نانومواد

موادی که حداقل یکی از ابعاد آن‌ها در مقیاس ۱ الی ۱۰۰ نانومتر باشد، مواد نانویی یا نانومواد خوانده می‌شوند. این مبحث در قالب موضوعات مربوط به نانوفناوری جای می‌گیرد.
نانوفناوری، توانمندی تولید و ساخت مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با در دست گرفتن کنترل در مقیاس نانومتری یا همان سطوح اتمی و مولکولی، و استفاده از خواصی است که در این سطوح ظاهر می‌شوند. یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر (۹-^۱۰ متر) می‌باشد. این اندازه ۱۸۰۰۰ بار کوچکتر از قطر یک تار موی انسان است. به‌طور میانگین ۳ تا ۶ اتم در کنار یکدیگر طولی معادل یک نانومتر را می‌سازند که این خود به نوع اتم بستگی دارد. به‌طور کلی، فناوری نانو، گسترش، تولید و استفاده از ابزار و موادی است که ابعادشان در حدود ۱–۱۰۰ نانومتر می‌باشد.
فناوری نانو به سه سطح قابل تقسیم است: مواد، ابزارها و سیستم‌ها. موادی که در سطح نانو در این فناوری به کار می‌رود، را نانو مواد می‌گویند. مادهٔ نانو ساختار، به هر ماده‌ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانومتری (زیر ۱۰۰ نانومتر) باشد اطلاق می‌شود. این تعریف به وضوح انواع بسیار زیادی از ساختارها، اعم از ساخته دست بشر یا طبیعت را شامل می‌شود. منظور از یک مادهٔ نانو ساختار، جامدی است که در سراسر بدنه آن انتظام اتمی، کریستال‌های تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشند. در حقیقت این مواد متشکل از کریستال‌ها یا دانه‌های نانومتری هستند که هر کدام از آن‌ها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند. همه مواد از جمله فلزات، نیمه هادی‌ها، شیشه‌ها، سرامیک‌ها و پلیمرها در ابعاد نانو می‌توانند وجود داشته باشند. همچنین محدوده فناوری نانو می‌تواند به صورت ذرات بی‌شکل(آمورف)، کریستالی، آلی، غیرآلی یا به صورت منفرد، مجتمع، پودر، کلوئیدی، سوسپانسیونی یا امولسیون باشد.

خواص مغناطیسی

خواص مغناطیسی
همان‌طور که می‌دانید در طبیعت سه عنصر آهن، نیکل، کبالت و ترکیب سایر عناصر با این سه عنصر خواص مغناطیسی دارند. عناصر و یا ترکیبات دیگر به تنهایی خواص مغناطیسی ندارند. در دنیای اطراف ما آهن‌رباها و مواد مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی دارند. از کاربردهای ساده مانند شیشه بالابرها و برف پاک‌کن اتومبیل‌ها، پرینتر، اسکنر، موتورهای وسایل الکتریکی در آشپزخانه‌ها، بلندگو و غیره تا کاربردهای بسیار پیچیده مانند موتورهای ژنراتورها و غیره. اینکه تنها ترکیبات خاصی می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند، یک محدودیت به‌شمار می‌آید.
یکی از تغییر خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانو ایجاد می‌شود، این است که بسیاری از موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند اما زیر یک اندازه مشخص در محدود فناوری نانو می‌توانند خواص مغناطیسی داشته باشند. برای مثال می‌توان به نانوذرات اکسید آلمینیوم، طلا و غیره اشاره کرد. این امر باعث می‌شود محدودیت ذکر شده در بالا برداشته شود و با توجه به محدود وسیع کاربرد مواد مغناطیسی، مواد جدیدی با خواص بهبود یافته تولید شود. برای مثال از خاصیت مغناطیسی بعضی نانوذرات در پزشکی در امر دارورسانی استفاده می‌شود.
دلیل ایجاد خواص مغناطیسی در موادی که در ابعاد معمولی خواص مغناطیسی ندارند، افزایش بسیار زیاد سطح و ایجاد پیوندهای شکسته شده روی سطح است. هنگامی که یک پیوند برقرار می‌شود، دو الکترون در یک اوربیتال در دو جهت مخالف هم قرار می‌گیرند. این طرز قرار گرفتن باعث می‌شود تا میدان‌های مغناطیسی یکدیگر (الکترون‌ها ذرات باردار هستند. از حرکت ذرات باردار، اطراف آن‌ها میدان مغناطیسی تولید می‌شود. در اتم الکترون‌ها هم دارای دو نوع حرکت اسپینی (به دور خود) و مداری (به دور هسته) هستند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی اطراف آن‌ها می‌شود.) را خنثی کنند (همان‌طور که می‌دانید میدان مغناطیسی یک کمیت برداری است و جهت آن هم از اهمیت بالایی برخورد است). اما پیوند شکسته شده و یا ناقص به این مفهوم است که در اوربیتال یک تک الکترون موجود است و الکترون دیگری میدان مغناطیسی آن را خنثی نمی‌کند. در مقیاس نانو چون کسر اتم‌های روی سطح و پیوندهای شکسته شده خیلی زیاد است، باعث می‌شود اکثر مواد بتوانند خواص مغناطیسی داشته باشند.

خواص آنتی باکتریال

برخی از نانوذرات مانند نقره و طلا دارای خواص ضدمیکروب و یا آنتی باکتریال هستند بدین معنی که میکروب‌ها نمی‌توانند روی آن‌ها رشد کنند. از این ذرات معمولاً در لوازم آرایشی، بهداشتی، نساجی و غیره استفاده می‌شود. از کاربردهای آن می‌توان به ساخت ژل‌های تمیزکننده دست بدون استفاده از آب، استفاده در صابون‌ها و شامپوها، استفاده در لباس‌ها و ساخت لباس‌های ضدمیکروب، استفاده در تجهیزات پزشکی و غیره اشاره کرد.
برخی دیگر از نانوذرات مانند اکسید روی و یا اکسید تیتانیم خواص فوتوکاتالیسی دارند. این نانوذرات نیمه رسانا بوده و دارای یک گاف انرژی هستند. از این مواد معمولاً برای تصفیه آب‌ها و آلاینده‌ها استفاده می‌شود. با برخورد نور به این ذرات الکترون موجود در نوار ظرفیت برانگیخته شده و به نوار هدایت می‌رود. در آنجا این الکترون به آلاینده منتقل شده و باعث از بین رفتن آن می‌شود. منظور از واژه فوتوکاتالیست این است که با برخورد نور، خواص کاتالیزگری آن‌ها فعال می‌شود.

تغییر واکنش‌پذیری مواد

خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به‌طور مستقل نمی‌توان آن‌ها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک کمیت شیمیایی در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهم‌ترین خواص شیمیایی است. حتماً صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌اید. همه اینها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند. تا آنجا که نمی‌توان آن‌ها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانومتر رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.
واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانومتر افزایش چشم‌گیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آن‌ها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را فراهم کرده‌است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوان با استفاده از نانوکاتالیزگرها واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کرد.
آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توان بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آن را از روی خواصش شناسایی کرد. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناوبی مندلیف اضافه شود. بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کرد، لازم است که معلوم شود خواص عنصر در چه ابعادی مورد نظر است.