مفهوم خاصیت ماده و عوامل موثر در تغییر مواد

۱- مقدمه

از مواد رایجی که روزانه با آنها سروکار داریم می‌توان آب، اجسام فلزی، پلاستیکی و چوبی را نام برد که ویژگی‌های متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. شاید تا به حال از خود پرسیده باشید که "چه عواملی باعث تفاوت مواد می‌شوند به گونه‌ای که هریک برای کاربردهایی خاص مناسب هستند؟" در نگاه اول به نظر می‌رسد تفاوت مواد به این دلیل باشد که هر یک حاوی عناصر و ترکیب شیمیایی مختلف هستند. اما خواهید دید که موادی با عناصر و ترکیبات تشکیل‌دهنده‌ یکسان، می‌توانند متفاوت از یکدیگر و دارای خواص مختلفی باشند، مانند الماس و گرافیت و حتی برعکس، موادی با عناصر و ترکیبات متفاوت دارای ویژگی‌های مشابه باشند. پس چه عواملی تعیین‌کننده‌‌ خواص ماده است؟ مفهوم خاصیت ماده چیست؟

خواص نوری مواد- خواص مغناطیسی نانومواد- خواص حرارتی- خواص مکانیکی- خواص الکتریکی

شکل ۱ : مواد مختلفی که روزانه با آنها سروکار داریم.

۲- ماده و خاصیت ماده چیست؟

به زبان ساده می‌توان گفت هر چیزی که جرم دارد و حجمی از فضا را اشغال می‌کند، ماده است. به اطراف خود نگاه کنید و به این فکر نمایید که هریک از اجسام اطرافتان از چه ماده‌ای ساخته شده است. در واقع مواد هستند که اشیای موجود در پیرامون ما را تشکیل می‌دهند. هر یک از این مواد دارای ویژگی‌ها و خواصی هستندکه آنها را برای کاربردهای خاص مناسب کرده است. دانشمندان و مهندسان نیز همواره خواص مواد مختلف را مورد آزمایش و اندازه‌گیری قرار داده تا با یکدیگر مقایسه کنند و ماده‌ی مناسب با خواص لازم برای کاربرد مورد نظر خود را بیابند.

خواص ماده، ویژگی‌هایی است که می‌توانیم آنها را حس(دیدن، شنیدن، بویایی و لمس کردن)، اندازه‌گیری یا آزمایش کنیم. مواردی همچون جرم، چگالی، رسانایی، انعطاف‌پذیری، سختی، نرمی، رنگ و گرمای اشتعال از خاصیت‌های ماده هستند. دسته‌بندی‌های گوناگونی برای خواص مواد وجود دارد اما به‌طور کلی می‌توان آنها را به دو دسته‌ی خواص فیزیکی و شیمیایی تقسیم‌بندی کرد. در ادامه هر یک از این خواص به‌طور مختصر معرفی شده‌اند.

دلیل تغییر خواص مواد در ابعاد نانو

۱-۲- خاصیت فیزیکی

ویژگی‌هایی از ماده که قابل اندازه‌‌‌گیری و مشاهده هستند بدون اینکه ترکیب اصلی ماده تغییر کند، به عنوان خواص فیزیکی مواد محسوب می‌شوند. ویژگی‌هایی همچون جرم، حجم، چگالی، نقطه جوش و رسانایی از جمله خواص فیزیکی مواد هستند. قابل ذکر است که ویژگی‌های مکانیکی ماده، خود نوعی خاصیت فیزیکی محسوب می‌شوند که رفتار مواد را در اثر اعمال نیرو نشان می‌دهند. این خواص در بخش‌های مربوطه به تفصیل بیان شده‌اند.

۲-۲- خاصیت شیمیایی

خواص شیمیایی در طول یا پس از انجام واکنش شیمیایی قابل مشاهده هستند. ویژگی‌هایی همچون واکنش‌پذیری، انرژی سطحی، مقاومت به خوردگی، سمیت و اشتعال‌پذیری از خواص شیمیایی ماده به شمار می‌روند.

۳- عوامل تعیین‌کننده‌ خاصیت ماده

برخلاف تصورتان، خاصیت ماده تنها به عناصر و ترکیب شیمیایی سازنده‌ی آن بستگی ندارد. یعنی تنها با مشخص شدن عناصر و ترکیب شیمیایی تشکیل‌دهنده، تمام اسرار مربوط به خواص ماده مشخص نمی‌شود. برای مثال دو ماده‌ی گرافیت و الماس، هر دو از عنصر کربن هستند و توسط پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند. پس چه چیزی باعث تفاوت خاصیت این دو ماده شده است؟ به طوری که الماس به عنوان سخت‌ترین ماده‌ی طبیعی شناخته شده است؛ و گرافیت به علت نرمی بسیار به عنوان روان‌کننده کاربرد دارد. در ادامه به معرفی مختصر عوامل تأثیرگذار بر خاصیت ماده خواهیم پرداخت. به‌طور کلی می‌توان گفت که عوامل مؤثر بر خاصیت مواد عبارتند از نوع عناصر تشکیل‌دهنده و پیوند بین اتم‌ها، ساختار و ریزساختار مواد. در ادامه هر یک به طور مختصر معرفی خواهند شد.

۱-۳- عناصر تشکیل‌دهنده و پیوند بین اتم‌ها

چرا نمک فلزات در حالت جامد رسانایی الکتریکی ندارند، اما خود فلزات در حالت جامد دارای رسانایی الکتریکی هستند؟ در نمک بین اتم‌های فلزی و اتم‌های عنصر نافلز، پیوند یونی وجود دارد. بنابراین الکترون‌ها که می‌توانند علت اصلی رسانایی الکتریکی باشند، در پیوند یونی به کار گرفته شده‌ و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند، در نتیجه نمک جامد رسانایی الکتریکی ندارد. اما در مواد فلزی، اتم‌ها به علت وجود پیوند فلزی، درون دریایی از الکترون‌ها شناورند؛ به همین علت فلزات رسانای الکتریسیته هستند. پس نوع پیوند بین اتم‌ها و عناصر موجود در ماده، یک عامل تعیین‌کننده‌ی خاصیت آن محسوب می‌شود. اما تنها دانستن این مورد کافی نیست.

۲-۳- ساختار مواد

شاید مثال الماس و گرافیت، ذهن شما را مشغول کرده باشد که چه چیزی موجب تفاوت خواصشان شده است. این دو که هم از عنصر یکسان تشکیل شده‌اند، هم اتم‌هایشان توسط پیوند شیمیایی یکسان (کوالانسی) به یکدیگر متصل شده‌اند. تفاوت در چیست؟ در الماس اتم‌های کربن از هر چهار جهت با سایر اتم‌های کربن پیوند کوالانسی دارند و شبکه‌ای سه بعدی مستحکمی را تشکیل داده‌اند (شکل ۲-الف). در گرافیت اتم‌های کربن از سه جهت (در یک صفحه) به یکدیگر متصل شده‌اند، به گونه‌ای که هر صفحه حاوی شش ضلعی‌های به هم پیوسته است (شکل ۲-ب)، در نهایت با روی هم قرارگرفتن این صفحات، گرافیت شکل می‌گیرد. قابل ذکر است که بین این صفحات پیوند کوالانسی وجود ندارد و نیروی جاذبه‌ی بسیار ضعیف‌تری، آنها را کنار یکدیگر قرار داده است. بنابراین گرافیت به اندازه‌ی الماس استحکام ندارد، به گونه‌ای که صفحات آن در یک جهت می‌توانند با اعمال مقدار اندکی نیرو روی یکدیگر بلغزند.

شکل ۲: الف) ساختار الماس و ب) ساختار گرافیت.

با توضيحاتي كه در رابطه با تفاوت‌ ساختار گرافيت و الماس ارائه شد مشخص مي‌‌گردد كه دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور كه ديديد ساختار مواد به همراه مشخص كردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشكيل‌دهنده‌، تأثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني كرد. هم‌چنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود.

۳-۳- ریزساختار مواد

در بسیاری از موارد، تنها دانستن ساختار ماده برای پیش‌بینی خواص آن کافی نیست. برای مثال با آگاهی از اینکه گرافیت در یک جهت دارای پیوندهای کوالانسی است و در جهت عمود به صفحات، پیوند کوالانسی ندارد، این تصور به ذهن می‌رسد که گرافیت در یک جهت سختی داشته باشد و در جهت دیگر به راحتی روی کاغذ کشیده شود. اما همواره مشاهده کرده‌اید که با گرفتن مداد در جهت‌های مختلف، باز هم گرافیت به راحتی به کاغذ منتقل می‌شود. علت چیست؟

در واقع اگر نگاه میکروسکوپی به مغز مداد داشته باشیم خواهیم دید که توده‌ی گرافیت، یکپارچه و منظم نیست؛ بلکه متشکل از دانه‌های گرافیت مستقل از هم است که هر یک جهت‌گیری متفاوتی نسبت به دیگری دارد. به عبارت دیگر در هر دانه گرافیت لایه‌های متشکل از اتم‌های کربن به صورت کاملا منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. با این وجود، این لایه‌های منظم در دو دانه مجاور به یکدیگر دارای یک زاویه نسبت به یکدیگر می‌باشند. در مرز دو دانه ناحیه‌ای به نام مرزدانه یافت می‌شود که برخلاف دانه‌ها دارای نظم اتمی نیست. بنابراین هميشه بخش‌هايي وجود دارند كه دارای زاويه و جهت مناسب براي حركت و كنده شدن صفحات گرافیت هستند، که ما بدون نگراني از جهت و زاويه‌ی قرار گرفتن مداد مي‌توانيم به راحتی بنویسیم یا طراحی کنیم. پس در تعیین خواص مواد باید علاوه بر موارد گفته شده، به ریزساختار مواد نیز توجه داشته باشیم.

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در این مقاله مروری بر مفهوم ماده، خاصیت ماده و انواع آن شد. به‌طور کلی ماده دارای خواص فیزیکی و خواص شیمیایی است. عوامل تعیین‌کننده‌ خاصیت ماده نیز به‌طور مختصر معرفی شدند. اين عوامل عبارت بودند از عناصر و پیوندهای شیمیایی موجود در ماده، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به‌طور ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يك شهر بدانيم. اگر عناصر تشكيل‌دهنده‌ مواد به صورت مصالح به كار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد (كه چگونگي قرارگرفتن عناصر در كنار يكديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌كند) به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار مواد(كه چگونگي كنار هم قرار گرفتن ساختار ميكروسكوپي را معين مي‌كند) به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته شوند. با اين تشبيه خصوصيات يك شهر نه تنها به مصالح(تركيب شيميايي به كار رفته در آن) بلكه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و مدل شهرسازي(ريزساختار) نيز وابسته خواهد بود.

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

۵- مراجع

[1]. Michael F. Ashby, David R. H. Jones. “Engineering Materials 1, An Introduction to Properties, Applications and Design”.ed 4^th.

[2]. www.nature.com

[۳]. کتاب مجموعه مقالات باشگاه نانو.