عنوان	صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه ای بر فناوری نانو	2
1-2- ضرورت انجام تحقیق	5
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده و مباحث تئوری
2-1-  دانش کلوئیدها	8
2-2-  تاریخچه	10
2-3-  سل، ژل و پودر	12
2-4- شیمی سیلیکا	13
2-4-  خواص شیمیایی و فیزیکی سیلیکا	17
2-6-  ژل شدن، کوآگولاسیون، فلوکولاسیون  و کوآسرویشن	18
2-7-  هسته زایی، پلیمریزاسیون و رشد سیلیکا	21
2-8- روش های تولید صنعتی	22
2-8-1-تولید پلی سیلیسیک اسید	24
2-8-2- روش سل – ژل	25
2-8-3- تئوری روش سل – ژل	26
2- 9- پایداری سل سیلیکا	31
2-10- کاربردهای سل سیلیکا	34
2-11- معایب روش مرطوب	35
2-12- روش های تف زاد	35
2-13- خواص منحصر به فرد سیلیکا	37
2-14- کاربردهای سیلیکا	38
2-14-1- بهبود خواص مكانیكی	38
2-14-2- افزودنی جهت جریان پذیری	39
2-14-3-كاربردهای آن به عنوان حمل كننده	40
2-14- 4- کاربرد به دلیل تاثیرات سطحی	41
2-14-5- استفاده به عنوان رنگدانه	41
2-15-6- استفاده به دلیل خواص الکتریکی	41
2-14-7- استفاده به عنوان جاذب	42
2-14-8- استفاده به عنوان کاتالیزور	42
2-14-9- استفاده های دیگر	42
2-14-10- مصرف جهانی	45
فصل سوم: روش تحقیق
3-1- مقدمه	52
3-2- ساخت نانو ذرات سیلیکون دی اکسید SAS به روش آئروسل از ضایعات روغن سیلیکون  و ارگانو سیلان ها	52
3-2-1- روش تف زاد	52
3-2-2- مراحل آزمایش	53
3-2-3- طراحی و ساخت سیستم	54
3-2-3-1- اجزای دستگاه	55
3-2-3-1-1- سیستم پمپاژ روغن سیلیکون ضایعاتی	55
3-2-3-1-2- فیلتر	56
3-2-3-1-3- پمپ	56
3-2-3-1-4- روتامتر	58
3-2-3-1-5- مشعل	60
3-2-3-1-6- محفظه احتراق	61
3-2-3-1-7- نظیف کننده مرطوب	62
3-2-4- مواد روش تف زاد	63
3-2-4-1- شیمی سیالات سیلیکونی	63
3-2-5- شرح آزمایش	68
3-2-6- روش کار	68
3-3- 6- سنتز سیلیکا به روش سل –  ژل از طریق هیدرولیز TEOS	70
3-3-1- مواد روش سل – ژل	70
3-3-2-لوازم مورد استفاده روش سل – ژل	70
3-3-3- روش کار سل – ژل	70
فصل چهارم: بحث و نتایج
4-1- مقدمه	74
4-2- تاثیر دما در روش تف زاد	74
4-4- تاثیر غلظت ماده اولیه در روش تف زاد	79
4-5- تاثیر مایع نظیف کننده در روش تف زاد	83
4-2- بررسی نتایج روش سل – ژل	85
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- نتیجه گیری	91
5-2- پیشنهادات	92
5-2-1- روش تف زاد	92
5-2-2- روش سل – ژل	92
منابع	94

فهرست جداول
 

 

 

 

 

 

 

 

شماره و عنوان	صفحه
جدول (2-1). خواص شیمیایی و فیزیکی سیلیکا	17
جدول (2-2). کاربردهای SAS به عنوان ماده رئولوزیک	40
جدول (2-3). کاربردهای SAS در نیم کره جنوبی در سال 1990	44
جدول (4-1). نتایج تغییرات اندازه  بر حسب دما	78
جدول (4-2). نتایج تغییرات اندازه  بر حسب غلظت	82

فهرست شکل ها و تصاویر
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شماره و عنوان	صفحه
شکل (2-1). ساختار کریستالی و آمورف سیلیکا	9
شکل(2-2). روش های نشان دادن همسایگی اتم های اکسیژن و سیلیسیوم (a) مدل گوی و میله (b) مدل جامد © مدل شبکه ای (d) مدل فضایی	13
شکل (2-3). (a) سل (b) ژل © رسوب و توده شده	19
شکل (2-4). تشکیل سل، ژل و پودر سیلیکا از منومر	21
شکل (2-5). مدل لامر و دینگار	28
شکل (2-6). تاثیر زمان بر اندازه ذرات	29
شکل (2-7). تاثیر دما بر اندازه ذرات	30
شکل (2-8). تاثیر سرعت افزودن ماده اولیه بر اندازه  ذرات	30
شکل (2-9). فلوچارت روش کلوئید سازی	31
شکل (2-10). فلوچارت روش خنثی سازی توسط اسید جهت تهیه سل سیلیکا	32
شکل (2-11). فلوچارت روش تبادل یونی برای تولید سل سیلیکا	32
شکل (2-12). تصاویر میکروسکوپ الکترونی سل سیلیکای تولید شده به روش سل – ژل	33
شکل (2-13). شماتیک تولید صنعتی سیلیکا بروش  تف زاد	37
شکل (2-14). کاربردهای SAS در حوزه های گوناگون	38
شکل (2-15). افزایش کششی در دمای اطاق برای فیلرهای مختلف در لاستیک سیلیکون	39
شکل (2-16). مصرف SAS در سال 2000 میلادی در اروپا	45
شکل (2- 17). شماتیک روش مادلر	47
شکل (2-18). تصاویر SEM از نانو ذرات سیلیکا تصاویر a  و b بدون گروه های عاملی و تصاویر c و d با گروه های عاملی	48
شکل (3-1). فیلتر روغن سیلیکون	56
شکل (3-2). نمودار مشخصه پمپ	57
شکل (3-3). پمپ مدل AN47	58
شکل (3-4). روتامتر	59
شکل (3-5). نازل مشعل	60
شکل (3-6). دریچه تنظیم هوا و نازل سوخت	61
شکل (3-7). محفظه احتراق در حال ساخت	62
شکل (3-8). شماتیک سیستم نظیف کننده مرطوب	63
شکل (3-9). اسکلت کربن- کربن	65
شکل (3-10). دستگاه اندازه گیری نقطه اشتعال	69
شکل (3-11). حمام آب گرم	71
شکل (4-1). تاثیر دما:˚C  600 ، اندازه  نانوذرات 4/13 نانومتر	75
شکل (4-2). تاثیر دما: ˚C800 ، اندازه  نانوذرات 3/10 نانومتر	75
شکل (4-3). تاثیر دما: ˚C900 ، اندازه  نانوذرات 5/9 نانومتر	76
شکل (4-4). تاثیر دما: ˚C 1000 ، اندازه  نانوذرات 2/9 نانومتر	76
شکل (4-5). تاثیر دما: ˚C 1200 ، اندازه  نانوذرات 5/15 نانومتر	77
شکل (4-6). تاثیر دما: ˚C 1300 ، اندازه  نانوذرات 2/55 نانومتر	77
شکل (4-7). نمودار  تغییرات اندازه  بر حسب دما	78
شکل (4-8). نمودار غلظت 2 میلی لیتر در دقیقه در دمای 1000 درجه سانتی گراد اندازه  2/9 نانومتر	80
شکل (4-9). نمودار غلظت 4 میلی لیتر در دقیقه در دمای 1000 درجه سانتی گراد، اندازه 2499 نانومتر	80
شکل (4-10). نمودار غلظت 6 میلی لیتر در دقیقه در دمای 1000 درجه سانتی گراد، اندازه  3750 نانومتر	81
شکل (4-11). نمودار غلظت 8 میلی لیتر در دقیقه در دمای 1000 درجه سانتی گراد، بای مودال	81
شکل(4-12). نمودار تغییرات اندازه  بر اساس دبی روغن سیلیکون	82
شکل (4-13). مایع نظیف کننده آّب است، اندازه  ذرات 2/9 نانومتر	83
شکل (4-14). مایع نظیف کننده تتراکلرید کربن است، اندازه  ذرات 2/6 نانومتر	84
شکل (4-15). نمونه های تولید شده در ابعاد میکرون	85
شکل (4-16). شروع تشکیل ژل	86
شکل (4-17). ژل تشکیل شده	87
شکل (4-18). ژل آماده سازی شده جهت خشک شدن و تبدیل به زروژل شدن	87
شکل(4-19). ژل در حال خشک شدن	88
شکل(4-20). زروژل خشک شده	88
شکل (4-21). تصویر TEM زروژل	89

مقدمه
 
 

• مقدمه ای برفناوری نانو

 
فناوری نانو  رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی این رویکرد مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی (عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک) از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو ، فناوری زیستی[1] و فناوری اطلاعات[2] سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند [1] نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
بر اساس رتبه بندی پایگاه اینترنتی استیت نانو[3] ایران با رتبه 8 در تولید علم نانو، کم ترین سهم را در ‏مشارکت تولید علم در علوم نانو در سال 2012 میلادی داشته و بعد از آن به ترتیب چین، هند، تایوان و کره جنوبی قرار دارند و عربستان سعودی با انتشار 910 مقاله علمی بیشترین میزان مشارکت جهانی را در این حوزه داشته است.
به گزارش خبرگزاری مهر، پایگاه اینترنتی استیت نانو‎‏ در گزارشی سهم مشارکت کشورها در تولید علوم نانو را بر اساس شاخص همکاری بین‌المللی بررسی کرده است. ‏مطابق این گزارش همکاری بین‌المللی، راهبردی برای تسهیل شرایط جهت رسیدن به اهداف علمی است.
برای بررسی این شاخص، سایت‎ استت نانو ‎با یک عبارت جستجوی ویژه و با بهره گرفتن از بانک اطلاعات[4]، مقالات نانوی کشورهای ‏مختلف و میزان همکاری آنها را در سال 2012 استخراج کرده که نتایج آن در فهرستی که بر روی سایت منتشر شده، آمده است‎. ‏30 کشور اول جهان از نظر تعداد مقالات[5]تقریبا 82 درصد علوم‌نانو را در سال 2012 تولید کرده‌اند.
در این فهرست، چین رتبه اول و آمریکا در مقام دوم قرار دارد. هر ‏چند چین بیشترین تعداد مقالات را در سال 2012 تولید کرده است اما یکی از کم ترین مشارکت‌ها را در میان 30 کشور اول داشته است، به طوری که در میان 96 کشور ‏جهان از نظر مشارکت با 7/19 درصد مشارکت رتبه 93 را به خود اختصاص داده است.
آمریکا نیز با 1/41 درصد، رتبه 83 را کسب کرده است. کره جنوبی که رتبه چهارم ‏را در تولید علم نانو دارد در بخش مشارکت با 9/30 درصد مشارکت رتبه 88 جهان را اشغال کرده است. بر این اساس کشورهای برتر در تولید علم، برای تولید علم ‏کمتر به مشارکت می‌پردازند در حالی که کشورهای ضعیف‌تر، تمایل بیشتری به همکاری دارند. در میان 30 کشور اول تولید کننده علم همچنین، ایران با رتبه 8 در تولید علم نانو، کم ترین سهم را در ‏مشارکت (3/17 درصد) داشته و بعد از آن به ترتیب چین، هند، تایوان و کره جنوبی قرار دارند.‏
وجود مراکز تحقیقاتی مجهز و معتبر، موقعیت جغرافیایی، مجاورت جغرافیایی دو کشور و سابقه تاریخی تعامل کشورها می‌تواند به عنوان پارامترهای ‏موثر در مشارکت در زمینه تولید علوم نانو، به شمار آیند. به عنوان مثال در هر قاره یک یا چند کشور پیشرو در عرصه نانو وجود دارند که کشورهای دیگر آن ها را به عنوان ‏همکار پروژه‌های تحقیقاتی خود انتخاب می‌کنند. همچنین سهولت رفت و آمد، نزدیک بودن فرهنگ و مشترکات فرهنگی و اجتماعی از جمله مزایای همکاری با یک ‏کشور همسایه است. مصداق بارز این موضوع در کشور آذربایجان دیده می‌شود که به دلیل همسایگی با ایران بیشترین همکاری را با ایران دارد.
به نظر می‌رسد درصورتی‌که مسیر همکاری ایران با کشورهای دیگر هموار شود، ایران آمادگی مشارکت در تولید علوم نانو با دیگر کشورها را دارد. مصداق بارز این ‏موضوع کشور مالزی است که در سال‌های گذشته همکاری قابل توجهی با ایران داشته است. مالزی قوانین و مسیر تبادل دانشجو با ایران را هموار کرده است؛ ‏به‌طوری‌که مقصد تعداد زیادی از دانشجویان ایرانی شده است. این امر موجب شده تا ایران اولین گزینه مشارکت برای مالزی در تولید علوم نانو باشد [2] و از این رو اهمیت این رشته در کشور بارز می گردد و امید است که ایران بتواند رتبه خود را ارتقا دهد.
از دید تاریخی در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست [1] و در دوران جدید اولین بار ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1965 و یکی از مشهورترین فیزیکدان های دهه 60 میلادی که ملقب به پدر نانو فناوری است، در سال 1960 در همایش جامعه فیزیک آمریکا طی سخنرانی، پیش بینی انقلابی و جذابی را بیان کرد. وی گفت که فضای زیادی در پایین وجود دارد. همین مطلب پایه علم نانو فناوری شد، وی در آن سخنرانی این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک چیزی جز امکان ساختن اتم به اتم اشیاء را بیان نمی کنند. فاینمن پیشنهاد کرد که می توان اتم های مجزا را دستکاری کرده تا مواد و ساختارهای کوچکی تولید نمود که خواص متفاوتی داشته باشند [3].
واژه فناوری نانو، اولین بار در سال 1974 توسط نوریو تانیگوچی  استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که ابعاد آن ها در حد نانومتر می باشد، به کار برد. پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است. معادل لاتین این کلمه، دوارف[6] که به معنی کوتوله و قد کوتاه است.
دو تعریف استاندارد را می توان برای فناوری نانو ارائه داد که عبارتند از :

1. به طراحی، تعیین ویژگی ها، تولید و کاربرد مواد، ابزار آلات و سیستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو می گویند [1، 3].
2. به دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو می گویند و هدف آن تولید مواد، ابزار و سیستم هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردهای جدید می باشدپس علم نانو علمی برای زندگی است [1، 4].

یک نانومتر (nm) یک میلیاردم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصله میان دو اتم بازه 12/0 تا 15/0 نانومتر به کار می‌رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی‌ان‌ای نزدیک به ۲ نانومتراست و از سوی دیگر کوچک‌ترین باکتری سلول‌دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازه یک نانومتر نسبت به متر، سنجشی انجام دهیم می‌توانیم اندازه آن را مانند اندازه یک تیله شیشه ای به کره زمین بدانیم یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازه رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد [4].
شاخه های اصلی که می‌توان به عنوان زیر را شاخه‌های بنیادین فناوری نانو دانست عبارتند از:

• نانو روکش ها
• نانو مواد
• نانو پودرها
• نانو لوله ها(نانو تیوب‌ها)
• نانو کامپوزیت‌ها
• مهندسی مولکولی
• موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)
• نانو الکترونیک
• نانو سیم‌ها
• نانو حسگرها
• نانو ترانزیستورها
• نانو مواد نرم
• لیپید نانوفناوری
• نانو مکانیک
• نانو سیالات
• نانو لیتوگرافی

در دو دهه اخیر، پیشرفت های شایانی در فناوری تجهیزات و مواد با ابعاد بسیار كوچك به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده كه تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد كرد ، پیش می رود. فناوری و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل، اندازه گیری ها و تولیداتی سروكار خواهد داشت كه چنین ابعاد مادون ریزی دارند. درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولكول قابل طراحی و كنترل است. همچنین خواص مكانیكی، شیمیایی، الكتریكی، مغناطیسی، نوری مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحلیل و سنجش است. فناوری درقرن گذشته در هر چه ریزتر كردن دانه های بزرگ تر پیشرفت چشمگیری داشت، بطوری كه به مزاح گفته شد كه دیگر كشف ذرات ریز اتمی[7] نه تنها جایزه نوبل ندارد، بلكه به آن جریمه هم تعلق می گیرد! تكنولوژی نو درقرن حاضر مسیر عكس را طی می كند، یعنی مواد مادون ریز را باید تركیب كرد تا دانه های بزرگ تر كارآمد به وجود آورد.
این همان روشی است كه طبیعت برای تولید كردن انجام می دهد. مجموعه های طبیعی، تركیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقیقات در فناوری های مادون ریز هم اكنون در درمان بیماری ها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است. موارد بسیاری در مرحله تحقیقات كاربردی و آزمایشی است. اكنون ساخت رایانه های بسیار كوچك تر و میلیون ها بار سریع تر در دستور كار شركت های تحقیقاتی قرار دارد.
در بیانی كوتاه فناوری نانو یک فرایند تولید مولكولی است. همانطور كه طبیعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روی هم مونتاژ كرده است، ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد كه هر چه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا كنیم. البته منظور این نیست كه چند هسته از مواد راپیدا كنیم و با رساندن انرژی و خوراك پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم كه شهری را برق دهد. بلكه برای تركیب و تكامل خودكار تولیدات مادون ریز كه به نحوی در مجموعه های بزرگ تر مصرف دارد، راهی بیابیم. در اندازه های مادون ریز، روش ها و ابزارآلات متعارف فیزیكی مانند تراشیدن و خم كردن و سوراخ كردن جوابگو نیستند و برای ساختن ماشین های ملكولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال كرد. 
با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژن ها و DNA كه ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به فناوری مادون ریز، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد. تولید مواد جدید، گیاهان، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشكالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با تركیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیت های متفاوت بوجود خواهد آمد. آینده علوم و مهندسی كه چندین گرایشی[8] است، به طرف تولید ماشین های مولكولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های كارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسان ها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت. از بیماری، پیری، درد ستون فقرات، كم حافظه ای رنج نخواهند برد. قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آن ها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد. در هزاره های آینده انسان های طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از این همه درد و ناراحتی كه اجداد آن ها در هزاره های قبل كشیده اند، متعجب و متاثر خواهند بود.
اكنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم، دانشگاه ها و مراكز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهش های فناوری مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسل های آینده تحویل دهیم و در تشكل های جدید هستی سهمی داشته باشیم. باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شكوهمند و معجزه آسای اندیشه بشر را دریابیم و از كوتاه بینی و افكار فرسوده موروثی فاصله بگیریم. این تكنولوژی جدید توانایی آن را دارد كه تاثیری اساسی بر كشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد.
انتظار می رود كه مقیاس نانومتر به یک مقیاس با كارایی بالا و ویژگی های منحصر بفرد تبدیل شود، تا در زمینه هایی که روش شیمی سنتی پاسخگو نیست، از این مقیاس بهره گرفته شود. فناوری نانو می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادی ها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع، طی 10 تا 15 سال آینده شود و بعلاوه، مراقبت های بهداشتی، طول عمر، كیفیت و توانایی های جسمی بشر را نیز افزایش خواهد داد [5].
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متكی به فناوری نانو خواهد بود كه این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .

• كاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای كاربردهای فراوانی هستند كه پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد [5].