نانو تكنولوژي

نانو تكنولوژي

نانو تكنولوژي

تحقیق نانو تکنولوژی در حجم 12 صفحه و در قالب word و قابل ویرایش و با قسمتی از متن زیر:

سنتز مواد نانوساختار (Synthesis):

هميشه متخصصين و مهندسين متالورژي و علم مواد سعي داشته اند تا موادي مستحكم‌تر، چقرمه تر، قابل استفاده در دماي بالا را توليد كنند و روشهايي مثل:

rapid solidification, mechanical alloying, plasma, vapor deposition را ابداع نموده اند. آنچه در تمامي اين روشها مشترك است، اين است كه ابتدا به ماده انرژي مي دهيم تا به يك حالت نيمه تعادلي (metastable) برسد و اين پروسه معمولاص شامل يك تغيير حالت از جامد (به مايع يا گاز) در حين ذوب كردن، تبخير، تابش اشعه، اعمال فشار و… است و سپس توسط عملياتي ديگر مثل كوئنچ ماده را به يك سطح نيمه تعادلي با انرژي كمتر (lower metastable) مي رسانند و در حالي كه ماده به صورت يك محلول جامد فوق اشباع، metastable crystalline يا quasicrystalline و يا حتي glass state است، ساختار كريستالي/ ميكروساختار آن modify مي شود.

يكي از جديدترين اين روشها براي رساندن ماده به يك حالت نيمه پايدار با انرژي پايين، كوچك كردن اندازه دانه تا حد نانومتر است تا جايي كه تعداد اتمها در مرز دانه‌ها مساوي يا بيشتر از داخل دانه ها مي شود. در واقع هر روشي كه قادر باشد مواد پلي كريستال با دندانه دانه هاي بسيار ريز (Ultrafine) توليد كند يك روش سنتز مواد نانوساختار ناميده مي شود. اگر اين پروسه شامل تغيير حالت مايع يا گاز به جامد باشد، آنگاه پروسه بايد طوري كنترل شود كه سرعت جوانه زني دانه ها را افزايش و سرعت رشد را كاهش دهد. روشهاي گوناگوني تا كنون به كار رفته اند تا مواد نانوساختار را به صورت بالك، پوشش، thin film، laminate و كامپوزيت توليد كنند ولي تكنيكهاي به كار رفته در اين روشها را مي توان در چهار دسته زير خلاصه كرد.

1- اين روش شامل دو مرحله است: در مرحله اول كريستالهاي ايزوله با سطوح آزاد بدون آلودگي و اكسيد توليد مي شوند، سپس در مرحله بعد (در دماي محيط پاهاي بالا) آنها را متراكم مي كنند. برحسب پروسه توليد اين كريستالها مي توانند از نظر شيميايي يكسان و يا متفاوت باشند و يا روي سطح آنها پوشش داده شود.

روش هايي مثل precipitation from solutions و decomposition of chemical precursors و inter gas condensation.

2- اين روش شامل توليد مقادير بسيار زياد عيوب كريستالي (نابجايي ها،مرزدانه‌ها و…) درون يك كريستال كم عيب يا بدون عيب است مثل Ball milling،
high energy irradiation، severe plastic deformation است.

3- اين روش شامل كريستالزايي از حالت ناپايدار ماده متراكم است. تا كنون كريستالزايي از گلاس ها و يا ذوبهاي تحت انجماد و رسوبگذاري از محلولهاي جامد يا مايع فوق اشباع به كار گرفته اند.

4- اين روش نيز شامل رسوبگذاري اتمها يا مولكولها روي يك substrate است. مثل CVD ، PVD و electrodeposition. در اين روش اگر اتمها يا مولكولها با ساختار شيميايي متفاوت به صورت همزمان و يا متوالياً رسوب داده شوند، نانوكامپوزيتها به راحتي توليد مي شوند.

خواص (Properties):

خواص مواد جامد به سايز، ساختار اتمي و تركيب شيميايي آنها وابسته است و لذا ساختار مواد نانو كريستالي نيز علاوه بر خواص كريستالها به خواص مرزدانه نيز بستگي دارد و اندازه كريستاليت ها، كاهش چگالي مرزدانه ها، تفاوت عدد همسايگي اتمها در مرزدانه ها، باندها شيميايي، دما و نحوه و پروسه توليد كه بر روي ساختار دانه و مرزدانه تاثير مي گذارند، باعث مي شوند كه خواص مواد نانو ساختار با مواد پلي كريستال عادي  (Coarce grain) تفاوت داشته باشد كه بعضي از اين تفاوتها و خواص به طور خلاصه در زير بحث مي شوند:

- ديفوزيون و سينتر شدن:

از آنجائيكه مواد نانوساختار شامل حجم زيادي از اتمها در مرزدانه هستند، لذا اين فصول مشترك به عنوان اتصال كوتاه در نفوذ عمل مي كنند و سرعت نفوذ بيشتري نسبت به مواد پلي كريستال و تك كريستالهاي مرسوم دارند. اين افزايش نفوذ مي تواند بر خواص مكانيكي مواد نانوساختار از جمله خزش و سوپر پلاسيتيسيته آنها تاثير بگذارد. همچنين مي تواند باعث پايين آوردن دماي آلياژ سازي و يا سينترينگ آنها شود. حتي آلياژسازي نانوساختارهاي  فلزاتي كه در دماي اتاق قابل حل نبودند نيز مشاهده شده است.

- خواص مكانيكي:

مشاهده شده است كه سختي و استحكام فلزات نانوساختار خيلي بيشتر از حالت معمول است. براساس رابطه تجربي هال- پچ كه براي فلزات با ساختار معمول صادق است و براساس مانع در حركت نابجاييها و pileup نابجاييها است، نيز اين سختي و استحكام قابل توجيه است.

 

: تنش اصطكاكي براي حركت نابجايي ها

Kn: پارامتر شدت

:n ضريب اندازه دانه (معمولاً –1/2)

ولي مشاهدات اخير نشان مي دهد كه اين رابطه در تمامي اندازه دانه ها صادق نيست و يك حد بحراني (حدود 10 نانومتر) دارد كه از آن به بعد با كوچك تر شدن اندازه دانه، نرم شدن (Softening) روي مي دهد، كه اين مورد البته ممكن است بخاطر relaxation در مرزدانه ها يا تاثير triple jmction ها باشد كه در كريستالهاي بسيار كوچك اهميت پيدا مي كنند، باشد. ثانياً در اندازه دانه هاي در حد 3-2 نانومتر در هر دانه تنها يك نابجايي مي تواند وجود داشته باشد و ديگر pileup نابجايي ها معني ندارد و لذا رابطه هال- پچ بايد اصلاح شود.

همچنين بخاطر افزايش نفوذ در مواد نانوساختار مشاهده شده است كه در برخي از تركيبات بين فلزي و سراميكها قابليت فرم پذيري و شكل دهي آنها بهبود پيدا كرده است و حتي در برخي مواد خواص سوپر پلاستيسيته نيز از خود نشان داده اند.

به طور كلي در مواد نانوساختار با  كوچك شدن اندازه دانه dislocation activity كاهش پيدا مي كند و grain boundary sliding افزايش مي يابد و اين خاصيت با توجه به ساختار اتمي ماده مي تواند باعث استحكام مثلاً در فلزات و يا خاصيت فرم پذيري در سراميكها شود.

خواص الكتريكي

بخاطر افزايش حجم اتمها در مرزدانه‌ها، مقاومت الكتريكي مواد نانوساختار نسبت به مواد پلي كريستال مرسوم بالاتر است نيز و هدايت الكتريكي مواد نانوساختار خاصيت غير خطي پيدا مي كند.

  خواص مغناطيسي

از آنجائيكه بسياري از خواص مغناطيسي به فواصل بين اتمي بستگي دارند. لذا دماي تبديل فرومغناطيسي  ديگر خواص مغناطيسي در مواد نانوساختار با مواد مرسوم فرق مي كند. همچنين باكريستالزايي آهن از فاز آمورف بهترين مغناطيسهاي نرم كه تا كنون ساخته شده اند، بدست مي آيد.

خواص اپتيكي

با كنترل اندازه كلاسترها و حفره ها در مواد مي توان آنها را شفاف و يا كدر ساخت. در واقع اگر حفره ها در مقياس نانومتر باشند بخاطر اينكه از طول موج نور مرئي (700-400 نانومتر) كمتر است. لذا نور را بازتاب نمي كنند و ماده شفاف به نظر مي آيد. همچنين با تغيير اندازه شكل حفره ها مي توان انرژي و طول موج نور جذب شده توسط مواد را تغيير داد و ماده به رنگهاي متفاوت ديده شود.