_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 24
اهمیت سطح در دنیای نانو (2)
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
در بخش قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتمهای آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. همچنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر میکند. درک اینکه چرا واکنشپذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیشتر میشود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش میآید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دستخوش تحولات زیادی میشود؟ در این بخش به این سوال پاسخ داده شده است.
1- تاثیر سطح در دنیای نانو
چنانچه مادهای با مقیاس چند ده متری را کوچکتر کرده و به ابعاد میلیمتری برسانیم، هیچ تغییری در نقطهی ذوب، رنگ و خواص مغناطیسی آن ایجاد نمیشود، اما این تغییر در هنگام کوچکتر کردن ماده تا ابعاد نانومتری دیده میشود؟! کلید حل این مساله در این جاست که تعداد اتمهای سطحی در مواد با مقیاسهای بزرگتر از نانومتر، بسیار ناچیز است، اما با ورود به دنیای نانومتری، مقدار این اتمها نسبت به کل اتمهای ماده، بسیار زیاد میشود. برای بررسی دقیقتر و درک این موضوع، به جدول 1 دقت کنید.
جدول1 درصد اتمهای سطحی خوشههای اتمی با تعداد پوستههای متفاوت
در این جدول، تعداد پوسته‌ها، شکل خوشه، تعداد اتمهای سطحی، تعداد کل اتمها و درصد اتمهای سطحی مربوط به هر خوشه آورده شده است. این خوشه‌ها در متراکمترین حالت ممکن در نظر گرفته شده‌اند. مشاهده میشود در حالتی که خوشه‌ی اتمی از یک پوسته تشکیل شده باشد، 92درصد اتمهای آن در سطح قرار دارند. اگر قطر هر اتم 5 آنگستروم در نظر گرفته شود، قطر این خوشه برابر با 1/5 نانومتر است. در حالت سه پوستهای و با قطر خوشه برابر با 3/5 نانومتر، معادل 63 درصد از اتمها در سطح قرار گرفتهاند. یعنی با افزایش اندازهی ذرات از 1/5 نانومتر به 3/5 نانومتر، از درصد اتمهای سطحی به مقدار 29درصد کاسته شده است. برای مقایسه، این تغییر را در هنگام گذار از حالت پنج پوستهای (قطر خوشه برابر با 5/5 نانومتر) به حالت هفت پوستهای (قطر خوشه برابر با 7/5 نانومتر) در نظر بگیرید. مقدار اتمهای سطحی با کاهش 10درصد از مقدار 45درصد به 35درصد میرسد. بنابراین هرچه اندازه ذرات کوچکتر باشد، تاثیر کاهش اندازه ذرات بر مقدار اتمهای سطحی بیشتر میشود. با یک محاسبه‌ی ساده متوجه میشوید که در موادی با ابعاد میکرومتر و متر، مقدار اتمهای سطحی نسبت به اتمهای کل ماده، بسیار ناچیز و تقریبا برابر با صفر است. بنابراین، تاثیر این اتمها بر خواص ماده بسیار ناچیز است. اما در مقیاسهای نانومتری، درصد این اتمها بسیار زیاد است و میتوانند نقشی تعیین کننده در خواص مواد داشته باشند. به نظر میرسد عاملی که بسیاری از خواص نانومواد را کنترل میکند، رفتار اتمهای سطحی و مقدار آنها است.
در مواد بزرگتر از نانومتر، تعداد اتمهای سطحی ماده ناچیز بوده و نقش آنها در تعیین خواص مواد نادیده گرفته میشود. اما با کاهش اندازهی ذرات و افزایش نسبت اتمهای سطحی، نقش آنها پررنگتر شده و خواص مواد دچار دگرگونی میشود. سوالی که پیش میآید این است که: اتمهای سطحی چه ویژگیهای متفاوتی از اتمهای درون حجم ماده دارند؟ در حالیکه از نظر علم شیمی، از جنس همان اتمهای داخل حجم ماده هستند. آیا محل قرار گرفتن یک اتم در ماده میتواند بر خواص و رفتار آن تاثیرگذار باشد؟
در یک ماده‌ی جامد، هر اتم در محل مشخصی نسبت به دیگر مواد قرار گرفته است. در مواد بلوری، با توجه به جنس ماده، فواصل بین اتمها کاملا قابل محاسبه و مشخص هستند. در اطراف هر یک از این اتمها، تعداد مشخصی اتم دیگر با فواصل معین قرار گرفته است. این اتم با برخی از اتمهای اطراف که کم‌ترین فاصله را با آن دارند، در ارتباط مستقیم است. طبق تعریف، تعداد این اتمها را عدد همسایگی، عدد همآرایی یا عدد کوئوردیناسیون می‌گویند. عدد کوئوردیناسیون که برای ساختارهای بلوری به کار میرود، عبارت است از تعداد اتمهایی که نزدیکترین فاصله را با یک اتم دارند. به طور مثال، این عدد برای اتم سدیم در بلور نمک طعام، 6 است که نشان میدهد هر اتم سدیم، توسط 6 اتم کلر احاطه شده است. در بلور نمک طعام (شکل 1) عدد همسایگی برای اتمهای سدیم و کلر برابر با 6 است. اما نکتهای وجود دارد که باید به آن توجه کرد. یک بلور نمک طعام، اندازهی محدودی دارد. یک وجه این بلور را در نظر بگیرید، آیا تعداد نزدیکترین همسایههای اتم های موجود روی این سطح، برابر با 6 است؟
این اتمها تنها از یک طرف با دیگر اتمهای بلور در ارتباط هستند. اگر یک بلور نمک طعام در حالت کاملا ایدهآل و کامل (بدون نقص) در نظر گرفته شود، نزدیکترین همسایههای اتم مستقر روی وجه، برابر با 5، برای اتم مستقر روی یال، برابر با 4 و برای اتم موجود در رأس این مکعب، برابر با 3 است (شکل 1).
شکل 1: بلور نمک طعام
بنابراین، در مسیر رسیدن به پاسخ پرسش فوق، این نتیجه حاصل شد که عدد همسایگی اتمهای سطحی ماده با دیگر اتمهای آن متفاوت است. اگر عدد همسایگی بر خواص اتم تاثیرگذار باشد، در مواد نانومتری وخوشههای اتمی که تعداد بسیار زیادی از اتمها بر روی سطح ماده قرار دارند یا به عبارتی نسبت سطح به حجم بسیار بیشتر از مواد بزرگتر است، این تاثیر باید چشمگیرتر باشد.
در فصل گذشته به افزایش واکنش پذیری شیمیایی نانومواد اشاره شد. آیا میتوان این افزایش را به افزایش میزان اتمهای سطحی نسبت داد؟ برای روشنتر شدن موضوع، مثالی را که در کتاب"نانو از نو" آورده شده است، بیان می‌کنیم. تصور کنید که در زنگ تفریح به همراه دوستان خود در حیاط مدرسه ایستادهاید. هنگامیکه زنگ به صدا در میآید، هر یک از شما تلاش میکند تا به سمت کلاس برود. در این شرایط آیا رفتار شما با بقیه دوستانتان یکسان است؟ اگر شما در میان حلقه دوستانتان ایستاده باشید، ابتدا باید صبر کنید تا اطرافیانتان حلقه را ترک کنند و سپس شما بتوانید راهی به بیرون بیابید. بر عکس، دوست شما که در اطراف این جمع ایستاده است، میتواند به راحتی و با آزادی عمل بیشتری این حلقه را ترک کند. این رفتاری است که در اتمهای یک ماده جامد نیز دیده میشود. در واقع اتمهای سطح ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتمهای داخل حجم دارند. همانگونه که در بخش‌های قبلی گفته شد، ارتباط ماده با محیط پیرامونش، از طریق محل تماس ماده با این محیط، یا همان سطح ماده است. بنابراین به راحتی میتوان دریافت که اتمهای سطحی ماده، واکنشپذیری بیشتری دارند. جدای از آزادی عمل بیشتر اتمهای سطحی، اتم¬هایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم¬های اطراف آنها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتم¬هایی که روی سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم¬های کم‌تری در ارتباط هستند، ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند، بنابراین واکنش¬پذیری آنها نسبت به اتم¬های داخل ماده بیشتر است. بنابراین هنگامیکه اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده تا جایی کوچک شوند که نسبت سطح به حجم افزایش چشمگیری داشته باشد، واکنشپذیری ماده نیز بسیار افزایش خواهد یافت. اگرچه، در همان اندازههای بزرگ نیز با خرد کردن ذرات یک ماده، به وضوح واکنشپذیری آن افزایش مییابد و برای مشاهده افزایش واکنشپذیری لزومی ندارد تا حتما به اندازههای نانومتری برسیم.
البته باید بین این موضوع و موضوع غیرفعال شدن سطح فلزاتی مانند آلومینیوم بر اثر تشکیل لایه اکسیدی، روی سطح آن تمایز قائل شد. زیرا در آن شرایط اتمهای سطحی در قالب یک ترکیب شیمیایی قرار گرفتهاند و ماهیتی جدا از اتمهای خالص درون حجم ماده دارند. در نتیجه واکنشپذیری بسیار کاهش مییابد و حجم ماده از واکنش شیمیایی مصون میماند.
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
در بخش قبل آموختیم که راه‌هایی برای افزایش سطح ماده و آوردن اتمهای آن از داخل حجم به سطح وجود دارد. همچنین آموختیم که با افزایش سطح ماده، خواص آن تغییر میکند. درک اینکه چرا واکنشپذیری شیمیایی ماده با افزایش سطح آن بیشتر میشود، بسیار ساده است. اما این سوال پیش میآید که، چرا این موضوع در ابعاد نانومتری اهمیت بسیار بالایی پیدا کرده است و چرا خواص مختلف ماده در این ابعاد دستخوش تحولات زیادی میشود؟ در این بخش به این سوال پاسخ داده شده است.
1- تاثیر سطح در دنیای نانو
چنانچه مادهای با مقیاس چند ده متری را کوچکتر کرده و به ابعاد میلیمتری برسانیم، هیچ تغییری در نقطهی ذوب، رنگ و خواص مغناطیسی آن ایجاد نمیشود، اما این تغییر در هنگام کوچکتر کردن ماده تا ابعاد نانومتری دیده میشود؟! کلید حل این مساله در این جاست که تعداد اتمهای سطحی در مواد با مقیاسهای بزرگتر از نانومتر، بسیار ناچیز است، اما با ورود به دنیای نانومتری، مقدار این اتمها نسبت به کل اتمهای ماده، بسیار زیاد میشود. برای بررسی دقیقتر و درک این موضوع، به جدول 1 دقت کنید.
جدول1 درصد اتمهای سطحی خوشههای اتمی با تعداد پوستههای متفاوت
در این جدول، تعداد پوسته‌ها، شکل خوشه، تعداد اتمهای سطحی، تعداد کل اتمها و درصد اتمهای سطحی مربوط به هر خوشه آورده شده است. این خوشه‌ها در متراکمترین حالت ممکن در نظر گرفته شده‌اند. مشاهده میشود در حالتی که خوشه‌ی اتمی از یک پوسته تشکیل شده باشد، 92درصد اتمهای آن در سطح قرار دارند. اگر قطر هر اتم 5 آنگستروم در نظر گرفته شود، قطر این خوشه برابر با 1/5 نانومتر است. در حالت سه پوستهای و با قطر خوشه برابر با 3/5 نانومتر، معادل 63 درصد از اتمها در سطح قرار گرفتهاند. یعنی با افزایش اندازهی ذرات از 1/5 نانومتر به 3/5 نانومتر، از درصد اتمهای سطحی به مقدار 29درصد کاسته شده است. برای مقایسه، این تغییر را در هنگام گذار از حالت پنج پوستهای (قطر خوشه برابر با 5/5 نانومتر) به حالت هفت پوستهای (قطر خوشه برابر با 7/5 نانومتر) در نظر بگیرید. مقدار اتمهای سطحی با کاهش 10درصد از مقدار 45درصد به 35درصد میرسد. بنابراین هرچه اندازه ذرات کوچکتر باشد، تاثیر کاهش اندازه ذرات بر مقدار اتمهای سطحی بیشتر میشود. با یک محاسبه‌ی ساده متوجه میشوید که در موادی با ابعاد میکرومتر و متر، مقدار اتمهای سطحی نسبت به اتمهای کل ماده، بسیار ناچیز و تقریبا برابر با صفر است. بنابراین، تاثیر این اتمها بر خواص ماده بسیار ناچیز است. اما در مقیاسهای نانومتری، درصد این اتمها بسیار زیاد است و میتوانند نقشی تعیین کننده در خواص مواد داشته باشند. به نظر میرسد عاملی که بسیاری از خواص نانومواد را کنترل میکند، رفتار اتمهای سطحی و مقدار آنها است.
در مواد بزرگتر از نانومتر، تعداد اتمهای سطحی ماده ناچیز بوده و نقش آنها در تعیین خواص مواد نادیده گرفته میشود. اما با کاهش اندازهی ذرات و افزایش نسبت اتمهای سطحی، نقش آنها پررنگتر شده و خواص مواد دچار دگرگونی میشود. سوالی که پیش میآید این است که: اتمهای سطحی چه ویژگیهای متفاوتی از اتمهای درون حجم ماده دارند؟ در حالیکه از نظر علم شیمی، از جنس همان اتمهای داخل حجم ماده هستند. آیا محل قرار گرفتن یک اتم در ماده میتواند بر خواص و رفتار آن تاثیرگذار باشد؟
در یک ماده‌ی جامد، هر اتم در محل مشخصی نسبت به دیگر مواد قرار گرفته است. در مواد بلوری، با توجه به جنس ماده، فواصل بین اتمها کاملا قابل محاسبه و مشخص هستند. در اطراف هر یک از این اتمها، تعداد مشخصی اتم دیگر با فواصل معین قرار گرفته است. این اتم با برخی از اتمهای اطراف که کم‌ترین فاصله را با آن دارند، در ارتباط مستقیم است. طبق تعریف، تعداد این اتمها را عدد همسایگی، عدد همآرایی یا عدد کوئوردیناسیون می‌گویند. عدد کوئوردیناسیون که برای ساختارهای بلوری به کار میرود، عبارت است از تعداد اتمهایی که نزدیکترین فاصله را با یک اتم دارند. به طور مثال، این عدد برای اتم سدیم در بلور نمک طعام، 6 است که نشان میدهد هر اتم سدیم، توسط 6 اتم کلر احاطه شده است. در بلور نمک طعام (شکل 1) عدد همسایگی برای اتمهای سدیم و کلر برابر با 6 است. اما نکتهای وجود دارد که باید به آن توجه کرد. یک بلور نمک طعام، اندازهی محدودی دارد. یک وجه این بلور را در نظر بگیرید، آیا تعداد نزدیکترین همسایههای اتم های موجود روی این سطح، برابر با 6 است؟
این اتمها تنها از یک طرف با دیگر اتمهای بلور در ارتباط هستند. اگر یک بلور نمک طعام در حالت کاملا ایدهآل و کامل (بدون نقص) در نظر گرفته شود، نزدیکترین همسایههای اتم مستقر روی وجه، برابر با 5، برای اتم مستقر روی یال، برابر با 4 و برای اتم موجود در رأس این مکعب، برابر با 3 است (شکل 1).
شکل 1: بلور نمک طعام
بنابراین، در مسیر رسیدن به پاسخ پرسش فوق، این نتیجه حاصل شد که عدد همسایگی اتمهای سطحی ماده با دیگر اتمهای آن متفاوت است. اگر عدد همسایگی بر خواص اتم تاثیرگذار باشد، در مواد نانومتری وخوشههای اتمی که تعداد بسیار زیادی از اتمها بر روی سطح ماده قرار دارند یا به عبارتی نسبت سطح به حجم بسیار بیشتر از مواد بزرگتر است، این تاثیر باید چشمگیرتر باشد.
در فصل گذشته به افزایش واکنش پذیری شیمیایی نانومواد اشاره شد. آیا میتوان این افزایش را به افزایش میزان اتمهای سطحی نسبت داد؟ برای روشنتر شدن موضوع، مثالی را که در کتاب"نانو از نو" آورده شده است، بیان می‌کنیم. تصور کنید که در زنگ تفریح به همراه دوستان خود در حیاط مدرسه ایستادهاید. هنگامیکه زنگ به صدا در میآید، هر یک از شما تلاش میکند تا به سمت کلاس برود. در این شرایط آیا رفتار شما با بقیه دوستانتان یکسان است؟ اگر شما در میان حلقه دوستانتان ایستاده باشید، ابتدا باید صبر کنید تا اطرافیانتان حلقه را ترک کنند و سپس شما بتوانید راهی به بیرون بیابید. بر عکس، دوست شما که در اطراف این جمع ایستاده است، میتواند به راحتی و با آزادی عمل بیشتری این حلقه را ترک کند. این رفتاری است که در اتمهای یک ماده جامد نیز دیده میشود. در واقع اتمهای سطح ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتمهای داخل حجم دارند. همانگونه که در بخش‌های قبلی گفته شد، ارتباط ماده با محیط پیرامونش، از طریق محل تماس ماده با این محیط، یا همان سطح ماده است. بنابراین به راحتی میتوان دریافت که اتمهای سطحی ماده، واکنشپذیری بیشتری دارند. جدای از آزادی عمل بیشتر اتمهای سطحی، اتم¬هایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم¬های اطراف آنها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتم¬هایی که روی سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم¬های کم‌تری در ارتباط هستند، ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند، بنابراین واکنش¬پذیری آنها نسبت به اتم¬های داخل ماده بیشتر است. بنابراین هنگامیکه اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده تا جایی کوچک شوند که نسبت سطح به حجم افزایش چشمگیری داشته باشد، واکنشپذیری ماده نیز بسیار افزایش خواهد یافت. اگرچه، در همان اندازههای بزرگ نیز با خرد کردن ذرات یک ماده، به وضوح واکنشپذیری آن افزایش مییابد و برای مشاهده افزایش واکنشپذیری لزومی ندارد تا حتما به اندازههای نانومتری برسیم.
البته باید بین این موضوع و موضوع غیرفعال شدن سطح فلزاتی مانند آلومینیوم بر اثر تشکیل لایه اکسیدی، روی سطح آن تمایز قائل شد. زیرا در آن شرایط اتمهای سطحی در قالب یک ترکیب شیمیایی قرار گرفتهاند و ماهیتی جدا از اتمهای خالص درون حجم ماده دارند. در نتیجه واکنشپذیری بسیار کاهش مییابد و حجم ماده از واکنش شیمیایی مصون میماند.
