازهايي چون اكسيژن و استيلن و يا اكسيژن وهيدروژن تركيب مي كنند. در اثر انفجار، انرژي لازم براي سنتز مواد ايجاد مي شود. از معايب اين روش آگلومره شدن محصول نهايي است. براي كنترل انداره ابعاد محصول نهايي بايد شعله كاملا يكنواخت و كنترل شده باشد. با توجه به اكسيدي بودن محيط سنتز، اين روش براي توليد پودرهاي اكسيدي مناسب است.

3-3 فرايند چگالش از گاز

در اين روش يك فلز يا يك ماده معدني بر اثر حركت ناشي از اعمال اشعه الكتروني و ياجرقه در فشار mbar 50-1 در محيط گازهايي چون آرگون، نئون وكريپتون عمگن ايجاد مي شوند تو با ملحق شدن اتم هاي ديگر رشد خوشه ها امان پذير مي شود. با تغيير فشار گاز مي توان زمان قرار گرفتن رشد ذرات را نيز تنظيم كرد. بيان ساده اي ازنحوه سنتز پودر نانومتري به روش مذكور در شكل (9) نشان داده شده است.

توزيع اندازه ذرات پودر حاصل از يك توزيع نرمال تبعيت مي كند. براي جمع آوري ذرات تهيه شده از يك چرخ دورا خنك شونده به وسيله نيتروژن مايع بهره گرفته مي شود. اندازه ذرات در محدوده nm 50-2 بوده و در ضمن پودر حاصل آلگومره نيست.

4 چگالش بخارات شيميايي

همان گونه كه در شكل (10)  ديده مي شود، بر خلاف روش قبل در اين روش از يك ديواره داغ راكتور استفاده شده است. بسته به پارامترهاي فرايند مي توان جوانه زني نانو ذرات را در اين روش كنترل كرد.

در روش هاي جديد چگالش بخارات شيميايي (CVC) تلاش مي شود كه با بهينه كردن پارامتر هاي موثر، جوانه زني همگن ذرات در جريان گاز را تشويق نمايند. به طوري كه مشخص شده است كه با تنظيم زمان ماندگاري در راكتور مي توان به اين مهم دست يافت. زمان ماندگاري را مي توان با كنترل فشار گاز ورودي ونيز دماي ديوراه داغ راكتور تغيير داد. در حقيقت با كنترل پارامترهاي فوق مي توان هم پودر نانومتري توليد كرد وهم لايه هاي نازك از مواد را بر روي زير پايه قرار داد. در راحت ترين روش CVC،  يك پيش ماده آلي- فلزي به داخل تاحيه داغ راكتور وارد شده و در اين ناحيه با كنترل فرايندها مي توان پودر نانومقياس مورد نظر را سنتز كرد. اين روش نسبت به روش هاي قبل امكان سنتز انواع كاربيدها، نيتريدها و نيز سنتز پودر هاي تركيبي نظير BaTiO₃  را دارد. در اين روش بر خلاف روش CVD كه تنها فيلم نازك ايجاد مي نمايد، پودر نانومقياس نيز سنتز مي شود. در روش CVC، فرايند پيوسته بوده و محصول بيشتري مي توان سنتز كرد.

تقريبا كليه نانوپودرها را مي توان به روش سنتز از فاز گاز توليد كرد. بسته به نوع پودري كه سنتز مي شود بايد روشي مناسب انتخاب شود تا خلوص، اندازه ذرات، درجه آلگومره شدن ونوع فاز پودر سنتزي، مناسب كاربرد مورد نظر باشد.

شكل 12، روش هاي مختلف جهت سنتز مواد نانومتري فلزي و يا سراميكي را نشان مي دهد. همچنين جدول 1، روش هاي مختلف سنتز از فاز گازي براي سنتز انواع مواد سراميكي و فلزي را نشان مي دهد.

برگرفته از:

J. Dutta, H.Hofmamnn, ''Nanomaterials'

SFIT, 2003