فصل اول – مفاهیم اولیه

مقدمه………………………………….. 2

1-1 شاخه‌های فناوری نانو………………………………… 2

1-2 روش‌های ساخت نانوساختارها………………………………… 3

1-3 کاربردهای نانوساختارها………………………………… 4

1-4 مواد نانومتخلخل………………………………….. 5

1-5 کامپوزیت‌ها …………………………………10

1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازه…………………………………. 10

1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتی………………………………….. 11

1-5-3 مواد زمینه کامپوزیت…………………………………… 11

1-5-4 تقویت‌کننده‌ها …………………………………12

1-5-5 نانوکامپوزیت…………………………………… 12

1-6 خلاصه…………………………………. 13

فصل دوم – آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی

2-1 تاریخچه…………………………………. 15

2-2 شیمی سطح آئروژل………………………………….. 16

2-3 تئوری فیزیکی………………………………….. 19

2-4 خاصیت مغناطیسی مواد…………………………………. 19

2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی مواد…………………………………. 19

2-4-2 فازهای مغناطیسی………………………………….. 20

2-4-2-1 مواد دیامغناطیس……………………………………. 20

2-4-2-2 مواد پارامغناطیس……………………………………. 21

2-4-2-3 مواد فرومغناطیس……………………………………. 21

2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس……………………………………. 22

2-4-2-5 مواد فریمغناطیس……………………………………. 23

2-4-5 حلقه پسماند………………………………….. 24

2-5 فریت…………………………………… 27

2-6 خلاصه…………………………………. 27

فصل سوم – ساخت آئروژل و کاربردهای آن

مقدمه…………………………………. 29

3-1 سنتز آئروژل با فرایند سل-ژل……………………………..29

3-2 شکل‌گیری ژل خیس……………………………………. 32

3-3 خشک کردن آلکوژل………………………………….. 33

3-3-1 فرایند‌های خشک‌کردن در شرایط محیط………………………. 34

3-3-2 خشک­کردن انجمادی………………………………….. 35

3-3-3 خشک کردن فوق بحرانی………………………………….. 35

3-3-4 مقایسه روش‌ها………………………………… 38

3-4 مروری بر کارهای انجام شده…………………………………. 39

3-5 برخی از کاربردهای آئروژل…………………………………43

3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیت…………………………………… 43

3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذب…………………………………… 44

3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگر…………………………………. 44

3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایین……………….. 45

3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزور…………………………………. 45

3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازی………………………………….. 45

3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالب…………………………………… 46

3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرما …………………………………46

3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضایی………………………………….. 47

3-6 خلاصه…………………………………. 47

فصل چهارم – سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت

مقدمه…………………………………. 49

 

 

4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش……………………………………. 50

4-2 روش تجربی و جزئیات…………………………………… 51

4-3 تجزیه و تحلیل………………………………….. 54

4-3-1 بررسی مورفولوژی سطح………………………………….. 54

4-3-2 مطالعه نانو ساختاری نانوکامپوزیت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش XRD……………….

4-3-3 بررسی خواص شیمیایی نانوکامپوزیت 2/ SiO4O2CoFe به کمک روش FT-IR…………..

4-3-5 تصویربرداری TEM…………………………………….

4-3-6 بررسی آنالیز BET…………………………………..

4-3-7 بررسی رفتار مغناطیسی با دستگاه VSM…………………………………….

4-4 خلاصه…………………………………. 77

نتیجه‌گیری………………………………….. 78

پیشنهادات……………………………………. 81

مراجع…………………………………. 82

چکیده:

آئروژل‌ها مواد متخلخلی هستند که حفره‌های نانو‌متری آن‌ ها در مقیاس مزو یا میکرو می‌باشد. چگالی پایین، تخلخل و سطح در معرض داخلی بالا از دیگر ویژگی‌های این مواد می‌باشد.   

در این پژوهش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ نانوذرات فریت کبالت به روش سل-ژل آماده ­سازی و تحت فرایند فوق بحرانی خشک شد. بدین منظور نیترات آهن( ) 9 آبه و نیترات کبالت( ) 6 آبه در حلال‌هایی چون متانول و آب دیونیزه حل شده و به پیش­ماده سیلیکا اضافه و قرار دادن این محلول بر روی همزن مغناطیسی به شکل گیری سل یکنواختی منجر ‌شد. پس از گذشت زمان معین و انجام عمل هیدرولیز، ژل بدست آمده در دستگاه خشک کن فوق بحرانی قرار داده­شد و در نهایت گاز جایگزین مایع موجود در نمونه­ها گردید و آئروژل نهایی حاصل شد.

به منظور بررسی نمونه­های تولید شده از نقطه نظر ساختاری، مورفولوژی و خواص مغناطیسی به تحلیل داده‌های حاصل از آنالیزهای SEM، TEM، XRD ،FT-IR ،BET و VSM پرداخته شد. همانگونه که انتظار می‌رفت این نانو کامپوزیت ضمن حفظ ویژگی­های سیلیکا- آئروژل از جمله تخلخل بالا و چگالی پایین رفتار فرومغناطیس نانوذرات را نیز داشت.

فصل اول: مفاهیم اولیه

مقدمه:

از اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.

در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد كم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلكه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شده­است. وقتی كه ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتی­متر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کم­تر كاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].

1-1- شاخه های فناوری نانو

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهم­ترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و می­توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعه ­ای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].

2-1- روش های ساخت نانوساختارها

تولید و بهینه­سازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق[1] وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرایند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرایندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرایند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست . مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی[2] و رشد خود به خودی[3]. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:

–  چگالش بخار

–  سنتز شیمیایی

–  فرایندهای حالت جامد (خردایشی)

–  استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی

–  استفاده از امواج ماكروویو و امواج مافوق صوت

–  استفاده از باكتری‌هایی كه می­توانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید كنند

پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع كاربرد آن‌ ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روكش­دهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده كرد [7].

3-1- کاربردهای نانوساختارها

یکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با بهره گرفتن از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشم­گیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ ها را بالا برده و واکنش آن‌ ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.

با بهره گرفتن از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشه­ها، عمر آن‌ ها را نیز چندین برابر نموده­است .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوشش ­های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با بهره گرفتن از نانوذرات تولید شده‌اند.

وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین[1] مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.

نانوذرات نیز به عنوان پیش­ماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرار گرفته‌اند. هاروتا[2] و تامسون[3] اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].

4-1- مواد نانومتخلخل

مواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی[1] زیاد،  گزینش­پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی[2]، جدا کننده[3]، کاتالیزور، حس‌گر، غشا[4] و مواد عایق استفاده می‌شود.

نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم كل ماده‌ تخلخل[5] نامیده می­ شود. به موادی كه تخلخل آن‌ ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل[6] می‌گویند. حفره‌ای كه متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز[7] نام دارد كه برای صاف كردن غشا، جداسازی[8] و كاربردهای شیمیایی مثل كاتالیزور و كروماتوگرافی[9] (جداسازی مواد با بهره گرفتن از رنگ آن‌ ها) مناسب است. به حفره‌ای كه دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته[10] می‌گویند كه وجود آن‌ ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و كاهش وزن ماده شده و در كاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشكال گوناگونی همچون كروی، استوانه­ای، شیاری، قیفی شكل و یا آرایش شش گوش[11] هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].

بر اساس دسته­بندی که توسط آیوپاک[12] صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیم ­بندی می­شوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:

الف) دسته بندی بر اساس اندازه­ حفره:

– میكرومتخلخل[13]: دارای حفره­هایی با قطر كمتر از 2 نانومتر.

– مزومتخلخل[14]: دارای حفره­هایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.

– ماكرومتخلخل:[15] دارای حفره­هایی با قطر بیش از 50 نانومتر.

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه[1]، حفره‌های کور[2]، حفره‌های بسته[3] و حفره‌های متصل به هم[4] که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده ­شده است.

بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل[1] را برای موادی كه دارای حفره­هایی با قطر كمتر از 100 نانومتر هستند به كار می‌برند كه ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در كاربردهای شیمیایی است.

[1] Nanoporous

4 Closed pores

5 Inter-Connected pores

[1] Permeability

[2] Ion Exchanger

[3] Separator

[4] Membrane

[5] Porosity

[6] Porous

[7] Open Pore

[8] Filteration

[9] Chromatography

[10] Closed Pore

[11] Hexagonal

8 IUPAC

[13] Microporous

[14]Mesoporous

1 Microporous

2 Passing pores

3 Dead end pores

[1] Martin