دلیل تغییر خواص و ویژگی ها در ابعاد نانو چیست
دو عامل اصلی باعث شده است که نانومواد رفتاری متفاوت از ماکرومواد و میکرومواد از خود بروز دهند: اثرات سطح و اثرات کوانتومی (بروز رفتار ناپیوستگی به دلیل اثرات محدودیت کوانتومی در مواد با الکترونهای غیر مستقر).
اثرات سطحی
یک کره را در نظر بگیرید. نسبت مساحت به حجم کره عبارتست از:
A/V = 4?r۲/ (۴/۳) ?r۳ = ۳/r
همانطور که از رابطه بالا مشخص است، با ریز شدن ابعاد یک کره (کم شدن شعاع آن)، نسبت مساحت به حجم آن افزایش مییابد. هر چه ریز شدن 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 هستند و اتمهایی که در داخل ماده هستند تفاوت وجود دارد. اتمهایی که در داخل ماده هستند به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتمهای اطراف آنها بیشتر است)، ظرفیتشان کامل میباشد 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 زیر هم نشان داده شده است.
بنابراین با ریز شدن ابعاد ماده و رسیدن به ابعاد نانـو، سطح ماده بسیار زیـاد افزایش مییابـد و اتمهای روی سطح آن هم بسیار زیاد میشود. در نتیجه ماده به شدت ناپایدار میشود در نتیجه سعی می کند به دلیل ناپایداری بسیار زیاد با روش های مختلف به سمت پایداری میرود. یکی از این روشها تغییر آرایش اتم ها است که باعث میشود خواص ماده تغییر پیدا کند.
اثرات کوانتومی
هر ماده ای که اطراف ما وجود دارد یک ساختار انرژی دارد که مشخصه آن ماده است. ساختار انرژی مواد مختلف با یکدیگر متفاوت است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، ساختار انرژی اتم ها متشکل از ترازهای انرژی است، اما ساختار انرژی مواد ماکروسکوپی و معمولی به صورت نوار انرژی است. در اتم ها فاصله بین ترازها با یکدیگر متفاوت است و در مواد معمولی و درشت مقیاس، پهنای باندهای انرژی و پهنای منطقه ممنوعه (گاف انرژی) با یکدیگر متفاوت است.
بسیاری از خـواص مواد تابع ساختار انرژی آن است و با تغییر ساختار انرژی، خواص نیز تغییر می کند. برای مثال برای ساخت دیودها معمولاً در مواد نیمه رسانای معمولی، اتم های ناخالصی وارد مـی کنند. ورود اتم هـای ناخالصـی به ساختار باعث تغییر ساختار انرژی و کم شدن گاف انرژی می شود که تغییرات خواص الکتریکی را به همراه دارد.
همانطور که می دانید مواد از اتمها تشکیل شدهاند، هنگامی که اتم ها تک تک کنار یکدیگر قرار میگیرند تا یک ماده (یا ذره) شکل بگیرد، ترازهای انرژی اتم های مختلف نیز در کنار یکدیگر قرار می گیرد. وقتی تعداد اتم ها زیاد می شود، تعداد ترازهای انرژی نیز زیاد می شود، همانطور که در شکل نیز مشخص است، ترازهـای انرژی مناطقی را تشکیل می دهند که به آنها نوار انرژی گفته می شود. در واقع نوار انرژی متشکل از تعداد بسیار زیادی از ترازهای انرژی است که به صورت پیوسته در آمده است. مناطقی نیز وجود دارد که در آنها هیچ تراز انرژی وجود ندارد و به آنها منطقه ممنوعه یا گاف انرژی گفته می شود.
حال فرض کنید، می خواهیم یک ماده معمولی با ابعاد مشخص را ریز کنیم و به ابعاد نانو برسانیم. هنگامی که یک ماده ریز میشود، در واقع اتمهای آن کاهش مییابد. اتم که از ماده جدا می شود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا می شود. پایین تر از یک ابعاد مشخص (معمولاً ۱۰۰ نانومتر) تعداد اتمها و ترازهای انرژی به قدری کم میشود که دوباره نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی می شود. پس با ریز شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، دومین اتفاقی که می افتد، گسستگی نوارهای انرژی و تبدیل به تراز انرژی است. حال دیگر کمیتی مانند انرژی یک الکترون هر مقداری نمیتواند داشته باشد و باید انرژی آن به اندازه ترازهای انرژی باشد. از این رو به فیزیکی که در این ابعاد (ابعاد نانو) و ابعاد زیر آن یعنی ابعاد مولکولی و اتمی صادق است فیزیک کوانتوم و یا فیزیک گسستگی میگویند. در شکل زیر نحوه تبدیل نوار به تراز نشان داده شده است.
بعضی از تغییر خواص در ابعاد نانو با گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه میشود. برای مثال افزایش قدرت جذب امواج الکترومغناطیس و یا تغییر رنگ از این موارد هستند.
بدون دیدگاه