کامپوزیت و نانو کامپوزیت ها چیست ؟ 

کاهگل به عنوان قدیمی ترین مرکبی شناخته می‌شود که از ترکیب دو ماده جدا کاه و گل به دست می‌آید در نتیجه کامپوزیت یا ماده به ماده ای اطلاق می‌شود که از ترکیب دو ماده به دست آمده و خاصی بهتر است دو ماده اولیه دارد.

مواد کامپوزیتی �کیل شده‌اند یک جزء اصلی که فاز ماتریس یا پایه نامیده می شود و جزء دیگر به عنوان تقویت کننده استفاده می شود مثلاً در ترکیب کاهگل گل به عنوان و پایه می باشد چون اکثر ترکیب را تشکیل داده است و گاه به عنوان فاز تقویت کننده است کامپوزیت ها بر اساس نوع ماده ماتریس(فاز زمینه ) سه دسته کلی فلزی سرامیکی و پلیمری تقسیم می شوند.

کاربردهای نانو ساختار کربنی

نانو ساختار های کربنی

نانوساختارهای کربنی :ترکیبات کربنی (ترکیبات آلی) گستردگی زیادی داشته و از اهمیت بسزایی برخوردارند. ترکیبات آلی در دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک قرار می گیرند. این ترکیبات می توانند زنجیره ای، حلقوی و یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند. کربن می تواند هیبرید های متنوع را در این ترکیبات دارا باشد. خصوصیات متنوع (نانو) ساختارهای کربنی مستقیما با هیبرید اتم های کربن مرتبط است. به جز کربن و هیدروژن، اتم هایی همچون اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن ها و … نیز در ساختار ترکیبات آلی مشارکت می کنند. گروه های عاملی بخش هایی از مولکول آلی با آرایش اتمی مشخص اند که ویژگی ها و واکنش پذیری ترکیب را رقم می زنند.کربن (C) را می توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. شیمی گسترده ترکیبات کربنی تا به آن حد است که یکی از گرایش های رشته شیمی با عنوان شیمی آلی (Organic Chemistry) به طور کامل به بررسی ترکیبات این عنصر از جدول تناوبی می پردازد. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش های طبیعی سنتز ساخته می شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) اند.

نانو ذرات مغناطیسی

نانوذرات مغناطیسی
خواص مغناطیسی مواد تابع اندازۀ ذرات آنهاست. زمانیکه اندازۀ ذرات در محدودۀ نانو قرار 
Fe3( نسبت 
O4
میگیرند خواص مغناطیسی به  شدت افزایش مییابد. ذرات اكسيد آهن )
به ساير نانوذرات مغناطيسى كاربرد زيستپزشكى گستردهای دارند. زيستسازگاربودن 
با شرايط محيط بدن، پايدارى و تهيۀ آسان موجب توسعۀ استفادۀ آنها شده است.

 

نانوذرات مختلف و کاربردشان

نانوذرات مختلفی در طبیعت وجود دارند که هر کدام از آنها به تنهایی در صنایع 
کاربردهای متفاوتی دارند. در ادامه به چند مورد از پرکاربردترین نانوذرات اشاره میشود: 
نانوتیتانیوم دیاکسید
TiO2 است. زمانیکه اندازۀ ذرات آن در مقیاس نانو 
فرمول شیمیایی دیاکسیدتیتانیوم، 
کوچک میشود، به دلیل افزایش مساحت سطح مؤثر، فعالیت فتوکاتالیستی آن افزایش 
مییابد.

روش های ساخت مواد نانو

 

روشهای ساخت مواد نانو بسیار گشترده اند، اصلی‌ترین روش‌های ساخت مواد نانو را می‌توان در دو روش کلی بالا به پایین و پایین به بالا خلاصه کرد.

۱– روش بالا به پایین: در این روش با استفاده از یک سری ابزارها، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم کوچک می‌شود تا به اندازه‌های نانومتری برسد.
۲– روش پایین به بالا: این روش درست در جهت مخالف روش بالا به پایین است. در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوک‌های سازنده مانند اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آنها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی، تولید می‌شوند.

تغییر خواص در ابعاد نانو

از جمله تغییرات شیمیایی که بر اثر کوچک شدن ذرات تا اندازه نانومتری به وجود می آید عبارت اند از :

الف) تغییر رنگ : حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند.اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است . طلا و نقره، شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند. این پدیده در دنیای ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است! برای مثال اتم طلا در اندازه 30 تا 500 نانومتر به رنگ آبی، در اندازه 3 تا 30 نانومتر به رنگ قرمز و در اندازه ی کمتر از 1 نانومتر به رنگ زرد است. اما از آن غیرعادی‌تر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ می‌دهند! برای مثال : نانو ذرات کروی نقره 40 نانومتری به رنگ آبی پر رنگ،نانو ذرات کروی نقره 80 نانو متری آبی کم رنگ، نانو ذرات کروی نقره 120 نانو متری زرد رنگ،نانو ذرات کروی طلا 50 نانو متری سبز رنگ،نانو ذرات کروی طلا 100 نانو متری نارنجی رنگ و نانو ذرات هرمی شکل طلا 100 نانو متری قرمز رنگ هستند.

ب) تغییر شفافیت : شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده ،در عبور دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند یا جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاب کند نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد ،که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاری، رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد.
نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر، ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.

ج) تغییر خواص مغناطیسی : کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه براده‌ها ته‌نشین شوند، یک آهن‌ربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل، جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتری آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود.
سیال مغناطیسی (فروفلوید)، مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد؛به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آنرا به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد، که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.

ابعاد موادنانو

هرگاه حداقل یک بعد از ابعاد ماده بین 1 تا 100 نانومتر باشد، به آن ماده »نانویی« 
گفته میشود. در نتیجه میتوان گفت مطابق تصویر زیر سه نوع نانوذره براساس تعداد 
بعد در ابعاد نانو وجود دارد. در صورتی که هیچ کدام از ابعاد، خارج از محدوده مشخص 
شده نباشد نانو ذره صفر بعدی یا ذرات نانویی میباشد.
ابعاد مواد نانو
نانوذرات با ابعاد مختلف
نانو ذرات صفر بعدی: ذرات 
نانویی یا کروی
نانوذرات تکبعدی: 
نانوفایبرها یا لولهها و سیمها
نانوذرات 2بعدی: 
الیههای نانویی یا صفحات

کوانتوم (Quantum) در لغت به معنی گسسته است. در فیزیک کمیت‌ها به دو دسته پیوسته و گسسته (کوانتومی) تقسیم می‌شوند. کمیات پیوسته هر مقدار عددی را می‌توانند داشته باشند، مانند قد و وزن افراد اما کمیت‌های گسسته تنها مقادیر خاصی را می‌توانند داشته باشند، مانند تعداد افراد یک کلاس. از کمیت‌های فیزیکی پیوسته می‌توان به سرعت، انرژی جنبشی، نیرو، اصطکاک و ... و از کمیت‌های فیزیکی گسسته می‌توان به بار الکتریکی که مضرب صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون است (q=±ne)، اشاره کرد.

با ریز‌شدن ابعاد کره (کم‌شدن شعاع آن)، نسبت مساحت به حجم آن افزایش می‌یابد. هر چه ریزشدن بیشتر باشد، این نسبت افزایش بیشتری می‌یابد. با افزایش سطح تعداد اتم‌هایی که روی سطح قرار می‌گیرند، بیشتر می‌شود. در علم فیزیک و شیمی بین اتم‌هایی که روی سطح یک جسم هستند و اتم‌هایی که در داخل آن هستند، تفاوت وجود دارد. اتم‌هایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم‌های اطراف آن‌ها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتم‌هایی که روی سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم‌های کمتری در ارتباط هستند، ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند. بنابراین واکنش‌پذیری آن‌ها نسبت به اتم‌های داخل ماده بیشتر است که در شکل 2 هم نشان داده شده است.
 

 باریز شدن ابعاد ماده و رسیدن به ابعاد نانو، سطح ماده و به تبع آن اتم‌های روی سطح ماده نیز بسیار زیاد افزایش می‌یابد (شکل 1) و در نتیجه ماده به شدت ناپایدار می‌شود. همان‌طور که می‌دانید در طبیعت تمام موجودات به سمتی می‌روند که پایدار باشند و سطح انرژی کمتری داشته باشند. ماده‌ای که به ابعاد نانو رسیده، به دلیل ناپایداری بسیار زیاد تمایل دارد با روش‌های مختلف به سمت پایداری برود که این پایدار‌شدن منجر به تغییر خواص می‌شود. یکی از این روش‌ها تغییر آرایش اتم‌ها است. همان طور که قبلاً هم توضیح داده شده بود، با تغییر اندک چیدمان اتم‌ها (تغییر در طول پیوند یا زاویه پیوند)خواص مواد نیز متفاوت میشوند