سه‌شنبه 06 آبان 1404 کد خبر: 180
آشنایی با مفهوم نسبت سطح به حجم و نقش آن در تغییر خواص مواد در فناوری نانو
با ورود مواد به ابعاد نانومتری، خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها دستخوش تغییرات چشمگیری می‌شود؛ تغییراتی که در حالت توده‌ای ماده مشاهده نمی‌شوند. یکی از دلایل اصلی این تحول، افزایش نسبت سطح به حجم در نانومواد است. در ابعاد زیر ۱۰۰ نانومتر، تعداد اتم‌های سطحی نسبت به اتم‌های حجمی به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این افزایش سطح تماس باعث می‌شود که ماده با محیط اطراف خود به ویژه با اکسیژن هوا یا سایر مواد واکنش‌گرتعامل بیشتری داشته باشد.
برای درک این پدیده، کافی‌ست یک مکعب با ضلع ۱ سانتی‌متر را تصور کنیم. اگر این مکعب را به هزاران مکعب کوچک‌تر با ابعاد نانومتری تقسیم کنیم، مجموع سطح تماس آن‌ها به‌طور تصاعدی افزایش می‌یابد، در حالی که حجم کل ثابت باقی می‌ماند. این افزایش سطح باعث می‌شود که خواص سطحی مانند واکنش‌پذیری، جذب، حل‌پذیری و حتی خواص نوری و الکتریکی ماده تغییر کند.
شکل۱- طرحی از افزایش سطح کل با کاهش ابعاد ماده
در فناوری نانو، این ویژگی به عنوان یکی از پایه‌های طراحی مواد جدید شناخته می‌شود. نانومواد به دلیل سطح فعال بالا، در ساخت کاتالیزورها، داروهای هدفمند، حسگرهای زیستی و پوشش‌های ضد میکروب کاربرد گسترده‌ای یافته‌اند. درک اثرات سطحی، کلید فهم رفتار نانومواد و طراحی کاربردهای نوین آن‌هاست. این افزایش نسبت سطح به حجم، خواص فیزیکی و شیمیایی ماده را به‌طور قابل توجهی دگرگون می‌سازد. از جمله این تغییرات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
تغییر خواص نانومواد
کاربردهای نانومواد
افزایش سطح فعال و تغییر خواص در نانومواد، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در حوزه‌های مختلف تبدیل کرده است:
۳- تئوری آزمایش:
در این آزمایش، هدف بررسی تأثیر اندازه ذرات ماده بر میزان واکنش‌پذیری آن‌هاست. ماده مورد استفاده، آهن است که در دو شکل مختلف (براده درشت و پودر بسیار نرم) به کار گرفته می‌شود. با کاهش اندازه ذرات، نسبت سطح به حجم ماده به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. این افزایش سطح تماس با محیط اطراف، به‌ویژه با اکسیژن هوا، موجب افزایش نرخ واکنش شیمیایی می‌شود.
در حالت عادی، آهن جامد به سختی با اکسیژن واکنش می‌دهد و برای سوختن نیاز به دمای بسیار بالا دارد. اما هنگامی که آهن به صورت پودر بسیار ریز در هوا پخش شود، سطح تماس آن با اکسیژن به حدی زیاد می‌شود که واکنش احتراق به سرعت و با تولید نور و گرما رخ می‌دهد. این پدیده به صورت جرقه‌های نارنجی رنگ قابل مشاهده است. این آزمایش یک شبیه‌سازی ساده از رفتار مواد در مقیاس نانو است. در فناوری نانو، کاهش ابعاد مواد تا حد نانومتر (۱ تا ۱۰۰ نانومتر) باعث بروز خواص جدیدی در آن‌ها می‌شود؛ از جمله افزایش واکنش‌پذیری، تغییر در هدایت الکتریکی، و بهبود خواص مکانیکی. دلیل اصلی این تغییرات، افزایش چشمگیر سطح مؤثر ماده نسبت به حجم آن است.
شکل۲: جرقه‌های حاصل از شعله ور شدن پودر آهن
۲-۴-روش انجام آزمایش
مقداری از براده آهن درشت را روی یک سینی فلزی بریزید. این ذرات نماینده آهن در مقیاس معمولی هستند.
با استفاده از فندک یا کبریت بلند، سعی کنید این ذرات را آتش بزنید. این مرحله برای بررسی واکنش‌پذیری پایین آهن در حالت درشت انجام می‌شود.
مقداری از پودر آهن با ذرات بسیار ریز (در حد میکرون) را روی همان سینی بریزید. این پودر نماینده ماده در مقیاس نزدیک به نانو است.
با یک آهنربای قوی، پودر را آزمایش کنید تا نشان دهید که با وجود تغییر اندازه، ماده همچنان آهن است و خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کرده است.
عینک ایمنی را بر چشم بزنید و در صورت امکان از دستکش مقاوم به حرارت استفاده کنید. این مرحله برای محافظت در برابر جرقه‌ها و حرارت است.
فندک را روشن کرده و در فاصله‌ای امن از بدن نگه دارید. شعله باید ثابت و قابل کنترل باشد.
مقدار کمی از پودر آهن نرم را با قاشق بردارید و آن را به آرامی و از فاصله حدود ۱۵ تا ۲۰ سانتی‌متری در مسیر شعله در هوا پخش کنید تا واکنش احتراق و تولید جرقه‌های نورانی مشاهده شود. این کار باید با دقت و در محیطی کنترل‌شده انجام شود.
نکات ایمنی
حتماً از عینک ایمنی استفاده کنید.
آزمایش را در یک محیط بدون مواد اشتعال‌پذیر (مانند الکل، استون، کاغذ) انجام دهید.
مقدار پودر آهن را کم در نظر بگیرید (مثلاً به اندازه یک قاشق چای‌خوری). مقدار زیاد آن می‌تواند خطرناک باشد.
این آزمایش را در فضای باز یا زیر هود انجام دهید.
۵- پرسش
۱- پس از ریختن براده آهن درشت روی سینی و نزدیک کردن شعله، چه رفتاری از ماده مشاهده شد؟
۲-هنگام آزمایش پودر آهن نرم با آهنربا، چه نتیجه‌ای درباره خاصیت مغناطیسی آن به دست آمد؟
۳- زمانی که پودر آهن نرم را در مسیر شعله هوا پخش کردید، چه پدیده‌ای در رخ داد؟
منابع
