_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 24
اهمیت سطح در تعیین خواص مواد (1)
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
در بخش گذشته به صورت مختصر با اثرات کوانتومی در مواد نانومتری آشنا شدید. در کنار اثرات کوانتومی، بازیگر مهم دیگری نیز در تغییر خواص مواد در مقیاس نانو نقش دارد: اثرات سطحی. این دو عامل واکنش¬پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و ... و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را تحت شعاع خود قرار می¬دهد. سطح در فناوری نانو اهمیت بسیار بالایی دارد و همهجا از اثر سطح یا نسبت سطح به حجم صحبت میشود. بسیاری از تغییر خواص در مقیاس نانو را میتوان با بررسی اثرات سطحی نانومواد توجیه کرد. برای درک بهتر اثرات سطحی در نانومواد در این بخش به بررسی اهمیت سطح در تعیین خواص مواد پرداخته شده است.
1- اهمیت سطح در تعیین خواص مواد
همانطور که میدانید، واکنشهای شیمیایی در محلی اتفاق میافتند که ماده با محیط اطراف در تماس است. این محل همان سطح ماده است. واکنش از این منطقه شروع شده و سپس تحت شرایطی به عمق نفوذ میکند. برای بررسی بیشتر، اکسید شدن آلومینیوم را در نظر بگیرید. یک قطعهی آلومینیومی سطحی کدر دارد که در صورت سمباده زدن آن، لایه‌های زیرین که بسیار شفاف هستند، پدیدار میشوند. این لایه‌های بسیار شفاف، همان آلومینیوم هستند. اما این سطح براق به سرعت به سطحی کدر و مات تبدیل میشود. بررسیها نشان داده است که، این لایهی بسیار نازک و کدر، ترکیبی از اکسیژن و آلومینیوم است. این لایه از تماس لایه‌های زیرین (که از آلومینیوم هستند) با هوای اطراف جلوگیری میکند. بنابراین، واکنش اکسایش آلومینیوم ادامه پیدا نمیکند و بقیه‌ی ماده از اکسید شدن محفوظ میماند.
اکسید شدن آهن با اکسید شدن آلومینیوم تفاوت دارد. اگر دقت کرده باشید، زنگ آهن، مادهای است قرمز رنگ که به راحتی می‌شکند و میریزد. این ماده به راحتی از روی آهن جدا میشود و بنابراین، اکسیژن به قسمتهای داخلی و به زیر لایهی اکسیدی نفوذ کرده و واکنش اکسایش ادامه می‌یابد. به گونهای که ادامه روند این واکنش منجر به تخریب کامل قسمتی از قطعهی فولادی شده و در نهایت، موجب انهدام آن میشود. بنابراین، برای ادامه دادن یک واکنش، باید راهی برای نفوذ به درون آن ماده پیدا کرد. یک راه، انتقال مواد از درون حجم ماده به سطح آن است. برای این کار (دسترسی به قسمتهای داخلی حجم ماده) میتوان مسیری را درون ماده تعبیه کرد. این کار را میتوان با ایجاد حفراتی که به هم متصل هستند و تا سطح ماده ادامه دارند، انجام داد (شکل 1). به این مواد که ساختاری اسفنج مانند دارند، مواد متخلخل یا فوم گفته میشود. در طبیعت نیز میتوان مواد متخلخل را به وفور مشاهده کرد. زئولیتها موادی از این دسته هستند. از مواد متخلخل مصنوعی نیز میتوان به فوم‌های فلزی اشاره نمود که امروزه کاربردهای بسیاری در صنایع دارند. از مواد متخلخل میتوان برای کاتالیز واکنشهای شیمیایی، فیلترهای مایعات و فیلترهای هوا استفاده نمود. بنابراین، هرچه اتمهای بیشتری در سطح باشند، واکنشهای شیمیایی با سهولت بیشتری رخ میدهند. این رویداد در برخی موارد مفید، و در برخی موارد مضر است.
پرسش 1: آیا می‌توانید کاربردهای واکنشهای شیمیایی مواد را نام ببرید؟ چه مواقعی لازم است تا از واکنشهای شیمیایی مواد جلوگیری شود؟
شکل 1: طرحی از مواد متخلخل
یک راه دیگر، کوچکتر کردن اندازهی مواد واکنشدهنده است. ممکن است مطالبی را در رابـ ـطه با سوختهای جامد شنیده باشید. سوختهای جامد مانند پودر آلومینیوم در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این کاربردها، استفاده به عنوان سوخت موشک است. همانگونه که قبلا نیز گفته شد، آلومینیوم واکنش‌پذیری بالایی دارد و به سرعت اکسید میشود. پودرهای ریز آلومینیوم بر اثر واکنش با اکسیژن، به شدت آتش می‌گیرند و گرمای زیادی آزاد میکنند.
سوختهای جامد (Solid Fuel) به انواع مواد جامدی گفته میشود که به عنوان سوخت استفاده میشوند، و در اثر اشتعال، گرما و انرژی آزاد میکنند. مانند: زغال چوب و زغال سنگ. یکی از کاربردهای این نوع سوخت، استفاده از آن به عنوان سوخت موشک است.
پرسش 2: به نظر شما اندازهی پودرهای آلومینیوم چه تاثیری بر میزان انرژی آزاد شده و در نتیجه بازده سوخت دارد؟
برای پاسخ به این پرسش، شکل 2 را در نظر بگیرید. در این شکل فرض شده است که پودر آلومینیوم به شکل کره است. در صورتی که این ذرهی پودر در معرض اکسیژن قرار بگیرید و واکنش دهد، یک لایه از اکسید آلومینیوم روی آن قرار میگیرد. با توجه به آنچه در مورد اکسید آلومینیوم گفته شد، این لایهی تشکیل شده، از ادامه‌ی واکنش اکسایش جلوگیری میکند و مقدار زیادی از قسمتهای داخلی این ذرهی پودری، از واکنش در امان میماند. اما در صورتیکه اندازهی این ذره کم‌تر باشد، مقدار بسیار کم‌تری از آن دست نخورده باقی میماند. بنابراین، مقدار بیشتری از سوخت جامد مصرف شده و بازده بیشتر میشود.
علاوه بر این مثال، اندازهی ذرات مورد استفاده در صنایع شیمیایی (اندازهی ذرات کاتالیست)، ریخته گری (اندازهی افزودنی‌ها به مذاب) و صنایع کامپوزیت (اندازهی ذرات تقویت‌کننده) از اهمیت بالایی برخوردار است.
به طور خلاصه، برای در دسترس قرار دادن مقدار بیشتری از یک ماده، یا باید به شکل متخلخل باشد، و یا اندازه ذرات آن کوچکتر باشد. در هر دو رویکرد، در واقع مقدار بیشتری از ماده روی سطح قرار میگیرد، و یا میتوان گفت که نسبت سطح به حجم افزایش یافته است. اهمیت سطح تنها در واکنشهای شیمیایی مطرح نیست، بلکه برهمکنشهای فیزیکی و مکانیکی ماده با محیط نیز از طریق سطح انجام میگیرد. از این موارد میتوان به پدیده‌های اصطکاک و انتقال حرارت اشاره نمود. بنابراین، تغییر مقدار سطح ماده میتواند بر این پدیدهها تاثیر بگذارد.
شکل 2: مقایسه‌ی بین اکسید شدن ذرات آلومینیوم با اندازه‌های مختلف100 اتم) ، ج) ساختار انرژی نانوذرات کوچک (شامل 3 اتم)
پرسش 3: آیا همیشه با کوچکتر شدن اندازهی ماده، خواص آن تغییر میکند؟ این خواص شامل چه مواردی هستند؟ در ابعاد نانومتر، خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی مواد به شدت تغییر میکند. برای مثال، نقطهی ذوب ذرات 50 نانومتری طلا با نقطهی ذوب ذرات 10 نانومتری طلا بسیار متفاوت است. رنگ نانوذرات طلا نیز با یکدیگر متفاوت است. اما اگر شمشهای بزرگ طلا را به قسمتهای چند میلی‌متری تقسیم کنیم، نقطهی ذوب‌شان تغییر نمیکند و همچنان به رنگ زرد (طلایی) دیده میشوند. چگونه این واقعیت را توجیه میکنید؟ آیا ابعاد نانومتر، محدودهی خاصی است که در آن اتفاقات ویژهای میافتد؟
برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو مانند افزایش جذب امواج الکترومغناطیس و یا تغییر رنگ مواد نیمه رسانا با گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه میشود. در بخش‌های آینده و در مباحث تغییر خواص نوری نانوذرات و به خصوص فصل نانوالکترونیک بیشتر به این پدیده در مقیاس نانو می‌پردازیم.
به این مجموعه پدیده‌های فیزیکی در مواد نانومقیاس، اثرات کوانتومی می‌گویند که یکی از دلایل اصلی تغییر خواص مواد در این مقیاس است. در بخش‌های آینده با پدیده مهم دیگری آشنا می‌شوید که در کنار اثرات کوانتومی توجیه‌گر تغییرات رفتار مواد نانومتری هستند.
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
در بخش گذشته به صورت مختصر با اثرات کوانتومی در مواد نانومتری آشنا شدید. در کنار اثرات کوانتومی، بازیگر مهم دیگری نیز در تغییر خواص مواد در مقیاس نانو نقش دارد: اثرات سطحی. این دو عامل واکنش¬پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و ... و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را تحت شعاع خود قرار می¬دهد. سطح در فناوری نانو اهمیت بسیار بالایی دارد و همهجا از اثر سطح یا نسبت سطح به حجم صحبت میشود. بسیاری از تغییر خواص در مقیاس نانو را میتوان با بررسی اثرات سطحی نانومواد توجیه کرد. برای درک بهتر اثرات سطحی در نانومواد در این بخش به بررسی اهمیت سطح در تعیین خواص مواد پرداخته شده است.
1- اهمیت سطح در تعیین خواص مواد
همانطور که میدانید، واکنشهای شیمیایی در محلی اتفاق میافتند که ماده با محیط اطراف در تماس است. این محل همان سطح ماده است. واکنش از این منطقه شروع شده و سپس تحت شرایطی به عمق نفوذ میکند. برای بررسی بیشتر، اکسید شدن آلومینیوم را در نظر بگیرید. یک قطعهی آلومینیومی سطحی کدر دارد که در صورت سمباده زدن آن، لایه‌های زیرین که بسیار شفاف هستند، پدیدار میشوند. این لایه‌های بسیار شفاف، همان آلومینیوم هستند. اما این سطح براق به سرعت به سطحی کدر و مات تبدیل میشود. بررسیها نشان داده است که، این لایهی بسیار نازک و کدر، ترکیبی از اکسیژن و آلومینیوم است. این لایه از تماس لایه‌های زیرین (که از آلومینیوم هستند) با هوای اطراف جلوگیری میکند. بنابراین، واکنش اکسایش آلومینیوم ادامه پیدا نمیکند و بقیه‌ی ماده از اکسید شدن محفوظ میماند.
اکسید شدن آهن با اکسید شدن آلومینیوم تفاوت دارد. اگر دقت کرده باشید، زنگ آهن، مادهای است قرمز رنگ که به راحتی می‌شکند و میریزد. این ماده به راحتی از روی آهن جدا میشود و بنابراین، اکسیژن به قسمتهای داخلی و به زیر لایهی اکسیدی نفوذ کرده و واکنش اکسایش ادامه می‌یابد. به گونهای که ادامه روند این واکنش منجر به تخریب کامل قسمتی از قطعهی فولادی شده و در نهایت، موجب انهدام آن میشود. بنابراین، برای ادامه دادن یک واکنش، باید راهی برای نفوذ به درون آن ماده پیدا کرد. یک راه، انتقال مواد از درون حجم ماده به سطح آن است. برای این کار (دسترسی به قسمتهای داخلی حجم ماده) میتوان مسیری را درون ماده تعبیه کرد. این کار را میتوان با ایجاد حفراتی که به هم متصل هستند و تا سطح ماده ادامه دارند، انجام داد (شکل 1). به این مواد که ساختاری اسفنج مانند دارند، مواد متخلخل یا فوم گفته میشود. در طبیعت نیز میتوان مواد متخلخل را به وفور مشاهده کرد. زئولیتها موادی از این دسته هستند. از مواد متخلخل مصنوعی نیز میتوان به فوم‌های فلزی اشاره نمود که امروزه کاربردهای بسیاری در صنایع دارند. از مواد متخلخل میتوان برای کاتالیز واکنشهای شیمیایی، فیلترهای مایعات و فیلترهای هوا استفاده نمود. بنابراین، هرچه اتمهای بیشتری در سطح باشند، واکنشهای شیمیایی با سهولت بیشتری رخ میدهند. این رویداد در برخی موارد مفید، و در برخی موارد مضر است.
پرسش 1: آیا می‌توانید کاربردهای واکنشهای شیمیایی مواد را نام ببرید؟ چه مواقعی لازم است تا از واکنشهای شیمیایی مواد جلوگیری شود؟
شکل 1: طرحی از مواد متخلخل
یک راه دیگر، کوچکتر کردن اندازهی مواد واکنشدهنده است. ممکن است مطالبی را در رابـ ـطه با سوختهای جامد شنیده باشید. سوختهای جامد مانند پودر آلومینیوم در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از این کاربردها، استفاده به عنوان سوخت موشک است. همانگونه که قبلا نیز گفته شد، آلومینیوم واکنش‌پذیری بالایی دارد و به سرعت اکسید میشود. پودرهای ریز آلومینیوم بر اثر واکنش با اکسیژن، به شدت آتش می‌گیرند و گرمای زیادی آزاد میکنند.
سوختهای جامد (Solid Fuel) به انواع مواد جامدی گفته میشود که به عنوان سوخت استفاده میشوند، و در اثر اشتعال، گرما و انرژی آزاد میکنند. مانند: زغال چوب و زغال سنگ. یکی از کاربردهای این نوع سوخت، استفاده از آن به عنوان سوخت موشک است.
پرسش 2: به نظر شما اندازهی پودرهای آلومینیوم چه تاثیری بر میزان انرژی آزاد شده و در نتیجه بازده سوخت دارد؟
برای پاسخ به این پرسش، شکل 2 را در نظر بگیرید. در این شکل فرض شده است که پودر آلومینیوم به شکل کره است. در صورتی که این ذرهی پودر در معرض اکسیژن قرار بگیرید و واکنش دهد، یک لایه از اکسید آلومینیوم روی آن قرار میگیرد. با توجه به آنچه در مورد اکسید آلومینیوم گفته شد، این لایهی تشکیل شده، از ادامه‌ی واکنش اکسایش جلوگیری میکند و مقدار زیادی از قسمتهای داخلی این ذرهی پودری، از واکنش در امان میماند. اما در صورتیکه اندازهی این ذره کم‌تر باشد، مقدار بسیار کم‌تری از آن دست نخورده باقی میماند. بنابراین، مقدار بیشتری از سوخت جامد مصرف شده و بازده بیشتر میشود.
علاوه بر این مثال، اندازهی ذرات مورد استفاده در صنایع شیمیایی (اندازهی ذرات کاتالیست)، ریخته گری (اندازهی افزودنی‌ها به مذاب) و صنایع کامپوزیت (اندازهی ذرات تقویت‌کننده) از اهمیت بالایی برخوردار است.
به طور خلاصه، برای در دسترس قرار دادن مقدار بیشتری از یک ماده، یا باید به شکل متخلخل باشد، و یا اندازه ذرات آن کوچکتر باشد. در هر دو رویکرد، در واقع مقدار بیشتری از ماده روی سطح قرار میگیرد، و یا میتوان گفت که نسبت سطح به حجم افزایش یافته است. اهمیت سطح تنها در واکنشهای شیمیایی مطرح نیست، بلکه برهمکنشهای فیزیکی و مکانیکی ماده با محیط نیز از طریق سطح انجام میگیرد. از این موارد میتوان به پدیده‌های اصطکاک و انتقال حرارت اشاره نمود. بنابراین، تغییر مقدار سطح ماده میتواند بر این پدیدهها تاثیر بگذارد.
شکل 2: مقایسه‌ی بین اکسید شدن ذرات آلومینیوم با اندازه‌های مختلف100 اتم) ، ج) ساختار انرژی نانوذرات کوچک (شامل 3 اتم)
پرسش 3: آیا همیشه با کوچکتر شدن اندازهی ماده، خواص آن تغییر میکند؟ این خواص شامل چه مواردی هستند؟ در ابعاد نانومتر، خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی مواد به شدت تغییر میکند. برای مثال، نقطهی ذوب ذرات 50 نانومتری طلا با نقطهی ذوب ذرات 10 نانومتری طلا بسیار متفاوت است. رنگ نانوذرات طلا نیز با یکدیگر متفاوت است. اما اگر شمشهای بزرگ طلا را به قسمتهای چند میلی‌متری تقسیم کنیم، نقطهی ذوب‌شان تغییر نمیکند و همچنان به رنگ زرد (طلایی) دیده میشوند. چگونه این واقعیت را توجیه میکنید؟ آیا ابعاد نانومتر، محدودهی خاصی است که در آن اتفاقات ویژهای میافتد؟
برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو مانند افزایش جذب امواج الکترومغناطیس و یا تغییر رنگ مواد نیمه رسانا با گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه میشود. در بخش‌های آینده و در مباحث تغییر خواص نوری نانوذرات و به خصوص فصل نانوالکترونیک بیشتر به این پدیده در مقیاس نانو می‌پردازیم.
به این مجموعه پدیده‌های فیزیکی در مواد نانومقیاس، اثرات کوانتومی می‌گویند که یکی از دلایل اصلی تغییر خواص مواد در این مقیاس است. در بخش‌های آینده با پدیده مهم دیگری آشنا می‌شوید که در کنار اثرات کوانتومی توجیه‌گر تغییرات رفتار مواد نانومتری هستند.
