مشخصه‌یابی نانوذرات

بندانگشتی|نانوذرات از نظر خواص فیزیکی مانند اندازه، شکل و پراکندگی متفاوت هستند که برای توصیف کامل آنها باید اندازه‌گیری شوند.
توصیف نانوذرات شاخه‌ای از نانومترولوژی است که به توصیف یا اندازه‌گیری خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات می‌پردازد. نانوذرات کمتر از ۱۰۰ نانومتر در حداقل یکی از ابعاد خارجی خود اندازه دارند و اغلب به‌منظور ویژگی‌های منحصربه‌فردشان طراحی می‌شوند. نانوذرات با مواد شیمیایی معمولی تفاوت دارند، زیرا ترکیب شیمیایی و غلظت آن‌ها به‌تنهایی معیار کافی برای توصیف کاملشان نیست، چرا که آن‌ها در سایر ویژگی‌های فیزیکی مانند اندازه، شکل، خواص سطحی، بلورینگی و وضعیت پراکندگی نیز تفاوت دارند.

نانوذرات برای اهداف متعددی مورذ بررسی قرار می‌گیرند، از جمله مطالعات سم‌شناسی نانو و ارزیابی میزان مواجهه در محیط‌های کاری، به منظور سنجش خطرات بهداشتی و ایمنی آنها و همچنین کنترل فرایند تولید. ابزارهای متنوعی برای اندازه‌گیری خواص نانوذرات وجود دارد، از جمله روش‌های میکروسکوپی، طیف‌سنجی و شمارنده‌های ذرات. استانداردهای مترولوژی و مواد مرجع در حوزهٔ فناوری نانو، هرچند هنوز یک رشته جدید است، اما توسط بسیاری از سازمان‌ها در دسترس هستند.

## پیشینه
نانوفناوری به معنای دست‌کاری ماده در مقیاس اتمی برای ایجاد مواد، ابزارها یا سامانه‌هایی با ویژگی‌ها یا کارکردهای جدید است. این فناوری کاربردهای بالقوه‌ای در حوزه‌های انرژی، بهداشت و درمان، صنعت، ارتباطات، کشاورزی، محصولات مصرفی و سایر بخش‌ها دارد. نانوذرات در دست‌کم یکی از ابعاد بیرونی خود اندازه‌ای کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند و اغلب ویژگی‌هایی متفاوت از حالت توده‌ای مواد تشکیل‌دهندهٔ خود نشان می‌دهند؛ ویژگی‌هایی که آن‌ها را از نظر فناوری سودمند می‌سازد. این مقاله از تعریفی گسترده از نانوذرات استفاده می‌کند که شامل تمامی نانومواد آزاد می‌شود، بدون در نظر گرفتن شکل آن‌ها یا تعداد ابعاد نانومقیاسشان؛ به جای تعریف محدودتر استاندارد ISO/TS 80004 که صرفاً به نانواجسام کروی اشاره دارد.

نانوذرات الزامات تحلیلی متفاوتی نسبت به مواد شیمیایی معمول دارند، چرا که برای آنها ترکیب شیمیایی و غلظت به تنهایی کافی نیست. نانوذرات خواص فیزیکی دیگری نیز دارند که برای توصیف کامل باید اندازه‌گیری شوند، مانند اندازه، شکل، خواص سطحی، بلورینگی و حالت پراکندگی. خواص توده‌ای نانوذرات به تغییرات کوچک در این ویژگی‌ها حساس هستند که این امر پیامدهایی برای کنترل فرایند در کاربردهای صنعتی آنها دارد. این خواص همچنین می‌توانند بر اثرات سلامتی قرار گرفتن در معرض نانوذرات با ترکیب معین تأثیر بگذارند.

یکی دیگر از چالش‌ها این است که نمونه‌برداری و روش‌های آزمایشگاهی می‌توانند حالت پراکندگی نانوذرات را تغییر دهند یا توزیع سایر خواص آنها را تحت تأثیر قرار دهند. در زمینه‌های زیست‌محیطی، بسیاری از روش‌ها قادر به تشخیص غلظت‌های پایین نانوذرات نیستند، حتی اگر این غلظت‌ها ممکن است اثر نامطلوبی داشته باشند. وجود پس‌زمینه بالایی از نانوذرات طبیعی و تصادفی ممکن است در تشخیص نانوذرات مهندسی‌شده هدف اختلال ایجاد کند، زیرا تشخیص بین آن‌ها دشوار است. نانوذرات ممکن است با ذرات بزرگ‌تر مخلوط شوند. نانوذرات همچنین ممکن است با ذرات بزرگ‌تر مخلوط شوند. در برخی کاربردها، تشخیص نانوذرات ممکن است در ماتریس‌های پیچیده‌ای مانند آب، خاک، غذا، پلیمرها، جوهرها و مخلوط‌های پیچیده‌ای از مایعات آلی مانند لوازم آرایشی یا خون دشوار باشد.

## انواع روش‌ها
[بندانگشتی|میکروسکوپ‌هایی مانند این [میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توانند از نانوذرات منفرد تصویربرداری کنند تا شکل، اندازه و مکان آنها را مشخص کنند.]]
روش‌های میکروسکوپی، تصاویری از نانوذرات منفرد تولید می‌کنند تا شکل، اندازه و مکان آنها را مشخص کنند. میکروسکوپ الکترونی و میکروسکوپ پروب روبشی از روش‌های رایج در این زمینه هستند. از آنجا که اندازهٔ نانوذرات کوچک‌تر از حد پراش نور مرئی است، میکروسکوپ نوری معمولی برای مشاهدهٔ آن‌ها کارایی ندارد. میکروسکوپ‌های الکترونی را می‌توان با روش‌های طیف‌سنجی ترکیب کرد تا امکان آنالیز عنصری فراهم شود. با این حال، روش‌های میکروسکوپی معمولاً مخرب هستند و ممکن است در اثر آماده‌سازی نمونه (مانند خشک کردن یا شرایط خلاء مورد نیاز برای برخی روش‌ها) یا به دلیل هندسه نوک پروب در میکروسکوپ پروب برشی، دچار مصنوعات آزمایشی شوند. علاوه بر این، میکروسکوپی مبتنی بر اندازه‌گیری‌های تک‌ذره‌ای است؛ به این معنا که برای برآورد خواص کلی، باید تعداد زیادی از نانوذرات به‌صورت جداگانه بررسی شوند. روشی نوین‌تر به ناممیکروسکوپ میدان تاریک پیشرفته با تصویربرداری فراطیفی، امکان تصویربرداری از نانوذرات در ماتریس‌های پیچیده مانند بافت‌های زیستی را با کنتراست بالاتر و توان عملیاتی بیشتر فراهم می‌کند.
[بندانگشتی|یک [طیف‌شناسی مرئی–فرابنفش|طیف‌سنج فرابنفش-مرئی می‌تواند اطلاعاتی در مورد غلظت، اندازه و شکل ارائه دهد.]]طیف‌سنجی، که برهمکنش ذرات با تابش الکترومغناطیسی را بر حسب طول موج اندازه‌گیری می‌کند، برای توصیف غلظت، اندازه و شکل مفید است. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی نیمه‌هادی خاصیت فلورسنت دارند و نانوذرات فلزی جذب پلاسمون سطحی از خود نشان می‌دهند، که هر دوی آن‌ها را برای طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی مناسب می‌سازد. علاوه بر این، نانوذرات می‌توانند با روش‌های طیف‌سنجی مادون قرمز، رزونانس مغناطیسی هسته‌ای و طیف‌سنجی اشعه ایکس نیز بررسی شوند. روش‌های پراکندگی نور با استفاده از نور لیزر، اشعه ایکس یا پراکندگی نوترون برای تعیین اندازه ذرات استفاده می‌شوند و هر روش بسته به محدوده‌های مختلف اندازه و ترکیبات ذرات، مناسب است.

برخی روش‌های دیگر شامل الکتروفورز برای تعیین بار سطحی، روش بروناور-امت-تلر برای اندازه‌گیری مساحت سطح، و پراش پرتو ایکس برای تحلیل ساختار بلوری هستند. علاوه بر این، طیف‌سنجی جرمی برای تعیین جرم ذرات و شمارنده‌های ذرات برای شمارش تعداد آن‌ها کاربرد دارند. تکنیک‌های کروماتوگرافی، سانتریفیوژ و فیلتراسیون نیز می‌توانند برای جداسازی نانوذرات بر اساس اندازه یا سایر خواص فیزیکی، قبل یا در حین شناسایی ویژگی‌های آن‌ها استفاده شوند.

## معیارها
### اندازه و پراکندگی
[بندانگشتی|نانوذرات با [اندازه ذره|اندازه‌های مختلف می‌توانند خواص فیزیکی متفاوتی داشته باشند. به عنوان مثال، نانوذرات طلا با اندازه‌های مختلف به رنگ‌های مختلفی ظاهر می‌شوند.]]
اندازه ذره، به ابعاد خارجی یک ذره اشاره دارد در حالی که پراکندگی، نشان‌دهندهٔ محدودهٔ اندازهٔ ذرات در یک نمونه است. اگر ذره کشیده یا دارای شکل نامنظم باشد، اندازهٔ بین ابعاد متفاوت خواهد بود؛ با این حال، بسیاری از تکنیک‌های اندازه‌گیری، قطر کروی معادل را بر اساس ویژگی جایگزین مورد اندازه‌گیری ارائه می‌دهند. اندازه ذره را می‌توان از خواص فیزیکی مانند سرعت ته‌نشینی، نرخ یا ضریب انتشار و تحرک الکتریکی محاسبه کرد. همچنین، با استفاده از تصاویر میکروسکوپی و پارامترهایی مانند قطر فرت، قطر مارتین و قطر سطح پیش‌بینی شده می‌توان اندازه را تعیین کرد. میکروسکوپ الکترونی اغلب برای اندازه‌گیری نانوذرات به کار می‌رود. لازم است ذکر شود که اندازه‌گیری ممکن است بین روش‌های مختلف متفاوت باشد، زیرا هر روش جنبه‌های متفاوتی از ابعاد ذرات را اندازه‌گیری می‌کنند، توزیع‌ها را در یک مجموعه به‌طور متوسط متفاوت انجام می‌دهند، یا آماده‌سازی نمونه و عملکرد روش می‌تواند اندازه مؤثر ذرات را تغییر دهد.
[بندانگشتی|[پراکندگی (شیمی)|پراکندگی، میزان تجمع ذرات به صورت آگلومره‌های با پیوند ضعیف *(تصویر)* یا تجمع‌های با پیوند قوی است.]]
برای نانوذرات موجود در هوا، تکنیک‌های اندازه‌گیری اندازه شامل ضربه‌گیرهای آبشاری، ضربه‌گیرهای الکتریکی کم‌فشار، آنالیزورهای تحرک و طیف‌سنج‌های جرمی زمان پرواز است. در مورد نانوذرات در حالت سوسپانسیون، تکنیک‌ها شامل پراکندگی نور پویا، پراش لیزر، تجزیه جریان میدانی، آنالیز ردیابی نانوذرات، سرعت‌سنجی ردیابی ذرات، کروماتوگرافی طرد اندازه، رسوب گریز از مرکز و میکروسکوپ نیروی اتمی است. برای مواد خشک نیز، میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ نیروی اتمی و پراش پرتو ایکس برای تعیین اندازه کاربرد دارند. محاسبه معکوس از اندازه‌گیری‌های مساحت سطح نیز معمول است، اگرچه در مورد مواد متخلخل ممکن است خطا ایجاد شود. روش‌های دیگر شامل کروماتوگرافی هیدرودینامیک، پراکندگی نور استاتیک، پراکندگی نور چند زاویه‌ای، نفلومتری، تشخیص شکست القایی لیزری و طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی است. و همچنین میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک، میکروسکوپ اسکن لیزری کانفوکال، الکتروفورز مویین، اولتراسانتریفیوژ، فیلتراسیون جریان متقاطع، پراکندگی اشعه ایکس با زاویه کوچک و آنالیز تحرک افتراقی. استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی از ایجاد تغییرات مورفولوژیکی ناشی از خلأ مورد نیاز در میکروسکوپ الکترونی روبشی استاندارد جلوگیری می‌کند، البته با کاهش وضوح تصویر همراه است.

برخی روش‌های دیگر شامل الکتروفورز برای تعیین بار سطحی، روش بروناور-امت-تلر برای اندازه‌گیری مساحت سطح، و پراش پرتو ایکس برای تحلیل ساختار بلوری هستند. علاوه بر این، طیف‌سنجی جرمی برای تعیین جرم ذرات و شمارنده‌های ذرات برای شمارش تعداد آن‌ها کاربرد دارند. تکنیک‌های کروماتوگرافی، سانتریفیوژ و فیلتراسیون نیز می‌توانند برای جداسازی نانوذرات بر اساس اندازه یا سایر خواص فیزیکی، قبل یا در حین شناسایی ویژگی‌های آن‌ها استفاده شوند.

## جستارهای وابسته
* نانوذره
* نانوفناوری
* ریزساختار
* میکروسکوپ الکترونی روبشی
* ریخت‌شناسی (زیست‌شناسی)
* نقطه کوانتومی
* نانولوله کربنی
* نانوکامپوزیت

## منابع

رده:نانوذرات