نانوساختار

حیات، پدیده‌ای در مقیاس نانو

۱- مقدمه

در زیست شناسی، سلول اولین واحد کامل حیات شناخته می‌شود. این واحد ساختاری و عملکردی را می‌توان سامانه‌ای در نظر گرفت که واحد‌های عملکردی آن، اجزایی نانومتری هستند. به بیان دیگر، سلول را می‌توان یک نانوماشین در نظر گرفت که درشت‌مولکول‌ها و نانوموتورهای زیستی اجزای آن هستند. غشای سلول مثالی از این اجزای نانوساختار است؛ این غشا یک ساختار یک بعدی دولایه‌ است که ضخامتی در حدود ۵ نانومتر دارد. مثال‌های دیگر این نانوساختارهای زیستی در درون سلول فراوان‌اند. DNA، ریبوزم‌ها، تاژک و مژک، ریزلوله‌ها و پادتن‌‌ها همگی مثال‌هایی از این موارد هستند. با توجه به اینکه عملکرد سلول به این مولکول‌های زیستی و اجزای نانومقیاس درون سلولی بستگی دارد،‌ می‌توان ادعا کرد که حیات پدیده‌ای‌است که اتفاق‌های بنیادین آن در مقیاس نانو رخ می‌دهند. به‌طور خلاصه باید گفت: حیات، پدیده‌ای است در مقیاس نانو!

۲- خودآرایی در سامانه‌های زیستی

یکی از مهم‌ترین سؤالاتی که از دیرباز ذهن انسان را به خود مشغول کرده این است که حیات چگونه و از چه زمانی آغاز شده‌است. نظریه‌هایی چون الگو‌های سوپ بنیادین و حباب نحوۀ تشکیل مولکول‌های آلی را بیان کرده‌اند و دانشمندان در نهایت به این نتیجه رسیده‌اند که کنار هم قرار گرفتن این مولکول‌های آلی و تشکیل ساختار‌هایی چون کواسروات‌ها، میکروسفر‌ها و RNA‌ها اولین گام‌ها به سمت تشکیل سلول به عنوان پایۀ سامانه‌های زیستی بوده‌اند؛ به این معنی که زیر‌واحد‌های مختلف با هم ترکیب شده و ساختار‌های بزرگ‌تر را تشکیل داده‌اند. حال اگر در‌ بارۀ چگونگی تشکیل مولکولی همچون هموگلوبین بپرسید، احتمالاً با این پاسخ رو‌به‌رو خواهید شد که هموگلوبین از چهار زیر‌واحد پروتئینی و یک مولکول آهن‌دار به نام هِم تشکیل شده است که در کنار هم قرار گرفته‌اند. اگر در این باره بیشتر بپرسید، ممکن است به این اطلاعات نیز برسید که هر کدام از این چهار زیر واحد، در نتیجۀ کنار هم قرار گرفتن اسید‌های آمینه و تشکیل زنجیرۀ پلی‌پپتیدی و سپس تا‌شدگی این زنجیره‏های پلی‌پپتیدی شکل گرفته‌اند، اما سؤال بعدی این است؛ این مولکول‌ها چگونه همدیگر را یافته‌اند، در کنار هم قرار گرفته‌اند و ساختار‌های بزرگ‌تر را تشکیل داده‌اند؟

پاسخ این سؤال در مفهومی با عنوان «خودآرایی مولکولی» نهفته‌است. خودآرایی، ابزار ساختن طبیعت است؛ فرایندی است که طی آن زیر‌واحدها، توسط نیرو‌های غیر کووالانسی به طور خود‌به‌خود تجمع می‌کنند، آرایش می‌یابند و ساختار‌هایی پایدار و منظم را شکل می‌دهند. آرایش زیر‌واحد‌ها در فرایند خودآرایی ناشی از خواص ذاتی آنهاست و این فرایند به سمت تعادل پیش می‌رود؛ تا اندازه‌ای که ساختار نهایی کمترین انرژی آزاد را داشته باشد.

خود‌آرایی فرایندی است که در طبیعت و در شکل‌گیری و حفظ حیات، نقش مهمی داشته‌است. با درک قوانین خودآرایی می‌توان بسیاری از اتفاقات درون سلول از جمله آرایش مولکول‌های فسفولیپیدی در غشای سلول، جفت شدن نوکلئوتید‌ها و همچنین تشکیل مارپیچ دوگانۀ DNA، ترجمۀ اطلاعات رونویسی‌شده از ژن‌ها توسط ریبوزوم‌ها، تا‌خوردن زنجیره‌های پلی‌پپتیدی و تشکیل پروتئین و همچنین فرایند‌های مربوط به نحوۀ تشکیل سلول‌های اولیه را توضیح داد. خودآرایی را در وقایع مقیاس بالاتر نیز می‌توان بررسی کرد؛ به طور کلی، هر فرایند طبیعی که به ساختارهای تعریف شده‌ای منجر شود، حاصل خودآرایی است. نیروی محرکۀ حاکم بر خودآرایی، انواع نیرو‌های کوتاه‌بُرد بین مولکولی است که در شکل ۱ بیان شده‌اند. وجود چنین پیوندهایی موجب آن می‌شود که خودآرایی فرایندی برگشت‌پذیر باشد، در نتیجۀ ساختارهای ایجاد شده به‌راحتی و بارها به اجزای سازندۀ خود تفکیک شود و مجدداً ساختار پیچیده‌ای را ایجاد کند. از این ‌رو، در صورت بروز اشکال در چیدمان یا تغییر شرایط محیطی، امکان بازآرایی مجدد زیر‌واحد‌ها و اصلاح ساختار وجود دارد. امکان بازآرایی و اصلاح یکی از مهم‌ترین مزیت‌های ساختارهای شکل گرفته با خودآرایی است.

اما خودآرایی منحصر به سامانه‌های زیستی نیست؛ امروزه فرایند خودآرایی یک روش سنتز نانو‌ساختار‌ها به حساب می‌آید. خودآرایی از جمله روش‌های پایین به بالا برای سنتز دقیق نانوساختارهاست. نانو‌ساختار‌های مختلف از جمله درخت‌سان‌ها، نانو‌ساختار‌های مبتنی بر DNA، بلورهای مایع و تک‌لایه‌های خودآرا با این روش ساخته شده‌اند.

۳- نانو‌موتور‌ها

امروزه در حوزه‌های مختلف فناوری، از جمله زیست‌فناوری، شاهد کوچک‌شدن روزانۀ دستگاه‌ها هستیم. این موضوع در دهه‌های اخیر، امکان ساخت دستگاه‌هایی همچون دستگاه‌های سنجش گلوکز خانگی (دستگاه اندازه‌گیری قند خون) را فراهم آورده و به‌سرعت درحال پیشرفت در جهت ساخت دستگاه‌هایی است که بتوانند امکانات یک آزمایشگاه مجهز را در خود بگنجانند.^[۲۱] اشتیاق پژوهشگران و مهندسان برای کوچک‌سازی و قابل حمل کردن هرچه بیشتر دستگاه‌ها، مطالعات علمی را در مسیر ساخت نانوموتورها جهت‌دهی کرده‌است. در این بخش، پیش از سخن گفتن در بارۀ نحوۀ ساخت، عملکرد و کاربرد‌ نانوموتور‌ها ، موتور را تعریف و تفاوت‌های آن با مفاهیمی چون دستگاه را بررسی می‌کنیم.

۱-۳- تعریف موتور، دستگاه و نانوموتور

در لغت‌نامۀ دهخدا معنای لغوی موتور این‌گونه بیان شده‌است:

"موتور. [ م ُ ت ُ ] (فرانسوی ، اِ) دستگاهی با ساختمان خاص، که مولد نیرو و به کار اندازندۀ ماشین و اتومبیل و هواپیما و کشتی و غیره است."

با دقت در این تعریف در می‌یابیم که هر موتور، خود به عنوان نوعی دستگاه مطرح است. دستگاه (ماشین) مجموعه‌ای است از اجزای مختلف که برای رسیدن به هدفی طراحی شده‌‌‌است. از نظر مهندسی، اجزای موتور‌‌ با تولید نیروی محرکه، انجام‌گرفتن کار توسط یک دستگاه را ممکن می‌سازند. به طور کلی، می‌توان چنین برداشت کرد که هر موتور بخش تولید‌کنندۀ نیرو در یک دستگاه بزرگ‌تر است؛ از این‌ رو، موتور‌ها را به نوعی می‌توان زیرمجموعۀ دستگاه‌ها طبقه‌بندی کرد. برای مثال، یک خودرو را تصور کنید (شکل ۲). خودرو دستگاهی است که نقش تسهیل حمل و نقل را بر عهده دارد؛ در حالی که موتور خودرو جزیی از این دستگاه است که نقش تولید نیروی محرکۀ مورد نیاز برای حرکت خودرو را ایفا می‌کند.

با توجه به تعاریف فوق می‌توان گفت که نانوموتور، موتوری با ابعادی در مقیاس نانومتر یا دارای اجزایی در این مقیاس است که نقش تولید نیروی محرکه را در یک نانودستگاه (نانوماشین) بر عهده دارد.

۲-۳- نانوموتورهای زیستی

از زمان مطرح شدن نانوموتور‌ها بیش از سه دهه نمی‌گذرد اما نانوموتور‌های زیستی میلیاردها سال است که در بدن موجودات زنده فعالیت می‌کنند و بخش عمده‌ای از فعالیت‌های حیاتی هر سلول، نظیر همانندسازی DNA، تولید آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP)و نقل و انتقالات سلولی را برعهده دارند. فعالیت نانوموتور‌های زیستی در مقیاس سلولی محدود نمی‌شود و اعمالی نظیر انقباض عضلانی نیز نتیجۀ مستقیم فعالیت آنهاست.

 به‌رغم طیف گستردۀ فعالیت نانوموتور‌های زیستی، آنها را بر اساس نوع حرکت می‌توان به سه گروه تقسیم‌ کرد:

۱- نانوموتورهای زیستی خطی

۲- نانوموتورهای زیستی چرخشی

۳- نانوموتورهای زیستی وضعی.

۱-۲-۳- نانوموتورهای زیستی خطی

نمونۀ مشهور این گروه، مولکول‌های پروتئینی کاینزینو داینئین هستند. وظیفۀ این دو مولکول، حمل‌ونقل آب‌دانک‌های مواد درون سلول است. رفتار این دو مولکول را می‌توان با راه رفتن انسان روی سطوح، شبیه‌سازی کرد. هرکدام از این دو مولکول به سطح اسکلت‌سلولی متصل می‌شوند‌ و با صرف انرژی شیمیایی نهفته در مولکول ATP، تغییر شکلی مشابه قدم‌برداشتن در خود ایجاد می‌‌کنند و پس از اتمام حرکت به شکل اولیۀ خود برمی‌گردند. تکرار این عمل موجب حرکت این دو مولکول بر سطح اسکلت ‌سلولی و در‌نهایت، جابه‌جایی کیسه‌چه‌های متصل به آنها می‌شود. این نوع حرکت، در مسیر مستقیم اسکلت‌سلولی است و به همین دلیل نوعی حرکت خطی محسوب می‌شود (شکل ۳).

شکل ۳- حرکت مولکول های پروتئینی کاینزین و داینئین روی اسکلت سلول؛ نوعی حرکت خطی .

۲-۲-۳- نانوموتورهای زیستی چرخشی

این گروه از نانوموتور‌های زیستی برای انجام‌دادن فعالیت خود از نوعی حرکت چرخشی استفاده می‌کنند. نمونۀ آشنای این نانوموتورها، پروتئین تولیدکنندۀ ATP در غشای درونی میتوکندری است. این پروتئین از دو بخش چرخنده، که به اختصار F₀ و F₁ نامیده می‌شوند، ساخته شده است که به وسیلۀ بخشی ثابت و ستون‌مانند به هم متصل شده‌اند. ساختار کلی این مولکول مشابه کانال است و یون‌ها می‌توانند از آن عبور کنند.

میتوکندری اندامکی دو‌غشایی است که غلظت یون در دو طرف غشای درونی آن متفاوت می‌باشد. در چنین شرایطی، مولکول‌ها به سبب پدیدۀ انتشار ، تمایل به جا‌به‌جایی دارند. به همین دلیل، جریانی از یون‌های  درون ساختار کانال‌مانند مولکول تولید‌کنندۀ ATP ایجاد می‌شود. هنگام عبور جریان  از درون این مولکول، بخش F₀ به‌خاطر ساختار خود شروع به چرخش می‌کند و از آنجا که به بخش F₁ متصل است، باعث چرخش آن نیز می‌گردد. این چرخش در نهایت باعث ایجاد نیروی چرخشی می‌شود که از آن برای ساخت ATP استفاده می‌کنند (شکل ۴).

شکل ۴- ساختار مولکول تولیدکنندۀ ATP در غشای درونی میتوکندری

۳-۲-۳- نانوموتورهای زیستی وضعی

DNA مولکول بزرگی است که برای قرارگیری درون محفظۀ باکتریوفاژ^[۳۲] به تاشدن دقیق نیاز دارد. بسته‌بندی مولکول DNA و قرارگیری آن درون باکتریوفاژ فرایندی است همراه با کاهش بی‌نظمی و از این‌ رو، غیر خودبه‌خودی است و به نیروی محرکه نیاز دارد. خلقت برای تحقق بخشیدن به این فرایند حیاتی، از ‌نانوموتورهای زیستی بهره‌گرفته است. این نوع ‌نانو‌موتور‌ها در گذشته در گروه نانوموتورهای زیستی چرخشی دسته‌بندی می‌شدند تا اینکه پژوهشی در بارۀ موتور‌های بسته‌بندی کنندۀ DNA در باکتریوفاژ‌ها نشان داد که در واقع هیچ‌یک از اجزای این موتور‌ها متحرک نیستند! این مسئله مدت‌ها برای پژوهشگران حل‌نشده باقی ماند تا اینکه در سال ۲۰۱۳، گروهی از محققان از راز آن پرده برداشتند. مطالعات نشان ‌داد که ساختار این زیست‌نانوموتور‌ها به گونه‌ای است که باعث تغییر حالت ساختاری DNA می‌شود و همین تغییر کوچک در نهایت، به چرخش آن منجر می‌گردد‌. تکرار این تغییر حالت و چرخش، در نهایت باعث حرکت یک‌طرفۀ DNA به درون ساختمان باکتریوفاژ و بسته‌بندی آن خواهدشد (شکل ۵). فرایند حرکت وضعی در نانوموتور‌های زیستی، نسبت به دو گروه قبل دیرتر کشف شده‌است و به همین علت، پژوهشگران همچنان در‌حال بررسی جوانب مختلف آن هستند.

شکل ۵- فرایند عمل در نانوموتورهای زیستی وضعی؛ تغییر ساختار DNA و ورود آن به باکتریوفاژ

۴- تاژک و مژک، انواعی از ‌نانوموتورهای زیستی

در بخش‌های قبل با تعریف نانوموتورهای زیستی و انواع آنها آشنا شدید. این نانوموتورها به‌عنوان الگوهای طبیعی بهینه و کارآمد با ساختار بسیار دقیق، برای بشر قابل استفاده و الگوبرداری هستند. یکی از انواع آنها ساختارهای سلولی به‌نام تاژک و مژک هستند که در این بخش ساختار نانومتری و عملکردشان بررسی می‌شود.

تاژک‌ و مژک، زوائد سلولی متحرکی هستند که محور ساختاری از ریزلوله‌های آرایش‌یافته و پوششی از غشای سلولی دارند. سلول‌های تاژک‌دار اغلب یک تاژک دارند که طول آن حدود ۱۰۰ میکرومتر است؛ درحالی‌که سلول‌های مژک‌دار اغلب دارای تعداد زیادی مژک‌اند که طول هریک حدود ۲-۳ میکرومتر است. تاژک‌ها با مصرف انرژی به شکل ATP، اغلب در حکم نانوموتورهایی هستند که ایجاد حرکت در سلول را بر عهده دارند. مژک‌ها نیز با مصرف ATP و با حرکات منظم خود اغلب در جابه‌جا کردن مواد از روی سطوح پوششی  نقش داشته و گاهی درحرکت سلول موثرهستند.

هلیکوباکترپیلوری نوعی باکتری تاژک‌دار است که به کمک تاژک خود حرکت می‌کند. این باکتری عامل شناخته‌شدۀ زخم معده و زخم دوازدهه و یکی از عوامل زمینه‌ساز سرطان معده است (شکل ۶-آ). در گیاهان، سلول جنسی نر خزه و سرخس تاژک دارند و از آن برای حرکت جهت رسیدن به سلول جنسی ماده استفاده می‌کنند. در آغازیانی مانند ولوکس و اوگلنا(شکل ۶-ب) هر سلول دارای دو تاژک است. مثال‌های بسیار متنوع دیگری از سلول‌های تاژک‌دار وجود دارد که در اغلب آنها، تاژک‌ها در نقش موتورهای سلول برای حرکت در یک یا چند جهت عمل می‌کنند.

شکل ۶- (آ) تاژک‌های هلیکوباکتر پیلوری، (ب) تاژک اوگلنا

مژک نیز مانند تاژک در سلول‌های انواعی از جانداران وجود دارد. در انسان، سلول‌های پوششی مجاری تنفسی که وظیفۀ پاک‌سازی هوای ورودی به ریه را دارند، از طریق حرکات زنشی (حرکات ناگهانی در جهتی خاص) مژک‌ها موجب پرتاب ترشحات مجاری تنفسی و گرد‌و‌غبار و سایر ذرات چسبیده به ترشحات به سمت حلق می‌شوند (شکل ۷-آ).

در سایر جانداران نیز سلول‌های مژک‌دار وجود دارند؛ برای مثال، سلول‌های مژک‌دار در خط جانبی ماهی با ارتعاش مژک‌ها به دنبال تغییر جریان آب موجب آگاهی ماهی از وجود اجسام و جانوران دیگر در اطراف خود می‌شوند. سلول‌های مژک‌داردر آغازیانی مانند پارامسی (شکل ۷-ب) و تریکودینا نیز وجود دارند.

شکل ۷- (آ) مژک‌های سلول‌های پوششی مجاری تنفسی انسان، (ب) مژک‌های پارامسی.

ز نظر ساختار مولکولی، تاژک و مژک سازمانِ محوری یکسانی دارند که شامل آرایش دقیق ریزلوله‌هاست. ریزلوله‌ها خود از کنار هم قرار گرفتن واحدهای پروتئینی دوتایی توبولین آلفا و بتا تشکیل می‌شوند. محور تاژک و مژک از ۹ جفت ریزلوله‌، که دو توبول مرکزی را احاطه کرده‌اند، تشکیل می‌شود. این دستۀ توبولی با الگوی مشخص ۲+۹، یک ساقۀ مژکی نامیده می‌شود. ریزلوله‌‌های جفت مرکزی در یک غلاف مرکزی  قرار می‌گیرند. جفت‌های محیطی مجاور، توسط پل‌های پروتئینی به‌نام نکسین به یکد‌یگر و توسط خارهای شعاعی به غلاف مرکزی متصل می‌شوند. در سطح ریزلوله‌‌های جفت محیطی، پروتئین‌های داینئین قرار دارند که ATP را تجزیه و مصرف می‌کنند. در قاعدۀ هر مژک یا تاژک نیز یک جسم قاعده‌ای با ساختار مشابه سانتریول قرار دارد (شکل ۸).

شکل ۸- طرحی از ساختار بخش‌های مختلف تاژک و مژک به‌همراه تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری

از نظر نوع حرکت، مژک‌ها دارای حرکات زنشی درجهت موازی سطح سلول‌اند؛ درحالی‌که تاژک‌ها حرکات مارپیچی برای حرکت‌دادن سلول به جهت جلو دارند (شکل ۹). جهت حرکت سلول بسته به محل تاژک‌ها و برآیند حرکتیِ آنها تعیین می‌شود.

شکل ۹- مقایسۀ حرکت زنشی مژک با حرکت مارپیچ تاژک

با دقت در این‌گونه ساختارهای زیستی، که شاید در ظاهر ساده به نظر برسند، می‌توان به ساختار بسیار دقیق، پیچیده و حساب‌شدۀ این ساختارها پی برد. این اطلاعات علمی ما را به چند نکته رهنمون می‌شوند؛ نخست اینکه با دقت و تفکر می‌توان نظم جهان هستی و تدبیر خالق هستی‌بخش را در تمام ذرات جهان، از کوچک‌ترین تا بزرگ‌ترین آنها، به وضوح مشاهده کرد. نکتۀ دیگر اینکه این نانوموتورهای طبیعی به‌عنوان ساختارهایی که طی میلیون‌ها سال در طبیعت تکامل یافته‌اند، می‌توانند به‌عنوان بهینه‌ترین نانوموتورهای مهندسی‌شده مورد استفادۀ انسان‌ها قرار بگیرند. درواقع، این نانوموتورها با وجود اینکه از ریزترین واحدهای ساختاری در محدودۀ نانومتر تشکیل‌شده‌اند، با ساختار بسیار دقیق خود می‌توانند در مقیاس سلولی عملکرد بهینه داشته‌باشند؛ یعنی مصرف کمترین مقدار انرژی و بالاترین بازده. بنابراین، بشر می‌تواند از مهندسی بسیار پیشرفتۀ این نانوموتورها الگوبرداری کند. برای مثال، یک زیردریایی را تصور کنید که نیروی محرکۀ آن را نانوموتورهای مشابه تاژک باکتری‌ها ایجاد می‌کنند و آن را در محیط سیال آب به پیش می‌رانند. چنین نگاهی به طبیعت برای الگوگیری از آن در کاربردهای انسانی، زیست‌تقلیدی نامیده می‌شود.

خواص مواد در ابعاد نانو

۱- خواص جدید در ابعاد نانو

تا مدت‌ها دانشمندان بر این باور بودند که خواص شدتی مواد، همواره ثابت و مستقل از مقدار ماده است؛ اما مشاهدات اخیر از خواص مواد در ابعاد نانو (کمتر از ۱۰۰ نانومتر) حاکی از آن است که در دنیای نانو این فرضیه نقض می‌شود. محققان در نتیجه بررسی انواع ذرات نانومتری طلا با شکل‌های هندسی مختلف دریافته‌اند که این ذرات زرد رنگ نیستند؛ به‌عنوان مثال ذرات ۲۰ نانومتری طلا رنگ قرمز، ذرات ۴۰ نانومتری طلا به رنگ ارغوانی و ذرات ۶۰ نانومتری طلا به رنگ بنفش دیده می‌شوند (شکل ۱). نکته جالب‌تر این است که رنگ نانوذرات طلا علاوه بر اندازه به شکل هندسی آنها هم بستگی دارد؛ مثلاً نانوذرات ۵۰ نانومتری طلا با دو هندسۀ کروی و هرمی شکل، رنگ متفاوتی دارند.

شکل ۱- تغییر رنگ نانوذرات طلای معلق در آب با تغییر اندازه آنها

همان‌طور که در شکل ۱ مشهود است، خواص نوری طلا در ابعاد نانومتری با این خاصیت فیزیکی در ابعاد توده کاملا متفاوت است. علاوه بر این، خواص شیمیایی طلا نیز در ابعاد نانو تغییر می‌کند؛ در ابعاد توده‌ای، طلا عنصری بسیار پایدار بوده و واکنش‌پذیری شیمیایی بسیارکمی دارد اما در ابعاد کمتر از ۵ نانومتر، ذرات طلا به‌قدری فعال می‌شوند که می‌توان از آنها به عنوان کاتالیست در واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد.

۲- ساختار الکترونیکی نانومواد

شکل ۲ نشان‌دهندۀ نحوۀ‌ تبدیل‌ ترازهای انرژی گسستۀ موجود در یک تک اتم به نوارهای انرژی پیوسته در یک مادۀ توده‌ای است که از به هم پیوستن تعداد بسیار زیادی اتم شکل گرفته است. در نانومواد، کاهش اندازه و ابعاد ماده، کاهش تعداد اتم‌های سازندۀ ماده را به دنبال دارد که در نتیجه آن میزان تجمع اتم‌ها کاهش پیدا می‌کند. در چنین شرایطی فرآیند شکل‌گیری نوارهای انرژی برعکس شده و این نوارها به‌تدریج و با کاهش ابعاد ماده شکافته شده و تبدیل به ‌ترازهای گسسته می‌شوند (شکل ۲). این روند گسسته شدن نوارهای انرژی را در اصطلاح کوانتیزه شدن می‌نامند. بر این اساس می‌توان گفت که ساختار الکترونیکی نانومواد جامد حد واسطی از حالت اتمی و توده‌ای آنها است. چنین ساختار الکترونیکی موجب می‌شود که خواص نانومواد نیز حد واسطی از خواص ماده توده‌ای و تک اتم‌ها یا تک مولکول‌های سازنده‌شان باشد.

گسسته شدن نوارهای انرژی مواد جامد مهم‌ترین عاملی است که موجب تغییر خواص مواد در ابعاد نانو می‌گردد. به راحتی می‌توان تصور کرد که مقدار و نوع گسسته شدن نوارهای انرژی ارتباط مستقیمی با تعداد اتم‌های تشکیل‌دهنده و درنتیجه اندازۀ بُعد مشخصه نانومواد دارد. ازاین‌رو به راحتی می‌توان با تغییر اندازۀ بُعد مشخصۀ نانومواد، خواص آنها را نیز تغییر داد. این امر موجب می‌شود که خواص نانومواد اصطلاحاً وابسته به اندازه باشد. این ویژگی منحصربه‌فرد ابزار توانمندی در اختیار دانشمندان و پژوهشگران قرار می‌دهد تا خواص بسیار متفاوتی از یک نوع ماده مشخص به دست آورده و در زمینه‌های مختلف از آن بهره گیرند.

شکل ۲- روند گسسته شدن یک نوار انرژی با تبدیل یک مادۀ توده‌ای به نانوذره بزرگ، نانوذرات کوچک و تک اتم.

۳- فیزیک حاکم بر ابعاد نانو

اندازۀ نانومواد بیشتر به اتم‌ها و مولکول‌های منفرد نزدیک است تا مواد توده‌ای؛ به‌نحوی‌که نیروهایی مانند گرانش که بر اجسام توده‌ای اثرگذار هستند، تأثیر چندانی بر نانومواد ندارد. ازاین‌رو برای توضیح رفتار آنها ناگزیریم از قوانینی در فیزیک استفاده کنیم که بر چنین ابعاد کوچکی حکم‌فرما است؛ مکانیک کوانتوم دربردارندۀ قوانین و نظریه‌هایی است که رفتار مواد در ابعاد کوچک (در حد اتم‌ها و مولکول‌ها) را به‌خوبی توجیه می‌کند؛ لذا برای مطالعه و بررسی پدیده‌ها در ابعاد نانو باید از مکانیک کوانتوم استفاده شود.

با کاهش ابعاد ماده و گذر از اندازۀ بحرانی، به‌تدریج قوانین مکانیک کلاسیک، کم اثر شده و دیگر توان پیش‌بینی و توجیه رفتار ماده را ندارد. با گذر از این مقدار بحرانی وارد محدوده‌ای می‌شود که در اینجا آن را ابعاد نانو می‌نامیم؛ با ورود به ابعاد نانو، قلمرو حکم‌فرمایی مکانیک کوانتوم آغاز می‌شود. با ورود به این ابعاد (که به‌صورت کلی کم‌تر از ۱۰۰ نانومتر فرض شده است) رفتار مواد نسبت به حالت توده‌ای دگرگون خواهد شد. در این محدوده رفتار مواد با تغییر اندازه، تغییر کرده و پدیده‌ها وابسته به اندازه می‌شوند. آنچه در این ابعاد کوچک نمایان می‌شود، نمودار شدن تفاوت‌های ناشی از رفتار دوگانه موجی - ذره‌ای الکترون‌های ماده است.

دوگانگی موج و ذره برای اولین بار توسط ماکس پلانک، فیزیک‌دان آلمانی مطرح شد. پیش‌تر از پلانک جامعه‌ی فیزیک‌دانان بر این باور بودند که امواج الکترومغناطیسی ماهیتی پیوسته دارند. پلانک با ارائه‌ی یک مدل جدید، پرده از ماهیت واقعی امواج الکترومغناطیسی برداشت. بر اساس مدلی که پلانک ارائه کرد نور و تمامی امواج الکترومغناطیسی دارای ماهیتی گسسته هستند. بر این اساس، امواج الکترومغناطیسی از بسته‌ها یا ذره‌های انرژی که فوتون نامیده می‌شود، تشکیل شده‌اند. ازاین‌رو هر کدام از طیف‌های پرتو الکترومغناطیسی از فوتون‌هایی با انرژی مشخص تشکیل شده است. انرژی این فوتون‌ها به طول‌موج و به‌تبع آن به بسامد آن نور بستگی دارد (E=hυ).

پس از آن‌که مدل ارائه‌شده توسط پلانک که دلالت بر ماهیت موجی - ذره‌ای نور داشت، لویی دوبروی این سؤال را مطرح کرد که آیا این امکان وجود دارد که ذراتی که با سرعت مشخصی در حال حرکت هستند، رفتار موجی داشته و دارای طول‌موج مشخصی باشند؟ مطالعات دوبروی درنهایت منجر به تعریف طول‌موجی برای ذرات در حال حرکت شد که امروزه با عنوان طول‌موج دوبروی شناخته می‌شود.

مهم‌ترین عاملی که همواره تعیین‌کنندۀ خواص ماده است، وضعیت الکترون‌ها و ساختار انرژی آنها است؛ بررسی الکترون‌های ماده با نگاه کلاسیک که الکترون‌ها را ذره فرض می‌کند ممکن نیست و باید آنها را از دیدگاه جدید بررسی کرد. بر این اساس، در مواد توده‌ای الکترون‌ها به‌صورت امواجی پیوسته در هر سه راستای اصلی (x, y, z) در تودۀ ماده حضور داشته و آزادی حرکت کاملی دارند. بر این اساس می‌توان برای الکترون‌های یک ماده جامد توده‌ای، موج الکترونی متشکل از سه مؤلفه در راستای محورهای اصلی تعریف کرد. با کاهش ابعاد ماده در هر یک از این راستاها، درنهایت با گذر از اندازۀ بحرانی، ابعاد ماده به‌قدری کوچک می‌شود که این ابعاد قابل‌ مقایسه با طول‌موج دوبروی الکترون‌های ماده می‌شود. در چنین شرایطی الکترون‌های ماده دیگر آزادی عمل پیشین خود را ندارند و در فضای محدود ایجاد شده در اثر کاهش ابعاد ماده، موج‌های خاصی می‌توانند نوسان کنند. ازآنجایی‌که انرژی الکترون در حال حرکت ارتباط معکوسی با طول‌موج الکترون دارد، در چنین شرایطی انرژی که الکترون‌ها می‌توانند داشته باشند گسسته شده و در عمل الکترون‌ها محدود می‌شوند. پدیده محدود شدن الکترون‌های ماده در اثر کاهش ابعاد را در اصطلاح محدودیت کوانتومی می‌نامند. در اثر محدودیت کوانتومی نانومواد، خواص مواد نانویی گسسته (کوانتیزه) می‌شود؛ به‌این‌ترتیب که با تغییر اندازه، خواص نانوماده نیز تغییر می‌کند. اندازه‌ای که با گذر از آن، محدودیت کوانتومی برای مواد مختلف آغاز می‌شود، در کنار عوامل مختلف، به نوع ماده و دمای آن بستگی دارد.

۴- دسته‌بندی نانومواد بر اساس ابعاد محدودیت کوانتومی

پیش از این در بخش تقسیم‌بندی نانومواد بر اساس ابعاد، مبنای دسته‌بندی ابعادی نانومواد بیان گردید. با این‌وجود معیار دیگری نیز برای دسته‌بندی نانومواد وجود دارد که مبتنی بر محدودیت کوانتومی ایجادشده برای الکترون‌های ماده در اثر کاهش ابعاد آن است. برای مثال، نانوساختارهایی مانند نانوذرات و نقاط کوانتومی در هر سه بعد خود اندازۀ کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر داشته و ازاین‌رو صفر بعدی نامیده می‌شوند. حال اگر محدودیت کوانتومی ایجادشده برای موج الکترون موادی که در هر سه بعد اندازۀ کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر دارند را مدنظر قرار دهید، خواهید دید که این موج در هر سه بعد محدود شده است؛ ازاین‌رو می‌توان موج الکترون چنین موادی را صفر بعدی فرض کرد. لذا می‌توان نتیجه گرفت که ابعاد موج الکترون یک نانوماده برابر با ابعاد هندسی آن است. به‌همین‌ترتیب، بررسی نانوساختارهای یک‌بعدی نشان می‌دهد که الکترون‌های آنها در دو راستا محدود شده و در یک راستا (راستای طولی) آزاد هستند. ازاین‌رو موج الکترون آنها یک‌بعدی خواهد بود. جدول 1 هر دو دسته‌بندی موجود برای مواد نانوساختار را به‌صورت خلاصه ارائه می‌کند.

جدول ۱- دسته‌بندی مواد نانوساختار بر اساس ابعاد هندسی و محدودیت کوانتومی

۵- اثر افزایش سطح بر رفتار مواد

صرف‌نظر از این‌که یک ماده توده‌ای را در نظر بگیریم یا یک نانوماده را، برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی آن وابسته به خواص سطحی آن است. سطح ماده عملکردهای مختلفی دارد؛ برای مثال به‌عنوان رابط، جریان عبوری ماده یا انرژی را کنترل می‌کند؛ واکنش شیمیایی بر روی سطح مواد جامد رخ می‌دهند و یا هر نوع برهم‌کنش با محیط پیرامون و جذب اتم‌ها یا مولکول‌ها بر روی سطح انجام می‌شود. به شاخه‌ای از علوم که با خواص شیمیایی، فیزیکی و زیستیِ سطح سروکار دارد، علم سطح می‌گویند. حال اگر یک مادۀ توده‌ای را به تعدادی نانوذره تبدیل کنیم، در شرایطی که مقدار کلی ماده ثابت بماند، سطح کلی حاصل بشدت افزایش می‌یابد؛ در این حالت نسبت اتم‌های سطحی به کل اتم‌های سازنده آن نیز به مقدار قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این پدیده به‌صورت نمادین در شکل 3 نشان داده شده است. افزایش نسبت سطح به حجم ماده موجب می‌شود تا خواص سطحی ماده به خواص تودۀ آن غالب شود. ازاین‌رو پدیده‌هایی که نیاز به سطح بیشتری دارند، در این شرایط راحت‌تر رخ می‌دهند.

بر اساس آنچه علم سطح بیان می‌کند، گروه‌های شیمیایی حاضر در سطح ماده هستند که خواص شیمیایی سطح مواد را تعیین می‌کنند. به‌عنوان مثال، اگر سطح ماده پوشیده از مولکول‌هایی باشد که آب‌گریز هستند، این سطح آب‌گریز خواهد بود. یا اگر سطح یک فلز (مانند آلومینیوم) پوشیده از مولکول‌هایی باشد که تمایلی به واکنش با اکسیژن موجود در محیط ندارند، این ماده در برابر پوسیدگی حاصل از اکسید شدن مقاوم خواهد بود. حال اگر سطحی پوشیده از اتم‌ها یا مولکول‌هایی باشد که تمایل فراوان به واکنش دارند، این ماده به‌شدت واکنش‌پذیر خواهد بود. این اتفاقی است که برای انواع نانوذرات، به‌ویژه نانوذرات فلزی، رخ می‌دهد.

شکل ۳- طرحی از افزایش سطح کل با کاهش ابعاد ماده.

بخش قابل‌توجهی از اتم‌های تشکیل‌دهندۀ نانومواد، به‌ویژه نانوذرات، را اتم‌های سطحی تشکیل می‌دهند. این امر موجب می‌شود تا خواص و رفتار کلی ماده برآیندی از رفتار اتم‌های سطحی باشد که با کاهش اندازۀ ذرات این اثر نمود بیشتری پیدا می‌کند. ازاین‌رو خواص سطحی در نانومواد برجسته‌تر از سایر خواص هستند؛ چنین پدیده‌ای در فرآیندها و واکنش‌های سطحی بسیار تعیین‌کننده بوده و موجب تسهیل آنها می‌گردد. به‌نحوی که در عمل نانوذرات از نظر شیمیایی بسیار فعال بوده و به‌سرعت با محیط پیرامون خود وارد واکنش می‌شوند.

علاوه بر افزایش فعالیت شیمیایی سطح، این حقیقت که کسر زیادی از اتم‌های نانومواد در سطح آنها قرار دارند، سبب می‌شود که برخی از ویژگی‌های فیزیکینانومواد نظیر نقطۀ ذوب نسبت به حالت توده‌ای آنها تغییر کند. به‌بیان‌دیگر با کاهش ابعاد مواد و نانومقیاس شدن آنها، نقطۀ ذوب آنها کاهش می‌یابد. این امر به این دلیل است که انرژی لازم برای جدا کردن اتم‌های سطحی کمتر از اتم‌های درون ماده است. ازآنجایی‌که در نانومواد نسبت قابل‌توجهی از اتم‌ها در سطح ماده حضور دارند، انرژی لازم برای غلبه بر نیروی چسبندگی بین‌مولکولی (یا بین‌اتمی) که سبب ثابت ماندن مولکول‌ها (یا اتم‌ها) می‌شود و ماده را به حالت جامد نگه می‌دارد، کمتر شده و درنتیجه دمای ذوب ماده کاهش می‌یابد.

۶- تغییرخواص درابعاد نانو

خواص مواد مختلف با کاهش ابعاد و ورود به ابعاد نانو دچار تغییرات مختلفی می‌شود که وابسته به اندازۀ آنها است. در ادامه چند مورد از این تغییر خواص به‌طور خلاصه و بیانی ساده بررسی می‌شود.

۱-۶- تغییر رنگ نانوذرات

نانوذرات خواص نوری متفاوتی در مقایسه با مواد توده‌ای از خود نشان می‌دهد. این خواص نوری ویژه، ناشی از چند نوع برهم‌کنش متفاوت بین نور و نانوذرات است که درنهایت منجر به مشاهدۀ نانوذرات به رنگ‌های متفاوت از رنگ توده‌ای آنها می‌گردد؛ نکتۀ مهم در این میان این است که این رنگ‌ها وابسته به اندازه و هندسۀ نانوذرات است.

برای معرفی سازوکارهایی که موجب تغییر رنگ نانوذرات می‌شود، ابتدا نیاز است سازوکارهای مختلف برهم‌کنش نور با یک ماده‌ را بشناسیم. یک پرتوی نور هنگامی به سمت یک جسم می‌تابد، می‌تواند برهم‌کنش‌های متنوعی با این ماده داشته باشد. ممکن است ماده نسبت به نور شفاف باشد و اجازۀ عبور نور از خود را دهد (مانند شیشه برای نور مرئی)؛ ممکن است این ماده نسبت به پرتوی تابانده شده شفاف نباشد؛ با این‌وجود برهم‌کنش خاصی هم با آن نداشته و عیناً آن را بازتاب دهد (مانند آینه برای نور مرئی)؛ درنهایت ممکن است نور تابانده شده به جسم برهم‌کنش قوی با آن داشته و جذب شود (مانند اجسام سیاه‌رنگ برای نور مرئی).

نحوۀ‌ برهم‌کنش الکترون‌های یک ماده با پرتوی نور تعیین‌کنندۀ سرنوشت پرتو نور تابانده شده به آن است. الکترون‌های ماده می‌توانند انرژی فوتون‌های نور را جذب کرده و برانگیخته شوند (به‌ترازهای انرژی بالاتر منتقل شوند)، یا طی برهم‌کنش‌هایی موجب بازگشت فوتون‌ها شوند و یا بدون برهم‌کنشی اجازۀ عبور دهند. زمانی یک جسم می‌تواند رنگ مشخصی برای خود داشته باشد که بخشی از نور مرکب تابانده شده را جذب کند. در صورتی‌که رنگ مشخصی از نور سفید تابانده شده به یک جسم جذب شود (یک طول‌موج مشخص)، آن جسم به رنگی رؤیت می‌شود که در اصطلاح رنگ مکمل رنگ جذب‌شده است؛ برای مثال، جسمی که رنگ آبی را جذب می‌کند، به رنگ نارنجی دیده می‌شود. برای راحتی کار و مشخص کردن چنین رنگ‌هایی، مفهومی به نام چرخ رنگی مطرح شده است که در آن رنگ‌های مکمل روبه‌روی هم و حول یک دایره قرار دارند (شکل ۴).

شکل ۴- چرخ رنگی نشان‌دهندۀ رنگ‌های مکمل.

با توجه به تغییر ساختار الکترونیکی یک ماده در ابعاد نانو و شکافته شدن‌ ترازهای انرژی آن، بدیهی است که طول‌موج‌های جذب‌شده توسط یک ماده نیز تغییر کرده و درنتیجه رنگ نانوماده نیز تغییر کند. در حالت کلی دو نوع برهم‌کنش متفاوت میان ماده و نور موجب می‌شود تا انواع نانوذرات نیمه‌رسانا و فلزی به رنگ‌های متفاوت دیده شوند. این دو برهم‌کنش شامل گذارهای بین نواری و تشدید پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) می‌شود که به‌ترتیب در تغییر رنگ نانوذرات نیمه‌رسانا و فلزی مؤثر هستند. در کنار این دو پدیده که موجب ایجاد رنگ مشخصی برای نانوذرات به دلیل فرآیندهای جذب و نشر فوتون‌ها رخ می‌دهد، دو پدیدۀ دیگر نیز وجود دارند که حاصل برهم‌کنش ماهیت موجی پرتوهای نور با نانومواد است: برهم‌نهی یا تداخل امواج و پراکندگی نور. در ادامه به بررسی دقیق‌تر این چهار پدیده خواهیم پرداخت.

۱-۱-۶- گذار بین نوارهای انرژی

جذب فوتون توسط الکترون‌های یک ماده، برانگیخته شدن آنها و گذار به نوارهای انرژی بالاتر و انتشار یک فوتون با آسایش الکترون‌های برانگیخته، فرآیندی است که موجب می‌شود مواد مختلف به رنگ‌های خاص خود دیده شوند (رنگ مکمل طیف جذب‌شده). حال اگر به هر دلیلی فاصلۀ میان نوارهای انرژی یک ماده تغییر کند، طول‌موج و درنتیجه رنگی که ماده جذب کرده و نشر می‌کند تغییر می‌کند، درنتیجه ماده به رنگ متفاوتی دیده می‌شود. روند گسسته شدن نوارهای انرژی یک مادۀ جامد توده‌ای با کاهش ابعاد آن را به‌خاطر بیاورید (شکل ۲)؛ با کاهش اندازۀ یک نانوذره، به‌تدریج نوار انرژی آن در حالت توده‌ای شکافته می‌شود که حاصل آن ایجاد نوارها و شکاف‌های انرژی جدید است. این همان پدیده‌ای است که موجب می‌شود مواد نانوساختار نیمه‌رسانا به‌ویژه نقاط کوانتومی، به رنگ‌های متنوعی دیده شوند.

نقاط کوانتومی ذرات بلورین نیمه‌رسانا هستند که در دمای محیطی اندازۀ کمتر از ۱۰نانومتر دارند؛ البته با کاهش دما، ذرات بزرگ‌تر با چنین مشخصاتی (نیمه‌رسانا و بلورین) نیز تبدیل به نقطۀ کوانتومی می‌شوند. دلیل نام‌گذاری نقاط کوانتومی به این نام، این است که در این نانوساختارها محدود شدن کوانتومی به‌طور کامل رخ داده و شکافته شدن نوارهای انرژی به نوارهای انرژی بسیار باریک کاملاً مشهود است. ازاین‌رو پدیده‌های کوانتومی که در ابعاد کاهش‌یافته می‌تواند مشاهده شود، در این نانوساختارها کاملاً مشهود هستند. با تغییر جزئی در اندازۀ نقاط کوانتومی، ساختار الکترونیکی آنها و درنتیجه طول‌موجی که جذب و نشر می‌کنند تغییر می‌کند. ازاین‌رو رنگ نقاط کوانتومی به‌شدت وابسته به اندازۀ آنها است. شکل ۵ تصویری از نقاط کوانتومی کادمیوم سلنید (CdSe) با اندازه‌های مختلف را نشان می‌دهد.

مقایسۀ رنگ‌های نشان داده شده درشکل ۵ با چرخ رنگی شکل ۴ به‌خوبی نشان‌دهندۀ نمایان شدن رنگ‌های مکمل در شرایط جذب و نشر نور توسط نقاط کوانتومی است. الکترون‌های نقاط کوانتومی با برهم‌کنش با فوتون‌های نور تابانده شده به آنها برانگیخته شده و با انجام یک گذار بین نواری، به نوار بالاتر منتقل می‌شوند؛ نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است که ازآنجایی‌که شکاف انرژی میان این نوارها مقدار مشخصی دارد و با در نظر گرفتن ماهیت کوانتومی نور (گسسته بودن انرژی آن) امکان برانگیخته کردن الکترون‌ها با هر نوری ممکن نیست. ازاین‌رو هر نقطۀ کوانتومی، بسته به اندازه‌ای که دارد، توسط فوتون‌هایی با انرژی مشخص برانگیخته می‌شود. بنابراین هنگامی‌که نور سفید به نقاط کوانتومی تابانده می‌شود، با جذب یک طول‌موج خاص، نقاط کوانتومی به رنگ مکمل نور جذب‌شده ظاهر می‌شوند. در حالت آسایش الکترون‌های برانگیخته، انرژی که با بازگشت الکترون به حالت پایه به شکل فوتون منتشر می‌شود، برابر شکاف انرژی است. ازاین‌رو هر نقطۀ کوانتومی متناسب با اندازۀ خود، پرتویی با طول‌موج و رنگ خاصی را منتشر می‌کند.

شکل ۵- تصویری از نور منتشرشده از نقاط کوانتومی کادمیوم سلنید (بالا) و رنگ ظاهری آنها (پایین)

کاهش اندازۀ نانوذرات موجب شکافته شدن هرچه بیشتر نوارهای انرژی می‌شود؛ این امر موجب می‌شود تا شکاف انرژی جدید با کاهش اندازۀ ذرات، بزرگ‌تر گردد. ازاین‌رو برای برانگیخته کردن الکترون‌های نقاط کوانتومی کوچک‌تر، نیاز به فوتون‌های پرانرژی‌تری است. به همین‌ترتیب، نوری که نقاط کوانتومی کوچک‌تر آزاد می‌کنند از فوتون‌های پر انرژی‌تر تشکیل می‌شود. لذا به‌عنوان یک قاعدۀ کلی می‌توان گفت که با کاهش اندازۀ نقاط کوانتومی، رنگی که منتشر می‌کنند به سمت طول‌موج‌های کوتاه‌تر (از رنگ قرمز به سمت آبی) متمایل می‌شود. این پدیده را در اصطلاح انتقال آبی می‌نامند.

نکته‌ای که در مورد شکل ۵ باید موردتوجه قرار گیرد این است که ازآنجایی‌که فرآیند برانگیزش و آسایش الکترون‌ها بسیار سریع رخ می‌دهد، امکان مشاهدۀ نور گسیل‌شده در شرایط عادی وجود ندارد. ازاین‌رو برای بررسی طیف نشر شده از یک ماده، آن را در محیط تاریکی قرار داده و به آن نور فرابنفش می‌تابانند. در چنین محیطی که نورمرئی وجود ندارد، فوتون‌های منتشرشده توسط نقاط کوانتومی قابل‌رؤیت می‌شوند. به همین دلیل است که زمینۀ تصویر مربوط به نور منتشرشده در شکل ۵ تاریک است. فرآیند انتشار نور توسط الکترون‌های برانگیخته‌شده با تابش نور را پدیدۀ فلوئورسنس یا پرتوتابی ماده می‌گویند و به موادی که دارای این خاصیت باشند مواد فلوئورسنت یا پرتوتاب می‌گویند.

۲-۱-۶- پلاسمون سطحی موضعی

یکی از ویژگی‌های نانومواد فلزی، خواص نوری منحصربه‌فرد آنها است. این خواص از پدیده‌ای موسوم به تشدید پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) ناشی می‌شود. پلاسمون به نوسان جمعی الکترون‌های آزاد (الکترون‌های نوار رسانش) در مواد فلزی گفته می‌شود. هنگامی‌که نور به سطح یک فلز می‌تابد، مستقل از اندازۀ آن فلز، بخشی از نور به ‌موازات سطح فلز منتشر می‌شود. میدان الکتریکی این موج الکترومغناطیسی عمق نفود بسیار کمی در توده فلز داشته و صرفاً توان تحریک الکترون‌های سطحی را دارد؛ این میدان الکتریکی در حال نوسان بر الکترون‌های ماده اثر گذاشته و موجب نوسان الکترون‌های سطحی فلز می‌شود. به نوسان الکترون‌های سطحی فلزات در فصل مشترک با مواد عایق که در چنین شرایطی ایجاد می‌شود (جفت شدن با پرتو نور)، پلاسمون سطحی قطبیده گفته می‌شود. نوسان حامل‌های بار الکتریکی (الکترون‌ها) موجب شکل‌گیری یک میدان الکترومغناطیسی می‌شود؛ موج الکترومغناطیسی حاصل از چنین نوساناتی را موج پلاسمون سطحی قطبیده می‌نامند.

با جذب نور و شکل‌گیری پلاسمون سطحی قطبیده، الکترون‌هایی که در اثر جذب انرژی از پرتو نور شروع به نوسان کرده‌اند، یک میدان الکترومغناطیسی در بیرون و درون فلز ایجاد کرده و از این طریق انرژی مازاد خود را دفع می‌کنند. بخش بزرگی از این انرژی به‌صورت نور بازتاب شده، از سطح فلز نمایان می‌شود؛ از این‌رو اکثر فلزات پس از صیقل‌کاری، سطح آینه‌ای دارند. بخش دیگر نیز به‌صورت نوسانات میرا در توده فلز پخش می‌گردد. به چنین پلاسمون‌هایی، پلاسمون‌های سطحی پخش شونده می‌گویند. این نوسانات بسیار کم انرژی بوده و با عمق اثری در حدود چند نانومتر، در عمل تأثیر چندانی بر الکترون‌های درونی ندارد؛ ازاین‌رو با ایجاد پلاسمون سطحی در یک فلز توده‌ای پدیده خاصی در توده فلز مشاهده نمی‌شود (شکل ۶).

شکل ۶- شکل‌گیری پلاسمون سطحی قطبیده در سطح یک فلز توده‌ای

پدیدۀ شکل‌گیری پلاسمون‌های سطحی قطبیده در ابعاد نانو متفاوت از حالت توده‌ای است. با کاهش اندازۀ ذرات فلزی و قرارگیری آنها در محدودۀ تعریف شده برای نانومواد، اندازه ذره از طول‌موج نور مرئی که به ذره می‌تابد (۴۰۰-۷۰۰ نانومتر) کوچک‌تر می‌شود. این امر موجب می‌شود تا کل نانوذره در عمق نفوذ میدان الکتریکی پرتو نور قرار گیرد. درنتیجه نه‌تنها الکترون‌های سطح، بلکه کل الکترون‌های موجود نانوذرات نیز تحت تأثیر میدان الکتریکی حاصل از پرتو ورودی قرار گرفته و شروع به نوسان می‌کنند. در چنین شرایطی پلاسمون ایجادشده در نانوذره، نه‌تنها سطح، بلکه کل نانوذره را دربرگرفته و موجب نوسان هماهنگ کل الکترون‌های نانوذره می‌شود. این پلاسمون‌های ایجادشده در مسیری هماهنگ و در کل نانوذره، نوسانات رفت و برگشتی انجام می‌دهند. این پدیده را به این دلیل که به‌طور موضعی فقط در درون نانوذره نوسان می‌کند، پلاسمون سطحی موضعی (LSP) می‌نامند.

شکل ۷- تغییر رنگ نانوذرات کروی طلا با تغییر اندازه (آ - ث) و نانومیله‌های طلا با تغییر نسبت منظر آنها (ج - ذ). در تمامی تصاویر اندازه خط اندازه برابر ۱۰۰نانومتر می‌باشد؛ همچنین اندازه نانوذرات کروی در محدوده ۴ الی ۴۰نانومتر و محدود تغییرات نسبت منظر از ۱/۵ الی ۲۰ می‌باشد.

تغییر رنگ نانوذرات طلا مثال مشهوری از تغییر رنگ انواع نانوذرات فلزی در اثر پدیدۀ پلاسمون‌ سطحی موضعی است. رنگ نانوذرات فلزی ارتباط مستقیمی با شکل و اندازه آنها دارد؛ زیرا تعیین‌کننده طول‌موجی است که موجب شکل‌گیری پلاسمون‌های سطحی تشدید شده در آنها می‌شود. درصورتی‌که نانوذرات فلزی شکل متقارنی مانند کره داشته باشند، الکترون‌های آنها صرفاً با یک طول‌موج مشخص جفت شده و پلاسمون سطحی ایجاد می‌کنند. درصورتی‌که نانوذرات ساختار کشیده داشته باشند، مانند میله، الکترون‌ها امکان نوسان پلاسمونی در دو راستای عرضی و طولی را خواهند داشت. درنتیجه، این نانوذرات توان جذب و نشر هم‌زمان دو طول‌موج را خواهند داشت و درنتیجه به رنگی که ترکیبی از این دو رنگ است، رؤیت می‌شوند(شکل ۷).

ازآنجایی‌که شکل‌گیری پلاسمون‌های سطحی در سطح فلزات رخ می‌دهد، طول‌موجی که موجب ایجاد این پلاسمون‌ها می‌شود، علاوه بر شکل و اندازه نانوذرات فلزی به محیط پیرامون نانوذرات و گونه‌هایی که بر روی سطح آنها جذب می‌شود نیز وابسته است. این امر موجب می‌شود که با جذب یا جدا شدن انواع مولکول‌ها از سطح نانوذرات فلزی، طول‌موج جذب آنها تغییر کرده و درنتیجه رنگ‌ها تغییر کند. این ویژگی موجب ایجاد کاربردهای فراوانی برای نانوذرات فلزی در آشکارسازی انواع ترکیب‌های شیمیایی و زیستی شده است.

۳-۱-۶- برهم‌نهی امواج

یکی از پدیده‌هایی که در طبیعت همواره موجب جلب توجه شده و هر بیننده‌ای را مسحور خود می‌کند، رنگ‌های زیبا و بی‌همتای موجود در طبیعت هستند؛ مانند بال رنگین پروانه‌ها، پر طاووس و بسیاری از پرندگان رنگین بالو بسیاری از حشرات دارای پوست رنگین و براق. جالب‌ترین مسئله‌ای که به هنگام تماشای چنین زیبایی‌هایی در طبیعت با آن روبه‌رو می‌شویم این است که این رنگ‌های زیبا با تغییر زاویه دید، تغییر می‌کنند. بال‌های پروانه‌ای موسوم به پروانه مورفو، مثالی از این نوع تغییر رنگ است (شکل۸).

شکل ۸- تصویرهایی از بال پروانۀ مورفو در شرایط مختلف: (آ) روبه‌رو، (ب) موازات سطح، (پ و ت) تصویر روبه‌رو و مورب از بال غوطه‌ور در اتانول مایع و (ث و ج) تصویر روبه‌رو و مورب از بال خشک پیش از غوطه‌وری

رنگ‌هایی که با تغییر زاویۀ دید تغییر می‌کنند، مانند رنگ بال پروانه مورفو، رنگ ناشی از رنگ‌دانه نیستند بلکه به دلیل وجود نانوساختارهای طبیعی بر روی سطوحی مانند بال این پروانه هستند که دلیل شکل‌گیری این رنگ‌های زیبا و متنوع می‌باشند (شکل۹). ازاین‌رو چنین رنگ‌هایی که ناشی از ریزساختارهای روی سطح هستند را رنگ ساختاری می‌نامند. پوسته‌های کوچکی که بر روی بال پروانه وجود دارند، دارای ساختار هندسی خاص در ابعاد نانو هستند. نور از طریق پنجره‌های کوچک و نانومتری روی سطح (شکل ۹-ت)، وارد ساختار شده و بازتاب می‌شود؛ پرتوهای نور بازتاب یافته از این ساختارهای نانومقیاس، با یکدیگر تداخل کرده و موجب پیدایش این رنگ‌های زیبا می‌شود.

شکل ۹- (آ و ب) تصویری از سطح بال پروانۀ مورفو و پوسته‌های روی آن [۵]؛ تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از (پ) پوسته‌های کوچک روی بال، (ت) بزرگ‌نمایی از ساختار سطحییک پوسته، (ث) ساختار درونییک پوسته و (ج) طرحی رایانه‌ای از ساختار درونییک پوسته

با بیانی ساده، برهم‌نهی یا تداخل امواج زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند موج مختلف به‌طور هم‌زمان به یک نقطه برسند. در چنین شرایطی بسته به این‌که امواج در لحظۀ رسیدن به هم چه شرایطی داشته باشند، ممکن است در نقطۀ برخورد با تقویت یکدیگر ایجاد موجی بزرگ‌تر کنند یا با تضعیف یکدیگر، منجر به شکل‌گیری موج ضعیف‌تری گردند. رنگ‌های متنوع بسیاری از موجودات زنده ازجمله بال پرندگان و پوسته یا بال حشرات با چنین سازوکاری رنگی دیده می‌شود. طاووس یکی از پرندگانی است که به‌خاطر پرهای رنگین و زیبای خود مشهور است؛ طاووس نیز به‌خاطر ساختارهای نانومقیاس روی پرهای خود رنگین دیده می‌شود.

۴-۱-۶- پراکندگی نور

پراکندگی یک پدیدۀ فیزیکی است که در آن یک موج به دلیل وجود غیریکنواختی موضعی در محیط، وادار به تغییر مسیر حرکت مستقیم خود می‌شود. بر این اساس پدیدۀ پراکندگی همواره در محیط پیرامون ما در حال رخ دادن است. نمود عینی پراکندگی پرتوهای نور هنگامی آشکار می‌شود که در یک اتاق تاریک یا کم‌نور و غبارآلود، باریکه‌ای از نور تابش می‌کند. در چنین شرایطی، مسیر حرکت نور با درخشش‌های لحظه‌ای و تصادفی روشن می‌شود. این در حالی است که اگر به‌جای تاباندن باریکه‌ای از نور کل اتاق را روشن کنیم، دیگر این نقاط درخشان قابل ‌مشاهده نخواهند بود.

این درخشش‌های لحظه‌ای ناشی از پراکندگی یا انعکاس غیرمنظم پرتو نور در مسیرهای تصادفی است که برآیند آنها مسیر تابش باریکه نور را نشان می‌دهد. نکته جالب اینجاست که این ذرات، بسیار کوچک‌تر از آن هستند که بتوان با چشم غیرمسلح آنها را دید؛ بااین‌حال، اثر نوری ناشی از وجود آنها (پراکندگی) قابل‌مشاهده است. به همین‌ترتیب، نانوذرات با اندازه‌های مختلف توان انعکاس غیرمنظم و پراکنده کردن طول‌موج‌های متفاوتی از پرتو نور تابانده شده به محیط آنها را دارند. چنین پدیده‌ای به‌ویژه هنگامی رخ می‌دهد که نانوذرات در یک محیط مایع معلق باشند؛ نانوذرات به دلیل اندازۀ بسیار کوچکی که دارند، در محیط مایع نیز غیرقابل‌مشاهده خواهند بود و در صورت شفاف بودن مایع، مخلوط حاصل نیز شفاف خواهد بود. در چنین شرایطی اگر یک باریکه نور تقویت‌شده مانند پرتو لیزر به محیط تابانده شود، مسیر عبور پرتو از درون این محیط شفاف شروع به درخشش خواهد کرد. این درخشش حاصل پراکندگی غیرمنظم نور عبوری توسط نانوذرات است. این پدیده با نام اثر تیندال شناخته می‌شود. شکل ۱۰ نشان‌دهندۀ نحوۀ پراکنش باریکه لیزر سبزرنگ توسط نانوذرات نقره معلق در آب و مقایسه عبور این باریکه از آب خالص می‌باشد. در چنین شرایطی نانوذرات هیچ رنگی از خود بروز نمی‌دهند و صرفاً پرتو تابانده شده را پراکنده می‌کنند. ازاین‌رو باریکۀ مشاهده‌شده درون محیط مایع به رنگ پرتو اصلی خواهد بود. بر این اساس از پدیدۀ پراکندگی برای مشاهدۀ مستقیم نانوذرات نمی‌توان استفاده کرد، بلکه می‌توان از آن به‌عنوان ابزاری برای اطلاع از حضور ذرات بسیار کوچک و غیرقابل‌مشاهده در یک محیط استفاده کرد. شدت پراکندگی نور ارتباط مستقیمی با اندازۀ ذرات دارد.

شکل ۱۰- نحوۀ پراکنش باریکه لیزر توسط نانوذرات نقره معلق در آب و مقایسه عبور این باریکه از آب خالص

 ۲-۶- خواص مغناطیسی مواد در مقیاس نانو

با کاهش ابعاد ماده و ورود به دنیای نانو، خواص مغناطیسی مواد نیز مانند سایر خواص تغییر می‌کنند؛ به‌عنوان مثال موادی مانند طلا و اکسید آلومینیوم که در ابعاد توده‌ای خواص مغناطیسی ندارند، در ابعاد نانو خاصیت مغناطیسی از خود نشان می‌دهند. این امر موجب می‌شود تا فرصت مناسبی برای پژوهشگران در زمینه نانومواد مغناطیسی از طریق دست‌یابی به مواد مغناطیسی جدید و نیز خواص مغناطیسی بهبودیافته برای مواد مرسوم مغناطیسی فراهم شود.

آثار کاهش ابعاد مواد و ورود به مقیاس نانو بر روی خواص مغناطیسی را می‌توان به دو اثر سطح و اندازه تفکیک کرد. اثر سطحی هنگامی نمایان می‎شود که جمعیت اتم‌های سطحی به میزان قابل‌توجهی افزایش یابند؛ در چنین شرایطی رفتار اتم‌های سطحی به‌تدریج نمایان شده و بر رفتار کلی ماده حکم‌فرما می‌شود. می‌دانیم که اتم‌های سطحی پیوندهای ناقص فراوانی دارند. وجود چنین پیوندهای ناقص سطحی موجب برخی تغییرات ساختاری ازجمله تغییر عدد همسایگی در نزدیکی سطح و یا تغییر ثابت شبکه می‌شوند. درنتیجه تقارن موجود در یک ساختار توده‌ای با افزایش جمعیت اتم‌های سطحی در ابعاد نانو از بین می‌رود. یکی از تقارن‌های مهم، وجود الکترون‌های جفت شده‌ای است که با اسپین مخالف در یک اوربیتال پیوندی حضور دارند؛ این الکترون‌ها به دلیل داشتن اسپین مخالف، آثار مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند. این درحالی است که ایجاد پیوندهای ناقص بر روی سطح موجب شکستن این پیوندها و ایجاد الکترون‌های جفت نشده بر روی سطح می‌شود؛ ازاین‌رو جمعیت الکترون‌هایی که برآیند مغناطیسی آنها دیگر صفر نیست افزایش می‌یابند. درنتیجه تعادل مغناطیسی که در حالت توده‌ای وجود داشت به‌تدریج در ابعاد نانو از بین رفته و برخی از مواد که در حالت توده‌ای خاصیت مغناطیسی ندارند، در ابعاد نانو خواص مغناطیسی از خود بروز می‌دهند؛ نانوذرات اکسید سریم (CeO₂) نمونه‌ای از این مواد است.

تأثیر کاهش اندازه بر روی خواص مغناطیسی از چند جنبه قابل‌بررسی است. مهم‌ترین تأثیری که کاهش اندازه بر خواص مغناطیسی مواد دارد، نزدیک شدن اندازه حوزه‌های مغناطیسی و اندازه ذرات مغناطیسی به هم است. جهت‌گیری و اندازۀ حوزه‌های مغناطیسی یکی از تعیین‌کننده‌ترین مشخصه‌های مواد مغناطیسی هستند. با کاهش اندازۀ یک ذره فرومغناطیس، به‌تدریج ذره و حوزه مغناطیسی هم‌اندازه شده و ذره تبدیل به یک ذره تک‌حوزه می‌شود. در این روند کاهش اندازه، نانوذرات مغناطیسی رفتار جالبی از خود بروز می‌دهند (شکل ۱۱). با کاهش اندازه ذرات مغناطیسی ابتدا مقدار وادارندگی مغناطیسی افزایش می‌یابد، این افزایش تا رسیدن به یک اندازۀ بحرانی که پس از آن اندازۀ ذره و اندازه حوزۀ مغناطیسی برابر شده و ذره تبدیل به یک ذره مغناطیسی تک‌حوزه می‌شود، ادامه می‌یابد. پس از این مقدار بحرانی، با کاهش اندازۀ ذره، مقدار وادارندگی مغناطیسی کاهش می‌یابد. با کاهش هر چه بیشتر اندازه ذره، نانوذره از مقدار بحرانی دیگری عبور می‌کند که پس از آن به دلیل برخی آثار ابعاد نانو، در صورت حذف میدان مغناطیسی خارجی دوقطبی‌های موجود در نانوذره نسبت به هم آزادانه جابه‌جا شده و جهت‌گیری می‌کنند؛ ازاین‌رو مقدار پسماند و وادارندگی مغناطیسی نانوذره صفر می‌شود. چنین رفتار متفاوت نانوذرات فرومغناطیس به دلیل کاهش اندازه را خاصیت ابرپارامغناطیس می‌نامند. این مقدار بحرانی برای مواد مختلف، مقدار متفاوتی دارد، بااین‌حال، پدیدۀ ابرپارامغناطیس به‌طورمعمول در اندازه‌هایی کمتر از ۲۰ نانومتر رخ می‌دهد.

شکل ۱۱- (آ) منحنی تغییرات وادارندگی مغناطیسی یک ذره فرومغناطیس با اندازه و (ب) منحنی پسماند مغناطیسی برای یک ذره فرومغناطیس در حالت چندحوزه‌ای (سبز)، تک حوزه‌ای (آبی) و ابرپارامغناطیس (قرمز).

همان‌طور که در شکل ۱۱-آ نشان داده شده است، با کاهش اندازۀ ذرات فرومغناطیس و نزدیک شدن اندازه حوزه‌های مغناطیسی و اندازۀ ذره به هم، میزان وادارندگی روندی صعودی را طی می‌کند؛ بااین‌حال پیش از رسیدن به اندازه بحرانی تک‌حوزه شدن، ذره وارد ناحیه‌ای موسوم به «ناحیه شبه تک‌حوزه» می‌شود. در این ناحیه ذره علی‌رغم اینکه دارای چندین حوزه مغناطیسی است، رفتاری ترکیبی از خود نشان می‌دهد. در این شرایط، ذره همانند حالت تک‌حوزه مقدار پسماند بالایی از خود نشان می‌دهد درحالی‌که مانند ذرات چندحوزه برای بازگشت به حالت اولیه خود نیاز به نیروی وادارندگی کم دارد. در ادامه و با کاهش اندازه، ذره به‌قدری کوچک می‌شود که صرفاً می‌تواند پذیرای یک حوزه مغناطیسی درون خود باشد. دوقطبی‌های مغناطیسی در ذرات تک حوزه فرومغناطیس به‌صورت یکنواختی هم‌راستا بوده و به‌صورت ذاتی در مغناطش اشباع به سر می‌برند. در این شرایط و مادامی‌که اندازه ذره نزدیک به حد بحرانی تک‌حوزه شدن باشد، تغییر جهت مغناطیسی ذره به انرژی زیادی نیاز خواهد داشت؛ به‌عبارت دیگر، ذرات تک‌حوزه با اندازه‌ای نزدیک به اندازۀ بحرانی تک‌حوزه شدن نیروی وادارندگی بسیار بالایی دارند؛ زیرا در ذرات مغناطیسی چندحوزه، تغییر جهت مغناطیسی از طریق تغییرات تدریجی در مرز بین حوزه‌های مغناطیسی (مشابه مرز دانه در مواد چندبلوری) صورت می‌گیرد که این فرآیند به دلیل بسیار کوچک بودن این ناحیه در مقایسه با حوزه مغناطیسی نیاز به انرژی چندان زیادی ندارد (شکل ۱۲). درحالی‌که تغییر راستای میدان مغناطیسی در ذرات تک حوزه نیازمند تغییر جهت تک‌تک دوقطبی‌های مغناطیسی سازندۀ ذره است که با صرف انرژی بسیاری همراه خواهد بود. ازاین‌رو ذرات مغناطیسی تک‌حوزه مادامی‌که اندازه‌ای نزدیک به اندازۀ بحرانی تک‌حوزه شدن دارند، دارای نیروی وادارندگی مغناطیسی بالایی نسبت به ذرات چندحوزه‌ای مشابه خود خواهند بود.

شکل ۱۲- روند تغییر جهت دوقطبی‌های مغناطیسی در مرز میان دو حوزۀ مغناطیسی.

ذرات مغناطیسی تک‌حوزه مادامی‌که اندازه آنها بیشتر از حد بحرانی ابرپارامغناطیس باشد، از نظر مغناطیسی ذرات پایداری هستند. بااین‌حال، با کاهش اندازه تا حد بحرانی ابرپارامغناطیس، تغییر چشم‌گیری در مقدار نیروی وادارندگی نانوذرات مغناطیسی تک‌حوزه پیش می‌آید. به‌این‌ترتیب که با کاهش اندازه، نیروی وادارندگی ذرات مغناطیسی افت شدیدی کرده و با گذر از حد ابرپارامغناطیس به صفر می‌رسد. آنچه در این ناحیه موجب تسهیل تغییر جهت دوقطبی‌های مغناطیسی می‌شود، آثار ناشی از کاهش انرژی چسبندگی اتم‌های تشکیل دهنده ماده در ابعاد نانو است که یکی از نتایج آن کاهش دمای ذوب نانوذرات نسبت به حالت توده‌ای آنهاست. در این شرایط، با کاهش اندازه ذرات، به دلیل کاهش نیروی چسبندگی اتم‌ها، نیروی مورد نیاز برای تغییر جهت دوقطبی‌های مغناطیسی کاهش می‌یابند و ماده از یک فرومغناطیس سخت مجدداً به فرومغناطیس نرم تغییر رفتار می‌دهد.

با کاهش اندازه ذره به کمتر از حد بحرانی ابرپارامغاطیس، معمولاً کمتر از ۲۰نانومتر، انرژی چسبندگی میان اتم‌های ماده به‌قدری کاهش می‌یابد که دوقطبی‌های مغناطیسی با جذب انرژی از محیط به راحتی از حالت هم‌راستا خارج می‌شود. ازاین‌رو با حذف میدان مغناطیسی خارجی و با گذشت زمان معینی که بستگی به اندازه نانوذره مغناطیسی و جنس آن دارد، دوقطبی‌های مغناطیسی جهت‌گیری تصادفی پیدا کرده و ماده از نظر مغناطیسی خنثی می‌شود. گذار از حالت فرومغناطیس به ابرپارامغناطیس برای یک ذره علاوه بر اندازه، به دما نیز ارتباط دارد. بر این اساس برای یک نانوذره مغناطیسی در حجم ثابت دمایی موسوم به دمای انسداد (T_B) تعریف می‌شود که نانوذره در دماهایی پایین‌تر از آن رفتار فرومغناطیس و بالاتر از آن رفتار ابرپارامغناطیس بروز می‌دهد. با بیانی ساده، دمای انسداد دهندۀ دمایی است که انرژی لازم برای برچیده شدن نظم موجود در جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی فراهم می‌شود. به همین‌ترتیب در دمای ثابت برای یک مادۀ مشخص حجم انسداد (V_B) تعریف می‌شود که ذرات بزرگ‌تر از این حجم خاصیت فرومغناطیس داشته و در اندازه‌های کوچک‌تر از آن رفتار ابرپارامغناطیس از خود نشان می‌دهند.

۳-۶- افزایش استحکام مواد ریزدانه

در بخش نانومواد سه‌بعدی بیان شد که بسیاری از مواد بلورین از دانه‌های کوچکی که در محلی به نام مرزدانه به هم متصل هستند تشکیل شده است. در بسیاری از موارد دانه‌های تشکیل دهندۀ ماده بلور کامل و بدون نقص نیستند؛ یکی از نقص‌های مهم در ساختار یک بلور نابه‌جایی نام دارد. با ساده‌ترین بیان، نابه‌جایی عبارت است از قرارگیری تعدادی از اتم‌های سازندۀ یک بلور در راستای یک صفحه در محلی غیر ازآنچه نظم بلوری حکم می‌کند. شکل ۱۳ نشان دهندۀ یک نوع نابه‌جایی در شبکه بلوری مکعبی ساده است.

شکل  ۱۳- (آ) طرحی از یک نابه‌جایی در ساختار بلوری مکعبی ساده و (ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از یک نابه‌جایی در بلور منگنز سولفید (MnS) با ساختار بلوری مکعبی ساده .

در حالت کلی برای مواد جامد دو نوع تغییر شکل در اثر اعمال نیروی مکانیکی تعریف می‌شود: تغییر شکل کشسان یا برگشت‌پذیر و تغییر شکل موم‌سانیا برگشت‌ناپذیر. یک فنر فلزی را در نظر بگیرید، هنگامی‌که آن را به‌طور ملایم می‌کشیم، تغییر شکل فنر برگشت‌پذیر بوده و با رها کردن آن، به شکل اولیه برمی‌گردد؛ بااین‌حال اگر فنر را با نیروی زیاد و بیش‌ازحد بکشیم، فنر پس از رها کردن دیگر شکل اولیه خود را بازیابی نخواهد کرد. این دو مورد مثالی ساده از دو نوع تغییر شکل مواد جامد هستند. اگر منحنی نیروی اعمال‌شده به فنر به‌عنوان تابعی از تغییر شکل آن را رسم کنیم، ناحیه‌ای که در آن تغییر شکل کشسان وجود دارد منحنی خطی خواهد بود و هنگامی‌که تغییر شکل موم‌سان رخ می‌دهد منحنی از حالت خطی خارج خواهد شد (شکل ۱۴). چنین منحنی‌هایی را منحنی تنش - کرنش می‌نامند. محور افقی این منحنی دهندۀ نسبت تغییر طول (∆L) به طول اولیه (L) که کرنش (ε) نامیده می‌شود و محور عمودی دهندۀ نیروی واردشده (F) بر واحد سطح (A) که تنش (δ) نامیده می‌شود، است.

بیشینه تنشی که یک ماده می‌تواند تحمل کند بدون آن‌که تغییر شکل موم‌سان دهد را در اصطلاح تنش تسلیم (τ)می‌نامند. بر این اساس با اعمال تنشی بیش از تنش تسلیم به یک ماده، ماده دچار تغییر شکل بازگشت‌ناپذیر می‌شود. هر چه تنش تسلیم یک ماده بیشتر باشد، مقاومت آن در برابر تغییر شکل برگشت‌ناپذیر بیشتر بوده و در اصطلاح استحکام یا سختی بیشتری دارد.

شکل ‏۱۴- منحنی تنش – کرنش برای یک جامد چند بلوری.

عامل ایجاد تغییر شکل موم‌سان در مواد چندبلوری حرکت نابه‌جایی‌ها است. نابه‌جایی‌ها امکان جابه‌جایی و حرکت درون ساختار بلور را دارند، ازاین‌رو موجب کاهش استحکام یک بلور شده و امکان تغییر شکل موم‌سان آن را فراهم می‌کنند. اندازۀ دانه‌ها و حجم مرز دانه‌ها یکی از مهم‌ترین عواملی است که تعیین‌کنندۀ خواص مکانیکی یک مادۀ جامد چندبلوری است. مرزدانه‌ها در یک ماده مانع از حرکت نابه‌جایی‌ها می‌شوند، ازاین‌رو افزایش مرزدانه‌ها در یک مادۀ چندبلوری موجب می‌شود تا استحکام آن ماده در برابر تغییر شکل موم‌سان افزایش یابد. کاهش اندازۀ دانه‌ها در یک ماده چندبلوری موجب افزایش چشم‌گیر مرزدانه‌ها در ماده شده و درنتیجه استحکام آن را افزایش می‌دهد.

نشان داده شده است که استحکام یا سختی یک مادۀ چندبلوری ارتباط مستقیمی با معکوس ریشۀ دوم اندازۀ دانه‌های سازندۀ آن دارد (d^-1/2). رابطه‌ای که دهندۀ ارتباط میان اندازۀ دانه و تنش تسلیم یک ماده است را رابطۀ هال - پِچ می‌نامند.

در رابطۀ فوق τ₀ و k دو ثابت هستند که برای مواد مختلف باید تعیین گردد. رابطۀ هال - پچ پیش‌بینی می‌کند که استحکام مواد چندبلوری با کاهش اندازۀ دانه‌ها افزایش می‌یابد؛ که این افزایش با ریشۀ دوم اندازه دانه در ارتباط است. آنچه رابطۀ هال– پچ (رابطۀ ۱۱) برای استحکام مواد جامد چندبلوری ازجمله انواع فلزات پیش‌بینی می‌کند، برای مواد با دانه‌های میکرومتری کاملاً برقرار است؛ با کاهش اندازۀ دانه‌ها و ورود آنها به ابعاد نانو نیز استحکام ماده با کاهش اندازۀ دانه افزایش می‌یابد. بااین‌وجود مشاهدات تجربی نشان داده است که این افزایش دائمی نیست و تا اندازه خاصی که موسوم به اندازۀ بحرانی (d_c) است، ادامه می‌یابد. هنگامی‌که اندازۀ دانه‌های مادۀ جامد برابر اندازۀ بحرانی می‌شود، این ماده بیشترین تنش تسلیم را از خود نشان داده و در اصطلاح دارای ابَر استحکام می‌شود. پس از این نقطه و با کاهش هرچه بیشتر اندازۀ دانه‌ها، استحکام ماده به‌شدت کاهش یافته و در اصطلاح ماده رفتار فوق شکل‌پذیری از خود نشان می‌دهد (شکل ۱۵).

شکل ۱۵- استحکام موادجامد چندبلوری به ‌عنوان تابعی از اندازۀ دانه‌ها.

اندازۀ بحرانی که پس از آن مادۀ جامد چندبلوری استحکام خود را از دست می‌دهد در حدود ۱۰-۲۰ نانومتر تعیین شده است. افزایش استحکام ماده با کاهش اندازۀ دانه‌ها به استحکام بخشی مرزدانه‌ای معروف است. با کاهش بیش‌ازحد دانه‌ها، در عمل کل ماده تبدیل به مرزدانه می‌شود. در این هنگام لغزش و حرکت دانه‌ها در میان مرزدانه‌ها به راحتی و با اعمال تنش اندکی میسر می‌شود؛ ازاین‌رو در موادی با دانه‌های کوچک‌تر از اندازۀ بحرانی رفتار فوق شکل‌پذیری مشاهده می‌شود. این مواد نرم بوده و با اعمال اندکی نیرو تغییر شکل می‌دهند.

فناوری نانو برای زندگی بهتر

۱- مقدمه

ممکن شدن دست‌کاری و ساخت مواد در مقیاس نانو موجب پیدایش محصولات متنوع جدیدی در عرصه‌های مختلف فناوری شده است. این محصولات با بهره‌گیری از خواص پدیدار شده در مقیاس نانو، کارایی بهتری دارند و موجب بهبود کیفیت زندگی انسان می‌شوند. در این مقاله با تعدادی از این محصولات آشنا خواهید شد.

۲- نانوکاتالیست‌ها

ساده‌ترین تعریفی که برای کاتالیست یا کاتالیزگر ارائه شده، به این شرح است: ماده‌ای که انجام گرفتن یک واکنش شیمیایی را تسهیل می‌کند؛ بدون آنکه خودش در پایان واکنش دستخوش تغییر گردد. به بیان دیگر، کاتالیست‌ها دسته‌ای از مواد هستند که بدون آنکه در واکنش مصرف شوند، بر سرعت واکنش شیمیایی اثر می‌گذارند و با کاهش انرژی فعال‌سازی، انجام گرفتن واکنش را در مسیر دلخواه راحت‌تر می‌کنند. همان طور که می‌دانید، حداقل انرژی مورد نیاز برای آغاز یک واکنش شیمیایی را انرژی فعال‌سازی آن واکنش می‌نامند. انرژی فعال‌سازی یک واکنش شیمیایی با مسیر واکنش ارتباط مستقیم دارد و الزاماً برای هر واکنش مقداری مشخص نیست. آنچه کاتالیست‌ در یک واکنش‌ شیمیایی انجام می‌دهد، ایجاد مسیری جدید و کم‌انرژی برای انجام گرفتن آن واکنش‌ است (شکل ۱).

شکل ۱- تغییرات انرژی فعال‌سازی و تسهیل واکنش شیمیایی توسط کاتالیست

کاتالیست‌ها در صنعت و زندگی روزمرۀ ما نقش مهمی ایفا می‌کنند. نقش آنها در صنایع شیمیایی به حدی است که می‌توان گفت دستيابي به بسیاری از محصولات این صنایع بدون وجود کاتالیست‌ها ناممکن است. حضور کاتالیست‌ها در صنعت موجب کاهش هزینۀ تولید، افزایش کیفیت محصولات، کاهش آلاینده‌های صنایع و امکان‌پذیر بودن تولید بسیاری از مواد مفید برای زندگی بشر می‌شود. همچنين، کاتالیست‌ها در زمینه‌هایی چون تصفیۀ آب، تولید پیل‌های سوختی و کاهش آلودگی هوا کاربرد اساسی دارند.

برای مثال، یکی از مؤثرترین کاتالیست‎هایی که با کیفیت زندگی شهری انسان نیز ارتباط تنگاتنگی دارد، کاتالیست‌ مبدل سه مسیری است. این کاتالیست در اگزوز خودرو نصب می‌شود و سه دسته مهم از آلاینده‌های تولید شده در اثر احتراق سوخت درون موتور را به ترکیبات غیرسمی و کم‌ضرر برای انسان و محیط زیست تبدیل می‌کند. آلاینده‌ها شامل کربن منوکسید، هیدروکربن‌های نسوخته و اکسیدهای نیتروژن هستند که مشکلات عدیده‌ای مانند مه‌دود، باران اسیدی، آلودگی منابع آب و بیماری‌های تنفسی ایجاد می‌کنند. برای ساخت کاتالیست مورد استفاده در مبدل‌ کاتالیستی خودرو از عناصری مانند پلاتین (Pt)، پالادیم (Pd)، رودیم (Rh)، آهن (Fe)، سریم (Ce)، منگنز (Mn)، نیکل (Ni) و مس (Cu) استفاده می‌شود که هر کدام در تسریع و ممکن‌سازی فرایندهای حذف آلاینده‌ها نقش خاصی دارند. این کاتالیست‌ها می‌توانند کربن مونوکسید و هیدروکربن‌های نسوخته را به گاز بی‌خطر کربن دی‌اکسید و آب و همچنين اکسیدهای نیتروژن (NO_x) را به گاز نیتروژن و اکسیژن تبدیل کنند.

۱-۲- انواع کاتالیست‌ها

کاتالیست‌ها را می‌توان به گروه‌های مختلفی دسته‌بندی کرد. مهم‌ترين دسته‌بندی موجود بر اساس فازی است که کاتالیست و واکنشگرها در آن حضور دارند؛ از این‌رو، کاتالیست‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: کاتالیست‌های همگن و ناهمگن. به کاتالیست‌هایی که با واکنش‌دهنده‌ها هم‌فاز باشند، همگن و به کاتالیست‌هایی که با واکنش‌دهنده‌ها هم‌فاز نباشند، ناهمگن گفته می‌شود.

شرط اصلی انجام شدن هر واکنش شیمیایی، تماس مستقیم واکنش‌دهنده‌ها با یکدیگر است. به این ترتیب، اجزای واکنش باید بتوانند آزادانه به سمت یکدیگر حرکت کنند، با هم ترکیب شوند و در نهایت، پیش از شکل‌گیری محصول واکنش از هم دور شوند. این امر موجب آن می‌شود که همواره در واکنش‌های شیمیایی بخش قابل توجهی از واکنش‌دهنده‌ها در فاز سیال (گاز یا مایع) باشند. وقتی واکنش‌دهنده‌ها هم فاز باشند، به دلیل انتقال راحت‌تر آنها به سمت یکدیگر، سرعت واکنش افزایش می‌یابد. این امر موجب می‌شود تا واکنش‌های شیمیایی که با کاتالیست‌های همگن کاتالیز می‌شوند، راحت‌تر قابل انجام باشند. با وجود این، هم‌فاز بودن کاتالیست و واکنش‌دهنده‌ها مشکلاتی مانند جداسازی آنها پس از اتمام واکنش را پیش می‌آورد. واکنش‎های کاتالیستی همگن معمولاً در فاز مایع صورت می‌گیرند. آنزیم‌ها یکی از مشهورترین و مهم‌ترين مثال‌ها برای کاتالیست‌های همگن می‌باشند.

حالت دوم واکنش‌های کاتالیستی، حالتی است که واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در یک فاز حضور نداشته باشند. در چنین شرایطی، معمولاً کاتالیست در فاز جامد و واکنش‌دهنده‌ها در فاز مایع یا گاز حضور دارند. واکنش‌های کاتالیستی ناهمگن معمول‌ترین نوع واکنش‌های کاتالیستی در صنعت، به‌ویژه صنعت نفت و گاز هستند. حضور واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در فازی غیر از فاز کاتالیست، جداسازی و بازیابی کاتالیست را، که معمولاً گران‌قیمت نیز هست، بسیار آسان می‌کند. مثال بررسی شده در مورد مبدل کاتالیستی خودروها نمونه‌ای از فرایندهای کاتالیستی ناهمگن است که در آن، واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در فاز گاز و کاتالیست در فاز جامد قرار دارد.

خصوصیات یک کاتالیست مناسب عبارت‌‌اند از: فعالیت شیمیایی زیاد در جهت تولید محصولات مطلوب، بازده زیاد، مقاومت و پایداری کاری زیاد در شرایط واکنش، قابلیت جداسازی آسان از محیط واکنش و قابلیت استفادة مجدد به دفعات. دست‌يافتن به چنین خصوصیاتی از دیرباز یکی از چالش‌های مهم در فناوری تولید کاتالیست‌ها بوده و زمینه‌ را برای پژوهش‌های متنوع فراهم آورده است. با کنترل دقیق ساختار و چیدمان اجزای سازندۀ کاتالیست‌ها، دستیابی به این ویژگی‌ها مقدور خواهد بود. از آنجا که واکنش‌های شیمیایی در مقیاس اتم‌ و مولکول‌ رخ می‌دهند، کنترل و مهندسی ساختار کاتالیست‌ها در این ابعاد می‌تواند به بهبود عملکرد آنها کمک شایانی ‌کند. از این رو، گفته می‌شود که ورود فناوری نانو به این عرصه، تأثیر بسزایی در بهبود کارایی و عملکرد کاتالیست‌ها داشته است.

۲-۲- فناوری نانو و بهبود کاتالیست‌های همگن

همان طور که گفته شد، مهم‌ترين مشکل کاتالیست‎های همگن، جداسازی آنها از محیط واکنش و جلوگیری از اتلافشان است. این مشکل موجب از دست رفتن آنزیم ( که معمولاً قیمت بسیار بالایی هم دارد)و نیزآلودگی محصول نهایی می‌شود که تأثیر سوئی بر کیفیت آن دارد. آنزیم‌ها به عنوان مشهورترین کاتالیست همگن، به‌رغم ویژگی‌های مناسبی که دارند، به‌دلیل پایداری عملیاتی کم و موانعی که بر سر راه جداسازی و بازیابی آنها از محیط واکنش وجود دارد، در قیاس با کارایی‌هایشان، کاربرد چندانی در صنعت نداشته‌اند. راهکاری که برای رفع این مشکل مطرح شده، تثبیت آنزیم‌ها بر سطح حامل‌هاست. منظور از آنزیم تثبیت شده^[۷] آنزیمی است که در ناحیه‌ای تعریف شده محبوس گردیده یا قرار گرفته است تا ضمن حفظ خواص کاتالیستی‌اش، امکان استفادة مکرر و پیوسته از آن فراهم شود. تثبیت آنزیم در کنار تسهیل جداسازی آن از محصول نهایی و بهبود کیفیت محصول، قیمت تمام شدۀ فرایندهای صنعتی مبتنی بر آنزیم‌ها و محصولات نهایی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

اندازة آنزیم‌ها حدود ۵-۵۰ نانومتر است؛ از این‌رو، کار با آنها و فرایندهای تثبیتشان در حیطه فناوری نانو قرار می‌گیرد. فرایند تثبیت به دلیل حساسیت ذاتی آنزیم‌ها با پیچیدگی‌های بسیاری همراه است که ظرافت کار را دوچندان می‌کند. تثبیت آنزیم‌ها باید طوري صورت گیرد که فعالیت کاتالیستی آنها کاهش چندانی نداشته‌باشد و ماهیتشان نیز بدون تغییر باقی بماند. بستری که آنزیم روی آن تثبیت می‌شود، پایه^[۸] نام دارد. انتخاب پایۀ مناسب، اولین اقدام در مسیر تثبیت آنزیم‌هاست و حساسیت زيادي دارد؛ چون به طور مستقیم بر کارآمدی فرایند تأثیر مي‌گذارد. ويژگي‌‌های اصلی یک پایۀ مناسب عبارت‌اند از: آب‌گریزی، بی‌اثر بودن نسبت به آنزیم، زیست‌سازگاری، مقاومت در برابر عوامل میکروبی، و در دسترس بودن با قیمت پایین. در کنار این موارد، مشخصاتی مانند تمایل زياد به جذب آنزیم، دارا بودن گروه‌های واکنشی سطحی برای برقراری پیوند با آنزیم، خواص مکانیکی مناسب مانند استحکام و پایداری و غیرسمی بودن نیز از ویژگی‌های اصلی هستند که یک پایۀ مناسب برای تثبیت آنزیم‌ها باید داشته باشد. پایه‌ها می‌توانند به دو گروه آلی و معدنی تقسیم شوند. از مهم‌ترين پایه‌هایی که برای تثبیت آنزیم‌ها مورد استفاده قرار گرفته است، می‌توان به نشاسته، کلاژن، رزین‌های تبادل یونی، ذرات سیلیکا، اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم اشاره کرد.

پس از انتخاب پایۀ مناسب، نحوۀ تثبیت اهمیت می‌یابد که حساس‌ترین بخش فرایند تثبیت آنزیم است. نحوۀ تثبیت آنزیم، تعیین‌کنندۀ ویژگی‌ها و فعالیت محصول نهایی خواهد بود. فرایندهای تثبیت آنزیم در حالت کلی به سه دسته جذب فیزیکی، محبوس کردن و پیوند کووالانسی تقسیم می‌شوند (شکل ۲). هر یک از این روش‌ها محدودیت و مزیت‌های خود را دارند و بسته به نوع آنزیم، نوع پایه و فرایندی که قرار است در آن از زیست‌کاتالیست نهایی استفاده شود، انتخاب مي‌گردند.

شکل ۲- انواع حالت‌های تثبیت آنزیم روی پایه

۳-۲- فناوری نانو و بهبود کاتالیست‌های ناهمگن

تأثيرات بهبوددهندۀ فناوری نانو بر کاتالیست‌های ناهمگن را می‌توان از چند جنبه  مهم بررسی کرد. اولین اين تأثيرات، کاهش ابعاد ذرات کاتالیست و افزایش سطح ویژۀ آن است. از آنجاکه در کاتالیست‌های ناهمگن واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیست در یک فاز نیستند، لازم است اتم‌ها و مولکول‌های واکنش‌دهنده‌ها به سمت سطح کاتالیست حرکت كنند و با بخش‌هایی از آن، که از نظر شیمیایی فعال‌اند، تماس برقرار سازند (جذب) تا واکنش شیمیایی انجام شود. در نهایت، محصولات واکنش نیز باید از سطح کاتالیست جدا شوند (واجذب) و از آن دور گردند تا جا برای واکنش‌دهنده‌های جدید باز شود. درشکل ۳ فرایند کلی جذب واکنش‌دهنده‌ها و واجذب محصولات از سطح فلز پلاتین را، که حین اکسید شدن کربن‌منوکسید رخ می‌دهد، مشاهده مي‌كنيد.

شکل ۳- فرایند اکسید شدن کربن‌منوکسید بر سطح فلز پلاتین

فرایندهای کاتالیستی ناهمگن همگی فرایندهای سطحی هستند؛ بنا بر اين، افزایش سطح دردسترس واکنش‌دهنده‌ها یکی از ضروری‌ترین عوامل برای بهبود سرعت ظاهری چنین واکنش‌هایی است. با توجه به آنچه تاکنون در بارة افزایش نسبت اتم‌های سطحی به نسبت کل اتم‌ها در ابعاد نانو گفته شده است، می‌توان نتیجه گرفت که با کاهش ابعاد مواد کاتالیستی، سطح ویژۀ آنها افزایش مي‌يابد و در نتیجه، عملکرد کاتالیستی بهتری از خود نشان مي‌دهند. البته باید به این نکته توجه داشت که کاهش اندازۀ ذرات کاتالیست همواره با بهبود عملکرد کاتالیستی همراه نیست. در برخی از واکنش‌ها، کاهش اندازۀ کاتالیست تا مقدار مشخصی (در حدود ۲-۵ نانومتر) باعث بهبود عملکرد کاتالیستی مي‌شود و بيش از آن، به افت عملکرد منجر مي‌گردد.

۳- نانوحسگر

حسگر را می‌توان دستگاهی تعریف کرد که تغییر یک متغير و یا یک رخداد در محیط پیرامون خود را با استفاده از ساز و کارهای مشخصی آشکار مي‌كند و مقادیر اندازه‌گیری شده را به‌صورت پيام‌هایی قابل ترجمه به سایر اجزای سامانه مي‌فرستد. پيام ارسالی توسط سایر اجزا ترجمه مي‌شود و در نهایت، به يك خروجی قابل عرضه تبدیل می‌گردد. این خروجی می‌تواند اعداد و ارقامی قابل استفاده (مانند دما) و یا دستوری قابل اجرا (مانند دستور باز شدن در) باشد.

حسگرها اجزای مختلفی دارند اما مهم‌ترين بخش آنها قسمتی است که وظیفه اندرکنش با محیط پیرامون و آشکارسازی متغیر هدف، آنالیت، را به عهده دارد. به جزئی از حسگر که امکان آشکارسازی و سنجش آنالیت را فراهم می‌کند، شناساگر می‌گويیم. شناساگر اندرکنش مشخصی با آنالیت دارد و حضور آن‌ را به‌صورت پيام‌هايی قابل درک برای سایر اجزای حسگر ارسال می‌کند. این پيام‌ها ممكن است اشکال مختلفی داشته باشند؛ با این‌حال، بهترین نوع پيام ارسالی، پيام الکتریکی است که امکان سنجش کمّی متغير هدف را نیز فراهم می‌کند. پيام ارسالی ارتباطی کمّی با مقدار تغییرات متغير هدف دارد. در حسگرهای امروزی پيام ارسالی از شناساگر توسط بخش واسط، که قطعه‌ای الکترونیکی است، تقویت مي‌گردد و به شکلی قابل پردازش توسط ریزپردازندة حسگر ترجمه می‌شود. در نهایت، پردازنده با استفاده از داده‌های از پیش تعریف‌شده‌ای که در خود ذخیره دارد، مقدار آنالیت سنجش شده را محاسبه و به بخش گیرنده و فرستنده ارسال می‌کند. این داده‌ها در واقع تعریف كننده ارتباط میان مقدار آنالیت اندازه‌گیری شده و پيام الکتریکی دریافتی هستند. گیرنده و فرستنده وظیفه تبادلِ داده و ارتباط سامانة حسگر با سایر سامانه‌های مرتبط را بر عهده دارد. این بخش می‌تواند شامل صفحه نمایش، کابل‌های ارتباطی و ورودی دستور باشد. درشکل ۴ طرحی از اجزای اصلی یک حسگر و نحوۀ تبادل و ارتباط آنها را مي‌بينيد.

شکل ۴- طرحی از اجزای اصلی یک حسگر و نحوۀ تبادل و ارتباط آنها

نحوۀ اندرکنش آنالیت و شناساگر انواع مختلفی دارد و تعیین کننده ماهیت و نوع حسگر است. انواع اندرکنش‌های شیمیایی، الکتریکی، الکترواستاتیکی و مکانیکی موجب آشکارسازی متغيرها و سنجش تغییرات آنها می‌شوند. در کنار این موضوع، ابعاد کاری و ماهیت اجزای شناساگر، کیفیت و حساسیت آشکارسازی یک حسگر را تعیین مي‌کنند. در حسگرهای معمولی، بخش شناساگر با استفاده از روش‌های متداول ساخت و در مقیاس میکرومتری ساخته می‌شود. در صورتی که اجزای اصلی که نقش آشکارسازی و سنجش در بخش شناساگر را بر عهده دارند به ‌صورت هدفمند در ابعاد نانو ساخته شده باشند، حسگر حاصل یک نانوحسگر خواهد بود. کاهش ابعاد در این بخش،که مرحله‌ای کلیدی در طراحی حسگر است، موجب آن می‌شود كه حساسیت به شدت بالا رود و آستانه آشکارسازی به مقدار چشمگیری بهبود یابد؛ به طوري که یک نانوحسگر توانایی آشکارسازی و سنجش پدیده‌ها و مواد شیمیایی با مقادیر بسیار اندک را دارد. توانایی آشکارسازی موجود در مقادیر بسیار اندک آنالیت موجب می‌شود كه نانوحسگرها نسبت به حسگرهای معمولی کارایی بیشتری داشته باشند. درشکل ۵ یک نانوسیم سیلیکونی به قطر ۴۰نانومتر را مي‌بينيد که از آن به عنوان جزء شناساگر یک نانوحسگر استفاده شده است.

شکل ۵- تصویری از یک نانوسیم سیلیکونی استفاده شده به عنوان جزء شناساگر نانوحسگر

همان طور که پیش‌تر گفته شد، مناسب‎ترین نوع پاسخ شناساگر به آنالیت، پاسخ الکتریکی است. در نانوحسگرها دریافت پاسخ به صورت پيام الکتریکی اهمیت زيادي دارد؛ زیرا تقویت و آشکارسازی چنین پيام‌هایی ساده‌تر از سایر حالت‌هاست. با وجود این، در برخی از انواع نانوحسگرها از پيام‌هایی که به‌صورت تغییر رنگ مخابره می‌شوند نیز برای آشکارسازی استفاده می‌كنند. نانوحسگرها را بر اساس نوع اندرکنشی که با آنالیت دارند، می‌توان به گروه‌های اصلی  نانوحسگرهای شیمیایی، مکانیکی، زیستی، نوری، مغناطیسی تقسیم کرد. در ادامه، به معرفی و بررسی آنها می‌پردازیم.

۱-۳- نانوحسگرهای شیمیایی

در نانوحسگرهای شیمیایی، همان طور که از نامشان پيداست، اندرکنش‌های شیمیایی آنالیت با شناساگر عامل آشکارسازی و سنجش آنالیت است. واکنش‌ها و اندرکنش‌های شیمیایی همواره با تبادل الکترون بین گونه‌های شیمیایی حاضر در واکنش همراه‌اند؛ از این‌رو، می‌توانند جریان کوچک الکتریکی ایجاد كنند و یا خواص الکتریکی گونه‌ها را تغییر دهند. هر دو حالت قابل آشکارسازی است و از آنها به منظور سنجش آنالیت استفاده می‌شود. این اندرکنش‌ها معمولاً از طریق واکنش‌های اکسایش و کاهش و تشکیل پیوند رخ می‌دهند. برای مثال، حسگرهای تولید شده بر پایۀ نانولوله‌های کربنی بدین صورت عمل می‌کنند.

در شکل ۶ طرحی از یک نانوحسگر شیمیایی را مي‌بينيد که آشکارسازی گاز آمونیاک را نشان مي‌دهد. در این نانوحسگر از نانولولۀ کربنی به عنوان  شناساگر استفاده مي‌شود. مولکول‌های آمونیاک (NH₃) که مولکول‌های اهدا کننده الکترون‌اند، پس از جذب بر سطح نانولولۀ کربنی با دادن الکترون به آن موجب افزایش رسانایی الکتریکی نانولوله می‌شوند. این امر افزایش جریان الکتریکی عبوری از مدار را در پی دارد که به‌راحتی قابل سنجش و آشکارسازی است. با توجه به ابعاد بسیار کوچک نانوله‌های کربنی، که قابل مقایسه با ابعاد مولکول‌های آمونیاک است، تغییرات ذکر شده با جذب اولین مولکول بر سطح نانولوله به اندازه کافی بزرگ خواهد بود که بتوان آن ‌را آشكار کرد. این امر موجب حساسیت بسیار بالای چنین نانو حسگرهایی می‌شود؛ به طوری که توان آشکارسازی اولین مولکول‌های منتشر شده در محیط را دارند؛ در حالی‌که اگر ابعاد شناساگر بسیار بزرگ‌تر از ابعاد مولکول‌ها بود، مانند آنچه در حسگرهای معمولی و مبتنی بر میکروفناوری وجود دارد، آشکارسازی در غلظت‌های بسیار پایین در عمل امكان‌پذير نبود. چنین ویژگی‌ای موجب می‌شود که آستانه حساسیت نانوحسگرها حدود ۱۰۰۰ بار بهتر از حسگرهای معمولی باشد.

شکل ۶- طرحی از یک نانوحسگر شیمیایی برای آشکارسازی گاز امونیاک

۲-۳- نانوحسگرهای مکانیکی

نانوحسگرهای مکانیکی همان طور که از نامشان پیداست، با محیط پیرامون خود اندرکنش‌های مکانیکی و آنالیت دارند. با این حال، بخش شناساگر حسگرها در نهایت با تولید یک پيام الکتریکی به آشکارسازی و سنجش کمک می‌کند. شناساگر حسگرهای مکانیکی معمولاً از موادی موسوم به مواد پیزو ساخته می‌شود. مواد پیزو در برابر نیرو یا فشار اعمال شده، پاسخی الکتریکی می‌دهند. بر این اساس، دو نوع ماده پیزو وجود دارد: ماده پیزورزیست و ماده پیزوالکتریک. پاسخ پیزورزیست‌ها به محرک مکانیکی به‌صورت تغییر مقاومت الکتریکی است؛ درحالی که پیزوالکتریک‌ها در اثر اعمال نیروی مکانیکی، جریان لحظه‌ای الکتریکی ایجاد می‌کنند. پیزوالکتریک‌ها همچنين می‌توانند در اثر اعمال میدان الکتریکی، تغییر شکل جزئی دهند. حسگرهای متنوعی بر مبنای خواص مواد پیزورزیست و پیزوالکتریک توسعه داده شده‌اند. شکل ۷ تصویر یک حسگر غیرتماسی را نشان می‌دهد كه در آن برای اندازه‌گیری و سنجش فشار داخل چشم از مواد پیزورزیست استفاده شده است.

شکل ۷- حسگر غیرتماسی برای اندازه گیری فشار داخل چشم؛ (آ) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی بخش پیزورزیست که وظیفه سنجش فشار را بر عهده دارد، (ب) تصویر میکروسکوپی کلی حسگر، (پ) تصویر حسگر نصب شده روی پایه نگه‌دارنده، و (ت) مقایسه ابعاد حسگر با یک سکه

۳-۳- نانوزیست‌حسگرها

اگر شناساگر یک حسگر یا بخشی از آن از مولکول‌ها و ساختار‌های زیستی تشکیل شده باشد یا فرایند آشکارسازی و سنجش مبتنی بر یک فرایند زیستی باشد، حسگر حاصل را در اصطلاح زیست‌حسگر می‌نامند. حال اگر شناساگر این حسگر از اجزای مهندسی شده در ابعاد نانو تشکیل شده باشد، حسگرِ حاصل نانوزیست‌حسگر خواهد بود. نانوزیست‌حسگرها نیز ساختاری مشابه آنچه توضیح داده شد دارند و تنها تفاوت آنها با حسگرهای معرفی شده، سازوکار زیستی دخیل در فرایند آشکارسازی است.

۴- فناوری نانو و پیل‌های سوختی

پیل سوختی یا سلول سوختی مانند همه باتری‌های معمولی، یک پیل شیمیایی یا سلول الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی نهفته در ترکیب‌های شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. تفاوت پیل‌های شیمیایی متداول با پیل سوختی در نوع واکنش شیمیایی است که در آنها رخ می‌دهد. در پیل‌های الکتروشیمیایی ساده، یک فلز (مانند روی) در محیطی الکترولیتی به‌تدريج خورده می‌شود و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند؛ در حالی‌که واکنش شیمیایی که درون پیل‌های سوختی منجر به تولید جریان الکتریکی می‌شود، واکنش اکسید شدن یک سوخت واقعی (مانند هیدروژن یا متانول) با اکسیژن است.

می‌دانیم که هر واکنش شیمیایی با تبادل الکترون میان گونه‌های شیمیایی شرکت کننده در واکنش همراه است که طی آن و در صورت خودبه‌خودی بودن واکنش، آزاد شدن انرژی شیمیایی را در پی خواهد داشت. در انواع سلول‌های الکتروشیمیایی با ایجاد مسیری جدید برای حرکت الکترون‌ها، شرایطی به وجود می‌آید که الکترون‌ها به‌طور مستقیم میان گونه‌های شرکت کننده در واکنش تبادل نشوند. این امر موجب می‌شود که بخش قابل توجهی از انرژی که در یک واکنش شیمیایی می‌تواند آزاد شود، به‌صورت انرژی الکتریکی و از طریق جریان ایجاد شده در این مسیر آزاد گردد.

در واکنش‌های احتراق انواع سوخت‌های هیدروکربنی، انرژی شیمیایی به‌صورت نور و حرارت طی یک واکنش سریع آزاد می‌شود. حال اگر بتوانیم یک واکنش احتراق را کنترل و از انتقال مستقیم الکترون‌ها میان سوخت و اکسیژن هوا جلوگیری کنیم، می‌توانیم مانع آزاد شدن انرژی شیمیایی به‌صورت نور و حرارت شویم و آن را به‌طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم. پیل سوختی وسیله‌ای است که چنین امکانی را فراهم می‌آورد. انواع مختلفی از پیل‌های سوختی وجود دارد که در آنها سوخت‌های هیدروکربنی به‌صورت کنترل شده و بدون ایجاد نور و حرارت شدید، با اکسیژن ترکیب می‌شوند و انرژی خود را به‌صورت انرژی الکتریکی تحویل می‌دهند. پیل‌های سوختی مولدهای انرژی کارآمد، بی‌صدا و سازگار با محیط زیست هستند. امروزه این پیل‌ها را بر اساس نوع الکترولیت مورد استفاده در آنها دسته‌بندی می‌کنند. در میان انواع پیل‌های سوختی، پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتونی (PEMFC) به‌دلیل مزیت‌هایی مانند قابلیت استفاده در وسایل نقلیه و ساخت منابع تولید انرژی مستقر و قابل حمل، از اهمیت زیادی برخوردارند در عین حال، ساده‌ترین سازوکار تولید انرژی را در میان انواع پیل‌های سوختی دارند. از این‌رو، معمول‌ترین پیل سوختیِ مورد استفاده ‌هستند و احتمال تجاری شدن آنها از سایر انواع پیل‌های سوختی بیشتر است. وزن کم، تولید جریان الکتریکی با شدت زیاد و نداشتن مواد شیمیایی خورنده از دیگر مزایای پیل سوختی غشای تبادل پروتونی (PEM) است.

یک پیل سوختی PEM از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کند و خروجی آن نیز صرفاً بخار آب است؛ از این‌رو، در فرایند تولید انرژی هیچ آلاینده‌ای را وارد محیط زیست نمی‌کند. شکل ۸ طرحی کلی از این نوع پیل‌های سوختی و فرایند تولید انرژی درون آنها را نشان می‌دهد. در پیل‌های سوختی PEM، کاتالیست آند هر مولکول هیدروژن را پس از ورود به مجرای گاز، به دو یون هیدروژن یا پروتون و دو الکترون می‌شکند (اکسایش هیدروژن). پروتون‌ها از طریق غشای خاصی که صرفاً اجازۀ تبادل پروتون را می‌دهد، به کاتد نفوذ می‌کنند؛ در حالی‌که الکترون‌هایی که با خود انرژی الکتروشیمیایی حمل می‌کنند، توسط آند به مدار خارجی پیل هدایت می‌شوند و پس از تحویل انرژی الکتریکی، به کاتد می‌رسند. در کاتد، اتم‌های اکسیژن که از طریق فعل و انفعالی خاص بر سطح کاتالیست کاتد حاصل شده‌اند، با این الکترون‌ها و پروتون‌های عبوری از غشای تبادل پروتون ترکیب (کاهش اکسیژن) و به آب تبدیل می‌شوند. مرحله شکل‌گیری آب همراه با آزاد شدن مقداری انرژی شیمیایی است که به‌صورت حرارت آزاد می‌شود.

شکل ۸- طرحی از ساختار پیل سوختی غشای تبادل پروتون

آنچه در شکل ۸ نشان داده شده، طرحی از یک سلول سوختی است. چنین سلولی در شرایط واقعی، می‌تواند نیروی محرکۀ الکتریکی با اختلاف پتانسیل در حدود ۰/۵-۱ ولت تولید کند. با کنار هم قرار دادن تعداد کافی از این سلول‌ها، می‌توان به اختلاف پتانسیل دلخواه دست یافت. در شکل ۹ تصویر یک پیل سوختی PEM تجاری را مشاهده می‌کنید که با هیدروژن و هوا کار می‌کند و قابلیت ایجاد اختلاف پتانسیلی در محدوده ۷/۲-۱۱/۲ ولت و شدت جریانی برابر ۴/۲۵ آمپر را دارد. اختلاف پتانسیل تولید شده توسط سخت افزار الکترونیکی این پیل قابل کنترل است.

شکل ۹- تصویری از یک پیل سوختی غشای تبادل پروتون و اجزای جانبی آن

شکل ۱۰ طرحی از نحوۀ قرارگیری چند واحد سلول سوختی و تشکیل یک پیل سوختی را نشان می‌دهد. در پیل‌های سوختی الکترود آند، غشای تبادل پروتون و الکترود کاتد به‌صورت یکپارچه در کنار هم قرار می‌گیرند و در اصطلاح مجموعۀ غشا-الکترود (MEA) نامیده می‌شوند. مجموعۀ غشا – الکترود و صفحه‌ای موسوم به صفحۀ دوقطبی، واحدهای تکرارشونده‌ای هستند که با تکرار آنها اختلاف پتانسیل نهایی پیل سوختی افزایش می‌یابد. دلیل اینکه این صفحه را دوقطبی نام‌گذاری کرده‌اند، این است که در یک سمت آن قطب مثبت و در سمت دیگرش قطب منفی سلول سوختی قرار دارد.

شکل ۱۰- طرحی از نحوۀ قرارگیری چند واحد سلول سوختی و تشکیل یک پیل سوختی 

پیل‌های سوختی بر خلاف موتورهای درون‌سوز، که قوانین ترمودینامیکی ماشین‌های گرمایی بازده آنها را محدود کرده است، محدودیتی ندارند و دارای بازده انرژی بالایی هستند. همچنين، از آنجا که هیچ احتراقی درون آنها رخ نمی‌دهد و انرژی شیمیایی حاصل از اکسید شدن هیدروژن به‌صورت انرژی الکتریکی منتقل می‌شود، دمای کار پیل‌های سوختی PEM در حدود ۸۰-۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. پیل‌های سوختی هیچ قطعۀ مکانیکی متحرکی ندارند و در نتیجه، ساختارشان ساده است. امروزه پیل‌های سوختی به عنوان مولد انرژی با کارایی زیاد، بی‌صدا و سازگار با محیط زیست مطرح‌اند. مزایایی که برای این مولدهای انرژی پاک می‌توان برشمرد، به شرح زیر است:

- در پایان واکنش، آب تنها محصول خروجی از فرایند است؛

- مصرف سوخت در آن اقتصادی است؛

- تبدیل انرژی در پیل سوختی آرام و بی‌صدا صورت می‌گیرد؛

- عملکرد پیل سوختی با گذشت زمان افت نمی‌کند.

بر اساس شکل ۸، پیل سوختی سه بخش اصلی شامل کاتالیست، الکترود و غشا دارد که عملکرد مناسب هر یک به‌صورت هم‌زمان منجر به کارایی پیل سوختی می‌شود و در صورت وجود ایراد عملکردی در هر یک از این اجزا، پیل سوختی عملکرد مناسبی نخواهد داشت. ساخت هر یک از این بخش‌ها برای دستيابي به کیفیت و کارایی مناسب با چالش‌های بسیاری روبه‌روست که مهم‌ترين آنها توسعۀ پیل‌های سوختی با قیمتی مناسب و قابل عرضه به‌صورت فراگیر است. امروزه فناوری نانو می‌کوشد با ارائۀ راهکارهایی مشکلات مربوط به بخش‌های مختلف پیل‌های سوختی PEM را رفع کند؛ از جمله، با افزایش سطح ویژه و سطح منظر اجزای داخلی، چگالی انرژی تولیدی توسط پیل‌های سوختی و طول عمر آنها را افزایش داده‌ است. ساده‌تر شدن فرایندهای کوچک‌سازی پیل‌های سوختی یکی دیگر از دستاوردهای مهم فناوری نانو در پیشرفت فناوری پیل‌های سوختی است. چنین مشخصه‌هایی برای توسعۀ پیل‌های سوختی پرتوان جهت مصارفی مانند وسایل نقلیه و نیز مولدهای انرژی غیرمستقر بسیار مهم است. استفاده از انواع مواد نانوساختار در بخش‌های مهم پیل‌های سوختی موجب افزایش کارایی این پیل‌ها شده و مشکلات پیشین را تا حد بسیار زیادی رفع کرده است.

۵- فناوری نانو و باتری‌‌ها

در کنار تولید انرژی الکتریکی، امكان ذخیره‌سازی این انرژی در فراگیر کردن استفاده از آن به جاي صورت‌های مختلف انرژی اهمیت زيادي دارد. امروزه انواع باتری‌ها وظیفه ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی را بر عهده گرفته و امکان استفاده از انواع تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند رایانه‌های قابل حمل و تلفن‌های همراه را فراهم کرده‌اند. امروزه باتری‌ها در کنار مصارف شخصی، در زمینه‌های بسیار متنوعی مانند توليد خودروها و هواپیماهای برقی و انواع ربات‌های متحرک نیز کاربرد دارند و روز به روز به تعداد مواردی که نیازمند باتری‌های مناسب برای ذخيره انرژی الکتریکی است، افزوده می‌شود. باتری‌ها انرژی را که به‌صورت شیمیایی در خود ذخیره کرده‌اند، به‌صورت انرژی الکتریکی عرضه می‌کنند. به همين سبب، در زمینه‌های مختلفی مانند حمل‌و‌نقل، تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، تجهیزات پزشکی و بیمارستانی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی، به ویژه ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر، اهمیت زيادي دارند.

باتری‌های معمولی، که با نام سلول‌های اولیه نیز شناخته می‌شوند، یک‌بار مصرف‌اند و مشکلات زیست‌محیطی بسیاری ایجاد می‌کنند؛ به طوري که دورریز آنها انواع آلاینده‌ها مانند ترکیب‌های شیمیایی مضر و فلزات سنگین را وارد محیط زیست می‌کند. این امر موجب طراحی و عرضه انواع باتری‌های قابل شارژ یا سلول‌های ثانویه و به بازار شد. این باتری‌ها قابلیت چندین بار شارژ و استفاده مجدد را دارند که موجب صرفه‌جویی بسیار در هزینه و کاهش چشمگیر آلودگی محیط زیست در اثر دورریز باتری‌های استفاده شده می‌شود. امروزه باتری‌های قابل شارژ در ابعاد مختلف تولید مي‌شوند و مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ساخت این باتری‌ها از مواد مختلفی استفاده می‌شود و بر این اساس، انواع باتری‌های سرب – اسید (قدیمی‌ترین نوع باتری قابل شارژ و مورد استفاده برای تأمین برق خوردوهای معمولی)، نیکل – کادمیم (NiCd)، لیتیوم – یون (Li-ion)، و لیتیم – بسپار یونی (Li-ion polymer) تولید شده‌اند. در این میان، باتری‌های قابل شارژ لیتیمی مهم‌ترين و پرکاربردترین باتری‌های قابل شارژ مورد استفاده در انواع کاربردها هستند. دليل اصلی فراگیربودن كاربرد اين باتري‌ها، توانایی بالای ذخیره‌سازی توان و انرژی الکتریکی و نیز طول عمر زیاد این باتری‌ها ست. فناوری ساخت و تولید باتری‌ها پیشرفت‌های زيادي داشته است. موج جدید نوآوری‌ها در این بخش از فناوری بر دستاوردهای فناوری نانو تکیه دارد.

۶- نانوالیاف

نانوالیاف را نانوساختارهای یک‌بعدی انعطاف‌پذیر با نسبت ابعاد بزرگ‌تر از ۱۰۰۰ و قطر مقطع کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر تعریف می‌كنند. ابعاد نانومتری این نانوالیاف موجب پدیدار شدن خواص ویژه‌ای نسبت به الیاف بزرگ ‌مقیاس می‌شود.

نانوالیاف دارای نسبت سطح به حجم و همچنين سطح ویژۀ بسیار بالاتری از الیاف معمولی هستند و در عین‌حال، انعطاف‌پذیری و استحکام کششی زيادي دارند. این ویژگی نانوالیاف باعث ظرفیت قابل توجه آنها در برهم‌کنش سطحی با سایر مولکول‌ها می‌شود. برای مثال، در کاربردهای زیستی، نانوالیاف با چسبندگی سطحی بالا به سلول‌ها و مواد شیمیایی مؤثر در رشد بافت به افزایش کارایی محصول کمک می‌کنند. از نظر خواص الکتریکی، قطر بسیار کم نانوالیاف موجب افزایش هدایت الکتریکی و پاسخگویی سریع‌تر به محرک‌های الکتریکی می‌شود. این ویژگی در کاربردهایی مانند نانوحسگرها نقش مؤثري دارد. هریک از ویژگی‌های مطرح‌شده در مورد نانوالیاف تحت تأثير روش سنتز آن است و از طرفی بر کاربردهای مختلف آن تأثیر مي‌گذارد (برای مطالعه بیشتر در این حوزه به مقاله نانوالیاف مراجعه کنید).

۷- فناوری نانو در بسته‌بندی مواد غذایی

همان طور که می‌دانید، مواد غذایی و خوراکی‌ها یکی از مهم‌ترين نیازمندی‌های بشر برای ادامه زندگی است. برای موادغذایی از مرحله تولید تا مصرف امکان خرابی، آلودگی و فساد وجود دارد. این خرابی‌ها به صورت فیزیکی، شیمیایی و یا زیستی هستند. عواملی همچون نور، اکسیژن، رطوبت (گرفتن یا از دست دادن رطوبت) و حضور عوامل میکروبی می‌توانند منجر به مسمومیت غذایی انسان شوند و سلامت او را به خطر اندازند. براین اساس، بسته بندی مواد غذایی دارای اهمیت بسیاری است. یک بسته بندی خوب سد مناسبی بین مادۀ غذایی و محیط خارج از آن است و مقاومت فیزیکی و شیمیایی قابل قبولی در برابر شرایط محیطی دارد.

ورود اکسیژن به بسته‌بندی موجب رشد میکروب‌ها مي‌شود و به دنبال آن سموم و مواد شیمیایی مضر تولید می‌گردند. بسته‌بندی‌های پلاستیکی معمولی انعطاف‌پذیری خوبی دارند ولی تا حدودی نسبت به اکسیژن و سایر گازها تراوا هستند؛ این امر می‌تواند به از دست رفتن رطوبت مواد غذایی منجر شود. پوشش‌های فلزی و شیشه‌ای نسبت به گازها کاملاً غیر تراوا هستند اما انعطاف‌پذیری لازم را ندارند و هزينة تولیدشان زياد است.

با توجه به نوع مادۀ غذایی، نوع و ویژگی‌های مواد مورد استفاده در بسته‌بندی آن متفاوت خواهد بود. نانومواد خواص و کاربردهاي زيادي دارند و از آنها در بسته‌بندی مواد غذایی به طور روز‌افزون استفاده می‌شود. پیش بینی شده است که در آینده نزدیک، بیش از ۲۵درصد بسته‌بندی‌های مواد غذایی از فناوری نانو بهره می‌گیرند.

انواع مختلفی از نانومواد قابلیت استفاده در بسته‌بندی‌های مواد غذایی را دارند؛ مانند نانوذرات نقره، نانوذرات تیتانیوم‌دی‌اکسید، نانوذرات تیتانیوم‌نیترید، نانوذرات روی اکسید و نانورس‌ها. بسته‌بندی‌هایی که در آنها ردپایی از فناوری نانو وجود دارد، به سه دسته کلی تقسیم مي‌شوند:

۱- بسته‌بندی‌ اصلاح شده ( یا بهبود یافته)؛

۲- بسته‌بندی فعال؛

۳- بسته‌بندی هوشمند.

۱-۷- بسته‌بندی‌های اصلاح شده

اکثر بسته‌بندی‌های متداول، موادی موسوم به پلاستیک‌ها هستند که در عمل از رشته‌های درهم‌تنیده بسپار تشکیل شده‌اند. بسته‌بندی‌های متداول همواره مشکلاتی دارند؛ ازجمله استحکام مکانیکی كم و تراوایی زياد گازها و رطوبت، که از کارایی مناسب یک بسته‌بندی غذایی می‌كاهند. براي بهبود خواص این بسته‌بندی‌ها می‌توان از نانوذرات استفاده کرد و بسته‌بندی‌های ترکیبی نانوذره – بسپار را تولید نمود. با مخلوط کردن نانوذرات و رشته‌های بسپار، نانومادۀ ترکیبی حاصل می‌شود که خواصی چون ممانعت از عبور گازها و رطوبت، کاهش یا افزایش هدایت حرارتی، مقاومت در برابر شعله و احتراق و همچنين افزایش استحکام بسته دارد. برای مثال، با افزودن نانوذرات یا نانوبلورهای سیلیکون دی‌اکسید (SiO₂) خواصی مانند مقاومت حرارتی، استحکام و پایداری ابعادی مواد بسپاری بهبود می‌یابند.

همچنين، مخلوط كردن یا افزودن نانوذرات رس موجب کاهش تراوایی گازها و رطوبت می‌شود؛ در نتیجه، از تبادل گازها با محیط جلوگیری به عمل مي‌آيد و امکان تنفس مادۀ غذایی درون بسته‌بندی از بین می‌رود. چنین اقدامی موجب افزایش طول عمر مواد غذایی حساس به اکسیژن هوا می‌شود. با مخلوط کردن رشته‌های بسپار و نانوذرات، یک نانومادۀ ترکیبی یا نانوترکیب حاصل می‌گردد. نانوترکیب به دست آمده، نسبت به بسپار خالص تراوایی کمتری دارد؛ زیرا نانوذرات از عبور گازها جلوگيري می‌کنند. برای درک بهتر اینکه چگونه حضور نانوذرات، منجر به کاهش نفوذ گازها از لایۀ بسته‌بندی می‌شود، شکل ۱۱ را مشاهده کنید. در شکل ۱۱-آ بسپار معمولی و مسیر مولکول‌های گاز هنگام عبور از آن، نشان داده شده است. در شکل ۱۱-ب نانوذرات به صورت کلوخه شده در بسپار پراکنده شده‌اند. در این حالت، مولکول‌های نفوذ كننده گاز باید نسبت به حالت-الف مسیر طولانی‌تری را بپیمایند؛ با این حال، به‌دلیل پراكندگي نامناسب نانوذرات، بهبود مقاومت در برابر نفوذ مولکول‌های گاز چندان مشهود نیست، اما آنچه در شکل ۱۱-ج مشاهده می‌کنید، ایده‌آل‌ترین حالت پخش و توزیع نانوذرات میان رشته‌های بسپار است. در این حالت، نفوذ و گذر مولکول‌های گاز، صرفاً از مسیرهای طولانی میسر است. گفتني است كه در چنین شرایطی، با فرض بهینه‌ بودن مقدار نانوذرات مصرف شده برای تولید نانوترکیب، کمترین تراوایی را نسبت به انواع مولکول‌های گازی خواهیم داشت. استفاده از چنین نانوترکیب‌هایی در بسته‌بندی مواد غذایی ماندگاری مواد غذایی حساس به تنفس را به مقدار چشمگیری افزایش مي‌دهد.

شکل ۱۱- مسیر عبور مولکول‌های گاز از (الف) بسپار خالص، (ب) نانوترکیب با پخش نامناسب تقویت کننده و (پ) نانوترکیب با پخش بهینه تقویت کننده.

۲-۷- بسته‌بندی‌های فعال

در این نوع بسته‌بندی، نانوذرات به عنوان واکنشگر فعال حضور دارند تا از مواد غذایی بهترمحافظت شود. در اثر این محافظت، بسته بندی قادر است خواص ضد میکروبی و ضد تابش فرابنفش داشته باشد و حتی اکسیژن را به دام اندازد.

نانوذراتی مانند اکسید مس، نقره، تیتانیوم دی‌اکسید، منیزیم اکسید و نانو لوله‌های کربنی می‌توانند به عنوان عوامل ضد میکروبی عمل کنند که در این بین، استفاده از نانوذرات نقره رایج‌تر است. دلیل این امر، سمی بودن نانوذرات نقره برای طيف وسیعی از میکروب‌ها و همچنين پایداری دمایی این نانوذرات می‌باشد. استفاده از نانوذرات ترکیبی فلز-اکسید فلز راهکار مناسبی برای بهره گیری هم‌زمان از مزیت‌های دو نوع نانوذره است. درشکل ۱۲-آ تصویری از نانوذرات ضدباکتری اکسید روی و درشکل ۱۲-ب تصویری از نانوذرات ترکیبی نقره - تیتانیا را که در زمینه‌ای از پلی‌اتیلن پخش شده‌اند، مي‌بينيد. استفاده از نانوترکیب حاصل از این نانوذرات موجب افزایش ماندگاری و تازه ماندن آب میوه شده است.

شکل ۱۲- تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از (آ) نانوذرات اکسید روی و (ب) نانوذرات ترکیبی Ag-TiO2 در زمینه پلی اتیلن.

همان طور که گفته شد، نانوذراتی همچون نانوذرات بر پایۀ تیتانیوم دی‌اکسید نیز خاصیت ضد میکروبی دارند اما در صورت اصلاح نشدن ساختارشان، براي انجام دادن این فعالیت به نور (به‌ خصوص نور UV) نیازمندند. از آنجا که تابش نور، به‌ویژه نور فرابنفش خود می‌تواند موجب فساد مواد غذایی شود، استفاده از نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید با هدف بهره بردن از خواص ضدباکتری آنها با محدودیت‌هایی دارد. با این حال، توانایی جذب نور فرابنفش و نور مرئی (در صورت اصلاح ساختار)، نانوذرات نیمه‌رسانای تیتانیا را به گزینه مناسبی برای محافظت از مواد غذایی حساس به تابش نور تبدیل می‌کند.

اکسیژن ممکن است به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم مواد غذایی را خراب كند. مواردی همچون قهوه‌ای ‌شدن میوه‌جات و بو گرفتن روغن‌های گیاهی به علت واکنش مستقیم اکسیژن با مواد غذایی است. حضور این گاز می‌تواند منجر به رشد میکروب‌های هوازی شود که در این حالت، اکسیژن به طور غیر مستقیم موجب خرابی مواد غذایی شده است. استفاده از نانوذرات اکسید فلزی که توانایی جذب اکسیژن را دارند (مانند تیتانیوم دی‌اکسید)، می‌تواند مانع رسیدن اکسیژن به مواد غذایی و در نتیجه کاهش افت کیفی یا فساد آنها شود.

۳-۷- بسته‌بندی‌های هوشمند

در این نوع از بسته‌بندی‌ها، مانند بسته‌بندی‌های فعال، نانوذرات در نقش مواد واکنش‌پذیر حضور دارند تا وضعیت محتویات بسته را نشان دهند. در واقع، ساز و کار واکنش این نانوذرات به‌ طوري  طراحی می‌شود که قابلیت تشخیص تغییرات زیست‌شیمیایی و میکروبی درون بسته را داشته باشند. این تغییرات به گونه‌ای است که مصرف کننده به راحتی از آنها مطلع می‌گردد. رشد عوامل میکروبی یا خرابی و فساد مواد غذایی با تولید گاز یا موادشیمیایی همراه است که در بسیاری از موارد، سمی هستند و برای سلامت انسان مضرند. بسته‌بندی‌های هوشمند می‌توانند این مواد را تشخیص دهند و از طریقی مانند تغییر رنگ، مصرف‌کننده را از وجود آنها آگاه سازند.

در واقع، روی بسته‌بندی‌های هوشمند نانوحسگری تعبیه می‌شود که توانايي تشخیص نشانه‌های فساد مادۀ غذایی یا عوامل فاسدکننده، مانند اکسیژن درون بسته‌بندی را دارد. پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه منجر به توسعۀ نسلی از حسگرهای غذایی شده است که به برچسب‌های نشانگر زمان – دما (TTIs) موسوم‌اند. این حسگرها به راحتی قسمت کوچکی از بسته‌بندی را تشکیل مي‌دهند و می‌توانند سلامت محتوای بسته و قابل مصرف بودن آن را مشخص کنند. توسعۀ این فناوری موجب آن می‌شودكه مواد غذایی به درج تاریخ مصرف روی بسته نیازی نداشته باشند.