_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 24
میکرو، نانو، پیکو
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
برای توضیح نانو، ابعاد آن و تفاوت‌های ماده در ابعاد نانو با ابعاد بزرگ‌تر، استفاده از نمونه‌های ماکرومقیاس می‌تواند تا حدودی کمک کننده باشد. به این طریق می‌توان برخی تفاوت‌های ماده در ابعاد مختلف را، مقایسه کرد. خواص شگفت‌انگیز ماده در مقیاس نانو، انگیزه‌ی ایجاد مواد در ابعاد کوچکتر مثلا پیکو را برای دست‌یابی به خواص مطلوب‌تر تقویت میکند. اما در این زمینه محدودیت‌هایی نیز وجود دارد؛ برای تولید ماده‌ی پیکومتری، نیازمند کنار هم قرار دادن ذرات زیراتمی و تولید آن ماده هستیم. از جمله مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد، این است که اولا ذرات زیراتمی در طبیعت بطور جداگانه یافت نمیشوند. ثانیا کنار هم قرار دادن آنها، از نظر مالی و زمانی، مقرون به صرفه نیست. گرچه هم اکنون تعدادی عنصر مصنوعی در صنعت تولید شده و مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما این عناصر نیمه عمرهای بسیار کوتاهی دارند. این عوامل و نیز کاربرد وسیع فناوری نانو در همه حیطه‌ها، کماکان برتری این فناوری بر سایر فناوریه‌های نوین را موجب می‌گردد.
1- یک آزمایش ساده
الف) مواد و وسایل مورد نیاز:
1- مقوا به اندازهی ساخت دو مکعب به اضلاع 10×5×5 سانتیمتر
2- مقداری چسب نواری
3- دویست عدد حبه قند مکعبی
4- مقداری شکر (از نظر جرم برابر با جرم 200 عدد حبه قند)
5- مقداری آب
6- یک گرمکن الکتریکی (هیتر)
7- اسپری آبپاش یا قطرهچکان
ب) شرح آزمایش
با استفاده از مقوا و چسب نواری، دو عدد مکعب به اضلاع 5×5×10 سانتیمتر بسازید. یکی از وجه‌های 5×10 سانتیمتری آن را خالی بگذارید تا بتوانید درون آن مقداری قند و شکر بریزید.
100 عدد حبه قند مکعبی شکل را به همراه نیمی از شکرها با همدیگر مخلوط کنید و آن را درون یکی از مکعب‌های مقوایی که ساختهاید بریزید. این مکعب را مکعب شماره (1) بنامید. مقدار بسیار کمی آب را با استفاده از اسپری آبپاش یا قطرهچکان، درون مکعب (1) و روی مخلوط حبههای قند و شکر بریزید؛ به گونهای که مقدار کمی رطوبت ایجاد شود. مکعب (1) را در مجاورت گرمکن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از تبخیر آب، حبههای قند و شکرها به یکدیگر میچسبند.
در مکعب دیگر یعنی مکعب (2)، ابتدا حبههای قند را به صورت منظم کنار یکدیگر قرار دهید. البته آنها را کاملا به یکدیگر نچسبانید تا فضاهایی خالی بین آنها وجود داشته باشد. سپس مقداری شکر روی آن بریزید به گونهای که علاوه بر پر شدن فضاهای خالی، روی حبههای قند نیز مقداری شکر قرار گیرد. سپس ردیف دیگری از حبههای قند را روی شکرها بچینید و دوباره بر روی آن مقداری آب بریزید. مکعب (2) را نیز در مجاورت گرمکن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از آن که مطمئن شدید آب درون هر دو مکعب (1) و (2) کاملا تبخیر شده است، پوشش مقوایی آنها را به آرامی جدا کنید. اکنون دو مکعب بزرگ به اضلاع 5×5×10 سانتیمتر دارید که از مخلوط حبههای قند و شکر تشکیل شده است (شکل 1)
شکل 1: مکعب قندی 1 (سمت چپ) و مکعب قندی 2 (سمت راست)
ج) پرسش‌های آزمایش
1- چه تفاوتی بین ساختار دو مکعب (1) و (2) وجود دارد؟
2- فکر می‌کنید ساختار کدام مکعب (1) یا (2) به آنچه در فناوری نانو مطرح میشود، نزدیکتر است؟
3- آیا خواص مکعب (1) با مکعب (2) تفاوتی دارد یا خیر؟
برای یافتن پاسخ پرسش‌های بالا، ادامه مطلب را با دقت بیشتر بخوانید.
2- میکرو یا نانو؟
در مکعب (1) تودهای از مواد به وجود آمده است. مخلوطی از حبههای قند و شکر که به صورت کاملا بینظم و تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. هنگام ساختن مکعب (1) کسی با تک تک حبههای قند سر و کار نداشت. یعنی اصلا به آن دسترسی نبود. (چون حبههای قند و شکرها با هم مخلوط شده و مخلوط حاصل به صورت تودهای درون مکعب (1) ریخته شد، بنابراین، امکان دسترسی به تک تک حبههای قند نبود).
در مکعب (2) با قرار دادن تک تک حبههای قند در مجاورت یکدیگر، مکعب ساخته شد. یعنی به همهی حبههای قند دسترسی وجود داشت.
تفاوت در ساختار دو مکعب موجب شده است که بعضی از خواص مکعب (2) با مکعب (1) متفاوت باشد. مثلا می‌توان شکنندگی آنها را با یکدیگر مقایسه کرد. مکعب (2) که دارای ساختار منظمتری است در مقابل ضربه و نیرو مقاومتر و سختتر از مکعب (1) است که ساختار نامنظمی دارد.
اگر حبههای قند به اتمها (یا مولکول‌های) تشکیل دهنده یک ماده تشبیه شود، شکرهای بین آنها نقش پیوندهای بین اتمی (بین مولکولی) را دارند. اندازهی اتمها تقریبا 10-10 متر یا به اصطلاح، یک آنگستروم است. اندازهی مولکول‌ها هم بسته به این که از چند اتم تشکیل شده‌اند و ساختار آنها چگونه است، متفاوت هستند. فاصلهی بین اتمها (یا مولکول‌ها) در پیوندهای بین اتمی (یا بین مولکولی) نیز با توجه به حالت ماده متفاوت است. در جامدات و مایعات فاصلهی بین اتمی (یا بین مولکولی) تقریبا 10-10 متر است. دقت کنید که این اعداد چه قدر به ابعاد نانومتر یعنی 10-10 متر نزدیک است.
3- پیکو یا نانو؟
حال که با استفاده از فناوری نانو دسترسی به خواص جدید ممکن میشود، آیا حرکت به سمت فناوریهای کوچکتر نیز مفید است؟ برای پاسخ به این پرسش دقت کنید که اندازهی اتمها در حدود 10-10 متر است. اگر به سمت فناوریهای کوچکتر از نانو حرکت شود، یعنی باید وارد محدودهی اتم شد. محدودهی اتم یعنی محدودهی الکترون‌ها، پروتونها، نوترونها و سایر ذرات زیر اتمی. یعنی مثلا با استفاده از این ذرات زیر اتمی ابتدا یک اتم ساخته شود و سپس با کنار یکدیگر قرار دادن اتمها، موادی با خواص جدید بنا شود.
لازم به ذکر است در طبیعت، ذرات زیر اتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون به صورت جداگانه یافت نمی‌شود. یعنی این ذرات، درون اتمها قرار دارند و برای دسترسی به آنها باید به محدودهی درون اتمها وارد شد. از طرفی ورود به محدودهی درون اتمها معمولا بسیار گران و پرهزینه است. اگر چه این کار امروزه در بعضی از آزمایشگاه‌های پیشرفتهی فیزیک انجام میشود اما به نظر نمیرسد که در زندگی روزمره کاربرد چندانی داشته باشد. همچنین باید با کنار یکدیگر قرار دادن ذرات زیر اتمی نظیر الکترون، پروتون و نوترون، اتمها را ساخت، در حالیکه طبیعت بسیاری از اتمها را در دسترس قرار داده است.
ورود به محدودهی کوچکتر از نانو (مثلا محدوده پیکو یا همان 12-10 متر) مانند آن است که ابتدا حبههای قند را کوچکتر کرد و سپس قطعات حاصل را به یکدیگر متصل و با حبههای قند حاصل، مکعب نهایی ساخته شود. طبیعی است کار کردن با همان حبههای قند اولیه نسبت به این که ابتدا حبه های قند را کوچکتر کرده و سپس دوباره به یکدیگر متصل شود، ترجیح داده میشود.
البته توجه به این نکته نیز خالی از لطف نیست که امروزه با استفاده از روشهای دقیق و فناوریهای بسیار گران و پیشرفته، دهها عنصر مصنوعی ساخته شده است که بعضی از آنها در صنایع گوناگون و مخصوصا توسعه‌ی دانش و فناوری کاربرد دارد. لازم به ذکر است که عناصر مصنوعی به دلیل تراکم بسیار ذرات زیر اتمی بسیار ناپایدار هستند. یعنی عمر آنها در حدود کسری از ثانیه است.
آنچه فناوری نانو را از چنین فناوریهایی متمایز میکند، گستردگی بسیار زیاد فناوری نانو در همهی زمینه‌ها از مهندسی الکترونیک، مکانیک، کامپیوتر و هوافضا تا کشاورزی، دامپروری، حتی علوم پزشکی، داروسازی و زیست‌فناوری است.
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
برای توضیح نانو، ابعاد آن و تفاوت‌های ماده در ابعاد نانو با ابعاد بزرگ‌تر، استفاده از نمونه‌های ماکرومقیاس می‌تواند تا حدودی کمک کننده باشد. به این طریق می‌توان برخی تفاوت‌های ماده در ابعاد مختلف را، مقایسه کرد. خواص شگفت‌انگیز ماده در مقیاس نانو، انگیزه‌ی ایجاد مواد در ابعاد کوچکتر مثلا پیکو را برای دست‌یابی به خواص مطلوب‌تر تقویت میکند. اما در این زمینه محدودیت‌هایی نیز وجود دارد؛ برای تولید ماده‌ی پیکومتری، نیازمند کنار هم قرار دادن ذرات زیراتمی و تولید آن ماده هستیم. از جمله مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد، این است که اولا ذرات زیراتمی در طبیعت بطور جداگانه یافت نمیشوند. ثانیا کنار هم قرار دادن آنها، از نظر مالی و زمانی، مقرون به صرفه نیست. گرچه هم اکنون تعدادی عنصر مصنوعی در صنعت تولید شده و مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما این عناصر نیمه عمرهای بسیار کوتاهی دارند. این عوامل و نیز کاربرد وسیع فناوری نانو در همه حیطه‌ها، کماکان برتری این فناوری بر سایر فناوریه‌های نوین را موجب می‌گردد.
1- یک آزمایش ساده
الف) مواد و وسایل مورد نیاز:
1- مقوا به اندازهی ساخت دو مکعب به اضلاع 10×5×5 سانتیمتر
2- مقداری چسب نواری
3- دویست عدد حبه قند مکعبی
4- مقداری شکر (از نظر جرم برابر با جرم 200 عدد حبه قند)
5- مقداری آب
6- یک گرمکن الکتریکی (هیتر)
7- اسپری آبپاش یا قطرهچکان
ب) شرح آزمایش
با استفاده از مقوا و چسب نواری، دو عدد مکعب به اضلاع 5×5×10 سانتیمتر بسازید. یکی از وجه‌های 5×10 سانتیمتری آن را خالی بگذارید تا بتوانید درون آن مقداری قند و شکر بریزید.
100 عدد حبه قند مکعبی شکل را به همراه نیمی از شکرها با همدیگر مخلوط کنید و آن را درون یکی از مکعب‌های مقوایی که ساختهاید بریزید. این مکعب را مکعب شماره (1) بنامید. مقدار بسیار کمی آب را با استفاده از اسپری آبپاش یا قطرهچکان، درون مکعب (1) و روی مخلوط حبههای قند و شکر بریزید؛ به گونهای که مقدار کمی رطوبت ایجاد شود. مکعب (1) را در مجاورت گرمکن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از تبخیر آب، حبههای قند و شکرها به یکدیگر میچسبند.
در مکعب دیگر یعنی مکعب (2)، ابتدا حبههای قند را به صورت منظم کنار یکدیگر قرار دهید. البته آنها را کاملا به یکدیگر نچسبانید تا فضاهایی خالی بین آنها وجود داشته باشد. سپس مقداری شکر روی آن بریزید به گونهای که علاوه بر پر شدن فضاهای خالی، روی حبههای قند نیز مقداری شکر قرار گیرد. سپس ردیف دیگری از حبههای قند را روی شکرها بچینید و دوباره بر روی آن مقداری آب بریزید. مکعب (2) را نیز در مجاورت گرمکن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از آن که مطمئن شدید آب درون هر دو مکعب (1) و (2) کاملا تبخیر شده است، پوشش مقوایی آنها را به آرامی جدا کنید. اکنون دو مکعب بزرگ به اضلاع 5×5×10 سانتیمتر دارید که از مخلوط حبههای قند و شکر تشکیل شده است (شکل 1)
شکل 1: مکعب قندی 1 (سمت چپ) و مکعب قندی 2 (سمت راست)
ج) پرسش‌های آزمایش
1- چه تفاوتی بین ساختار دو مکعب (1) و (2) وجود دارد؟
2- فکر می‌کنید ساختار کدام مکعب (1) یا (2) به آنچه در فناوری نانو مطرح میشود، نزدیکتر است؟
3- آیا خواص مکعب (1) با مکعب (2) تفاوتی دارد یا خیر؟
برای یافتن پاسخ پرسش‌های بالا، ادامه مطلب را با دقت بیشتر بخوانید.
2- میکرو یا نانو؟
در مکعب (1) تودهای از مواد به وجود آمده است. مخلوطی از حبههای قند و شکر که به صورت کاملا بینظم و تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. هنگام ساختن مکعب (1) کسی با تک تک حبههای قند سر و کار نداشت. یعنی اصلا به آن دسترسی نبود. (چون حبههای قند و شکرها با هم مخلوط شده و مخلوط حاصل به صورت تودهای درون مکعب (1) ریخته شد، بنابراین، امکان دسترسی به تک تک حبههای قند نبود).
در مکعب (2) با قرار دادن تک تک حبههای قند در مجاورت یکدیگر، مکعب ساخته شد. یعنی به همهی حبههای قند دسترسی وجود داشت.
تفاوت در ساختار دو مکعب موجب شده است که بعضی از خواص مکعب (2) با مکعب (1) متفاوت باشد. مثلا می‌توان شکنندگی آنها را با یکدیگر مقایسه کرد. مکعب (2) که دارای ساختار منظمتری است در مقابل ضربه و نیرو مقاومتر و سختتر از مکعب (1) است که ساختار نامنظمی دارد.
اگر حبههای قند به اتمها (یا مولکول‌های) تشکیل دهنده یک ماده تشبیه شود، شکرهای بین آنها نقش پیوندهای بین اتمی (بین مولکولی) را دارند. اندازهی اتمها تقریبا 10-10 متر یا به اصطلاح، یک آنگستروم است. اندازهی مولکول‌ها هم بسته به این که از چند اتم تشکیل شده‌اند و ساختار آنها چگونه است، متفاوت هستند. فاصلهی بین اتمها (یا مولکول‌ها) در پیوندهای بین اتمی (یا بین مولکولی) نیز با توجه به حالت ماده متفاوت است. در جامدات و مایعات فاصلهی بین اتمی (یا بین مولکولی) تقریبا 10-10 متر است. دقت کنید که این اعداد چه قدر به ابعاد نانومتر یعنی 10-10 متر نزدیک است.
3- پیکو یا نانو؟
حال که با استفاده از فناوری نانو دسترسی به خواص جدید ممکن میشود، آیا حرکت به سمت فناوریهای کوچکتر نیز مفید است؟ برای پاسخ به این پرسش دقت کنید که اندازهی اتمها در حدود 10-10 متر است. اگر به سمت فناوریهای کوچکتر از نانو حرکت شود، یعنی باید وارد محدودهی اتم شد. محدودهی اتم یعنی محدودهی الکترون‌ها، پروتونها، نوترونها و سایر ذرات زیر اتمی. یعنی مثلا با استفاده از این ذرات زیر اتمی ابتدا یک اتم ساخته شود و سپس با کنار یکدیگر قرار دادن اتمها، موادی با خواص جدید بنا شود.
لازم به ذکر است در طبیعت، ذرات زیر اتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون به صورت جداگانه یافت نمی‌شود. یعنی این ذرات، درون اتمها قرار دارند و برای دسترسی به آنها باید به محدودهی درون اتمها وارد شد. از طرفی ورود به محدودهی درون اتمها معمولا بسیار گران و پرهزینه است. اگر چه این کار امروزه در بعضی از آزمایشگاه‌های پیشرفتهی فیزیک انجام میشود اما به نظر نمیرسد که در زندگی روزمره کاربرد چندانی داشته باشد. همچنین باید با کنار یکدیگر قرار دادن ذرات زیر اتمی نظیر الکترون، پروتون و نوترون، اتمها را ساخت، در حالیکه طبیعت بسیاری از اتمها را در دسترس قرار داده است.
ورود به محدودهی کوچکتر از نانو (مثلا محدوده پیکو یا همان 12-10 متر) مانند آن است که ابتدا حبههای قند را کوچکتر کرد و سپس قطعات حاصل را به یکدیگر متصل و با حبههای قند حاصل، مکعب نهایی ساخته شود. طبیعی است کار کردن با همان حبههای قند اولیه نسبت به این که ابتدا حبه های قند را کوچکتر کرده و سپس دوباره به یکدیگر متصل شود، ترجیح داده میشود.
البته توجه به این نکته نیز خالی از لطف نیست که امروزه با استفاده از روشهای دقیق و فناوریهای بسیار گران و پیشرفته، دهها عنصر مصنوعی ساخته شده است که بعضی از آنها در صنایع گوناگون و مخصوصا توسعه‌ی دانش و فناوری کاربرد دارد. لازم به ذکر است که عناصر مصنوعی به دلیل تراکم بسیار ذرات زیر اتمی بسیار ناپایدار هستند. یعنی عمر آنها در حدود کسری از ثانیه است.
آنچه فناوری نانو را از چنین فناوریهایی متمایز میکند، گستردگی بسیار زیاد فناوری نانو در همهی زمینه‌ها از مهندسی الکترونیک، مکانیک، کامپیوتر و هوافضا تا کشاورزی، دامپروری، حتی علوم پزشکی، داروسازی و زیست‌فناوری است.
