تقسیم‌بندی نانوساختارها براساس ابعاد

۱- به چه موادی نانو ساختار می‌گویند؟

هر ماده‌ای از سه بعد تشکیل شده است، اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس نانو باشد  یعنی بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، به این ماده، یک مـاده نانو‌ساختـار گفتـه مـی‌شود. همچنین به بعدی کـه در مقیـاس نانو نباشد اصطلاحا بعـد آزاد گفته می‌شود، زیرا هر مقداری می‌تواند داشته باشد. نانومواد را براساس تعداد ابعاد آزادی که دارند تقسیم‌بندی می‌کنند که در ادامه به معرفی آنها خواهیم پرداخت.

۲- طبقه‌بندی انواع نانو ساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد

نانوساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد به چهار دسته، نانومواد صفر بعدی، نانومواد یک بعدی، نانومواد دوبعدی و نانومواد سه بعدی تقسیم می‌شوند. در شکل(۱)، انواع نانوساختارها (با رنگ نارنجی) نشان داده شده‌اند.

شکل ۱- انواع نانوساختارها بر حسب تعداد ابعاد آزاد [۱]

۱-۲- نانومواد صفر بعدی (0D)

موادی که در هر سه بعد دارای اندازه نانومتری می‌باشند و هیچ بعد آزادی ندارند. بر اساس برخی دسته‌بندی‌ها به این دسته از نانوساختارها، نانوذرات نیز گفته می‌شود. عوامل تاثیرگذار بر خواص نانوذرات، اندازه و جنس ذرات هستند. در شکل (۲) تصاویر نانوذرات بعنوان نانوساختارهای صفر بعدی ارائه شده است. نانو‌ذرات می‌توانند بسته به کاربردشان در اشکال مختلف مانند کروی، بیضوی، مکعبی، منشوری، ستونی و... ساخته شوند. نانوذرات ممکن است از یک جزء تشکیل شده باشند یا اینکه ترکیبی از چند جزء (ماده) باشند. همچنین نانوذرات می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.

نانوذرات کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف مانند اتومبیل (ضد خش کردن بدنه، ضد بخار کردن شیشه‌ها، لاستیک‌های مقاوم و...)، پزشکی (ساخت دارو‌های جدید، تشخیص علایم بیماری‌ها و ...)، تصفیه آب و فاضلاب، الکترونیک، صنایع نظامی و... دارند.

شکل ۲- تصاویر نانوذرات با شکل‌های مختلف، بعنوان نانوساختارهای صفر بعدی [۲]

۲-۲- نانومواد تک بعدی (1D)  

نانومواد تک بعدی دارای دو بعد در مقیاس نانو و یک بعـد آزاد می‌باشند. نانو‌سیم‌ها، نانومیله‌ها، نانولوله‌ها، نانو‌الیاف همگی جز مواد نانو‌ساختار تک بعدی می‌باشند. در شکل‌های (۳) و (۴) نمونه‌هایی از نانوساختارهای یک بعدی نشان داده شده‌اند. عوامل تاثیرگذار روی خواص نانوساختارهای تک بعدی، جنس و نسبت طول به قطر ($\frac{\mathrm{L}}{\mathrm{d}}$) آن می‌باشند. مهم‌ترین ویژگی نانوساختارهای تک بعدی فلزی هدایت الکتریکی آنها در راستای محور سیم است. نانوسیم‌ها کاربردهای زیادی در بخش‌های مختلف مانند ساخت رایانه‌های بسیار کوچک با سرعت بسیار بالا، ساخت لیزرهای بسیار کوچک، تشخیص بیماری‌ها، حافظه‌های منغاطیسی و ... دارند. نانوسیم‌ها نیز می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند نوع ماده مختلف باشند.

شکل ۳- تصاویری از نانوساختارهای یک بعدی (الف) نانولوله‌های اکسیدتیتانیم و (ب) نانومیله‌های اکسیدروی [۳]

شکل ۴- تصاویری از نانوساختارهای یک بعدی (الف) نانوسیم‌های اکسیدروی [۴] و (ب) نانوالیاف $\mathrm{PVP}$ [۵]

۳-۲- نانومواد دو بعدی (2D)  

این مواد دارای دو بعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو می‌باشند. مواد با یک بعد در مقیاس نانو عمدتا شامل لایه‌های نازک یا پوشش‌های سطحی می‌باشد. در شکل (۵) نمونه هایی از نانوساختارهای دو بعدی نشان داده شده‌اند. عوامل تاثیرگذار در خواص نانوپوشش‌ها، جنس و ضخامت آنها می‌باشد. برای مثال سلفون‌های نگه دارنده مواد غذایی یک نوع پوشش هستند. حال اگر ضخامت آنها در ابعاد نانو باشد، به آنها نانوپوشش گفته می‌شود. نانوپوشش‌ها لایه‌هایی با ضخامت ۱ تا ۱۰۰ نانو‌متر هستند که به صورت پوشش روی مواد دیگر قرار می‌گیرند و باعث تغییر خواص و ویژگی‌های آنها می‌شوند. لایه‌های نازک نیز می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.

شکل ۵- نمونه هایی از نانوساختارهای دو بعدی [۶]

۴-۲- نانومواد سه بعدی (3D)

یعنی هر سه بعد آنها در مقیاس آزاد است. همانطور که مشاهده می‌کنید این تعریف با تعریف مواد نانو‌ساختار در تناقض است، زیرا هیچ یک از سه بعد آن در مقیاس نانو نیست. این دسته شامل نانوکامپوزیت‌ها (مواد مرکبی که شامل چند ماده است) و مواد حجیم نانوساختار (یا مواد توده‌ای نانوساختار) می‌باشد. در شکل (۶) نمونه‌هایی از نانوساختارهای سه بعدی نشان داده شده‌اند.

مواد حجیم نانوساختار موادی هستند که اندازه واحدهای سازنده مجزای آنها حداقل در یک بعد کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. بعضی مواد یک سری خواص را ندارند. برای مثال پلاستیک خاصیت رسانایی الکتریکی ندارد. اما اگر ماده‌ای همانند ذرات فازی که خاصیت رسانایی دارند را به آن اضافه کنیم، ماده مخلوط تولید شده می‌تواند خاصیت رسانایی داشته باشد. به این مواد کامپوزیت یا ماده مرکب گفته می‌شود. ماده مرکب ممکن است از بیش از دو ماده تشکیل شده باشد که هر یک از مواد اضافه شده می‌تواند قابلیت تقویت یکی از خواص را داشته باشد. در صورتی که حداقل یکی از اجزای کامپوزیت نانوساختار باشد، به آن نانوکامپوزیت می‌گوییم. به عنوان مثال می‌توان رسانایی پلیمرها را با استفاده از نانولوله‌های کربنی افزایش داد.

شکل ۶- نمونه هایی از نانوساختارهای سه بعدی [۷]

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۳- منابع

[1]. کتاب آشنایی با علوم و فناوری نانو ۱ - فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی، سید معصومه قاسمی‌نژاد لیچانی- انتشارات کوچک آموز

[2]. Teen-Hang Meen, Jenn-Kai Tsai, Shi-Mian Chao, Yu-Chien Lin, Surface plasma resonant effect of gold nanoparticles on the photoelectrodes of dye-sensitized solar cells,  Nanoscale Research Letters, 8(1):450 (2013).

[3]. Burcu Bozkurt Çırak, Zeynep Demir, Çiğdem Eden, Yaşar Erdoğan, Bulent Caglar, Sibel Morkoç, KaradenizTuba Kılınç, Synthesis of TiO₂ nanotube/ZnO nanorod hybrid nanocomposite photoanodes for dye-sensitized solar cells, Journal of Materials Science: Materials in Electronics,  Volume 30, Issue 7, pp 6335–6341| (2019).

[4]. https://cvdmaterialscorporation.com/portfolio-item/zinc-oxide-nanowires-sem-5-k-x-side/

[5]. Alaa J Hassiba, Mohamed E El Zowalaty, Thomas J Webster, A boubakr M Abdullah, G heyath K Nasrallah, Khalil Abdelrazek Khalil, A driaan S Luyt, A hmed A Elzatahry, Synthesis, characterization, and antimicrobial properties of novel double layer nanocomposite electrospun fibers for wound dressing applications, International Journal of Nanomedicine 2017:12 2205–2213

[6]. Paul J.D. Whiteside, Jeffrey A. Chininis and Heather K. Hunt, Techniques and Challenges for Characterizing Metal Thin Films with Applications in Photonics, Coatings, 6(3), 35; (2016).

[7]. https://www.advancedsciencenews.com/wave-propagation-is-under-control-metamaterials-are-going-3d/