پیشرفت تکنولوژی نانو طی سالیان گذشته باعث شده است تا همواره دسته جدیدی از نانو مواد توسعه داده شده و نامگذاری شوند. همین موضوع باعث شده است تا شناسایی و دسته بندی صحیح نانو مواد چالش برانگیز شده و در موارد زیادی نانو ذرات در دسته نادرست طبقه بندی شوند. بنابراین لازم است تا تعریف صحیح و قابل تفکیکی از نانو مواد برای محققین حوزه نانو تکنولوژی فراهم شود تا دستاوردهای جدید این حوزه به سهولت قابل بررسی باشند. در این مقاله دسته بندی مهمی از نانو مواد را معرفی کرده و تعریف دقیقی از آن را ارائه می دهیم.
دسته بندی نانو مواد و تاریخچه آن
در دهه اخیر و پیش از آن، نانو مواد با ترکیبات شیمیایی گوناگون، اندازه ذرات متنوع و خواص فیزیکوشیمیایی منحصر بفرد تولید شده و نامگذاری های متنوعی نیز نظیر نانو ذره (Nanoparticle)، خوشه (Cluster)، نانو خوشه (Nanocluster)، نانو دات (Nanodot) و کوانتوم دات (Quantum dot) روی آنها صورت گرفته است. اما پس از چندین دهه پیشرفت تکنولوژی نانو همچنان دسته بندی جامع و واضحی از نانو ذرات وجود ندارد تا محققین روی آن اتفاق نظر داشته و به آن استناد کنند. همین موضوع باعث شده است تا در منابع علمی دسته بندی نانو ذرات گاها با یکدیگر اشتباه شوند.
با توجه به این موضوع، پژوهشی جامع روی 20 مقاله برتر منتشر شده در سال های 2015 تا 2019 انجام شد و با استناد به آنها تعریف درستی از نامگذاری نانو مواد و همچنین دسته بندی جامعی از آنها به دست آمد. برای آشنایی بهتر، لازم است تا ابتدا درمورد هر کدام از عناوین استفاده شده در مقالات و تاریخچه آنها توضیح دهیم. پیش از آن میتوانید معتبر ترین نشریات و مجلات دنیای نانو فناوری را در مطب زیر ببینید:
خوشه یا کِلاستر
در میان نامگذاری های انجام شده روی نانو مواد، “خوشه” قدیمی ترین آنها می باشد. عنوان خوشه اولین بار در سال 1914 استفاده گردید که برای نامگذاری خوشه یون ها در فاز گازی استفاده شده بود. با گذشت زمان و پیشرفت علم نانو، تعریف جدیدتری از خوشه در سال 1963 ارائه شد که در آن از عنوان خوشه برای توصیف یون های عنصر رنیوم (Re3) متصل شده به یکدیگر توسط پیوند های بین فلزی استفاده گردیده بود. تعریفی که در حال حاضر برای عنوان خوشه وجود دارد توسط اتحادیه بین المللی شیمی محض و شیمی کاربردی (IUPAC – International Union of Pure And Applied Chemistry) ارائه شده است. بر اساس این تعریف، خوشه به گروهی از مراکز (یون، اتم) فلزی که توسط پیوند های فلزی یا پیوند های لیگاندی کنار یکدیگر قرار گرفته اند اتلاق می شود. با وجود اینکه هر خوشه متشکل از 20،000 اتم می باشد اما بر اساس مقالات منتشر شده اندازه ذره یک خوشه کمتر از 2 نانومتر است. لازم به ذکر است که در اکثر منابع از خوشه برای تعریف گروه اتم های فلزی و فلزات نجیب استفاده شده است.
نانو ذره
پس از خوشه، “نانو ذره” رایج ترین عنوان بکار رفته برای نانو مواد در منابع علمی می باشد. عنوان “نانو ذره” برای اولین برای در سال 1979 در توصیف ذرات پلیمری سنتز شده جهت بکارگیری در روش درمان دارو رسانی استفاده شد. با پیشرفت نانو تکنولوژی و گستردگی آن در سایر مواد، از عنوان نانو ذره برای تشریح ذرات فلزی، سرامیکی و…. نیز استفاده گردید. بر اساس تعریف ارائه شده توسط IUPAC، نانو ذره به ذراتی با هر شکل (کروی، مکعبی و….) که اندازه آنها در بازه 100 – 1 نانومتر باشد گفته می شود. لازم به ذکر است که برا اساس تعریف ارائه شده، بازه اندازه ذره نانو ذرات می تواند تا 500 نانومتر افزایش یابد.
کوانتوم دات
عنوان “کوانتوم دات” برای اولین بار در سال 1986 استفاده گردید. کوانتوم دات به ماده ای اتلاق می شد که در تمام ابعاد اثرات کوانتومی از خود نشان دهد و این تعریف اصولا شامل ذرات متشکل از عناصر نیمه هادی (Semiconductor) می شد. در حال حاضر، کوانتوم دات صرفا به مواد متشکل از عناصر نیمه هادی اتلاق نمی شود و این دسته بندی شامل مواد کربنی که اثرات کوانتومی از خود بروز می دهند نیز می شود. بازه اندازه ذره کوانتوم دات ها 10 – 2 نانومتر است.
نانو خوشه یا نانو کِلاستر
“نانو خوشه” ابتدا در سال 1986 بعنوان جایگزینی برای عنوان کوانتوم دات استفاده شد و هدف آن توصیف نانو خوشه نیمه هادی های کوانتومی بود. در سال 1993، از نانو خوشه برای تعریف یک ذره فلزی که اندازه آن بزرگتر از یک خوشه فلزی باشد استفاده گردید. بر اساس تعاریف ارائه شده، بعضی نانو خوشه های فلزی اثرات کوانتومی بروز می دهند اما به محض اینکه اندازه ذره آنها افزایش می یابد اثرات کوانتومی آنها از بین رفته و نانو خوشه ها رفتار عادی فلزات را از خود نشان می دهند. بر اساس منابع علمی، اندازه ذره نانو خوشه ها حدود 2 نانومتر می باشد. نانو خوشه های فلزی دارای یک خوشه فلزی در مرکز خود می باشند که با در نظر گرفتن گروه های عاملی حفاظت کننده (گروه های عاملی به کار رفته برای جلوگیری از اکسیداسیون فلز) اندازه کلی نانو خوشه ممکن است بیشتر از 2 نانومتر باشد. اکثر منابع علمی گزارش کرده اند که نانو خوشه های فلزی متشکل از اتم های فلزات نجیب هستند. بر اساس مطالب ذکر شده مشخص می شود که بین دو عنوان خوشه و نانو خوشه مرز باریکی وجود دارد که باعث می شود این دو عنوان قابل تبادل با یکدیگر باشند.
نانو دات
اولین بار در سال 1992 عنوان “نانو دات” مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1996، نانو ذرات طلا با اندازه ذره 40 نانومتر تحت عنوان نانو دات گزارش شدند. در سال های بعدی، از نانو دات برای توصیف خوشه های فلزات نجیب که دارای رفتار لومینسانس (Luminescent) هستند بکار گرفته شد. بر اساس مقالات منتشر شده، اندازه ذره نانو دات ها در بازه 20 – 2 نانومتر می باشد.
استفاده از خواص فیزیکی – نوری برای دسته بندی نانو مواد
با توجه به مطالبی که ذکر شد مشخص می شود که اندازه ذره گزارش شده در دسته بندی نانو مواد مشابه به یکدیگر بوده و همین موضوع باعث می شود تا نامگذاری و دسته بندی دقیق نانو ذرات دشوار شود. اگر مبنا را اندازه ذره در نظر بگیریم، نانو ذراتی که دارای سایز 20 – 2 نانومتر می باشند را می توان تحت عناوین نانو ذره، نانو خوشه، کوانتوم دات و نانو دات دسته بندی کرد. بنابراین، محققین برای انجام دسته بندی دقیق تر استفاده از خواص فیزیکی – نوری مواد را در کنار اندازه ذره آنها پیشنهاد کردند.
بر اساس خواص فیزیکی – نوری، کوانتوم دات ها نانو موادی را شامل می شوند که دارای اثرات کوانتومی باشند. این تعریف کمک می کند تا بعنوان مثال کوانتوم دات گرافیت، کوانتوم دات کربن و نانو دات کربن را علی رغم اندازه ذره مشابهی که دارند از یکدیگر تشخیص داد چرا که دو ماده اول دارای اثرات کوانتومی بوده ولی نانو دات کربن این ویژگی را از خود بروز نمی دهد. علاوه بر این موضوع، اکثر کوانتوم دات های گزارش شده در منابع علمی شامل عناصر نیمه هادی یا گرافیت هستند.
بر اساس خواص فیزیکی – نوری می توان نانو ذرات را از نانو دات ها، نانو خوشه ها و خوشه ها تشخیص داد. نانو خوشه ها، نانو دات ها و خوشه ها (فلزی) دارای فوتولومینسانس (Photoluminescent) هستند و همین ویژگی کمک می کند تا دسته بندی این نانو مواد به راحتی صورت پذیرد.
نانو دات ها، نانو خوشه ها و خوشه ها هم از لحاظ خواص فیزیکی – نوری و هم از لحاظ اندازه ذره شبیه به یکدیگر هستند اما با دقت بیشتر می توان آنها را از یکدیگر تشخیص داد. با توجه به اینکه خوشه ها دارای ابعادی کمتر از 2 نانومتر می باشند بنابراین می توان خوشه ها را از نانو خوشه ها و نانو دات ها جدا نمود. نانو دات ها در واقع ذراتی هستند با ابعاد 20 – 2 نانومتر که می توانند بر خلاف خوشه ها متشکل از چند جزء (گروه های عاملی حفاظت کننده) باشند و بر خلاف نانو ذرات از ویژگی فوتولومینسانس برخوردارند. شباهت زیاد نانو خوشه ها و نانو دات ها باعث می شود تا این دو عنوان قابل تبادل با یکدیگر باشند اما باید اشاره کنیم که نانو خوشه ها ممکن است همیشه دارای رفتار فوتولومینسانس نباشند.
وجود دسته بندی ای جامع و واضع برای نانو مواد و شناخت آن به پژوهشگران حوزه نانو تکنولوژی کمک می کند تا بتوانند به راحتی نانو مواد جدید سنتز شده را طبقه بندی نمایند.
منابع:
