نانوذرات فلزی

۱- مقدمه

نانوذرات فلزی امروزه در کاربردهای مختلفی مورد توجه قرار گرفته‌اند. نانوذراتی همچون طلا، نقره، مس و آلومینیوم با دارا بودن خواص ویژه، در زمینه‌های متفاوتی توانسته‌اند بهبود قابل توجهی ایجاد کنند. از مهم‌ترین ویژگی‌های نانوذرات فلزی خواص نوری آنهاست که طبق پدیده‌ای به نام تشدید پلاسمونیک سطحی[۱] حاصل می‌شود. این تشدید پلاسمونیک سطحی به‌ویژه برای فلزات نجیبی همچون طلا و نقره که فرکانس تشدید آنها در فرکانس نور مرئی است اهمیت می‌یابد. در ادامه بیشتر راجع به این پدیده صحبت می‌شود وکاربردهای مختلف نانوذرات فلزی بیان می‌شوند.

۲- تشدید پلاسمونیک سطحی

همانطور که می‌دانید الکترون‌های آزاد در سطح فلزات  می‌توانند به صورت آزادانه حرکت کنند و علت بسیاری از خواص ویژه آنها همچون رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا همین الکترون‌ها هستند.

پلاسمون به نوسان جمعی الکترون‌های رسانش فلزات در اثر پدیده‌های مختلف همچون عبور جریان الکتریکی گفته می‌شود. حال اگر این پلاسمون در سطح ذرات یا سطح فصل مشترک اتفاق بیفتد به آن پلاسمونیک سطحی گفته می‌شود.

اما در نانوذرات فلزی به علت نسبت سطح به حجم بسیار بالا (مخصوصاً در ابعادی مثل زیر ۲۰نانومتر) نوسان جمعی الکترون‌ها بیشتر خودنمایی می‌کند و در فرکانس‌های خاصی پدیده‌ای به نام تشدید (رزونانس) پلاسمونیک سطحی مشاهده می‌شود. این فرکانس‌ها برای نانوذرات فلزی نجیبی همچون طلا و نقره در محدوده فرکانس نور مرئی است و همین امر باعث جذابیت مضاعف این پدیده می‌شود.

در این نانوذرات فلزی، الکترون‌ها به صورت دسته‌جمعی در سطح در حال نوسان هستند. در هنگام برخورد نور (پرتو الکترومغناطیسی) با فرکانسی مشابه با فرکانس نوسان این الکترون‌ها، حرکت همدوسی[۲] در اثر برهمکنش با آن نور شکل می‌گیرد و تشدیدی (رزونانسی) در نوسانشان رخ می‌دهد. در این هنگام گفته می‌شود که تشدید پلاسمونیک سطحی رخ داده است.

اما تشدید پلاسمونیک سطحی چه ارتباطی با خواص نوری فلزاتی همچون طلا و نقره دارد؟

رنگ حاصل از نانو ذرات فلزی همچون بسیاری از مواد دیگر، بر اساس برهمکنش نور با آنها (عبور، جذب و بازتاب) تعیین می‌شود. برای مثال در صورتیکه به این نانوذرات نور سفید که مجموعه‌ای از تمام طول‌موج‌هاست بتابد و نور قرمز و نارنجی جذب شود، این نانوذرات به رنگی متمایل به آبی دیده می‌شوند. دلیل این امر عدم وجود طول‌موج‌های مربوط به نارنجی و قرمز در نور بازتاب شده می‌باشد. در جدول۱ نمایش داده شده است که در صورت جذب هر طول‌موج، جسم به چه رنگی دیده می‌شود[۲و۱].

جدول ۱- رنگ دیده شده از اجسام در اثر بازتاب بعد از جذب طول‌موج‌های خاص توسط آن جسم

در شکل۱ رنگ کلویید نانوذرات طلا در اثر افزایش اندازه آنها نمایش داده شده است.

شکل۱- تغییر رنگ کلویید نانوذرات طلا در اثر افزایش اندازه نانوذرات طلا

مطابق شکل۱ مشاهده می‌شود که با افزایش اندازه نانوذرات طلا، رنگ نانوکلویید طلا از قرمز به سمت آبی میل می‌کند (سایز همه این نانوذرات در محدوده زیر ۵۰ نانومتر است). دلیل این امر جذب و بازتاب نورهای مرئی است که هرچه اندازه نانوذرات طلا افزایش یابد، فرکانس نور جذب شده توسط آنها کاهش می‌یابد (فرکانس رابطه عکس با طول‌موج دارد)، در نتیجه این امر فرکانس نورهای بازتاب شده توسط آن دارای امواجی با فرکانس‌های بیشتر خواهند بود و رنگ دیده شده از فرکانس‌های کمتر(قرمز) به فرکانس‌های بیشتر(آبی) حرکت خواهد کرد.

نور جذب شده در این نانوذرات مربوط به پرتو الکترومغناطیسی با فرکانس مشخص است که باعث ایجاد پدیده تشدید پلاسمونیک سطحی می‌شود. در واقع در این نانوذرات فلزی با افزایش اندازه، فرکانس تشدید پلاسمونیک سطحی کاهش می‌یابد و درنتیجه امواجی با فرکانس کمتر جذب می‌شود. در اثر جذب امواج با فرکانس کمتر نیز رنگ دیده شده دارای امواجی با فرکانس بیشتر خواهد بود. این امر، تغییر رنگ این نانوذرات از قرمز به آبی با بزرگتر شدن آنها را توضیح می‌دهد.

قابل ذکر است که سازوکار مشاهده رنگ در این نانوذرات فلزی کاملاً متفاوت با نقاط کوانتومی نیمه‌هادی است و باید به این اختلاف توجه نمود. همانطور که در شکل۲ نمایش داده شده است، رنگ دیده شده از نقاط کوانتومی بر اساس نشر نور توسط آنها با توجه به گاف انرژی آنها است نه بر اساس بازتاب نور.

شکل۲- رنگ دیده شده از نقاط کوانتومی نیمه‌هادی بر اساس گاف انرژی آنها[۱]

بنابراین برخلاف نانوذرات فلزی که با کوچکتر شدن رنگشان از آبی به سمت قرمز تغییر می‌کند، نقاط کوانتومی نیمه‌هادی رنگشان از قرمز به سمت آبی تغییر می‌کند. دلیل این امر افزایش گاف انرژی در اثر کوچکتر شدن آنهاست.

دلیل این سازوکار متفاوت در مشاهده رنگ از نانوذرات فلزی و نقاط کوانتومی نیمه‌هادی پیوسته بودن نوار انرژی در نانوذرات فلزی و گسسته بودن ترازهای انرژی در نقاط کوانتومی نیمه‌هادی است (این امر در مقاله مربوط به نقاط کوانتومی توضیح داده شده است).

اما اگر همین نانوذرات فلزی ابعادشان همچنان کاهش یابد (با رسیدن به ابعاد تقریبی ۱ نانومتری) گسستگی ترازهای انرژی در آنها دیده می‌شود و با دارا شدن گاف انرژی به یک نیمه‌هادی تبدیل می‌شوند. در این حالت رنگ دیده شده از آنها مشابه توضیحات مربوط به نقاط کوانتومی خواهدشد[۱].

۳- کاربردهای نانوذرات فلزی

نانوذرات فلزی با توجه به خواص نوری، الکتریکی و مغناطیسی ویژه‌ای که دارند کاربردهای بسیار زیادی را در کارهای تحقیقاتی و حتی صنعتی یافته‌اند که در ادامه به بعضی از آنها اشاره می‌شود.

۱-۳- کاربردهایی بر اساس خواص نوری آنها

بسیاری از کاربردهای نانوذرات فلزی به علت خواص نوری آنهاست. در این بین بیشتر از نانوذرات فلزی نجیب طلا و نقره استفاده شده است چرا که محدوده تشدید پلاسمون سطحی آنها در محدوده نور مرئی است.

۱-۱-۳- آشکارسازها و سنسورها

با استفاده از قابلیت تغییر رنگ نانوذرات فلزی در اثر تغییر اندازه، آشکارسازهایی توسعه داده شده‌اند. به‌طور مثال اثبات وجود ملامین در شیر فرآیندی زمان‌بر و هزینه­بر است. با استفاده از نانوذرات کلویید طلا می­توان حضور ملامین را در زمان کوتاه و بدون نیاز به تجهیزات خاصی مشخص کرد. برای این امر مطابق شکل۳ نانوذرات طلا با سیانوریک اسید عاملدار می‌شوند، در ادامه نانوذرات کلویید طلای عاملدارشده با سیانوریک اسید که به رنگ قرمز است وارد شیر می‌شود. اگر ملامین در شیر وجود نداشته باشد، رنگ نانوکلویید قرمز باقی می‌ماند ولی اگر ملامینی در شیر وجود داشته باشد، در اثر پیوند هیدروژنی با سیانوریک اسید باعث به هم پیوستن نانوذرات طلا به یکدیگر می‌شوند. در اثر این به هم چسبیدن اندازه نانوذرات طلا افزایش می‌یابد و تغییر رنگ می‌دهند. درنتیجه در اثر تغییر رنگ نانوذرات طلا در شیر می‌توان به وجود یا عدم وجود ملامین پی برد. تغییر رنگ از قرمز به مشکی در حضور ملامین در شکل 4 نمایش داده شده است[۳].

شکل۳- عامدارسازی نانوذرات طلا با سیانوریک اسید و سپس به هم چسبیدن آنها به علت برهمکنش بین سیانوریک اسید و ملامین[۳]

شکل۴- تغییر رنگ نانوکلویید طلا از قرمز به رنگ‌های تیره در حضور ملامین در شیر[۳]

۲-۱-۳- تغییر رنگ شیشه‌های بناهای مختلف

با مطالعه ترکیبات شیشه‌های قدیمی در کلیساها، مساجد، سایر ابنیای تاریخی و جام‌های شیشه‌ای مشاهده شده است که رنگ‌های مختلف در اکثر آنها در اثر افزودن نانوذرات فلزی همچون طلا و نقره بوده است.

شکل۵- رنگ‌های مختلف در بسیاری از شیشه‌های قدیمی به دلیل افزودن نانوذرات فلزی همچون طلا و نقره بوده است.

۲-۳- کاربردهای الکتریکی نانوذرات فلزی

همانطور که می‌دانید فلزات رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی دارند. در ابعاد نانو نیز در اشکال خاصی همچون نانومواد یک‌بعدی با قطرهای خاصی رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالایی نسبت به حالت بالک آنها گزارش شده است. (البته لزوماً همیشه به این صورت نیست و گاهی اوقات رسانایی نیز کاهش می‌یابد). از جمله این مواد می‌توان به نانوسیم‌های نقره اشاره نمود [۴].

۳-۳- خواص آنتی‌باکتریالی

برای نانوذرات فلزی همچون نقره قدرت آنتی باکتریالی بسیار قوی مشاهده شده است. نانوذرات نقره به وسیله دو مکانیزم مختلف باعث از بین رفتن باکتری‌ها می‌شوند (و البته سایر میکروارگانیزم‌ها). توضیحات بیشتر در این باره در بخش کاربردها داده شده است. نکته‌ای که در این زمینه باید رعایت شود، بحث ایمنی این نانوذرات است. چراکه این نانوذرات برای بدن انسان و سایر موجودات زنده مضر هستند و می‌توانند باعث آسیب به سلول‌ها شوند و نیاز است تا با توجه به کاربرد، تدابیر لازم در استفاده از آنها اندیشیده شود. همین امر استفاده از آنها را در بسیاری از کاربردها محدود ساخته است.

۴-۳- کاربردهای مغناطیسی نانوذرات فلزی

در نانوذرات فلزی مشاهده شده است که به دلیل نسبت سطح به حجم بالا در آنها و وجود پیوندهای شکسته شده فراوان در سطح خاصیت مغناطیسی از خود نشان می‌دهند. این در حالی است که بسیاری از این نانوذرات فلزی در حالت بالک از خود خاصیت مغناطیسی نشان نمی‌دهند. دلیل این امر عدم جفت‌شدگی اسپین‌های الکترونی در حالت نانو به دلیل وجود پیوندهای شکسته شده فراوان است. علاوه بر این امر در نانوذرات فلزی در صورت رسیدن به اندازه‌های بحرانی (تک‌حوزه شدن و سپس سوپرپارامغناطیس شدن)، می‌توان به یک سوپرپارامغناطیس رسید. توضیحات مربوط به سوپرپارامغناطیس‌ها در بخش خواص مغناطیسی داده شده است [۵].

۵-۳- نانوکاتالیزورها

نانوذرات فلزی کاتالیزورهای بسیار مناسبی برای بسیاری از صنایع هستند. برای مثال می‌توان به نانوذرات پلاتین در پیل‌های سوختی اشاره کرد که باعث افزایش کارایی قابل توجهی می‌شوند. این نانوذرات فلزی با دارا بودن سطح به حجم بسیار بالا، باعث تسریع قابل توجهی در واکنش‌ها می‌شوند [۶].

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

همانطور که بیان شد نانوذرات فلزی با توجه به نسبت سطح به حجم بسیار بالا و خواص ذاتی که دارند از خود ویژگی‌های منحصربه‌فرد نوری، الکتریکی و مغناطیسی نشان می‌دهند. خواص نوری این نانوذرات به دلیل پدیده پلاسمونیک سطحی است که تعیین‌کننده رنگ نانوذرات می‌باشد. با استفاده از ارتباط رنگ نانوذرات فلزی و اندازه‌شان می‌توان از خواص سنسوری آنها در موارد مختلفی استفاده نمود. هم‌چنین از این نانوذرات فلزی مثل نانوپلاتین به عنوان یک نانوکاتالیست بسیار قوی یاد می‌شود. هم‌چنین از دیگر کاربردهای نانوذرات فلزی می‌توان به خواص سوپرپارامغناطیس، افزودنی رنگی به شیشه، آنتی باکتریال و رسانای الکتریکی و حرارتی بسیار قوی یاد کرد.

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

۵- مراجع

[1].Guozhong, Cao. Nanostructures and nanomaterials: synthesis, properties and applications. World scientific, 2004.

[2]. Sun, Jie, et al. "Large-scale nanophotonic phased array." Nature 493.7431 (2013): 195.

[3]. Ai, Kelong, Yanlan Liu, and Lehui Lu. "Hydrogen-bonding recognition-induced color change of gold nanoparticles for visual detection of melamine in raw milk and infant formula." Journal of the American Chemical Society 131.27 (2009): 9496-9497.

[4]. Lee, Jinhwan, et al. "Very long Ag nanowire synthesis and its application in a highly transparent, conductive and flexible metal electrode touch panel." Nanoscale 4.20 (2012): 6408-6414.

[5]. Chen, Hao Ming, and Ru-Shi Liu. "Architecture of metallic nanostructures: synthesis strategy and specific applications." The Journal of Physical Chemistry C 115.9 (2011): 3513-3527.

[6]. Shao-Horn, Y., et al. "Instability of supported platinum nanoparticles in low-temperature fuel cells." Topics in catalysis 46.3-4 (2007): 285-305.

[1] Resonance surface plasmon

[2] Coherent