دلیل تغییر خواص و ویژگی ها در ابعاد نانو

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).

فروش نانو مواد

اثرات سطحی

یک کره را در نظر بگیرید. نسبت مساحت به حجم کره عبارتست از:

A/V = 4?r²/ (4/3) ?r³ = 3/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 100 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.