نانوذرات نیمه رسانا(نقاط كوانتمی)

نقطه كوانتومی یك ناحیه از بلور نیمه رسانا است كه الكترونها، حفرها یا هر دو آنها (كه اگزیستون نامیده می شوند) را درسه بعد در برمی گیرد. این ناحیه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل می شود.

در نقاط كوانتومی الكترونها درست مثل وضعیت یك اتم تراز های مختلف انرژی را اشغال می كنند، به همین علت به آنها لفظ اتمهای مصنوعی نیز اطلاق می شود. در مقایسه با سیم كوانتمی كه در یک بعد و لایه های كوانتومی كه در دو بعد نانو هستنند نقاط كوانتومی نانوساختارهای سه بعدی هستند.

این تركیبات به دلیل بازده كوانتومی بالا در زمینه های اپتیكی كاربرد زیادی دارند.

سه روش عمده برای ساخت نقاط كوانتومی وجود دارد، یكی از روشها شامل رشد نقاط كوانتومی در ظرف واكنش است. در دو روش دیگر، نقاط كوانتومی را در روی سطح یك بلور نیمه هادی یا در نزدیك آن پدید می آوردند. در روش دوم از فرآیند لیتوگرافی برای خلق یك نانوساختار دوبعدی (ساختاری كه در دو بعد نانو باشد) استفاده می شود، سپس برای جداسازی نقاط كوانتومی روی نانوساختارهای مذكور حكاكی صورت می گیرد.

در روش سوم، با رسوبدهی یك ماده نیمه رسانای دارای ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در یك ساختار بلورین منظم است) روی یك نیمه هادی با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش) نقاط « خودآراشده » رشد داده می شوند.   

نقاط كوانتومی نیمه هادی با تحریك الكتریكی یا تابش طول موج های مختلف فلورسانس می كنند. این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعكاس، انكسار یا جذب نور بپردازند. این ویژگی باعث شده است كه این تركیبات در مواد فتوكرومیك و الكتروكرومیك (موادی كه به ترتیب بر اثر اعمال نور یا الكتریسیته تغییر رنگ می دهند) و پیل های خورشیدی كاربرد داشته باشند.

علاوه بر این، از اسپین یك الكترون در یك نقطه كوانتومی می توان برای نمایش یك بیت كوانتومی- یا كیوبیت در یك رایانه كوانتومی استفاده كرد.

كاربردهای بالقوه برای نقاط كوانتومی عبارتند از:

- لیزرهای دارای طول موج های بسیار دقیق

- كامپیوترهای كوانتومی

- نشانگرهای زیستی

 نانوذرات سرامیكی

رایج ترین نانوذرات، نانوذرات سرامیكی هستند كه به سرامیك های اكسید فلزی، نظیر اكسید های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیكاتی (سیلیكات ها یا اكسید های سیلیكون نیز سرامیك هستند)كه عموماً به شكل ذرات نانومقیاسی خاك رس هستند، تقسیم می شوند. نانوذرات اكسید فلزی دارای اندازه ی یكسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر هستند و به وسیله ی  نیروهای الكترواستاتیك به یكدیگر چسبیده و به شكل پودر بسیار ریزی رسوب می كنند. نانوذرات سرامیكی از روشهای سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد بدست می آیند.نانوذرات سیلیكاتی ذراتی با ضخامت تقریباً یك نانومتر و پهنای 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول ترین نوع نانوذرات سیلیكاتی مونت موریلونیت یا آلومینو سیلیكات لایه ای می باشند. این نوع نانوذرات با پلیمریزاسیون یا به وسیله ی آمیزش ذوبی (اختلاط با یك پلاستیك مذاب) با پلیمرها تركیب شوند و خواص جالب توجهی را حاصل می آورند.

وقتی اندازه ی نانوذرات كاهش می یابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزایش یافته، اثرات سطحی برتری یافته و خاصیت كاتالیستی افزایش می یابد. به همین دلیل نانوذرات به عنوان كاتالیزور در زمینه هایی نظیر باتری ها، پیل های سوختی و انواع فرآیند های صنعتی كاربرد دارند. بیشتر بودن سهم اتم ها در سطح نانوذرات نیز خواص فیزیكی آنها را تغییر می دهد، مثلا سرامیك هایی كه به طور عادی شكننده اند، نرم تر می شوند . سرانجام این كه افزایش سطح مؤثر حلالیت را افزایش می دهد.

اصلاح شیمیایی سطح نانوذرات تاثیر زیادی در كارایی و كاربرد آنها دارد. ایجاد خواص آبدوستی و آبگریزی جزء روش های اصلاح شیمیایی نانوذرات محسوب می شوند. نانوذرات سیلیكاتی برای بدست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند، مثلاً می توان با استفاده از یونهای آمونیوم یا مولكول های بزرگتری نظیر سیلسزكیوكسان های الیگومریك چند وجهی( POSS)كه هم برای روكشدهی نانوذرات سیلیكاتی و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، این اصلاح شیمیایی را انجام داد.

نانوكامپوزیتهای نانوذره ای سرامیكی

در نانو كامپوزیت نانوذره ای سرامیكی نانوذرات سرامیكی داخل یك شبكه پلیمری توزیع شده اند . استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزیتی می تواند استحكام مقاومت شیمیایی و حرارتی آنها را افزایش و وزن آنها را كاهش دهد، و خصوصیات جدیدی نظیر هدایت الكتریكی را به آنها بیافزاید و فعل و انفعال آنها با نور یا دیگر تشعشعات را تغییر دهد . یكی از خواص نانوكامپوزیت های نانوذره ای سرامیكی در صنعت بسته بندی، كاهش نفوذپذیری گازها است . این خاصیت ناشی از شكل دانهه ای نانوذرات است كه مولكول ها را وادار به جابجایی در طول و پیچ و خم های ماده می نمایند. پركننده های سیلیكاتی نیز می توانند خاصیت یك پلیمر را از سخت شدن یك بعدی به دو بعد تغییر دهند.

هنگامی كه نانوذرات سیلیكاتی(خاك رس) به عنوان پركننده در پلاستیك ها مورد استفاده قرار می گیرند، با پراكنده سازی تنش ها استحكام فوق العاده ای را به وجود می آورند. همچنین آب رفتگی ، تاب برداشتگی  (در كامپوزیت هایی كه ضریب انبساط حرارتی كمتری دارند) و نفوذپذیری گازها كاهش می یابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شیمیایی افزایش یافته، بازیافت این مواد نیز آسانتر می شود. پركننده های خاك رس با مقدار پركننده كمتری نسبت به پركننده های معمولی، استحكام را افزایش می دهد. مثلاً با افزایش 5درصد از پركننده های نانورس به كامپوزیتها همان نتیجه ای حاصل می شود كه با افزایش 20 درصد از پركننده هایی همچون الیاف شیشه ای بدست می آید. همچنین میزان پركننده را می توان بدون تغییر در خاصیت چكش خواری محصول به 10 درصد افزایش داد، كه این امر با پركننده های متعارف ممكن نیست.

نانوذرات فلزی

نانوذرات فلزی با استفاده از روشهای چگالش بخار و سیم انفجاری تولید می شوند. این نانوذرات میتوانند بدون اینكه ذوب شوند (تحت نام پخت  ) در دماهای پائین تر از دمای ذوب فلز، در یك جامد آمیخته شوند، این كار منجر به سهل تر شدن فرآیند تولید روكش ها و بهبود كیفیت آنها، خصوصاً در كاربردهای الكترونیكی نظیر خازن ها می گردد. همچنین نانوذرات فلزی، در دمای كمتر از دمای ذرات فلزی بزرگتر غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده ای تبدیل می شوند و هزینه ی ساخت را كاهش می دهند.

نانوكامپوزیتهای نانوذره ای فلزی

نانوكامپوزیتهای نانوذره ای فلزی از آمیخته شدن نانوذرات فلزی با پلیمرها بدست می آیند. این نانوكامپوزیت ها ، به دلیل ممانعت خوبی كه در مقابل تداخل الكترومغناطیسی به وجود می آورند، می توانند در رایانه و تجهیزات الكترونیكی به كار روند. نانوكامپوزیتهای نانوذره ای فلزی قابلیت های ویژه ای در هدایت گرمایی و الكتریكی دارند كه كارایی آن ها را افزایش می دهد.

آئروژل ها

آئروژل ها دسته ای از مواد با سطوح ویژه خیلی بالا و دانسیته بسیار كم (گاهی فقط چهار برابر سنگین تر از هوا) هستند.

این تركیبات از طریق فرآیندهای سل ژل ساخته می شوند. هنگامی كه سل (محلول) در یك قالب ریخته شود، ژلی مرطوب شكل می گیرد. با خشك كردن و فرآورش حرارتی ، ژل حاصله به ذرات شیشه ای یا سرامیكی متراكم تبدیل می شود. اگر در شرایط فوق بحرانی مایع موجود در ژل مرطوب خارج شود، آئروژل بدست می آید.

استفاده از آئروژل ها به عنوان غشا در فرآیندهای جداسازی و فیلتراسیون تحت بررسی است . همچنین آئروژل ها در فضا پیماها برای به جمع آوری غبار بین ستاره ای بكار می روند. این تركیبات برای استفاده در شیشه های دوجداره به عنوان لایه پركن به جای هوا مورد آزمایش قرار گرفته اند.

نانوروكش ها و نانولایه ها

نانوروكش ها، سطوحی تك لایه یا چند لایه با ضخامت 1 تا 100 نانومتر هستند . روكش های مبتنی بر نانوذرات خواص مختلفی را از خود بروز می دهند. استحكام و مقاومت سایشی جزء خواصی هستند كه بیشترین مزیت را در نانوروكش ها داشته و شفافیت نیز در مورد آنها حائز اهمیت است . خصوصا در حالتی كه افزایش سختی بدون كدر شدن سطح نیاز باشد. استفاده از روكش ها روی سطوح سرامیكی ، باعث ضدخش شدن و تمیز شدن راحت تر سطوح مذكور می گردد. همچنین می توان از نانوروكش های سخت و ضد خش برای روكش دهی شیشه های عینك استفاده كرد . نوعی از پیل های خورشیدی عرضه شده اند كه به منظور افزایش استحكام شان از نانوذرات ساخته شده اند. روكش های پاشش حرارتی مبتنی بر نانوذرات اكسید فلزی در تعمیر بخش های فلزی فرسوده یا خورده شده مورد استفاده قرار می گیرند . امروزه نانوذرات فلزی در صنعت الكترونیك برای پوشاندن سطوح خازن ها نیز استفاده می شوند. نانوروكش اكسیدتیتانیوم نانوبلوری ، امكان تولید پنجره های فتوكرومیك (تغییر رنگ در اثر نور ) یا الكتروكرومیك (تغییر رنگ در اثر اعمال پتانسیل الكتریكی) ارزان قیمت را بوجود می آورد. همچنین می توان سطوحی را روی پنجره ها به وجود آورد كه با كمترین بارش اتفاقی باران خود به خود پاكیزه شوند . روكش ها می توانند ضد الكتریسیته ساكن، ضد مه و ضدبازتاب باشند و در عین حال كه اجازه عبور نور مرئی را می دهند، مانع عبور طول موج های كوچك نور نظیر اشعه ماوراء بنفش شوند. تعدادی از روكش های سرامیكی حاوی نانوذرات یك نوع كامپوزیت را به وجود آورده اند كه به خاطر خواصی چون مقاومت سایشی و شیمیایی و عایق حرارتی كاربردهای زیادی دارند . به طور مشابه رو كش های مبتنی بر سولفید مولیبدن كه حاوی نانوخوشه ها هستند مقاومت بیشتری را در برابر اصطكاك ، سایش و خوردگی شیمیایی حاصل از اصطكاك تحت شرایط مرطوب نشان داده اند . روش های سل ژل و خودآرایی، نیز برای تولید روكش ها كاربرد دارند كه برای آینده بسیار نویدبخش هستند.

روكش ها به طور اجتناب ناپذیری كاربردهایی همچون حفاظت وسایل الكترونیكی سفینه های فضایی در برابر تشعشع و حفاظت حرارتی برای ورود مجدد به جو را خواهند داشت.

روكش های سرامیكی نانوذره ای ، موجب پایداری حرارتی و مقاومت فرسایشی در قطعات موتور می شوند.

روكش های حاوی نانوذرات فلزی كه كاربردهای مشخصی در كامپیوترها و تجهیزات الكترونیكی دارند، در مقابل تداخل الكترومغناطیسی ممانعت خوبی نشان می دهند.

نانوپوسته ها

با روكش دهی نانوذرات ساختارهایی بوجود می آیند كه نانوپوسته نامیده می شوند. با حل كردن یا تجزیه نانوذره كره های توخالی بوجود می آیند كه در رسانش دارو و معالجه بیماریها، كاربرد دارند . ساختار شیمیایی نانوپوسته ها می تواند آلی یا معدنی باشد