مواد نانو:اصول و دسته بندی

معمول ترین روش دسته بندی مواد نانو، شناسایی آنها بر اساس ابعاد شان می باشد. مواد نانو، را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد:

1- صفر بعدی(0-D)

2- یک بعدی(1-D)

3- دو بعدی(D-2)

4- سه بعدی(D-3)

این دسته بندی، بر اساس تعداد ابعاد می باشد.

دسته بندی مواد نانو

برای درک مناسب تنوع مواد نانو، به برخی دسته بندی ها، نیاز داریم. در حال حاضر، معمول ترین روش دسته بندی مواد نانو، شناسایی آنها بر اساس ابعاد شان ( dimension) می باشد. همانطور که در شکل 1.6 دیده می شود، مواد نانو، را می توان بصورت زیر دسته بندی کرد: 1) صفر بعدی (0-D)، 2) یک بعدی (1-D)، 3) دوبعدی (2-D)  4) سه بعدی(3-D). این دسته بندی، بر اساس تعداد ابعاد می باشد، که به بازه مقیاس نانو (<100nm) محدود نمی باشد. همانطور که در ادامه خواهیم دید، با حرکت از 0بعدی به 3بعدی در این دسته بندی، تعریف دسته ها نیز دشوارتر می شود.

با شروع از شفاف ترین تعریف، مواد نانوی صفربعدی را بعنوان موادی تعریف می کنیم که همه ابعاد آن، در مقیاس نانو، اندازه گیری می شود(هیچ بعدی یا 0-D، بزرگتر از 100nm نمی باشد). معمول ترین نمایش مواد نانوی صفربعدی، ذرات نانو (nanopatrticle) می باشد این ذرات نانو می توانند:

• بی نظم یا کریستالی باشند.
• تک کریستالی یا چندکریستالی باشند.
• مرکب از یک یا چند عنصر شیمیایی باشند.
• اشکال و حالات مختلفی از خود نشان دهند.
• بطور مجزا یا همراه با زمینه، وجود دارند.
• فلزی، سرامیکی یا پلیمری هستند.از سوی دیگر، مواد نانوی یک بعدی، با مواد نانوی صفر بعدی، از آن جهت تفاوت دارند که دسته اول دارای یک بعد خارج از مقیاس نانو می باشد. این تفاوت در بعد مواد، باعث شده مواد نانوی شبیه به سوزن (needle) داشته باشیم. مواد نانوی یک بعدی، شامل لوله های نانو، میله های نانو و سیمهای نانو می باشند. با اینحال، همانند مواد نانوی 0-D، این مواد نانوی 1-D می توانند:
  • بی نظم یا کریستالی باشند
  • تک کریستالی یا چندکریستالی باشند
  • از نظر شیمیایی، خالص یا ناخالص باشند.
  • مواد مستقل (standalone) یا تعبیه شده در واسط دیگر باشند.
  • فلزی، سرامیک یا پلیمری باشند.دسته بندی مواد نانوی دوبعدی، قدری مشکل تر است. با اینحال، با در نظر گرفتن تعاریف فوق برای مواد نانوی 0-D  و 1-D، باید گفت مواد نانوی دوبعدی، موادی هستند که در آن، دو بعد، به مقیاس نانو، محدود نیست. در نتیجه، مواد نانوی دوبعدی، اشکال شبه صفحه ای (platelike) از خود نشان می دهند. مواد نانوی دوبعدی شامل لایه های(فیلم) نانو، لایه های (layer) نانو و پوشش های نانو می باشند. این مواد نانو، می توانند:
    • کریستالی یا بی نظم باشند.
    • از ترکیبات شیمیایی مختلف، ساخته شوند.
    • بعنوان ساختارهای تک لایه یا چندلایه استفاده شوند.
    • روی زیرلایه، رسوب داده شوند.
    • در مواد ماتریسی پیرامون، یکپارچه شوند.
    • فلزی، سرامیک یا پلیمری باشند.مواد نانوی سه بعدی، که به مواد نانوی حجیم معروف می باشند، نیز دسته بندی نسبتا دشواری دارند، که بطور مختصر به آنها می پردازیم. با اینحال، به موازات پارامترهای بعد ذکرشده تا کنون، درست است که بگوئیم، مواد نانوی حجیم (bulk)، موادی هستند که در هیچ بعدی به مقیاس نانو محدود نیستند. بنابراین مشخصه این مواد، داشتن سه بعد دلخواه بالاتر از 100nm می باشد. با داشتن این ابعاد دلخواه، قطعا می پرسیم که چرا این مواد را مواد نانو می نامیم. دلیل قرار دادن این مواد در دسته بندی مواد نانو، آنست که: با وجود ابعاد نانومقیاس، این مواد، دارای ساختار نانوکریستالی بوده، یا ویژگیهایی در مقیاس نانو، دارند. از نظر ساختار کریستالینی نانو، نانومواد حجیم، می توانند از چندین آرایش کریستالهای با اندازه نانو، تشکیل شوند، که معمولا در جهات متفاوتی هستند. در زمینه وجود ویژگی هایی در مقیاس نانو، باید گفت که مواد نانوی سه بعدی، می توانند دارای نانوذرات پراکنده، دسته سیمهای نانو و لوله های نانو و نیز چندلایه ای های نانو باشند. مواد نانوی سه بعدی می توانند:
      • بی نظم یا کریستالی باشند.
      • از نظر شیمیایی، خالص یا ناخالص باشند.
      • مواد ترکیبی(کامپوزیت) باشند.
      • از چندلایه ای های نانو تشکیل شده باشند.
      • فلزی، سرامیک یا پلیمری باشند.ماده نانوی دوبعدی، یک ماده تک لایه می باشد، با ضخامت کمتر از 100nm و طول و عرض بزرگتر از ابعاد نانومتر. با اینحال، همانطور که گفتیم، یک ماده را می توان صرفا بر پایه ابعاد ساختاری داخلی آن، در دسته مواد نانو، قرار داد، بدون توجه به ابعاد مادی خارجی آن. لحاظ کردن این مشخصه ساختاری داخلی، یکی از دلایلی است که دسته بندی مواد نانوی دوبعدی را پیچیده تر می کند.ماده نانوی دوبعدی، را به خاطر دو ویژگی زیر، می توان لایه نانوکریستالی نامید: 1) این ماده، ضخامت بیرونی با ابعاد مقیاس نانو از خود نشان می دهد و 2) ساختار داخلی آن نیز در مقیاس نانو می باشد.با اینکه، این مثال، به نمایش دو روش ممکن برای دسته بندی مواد نانوی دوبعدی کمک می کند، هیچ یک از این دو محدودیت، برای قراردادن یک ماده در دسته مواد نانو، ضروری نیست.

        دسته بندی مواد شامل: 0-D: همه ابعاد در مقیاس نانو هستند.

        1-D: دو بعد، در مقیاس نانو می باشند، یک بعد در مقیاس ماکرو می باشد.

        2-D: یک بعد در مقیاس نانو می باشد، و دو بعد در مقیاس ماکرو

        3-D: هیچ بعدی در مقیاس نانو نمی باشد، همه ابعاد در مقیاس ماکرو می باشند.

        چونکه در حال حاضر چندین مدل کاری برای دسته بندی مواد نانوی دوبعدی موجود است، می خواهیم به سراغ مواد نانوی سه بعدی برویم. با پیروی از تعریف قبل، مواد نانوی حجیم، موادی هستند که دارای هیچ بعدی در مقیاس نانو نمی باشند. با اینحال، مواد نانوی حجیم(bulk)، ویژگی هایی در مقیاس نانو از خود نشان می دهند. همانطور که قبلا گفتیم، مواد نانوی حجیم با ابعاد بزرگتر از مقیاس نانو، می توانند از کریستال یا دانه با مقیاس نانو، تشکیل شده باشند. در اینصورت، این مواد را مواد نانوکریستال می نامیم.گروه دیگر مواد نانوی سه بعدی، کامپوزیتهای نانو نامیده می شوند. این مواد، از دو یا چند ماده با ویژگی های خیلی متمایز تشکیل شده اند که بطور مشارکتی برای ایجاد ویژگی هایی که با یکی از دو مواد به تنهایی قابل حصول نیست، همکاری می کنند. ماتریس کامپوزیتهای نانو، که می توانند پلیمری، فلزی یا سرامیکی باشند، دارای ابعاد بزرگتر از مقیاس نانو می باشند، ولی فاز تقویتی (reinforcing phase)، عموما در مقیاس نانو می باشد.نمونه هایی از این نوع مواد نانوی سه بعدی، نانوکامپوزیتهای مختلف که تفاوتها، مربوط به نوع ماده نانوی تقویت کننده افزوده شده، مانند ذرات نانو، سیمهای نانو، لوله های نانو یا لایه های نانو می باشد. در دسته بندی نانوکامپوزیت، مواد با چندلایه ای های نانو را نیز بررسی می کنیم که از مواد مختلف یا ساندویچهای لایه نانو که به هسته ماتریس، پیوند می خورند، تشکیل شده اند.

        کاربردهای زیادی بخصوص، در نانو الکترونیک، نیازمند استفاده از انواع مختلف ویژگی های فیزیکی می باشند مانند کانالها، شیارها(groove) و خطوط برجسته، که در مقیاس نانو می باشند لایه های نانو، پوشش نانو و مواد نانوی دوبعدی چندلایه، را می توان با ویژگی های مختلف در مقیاس های گوناگون، الگو زد. برای مواد نانوی چندلایه، الگوها می توانند در هر لایه ای باشند. این الگوها، می توانند دارای هندسه ها و ابعاد متفاوتی در مقیاس نانو یا در مقیاس های بزرگ باشند. بیشتر مواد الکترونیک، در دسته مواد نانوی دوبعدی الگودار (patterned) قرار می گیرند.