دلیل تغییر خواص و ویژگی‌ها در ابعاد نانو

دو عامل اصلی باعث شده است که مواد نانو ساختار رفتاری متفاوت از مواد در ابعاد معمولی از خود بروز دهند: اثرات سطحی و اثرات کوانتومی. این دو عامل واکنش‎پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و … و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها را تحت شعاع خود قرار می‌دهد که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

• اثرات سطحی

شکل 1 را در نظر بگیرید. در ابتدا، مکعب اول به 8 قسمت مساوی تقسیم می‌شود. اگر این 8 مکعب را روی یکدیگر قرار دهیم همان مکعب اولیه با همان حجم حاصل می‌شود اما تفاوت آن با حالت اول، مساحت آن است. با تقسیم مکعب به 8 قسمت، یک سری سطوح جدید ایجاد شده اند که در ابتدا وجود نداشتند. در مرحله دوم هر کدام از 8 مکعب بدست آمده به 8 قسمت دیگر تقسیم می‌شوند. مجدداً اگر 64 مکعب بدست آمده را روی هم قرار دهیم همان حجم مکعب ابتدایی حاصل می‌شود اما مساحت افزایش زیادی پیدا کرده است.

شکل 1- با ریز شدن، مساحت افزایش پیدا می‌کند.

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 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 2 هم نشان داده شده است.

شکل 2- تفاوت اتم‌های روی سطح و داخل ماده

با ریز شدن ابعاد ماده و رسیدن به ابعاد نانـو، سطح ماده و به تبع آن اتم‌های روی سطح ماده نیز بسیار زیـاد افزایش می‌یابـد 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 پایدار شدن منجر به تغییر خواص می شود. یکی از این روش‌ها تغییر آرایش اتم‌ها است. همان‌طور که قبلاً هم توضیح داده شده بود، با تغییر اندک چیدمان اتم‌ها (تغییر در طول پیوند و یا زاویه پیوند)، خواص مواد نیز متفاوت می‌شود. در ادامه برای درک بیشتر، مثال‌هایی زده شده که به کمک روابط می‌توان افزایش تعداد اتم‌های روی سطح را محاسبه کرد.

علت برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو را می‌توان با افزایش سطح نسبت به حجم، توجیه کرد. یکی از این پدیده‌ها کاهش دمای ذوب با کاهش ابعاد می‌باشد. به طوری‌که در شکل 3 نشان داده شده ‌است، دمای نقطه ذوب نانوذرات 3 نانومتـر طلا بیش از 300 درجه پایین‌تــر از دمای نقطه ذوب طلای در ابعاد معمولی می‌باشد. همان‌طور که می‌دانید، در دمای ذوب مقدار انرژی گرمایی لازم برای ماده فراهم می‌شود تا کل پیوند بین اتم‌ها در حالت جامد شکسته شود و ماده تبدیل به مایع شود. وقتی ابعاد ماده ریز می‌شود و به ابعاد نانو می‌رسد، به دلیل افزایش سطح و اتم‌های روی سطح، تعداد پیوندهای شکسته شده افزایش می‌یابد. بنابراین برای شکستن تمام پیوندها و تبدیل ماده از جامد به مایع انرژی کمتری نیاز است که منجر به کاهش دمای ذوب می‌شود.

شکل3- نمودار بستگی مساحت سطح و نقطه ذوب به قطر ذره در مولکول طلا

• اثرات کوانتومی

کوانتوم  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.

هر ماده‌ای که اطراف ما وجود دارد یک ساختار انرژی منحصر به فرد دارد و ساختار انرژی مواد مختلف با یکدیگر متفاوت است. ساختار انرژی اتم‌ها متشکل از ترازهای انرژی است اما ساختار انرژی مواد ماکروسکوپی و معمولی به صورت نوار انرژی است که در شکل 4 نشان داده شده ‌است. در اتم‌های مختلف فاصله بین ترازها با یکدیگر متفاوت است و در مواد معمولی، پهنای باندهای انرژی و پهنای منطقه ممنوعه (گاف انرژی) با یکدیگر متفاوت است.

شکل 4- ساختار انرژی اتم‌ها و مواد معمولی

بسیاری از خـواص مواد تابع ساختار انرژی آن است و با تغییر ساختار انرژی، خواص نیز تغییر می‌کند. برای مثال برای ساخت دیودها معمولاً در مواد نیمه‌رسانای معمولی، اتم‌های ناخالصی وارد مـی‌کنند. ورود اتم‌هـای ناخالصـی به ساختار باعث تغییر ساختار انرژی و کم شدن گاف انرژی می‌شود که تغییرات خواص الکتریکی را به همراه دارد.

در فیزیکی که در ابعاد معمولی وجود دارد و به عنوان فیزیک کلاسیک معروف است (همین فیزیکی که در دبیرستان می‌خوانیم)، انرژی و اکثر کمیت‌ها، مقادیری پیوسته دارند و هر مقداری می‌توانند داشته باشند، برای مثال انرژی جنبشی یک انسان در حال حرکت می‌تواند 1، 5/1، 7/2 و یا هر مقدار دیگری ژول باشد. حال فرض کنید، می‌خواهیم 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 می‌شود، تراز انرژی مربوط به آن نیز از ساختار نواری جدا می‌شود. زیر یک ابعاد مشخص (معمولاً زیر 100 نانو‌متر) تعداد اتم‌ها و ترازهای انرژی به قدری کم می¬شود که دوباره نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی می‌شود. پس با ریز شدن و رسیدن به ابعاد نانو علاوه بر افزایش بسیار زیاد سطح نسبت به حجم، دومین اتفاقی که می‌افتد، 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 را فیزیک کوانتوم و یا فیزیک گسستگی میگویند. در شکل 5 نحوه تبدیل نوار به تراز نشان داده شده است.

شکل 5– الف- ساختار انرژی یک ماده معمولی به شکل نوار انرژی، ب – ساختار انرژی نانو­ذرات بزرگ (بین 80 تا 100 نانومتر) و ج- ساختار انرژی نانو­ذرات بزرگ (بین 80 تا 100 نانومتر)

برخی از تغییر خواص در ابعاد نانو مانند افزایش قدرت جذب امواج الکترومغناطیس و یا تغییر رنگ، با گسسته شدن ترازهای انرژی توجیه می‌شود.

شکل 6-الف)تصویر TEMنانوذراتکادمیمسلنید و ب) نانوذراتکادمیمسلنید در محلول تحت نور فرابنفش

در بعضی مدل‌ها، به دلیل گسسته بودن ترازهای انرژی نانو‌ذرات مانند اتم‌ها، به نانو‌ذرات اتم‌های مصنوعی یا ابر اتم نیز گفته می‌شود. بر اساس این مدل‌ها و بر خلاف آن چیزی که به نظر می‌رسد، واکنش‌پذیری نانو‌ذرات به اندازه آن‌ها ارتباط ندارد. به دلیل اینکه با کاهش اندازه مواد، سطح آن‌ها بیشتر می¬شود و با افزایش سطح هم، پیوندهای شکسته شده افزایش می‌یابد، بنابراین به نظر می‌رسد، واکنش‌پذیری متناسب با اندازه باشد. در حالی‌که واکنش‌پذیری به تعداد الکترون‌ها وابسته است. نانو‌ذرات نیز مانند اتم‌ها رفتار می‌کنند، یعنی اگر تراز انرژی آخر آن‌ها پر باشد، نانو‌ذره واکنش‌پذیری کمی دارد و اگر تراز انرژی آخر خالی باشد، واکنش‌پذیری افزایش می‌یابد.