تبلیغات
فیزیک - نانوپوشش ها
فیزیک
دبیرستان دخترانه علامه محمدتقی جعفری استان کرمانشاه
گروه طراحی قالب من گروه طراحی قالب من گروه طراحی قالب من گروه طراحی قالب من گروه طراحی قالب من
درباره وبلاگ


وبلاگ جهاد علمی در آبان ماه 91 شروع به فعالیت در عرصه فیزیک کرده است و امید است بتواند مورد رضایت شما قرار گیرد.

مدیر سایت: مهسا احمدی

دبیر محترم: خانم تمله

مدیر وبلاگ : مهسا احمدی
نویسندگان
نظرسنجی
اطلاعات شما در مورد نانو در چه حد میباشد؟





برچسبها

                      نانوپوشش ها و کاربرد آن

1. پوشش چیست؟

مقدمه

بشر همواره بلندپرواز بوده است. همیشه رؤیاهای بزرگی در سرها بوده‌اند که باید بیرون می‌آمدند و عینیت می‌یافتند. اما طی این مسیر ــ یعنی بیرون کشیدن رؤیاهای دور و دراز از ذهن‌ها ــ با دشواری‌های بسیار همراه است. گرچه بسیاری از این رؤیاهای پیشینیان در زمان‌های بعد و به‌ویژه زمان ما به حقیقت پیوستند، اما بسیاری از صاحبان آرزو بسیار بسیار پیش از این چشم از جهان فرو بستند. برای تحقق این آرزوها باید مسیری بلند در زمان به‌تدریج پیموده می‌شد. کشف آتش، کشف مواد مقاوم مثل آهن (که اول‌بار از شهاب‌سنگ‌هایی که از فضا به زمین برخورد کرده بودند استخراج شد)، کشف چرخ، برق، موتور بخار و... باید روی می‌داد تا مثلاً اختراع اتومبیل و هواپیما واقعیت ‌یابد.
یکی از مهمترین عوامل محدودکنندة انسان در تمام قرون برای رسیدن به آرزوهایش، پیدا نکردن مواد مناسبی بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. مثلاً بشر پس از ساخت آسانسور و استفاده از آن در ساختمان‌های مرتفع، به این فکر می‌کرد که چگونه آسانسوری بسازد که با آن به فضا برود! اما یکی از مشکلات ــ به‌جز تولید طنابی به این درازی و موتوری پرقدرت برای کشیدن محفظة آسانسور بین دو سیاره ــ این بود که تمام مواد مکشوفه تا آن زمان، قدرت تحمل وزن خود را در فاصلة بین دو سیاره نداشتند. اما امروزه با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مواد جدیدی تولید یا مواد موجود تقویت شده‌اند که می‌توانند وزن خود را در فاصلة بین دو سیاره تحمل کنند!
خوب، اینکه در بالا گفتیم یعنی چه؟ بشر برای ساخت آسانسورهای فضایی به‌تازگی نانولوله‌های کربنی‌ای را ساخته است که مقاومت زیادی در برابر کشیده شدن و پاره شدن دارند (حدود 7 برابر فولاد) و این در حالی است که بسیار سبکتر از مواد محکم فعلی هستند.
برای درک مفهوم دوم (بهبود یا تقویت خواص مواد موجود) به مثال زیر توجه کنید:
تصور کنید یک روز صبح که از خواب بیدار می‌شوید یک نفر پوست صورتتان را کنده باشد! برای اطمینان، احتمالاً تشریف می‌برید جلو آینه، و... آن صحنة دلخراش را به چشم خود می‌بینید! فکر نمی‌کنم دیگر ادامة زندگی با آن وضع برایتان ممکن باشد. شما به یک لولوی تمام‌عیار تبدیل شده‌اید که علاوه بر بچه‌های کوچک، خودتان هم از وحشت جیغ می‌کشید. برای رفع مشکل چه می‌کنید؟ خوب، اولین کار این است که فریاد بکشید و با یک وسیله مثل باند تمام بدنتان را بپوشانید. این‌طوری لااقل میکروب‌ها و عوامل عفونت‌زا کمتر به بدنتان نفود می‌کنند. چون پوست به عنوان پوششی برای بافت‌های داخلی بدن در مقابل محیط بیرون عمل می‌کند (شکل 1). اما این کافی نیست. شما نمی‌توانید به خوبیِ گذشته از عهدة کارهای روزمره‌تان برآیید. چون باند پوشش مناسبی برای صورت شما نیست و تنها می‌تواند به عنوان یک پوشش موقت به کار رود تا اینکه سراغ یک جراح پلاستیک ماهر بروید و یک فکر اساسی بکنید. (البته دیگر کار از کار گذشته!)


شکل 1 ـ تصویری از یک پوشش چندلایة باند زخم که جایگزین پوست بدن شده است.
تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نیاز به پوشش دارند، چون نباید در طی مراحل تولید، بستهبندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند. البته گاهی هم برای بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی از فناوری پوشش‌دهی استفاده می‌کنیم.

پوشش چیست؟
به طور کلی «پوشش» لایه‌ای است با ضخامت کمتر از مادة پایه، که پوشش روی آن نشانده می‌شود. با تغییر این ضخامت و نحوة نشاندن پوشش روی مادة پایه، انواع پوشش‌های مورد نیاز برای کاربردهای خاص را به وجود می‌آوریم.

2. چگونه یک لایه پوشش روی یک سطح نشانده می‌شود؟
روش اول:
می‌خواهیم سطح ماده‌ای را با یک ماده با خواص بهتر بپوشانیم. مهمترین عامل برای چسبیدن یک لایه پوشش به مادة پایه سطح تماس بین این دو است. باید سطح تماس بین این دو را بیشتر کنیم تا پوشش‌دهی بهتر انجام شود. اما چگونه؟ برای این کار از ذره‌های تشکیل‌دهندة آن ماده استفاده می‌کنیم. همان‌طور که در
مقالة نانوپودرها خواندید، وقتی ما جسمی را خرد می‌کنیم، ذره‌های تشکیل‌دهندة آن با جمع شدن در کنار هم، همان جسم اولیه را تشکیل می‌دهند، با این تفاوت که سطح تماس بیرونی مجموع ذرات در مقایسه با قطعة اولیه افزایش پیدا کرده است. با توجه به این خاصیت، محیطی را فراهم می‌کنیم که سطح بیرونی ذرات را به همدیگر و به مادة پایه بچسباند.
این یک روش تولید پوشش بود .

روش دوم:
یک راه دیگر برای برای پوشش‌دهی این است که به جای ذره‌ذره کردن پوشش، آن را اتم‌به‌اتم درست کنیم. برای این کار کافی است که اتم‌های مادة اول را بکَنیم و به اتم‌های مادة دوم بچسبانیم. می‌دانید که هر اتم از یک هسته (پروتون + نوترون) با بار مثبت تشکیل شده است که الکترون‌ها با بار منفی به دور آن می‌چرخند. همیشه تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابرند. در نتیجه بار کل اتم خنثی است. حالا اگر اتمی الکترون از دست بدهد به یون مثبت و اگر الکترون بگیرد به یون منفی تبدیل می‌شود. الکترون‌ها در ترازهایی به صورت یک ابر الکترونی‌ به دور هسته می‌چرخند. (شکل 2)

شکل2- شماتیکی از ساختار یک اتم
ولی چگونه یک اتم می‌تواند الکترون بگیرد یا از دست بدهد؟
بین ذرات همنام و غیرهمنامی که در ساختار اتم وجود دارند، نیروهای دافعه و جاذبه‌ای هستند که نیروی برآیند حاصل از آنها الکترون را در فاصله‌ای معین از پروتون نگه می‌دارد. با اعمال نیروی معادل آن می‌توان الکترون را از پروتون جدا کرد. با این کار ذره بار مثبت می‌گیرد، چون یک الکترون از دست داده است. با اعمال یک ولتاژ قوی این نیرو تأمین می‌شود. به این ترتیب، شرایطی فراهم می‌شود که اتم‌های ماده‌ای که می‌خواهند پوشش داده شوند الکترون از دست بدهند و اتم‌های مادة پایه الکترون بگیرند. در نتیجه یون‌ها مانند دو قطب مثبت و منفی آهنربا همدیگر را جذب می کنند.

و اما روش سوم :

به یاد دارید که در دورة راهنمایی با خواص محلول‌ها آشنا شدیم. یکی از این محلول‌ها، «محلول فراسیرشده» بود. برای حل کردن یک حل‌شونده در حلال حدّ معینی وجود دارد. اگر از آن حد بگذرد، محلول فراسیرشده به وجود می‌آید. حال اگر یک محلول فراسیرشده داشته باشیم و آرام‌آرام آن را سرد کنیم، با یک ضربه ذرات اضافی رسوب می‌کنند. لابد می‌پرسید این کارها چه ربطی به پوشش دارد؟ اگر کاری کنیم که این ذارت روی سطح رسوب کنند و بعد از رسوب دادن این ذرات بتوانیم آنها را به سطح بچسبانبم، در حقیقت با استفاده از محلول، سطح مورد نظر را پوشش داده‌ایم.

چرا باید ماده‌ای را با مادة دیگر بپوشانیم؟
انسان به مرور زمان یاد گرفته است که از خواص مواد برای برطرف کردن نیازهای خود استفاده کند. با استفاده از خواص مواد مختلف، می‌توان قابلیت‌های جدیدی به محصول افزود و از آن به‌خوبی استفاده کرد. در صنعت پوشش‌دهی، توجه به خواص از اهمیت زیادی برخوردار است. همه با آلومینیوم آشناییم. آلومینیوم فلزی است سبک و نرم. به خاطر همین سبکی در صنعت کاربردهای زیادی دارد (مثلاً در هواپیماسازی)، ولی حتی با ناخن هم می‌توان روی آن خط ایجاد کرد؛ آلومینیوم سختیِ کمی دارد.


مادة سخت و سختی ماده:
به ماده‌ای که در برابر یک شیء نوک تیزِ فروروندة خارجی مقاومت کند، مادة سخت می‌گویند و به مقاومت در برابر عامل فروروندة خارجی سختی.
با پوشش مناسبی که سختی لازم را داشته باشد، می‌توان سختی را زیاد کرد و در عین حال بر وزن آن نیفزود. با استفاده از خواص مکانیکی می‌توان کاربردهای جدیدی برای مواد کشف کرد. خواص فیزیکی و شیمیایی، مانند چگالی، مقاومت الکتریکی و... هم در این طبقه‌بندی قرار می‌گیرند.

3. چرا مواد را می‌پوشانیم؟
همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد، برای بهبود خواص و حفظ ویژگی‌ها و خواص ماده.
اگر مواد خورنده مثل اسیدها به مادة پایه نفوذ کنند، با مادة پایه واکنش می‌دهند و در خواص آن تغییر به وجود می‌آورند. این فرآیند در صنعت بسیار خطرناک است. بدنة کشتی‌ای که از آهن باشد، در اثر خوردگی با گذشت زمان با چه فاجعه‌ای در دل یا قعر دریا مواجه خواهد شد! حدستان درست است: آهن زنگ می‌زند (خورده می‌شود)، بدنه ترک برمی‌دارد و در نهایت کشتی غرق می‌شود و مسافران بیچاره می‌میرند. به همین سادگی!
ولی اگر از یک پوشش ضد زنگ استفاده کنیم، هم امنیت جانی مسافران را تأمین کرده‌ایم و هم ــ این هم مهمتر است ــ بر عمر کشتی افزوده‌ایم. به علاوه، افزایش هزینة انجام این کار خیلی کمتر از هزینه‌ای است که در اثر آسیب دیدن بدنة کشتی ممکن است به وجود بیاید. (شکل 3)


شکل 3 ـ شمایی از یک کشتی در حال غرق شدن


 



  •  
    4. نانوپوشش‌ها

    در تعریف پوشش‌ها گفتیم که آنها لایه‌هایی هستند با ضخامت کمتر از ماده‌ای که روی آن می‌نشینند. فکر می‌کنید وقتی پیشوند «نانو» را به «پوشش» اضافه کنیم چه تغییری در تعریف آن ایجاد می‌شود؟
    در نگاه اول ممکن است با قرار دادن «نانو» در کنار «پوشش» به این نتیجه برسید که این لایه ضخامتی در حد چند نانو خواهد داشت ــ که البته درست است ــ ولی همیشه این‌گونه نیست. وضعیتی را در نظر بگیرید که در آن برای تولید پوشش، از مواد نانومتری و نانوذرات استفاده شود. در این صورت، اجزاء تشکیل‌دهندة این پوشش‌ها نانومتری هستند، ولی خود پوششِ ضخامتی بیش از 100 نانو ضخامت خواهد داشت. (شکل 4)


    شکل 4 ـ نمونه‌هایی از نانومواد (نانوکریستال‌ها)
    5. انواع نانوپوشش‌ها
    با توجه به تعریف بالا، می‌توان نانوپوشش‌ها را به صورت زیرتقسیم‌بندی کرد:
    1. یکی از مشکلات خوردن پفک، چسبیدن ذرات پفک به دست است که باعث می‌شود انگشتانی نارنجی داشته باشیم. (اما البته به سختی‌اش می‌ارزد!) چگونگی چسبیدن ذرات پفک مثل تولید پوشش با استفاده از ذرات ریز است. ذرات پفک به خاطر رطوبت به دست می‌چسبند (عامل چسباننده) و پوششی از ذرات پفک را ایجاد می‌کنند.
    همان‌طور که می‌دانید نانولوله‌ها، نانوپودرها، نانوسیم‌ها و... موادی نانومتری هستند. هر کدام از این مواد خصوصیات فوق‌العاده ای دارند. مثلاً نانولوله‌ها از خواص الکتریکی، استحکام مکانیکی و چند خاصیت ویژة دیگر برخوردارند. اگر ما با استفاده از عوامل چسباننده، نانوذرات را کنار هم روی سطح بچسبانیم، پوششی ایجاد خواهد شد که خواص آن مشابه خواص نانوذرات خواهد بود. البته مهمترین عامل در این حالت، سطح آزاد (سطح بیرونی ماده که در تماس با محیط است) بالای این نانوذرات است که باعث می‌شود به نحو بسیار مناسبی به همدیگر بچسبند.
    برای درک این موضوع تصور کنید که چگونه ذرات نمک درون یک نمکدان به علت رطوبت موجود در هوا به همدیگر می چسبند و کلوخه ای می شوند. رطوبت عاملی است که سطح بیرونی ذرات ریز نمک را خیس می کند و باعث می شود سطح بیرونی دو ذره به همدیگر بچسبند. حتماً با مطالعة
    مقالة چرا نانو پودرها به این موضوع واقف شده‌اید که یک کلوخه وقتی خرد می‌شود، سطح آزاد آن به چند برابر می‌رسد. از طرف دیگر، این سطح آزاد مکانی خواهد بود که در آن ذرات به سطح زیرین می چسبند.

    2. چیدمان اتم‌های مواد درون سلول‌هایی به نام دانه در مواد بلوری (که اتم‌هایشان به صورت منظم کنار هم چیده شده اند)، راه دیگری برای تولید نانوپوشش‌هاست. مواد بلوری موادی هستند که اتم‌های تشکیل‌دهندة آنها به صورت منظم در جهت هایی خاص درون حوزه هایی مثل سلول های روی پوست دست قرار گرفته اند. برای تولید نانوپوشش با این خصوصیت، باید اندازة دانه های این پوشش‌ها را به حد 1 تا 100 نانومتر درآورد، یعنی باید دانه‌ها را ــ که داخل هر کدام از آنها اتم‌ها در جهت خاصی چیده شده‌اند) ریز کرد. استفاده از دانه‌هایی با اندازة 1 تا 100 نانومتر، پوشش تولیدی را به عنوان پوشش نانوساختار مطرح می کند. (شکل 5)

    شکل 5 ـ شمایی از یک پوشش نانوساختار
    3. اصطلاح «لایة نازک» یا «فیلم نازک» را شاید شنیده باشید، ولی آیا می‌دانید منظور از لایة نازک چیست؟ چرا می‌گوییم نازک؟ و نازکی این لایه‌ها در چه حدی است؟ (شکل 6)

    شکل6: تصویری از یک لایه نازک اکسید آلومینیوم که روی یک زمینه سیلیکونی نشانده شده است.
    همان‌طور که حدس زده‌اید، لایة نازک، ضخامت خیلی کمی دارد، اما لایه‌های نازکی نانوپوشش به شمار می‌روند که ضخامت آنها در محدودة 1 تا 100 نانومتر باشد. چنین لایه‌هایی کاربردهای فراوانی دارند. مثلاً می‌خواهیم آینه‌ای داشته باشیم که فقط طول موج 620 نانومتر یعنی قرمز را منعکس کند و بقیة امواج را از خود عبور دهد. (شکل 7)

    شکل7 ـ تصویری از آینه ای که با لایة نازک پوشش دهی شده است.
    چنین کاری با نشاندن یک لایة نازک مناسب که دارای این خاصیت باشد امکان‌پذیر است. در این فرآیند معمولاً از دو ماده استفاده می‌کنیم: اولی زیرلایه و دومی پوشش است که با روش‌هایی مثل تبخیر و رسوب‌دهی «لایه‌نشانی» می شوند. تعداد لایه‌های نشانده‌شده بستگی دارد به اینکه بخواهیم آینه چه ضریبی از موج را منعکس کند. هر چه تعداد لایه‌ها بیشتر باشد، امواج بیشتری منعکس می‌شوند، ولی اگر این تعداد از مقدار معینی بیشتر شود، لایه‌ها دیگر به هم نمی‌چسبند.
    ما در طبیعت هم مثال‌هایی از لایة نازک داریم. اگر گفتید کجا؟ با کمی فکر کردن حتماً متوجه خواهید شد. (راهنمایی: یادی از نفتکش‌ها کنید!) وقتی نفت در دریا نشت می‌کند سریع‌ترین کاری که باید انجام شود، پاک‌سازی دریاست. ولی از کجا متوجه می‌شوند که نفت در کدام قسمت سطح دریا پراکنده شده است؟ رنگ آن قسمت از دریا تغییر می‌کند. در حقیقت، به رنگ سبز درمی‌آید. یک لایه از نفت روی سطح دریا مثل یک لایة نازک عمل می‌کند. این لایة نازک فقط طول موج 530 نانومتر (سبز) را باز می‌تاباند. مثال دیگر حباب صابون است. حباب صابون لایه‌ای نازک از آب و مواد شوینده است که داخل آن را هوا پر کرده است. (سخن یک آدم بزرگ: انسان هیچ‌وقت چیزی را از خودش ابداع نمی‌کند، بلکه همیشه از طبیعت الهام می‌گیرد.)


    پس دیدیم كه نانوپوشش‌ها به سه دستة اصلی تقسیم می‌شوند:
    • نانوذرات چسبانده‌شده روی یك زمینه
    • روکش‌های بلوری با ساختار نانومتری
    • لایه‌های نازك

    گفتیم برای تولید پوشش‌های نانوساختار باید بلورها یا دانه‌ها را روی سطح قرار دهیم، ولی نگفتیم چگونه. «جوانه‌زنی» عملی است که توضیح آن در زیر می‌آید.
    جوانه‌زنی
    جوانه‌زنی ــ همان‌گونه که از نام آن پیداست ــ به معنی جوانه زدن بلورهای پوشش است که به آن رشد بلوری نیز می‌گویند. ما به شکل‌های مختلف می‌توانیم بلورها را شکل دهیم: مربعی، هرمی، ستونی، دایره‌ای و... که هر کدام از این اشکال به شکل بلور وابسته‌اند (شکل 8). بلورهای رشد‌داده‌شده باید اندازه‌ای بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشند و برای کنترل رشد و اندازة دانة این پوشش‌ها از موادی به ‌نام کنترل‌کننده های رشد استفاده می شود. این مواد رسوبات ریزی هستند که با قفل کردن مرزهای یک دانه، مانع از حرکت و در نتیجه رشد آن می‌شوند.


    شکل 8- نمونه‌ای از بلورهای ستونی


     
  •  




  • نوع مطلب : نانوپوشش ها، 
    برچسب ها :
    لینک های مرتبط :
    مهسا احمدی
    یکشنبه 1 اردیبهشت 1392
    سه شنبه 17 مرداد 1396 03:00 ق.ظ
    It's going to be ending of mine day, however before ending I am
    reading this enormous article to improve my knowledge.
    یکشنبه 15 مرداد 1396 11:36 ق.ظ
    It's remarkable to pay a visit this web page and reading the
    views of all friends concerning this article, while I am
    also keen of getting familiarity.
    چهارشنبه 14 تیر 1396 06:55 ب.ظ
    What's up to every one, as I am truly eager of reading this weblog's
    post to be updated regularly. It includes nice information.
    دوشنبه 25 اردیبهشت 1396 02:11 ق.ظ
    If some one wishes to be updated with most recent technologies afterward he must be pay a quick visit this web site and
    be up to date every day.
    جمعه 22 اردیبهشت 1396 11:46 ق.ظ
    This article will help the internet people for setting up new web site or even a weblog from start to
    end.
    یکشنبه 1 اردیبهشت 1392 04:02 ب.ظ
    سلام دوست من وبلاگت رو خیلی دوست داشتم اگه مایل باشی به عنوان یکی از نویسندگان وبلاگت توی وبلاگت مطلب بدم . اگه موافقی لینک وبلاگت رو توی لیست دوستانم لینک کن و بهم خبر بده. ممنونم
     
    لبخندناراحتچشمک
    نیشخندبغلسوال
    قلبخجالتزبان
    ماچتعجبعصبانی
    عینکشیطانگریه
    خندهقهقههخداحافظ
    سبزقهرهورا
    دستگلتفکر




    آمار وبلاگ
    • کل بازدید :
    • بازدید امروز :
    • بازدید دیروز :
    • بازدید این ماه :
    • بازدید ماه قبل :
    • تعداد نویسندگان :
    • تعداد کل پست ها :
    • آخرین بازدید :
    • آخرین بروز رسانی :
    امکانات جانبی