شیمی نانومواد
شیمی نانومواد به مطالعه سنتز، ساختار و خواص وابسته به اندازه مواد با حداقل یک بعد در محدوده نانومتر میپردازد، جایی که محصورشدگی کوانتومی و نسبت سطح به حجم بسیار بالا، رفتاری متمایز از حالت تودهای ایجاد میکند.
Definition
شیمی نانومواد مطالعه چگونگی کنترل اندازه، شکل و شیمی سطح مواد در مقیاس نانو از طریق سنتز و چگونگی ایجاد خواصی — نوری، الکترونیکی و کاتالیزوری — است که با خواص جامد تودهای متناظر متفاوت است.
Scope
این حوزه اصول شیمیایی ماده در مقیاس نانو را پوشش میدهد: نقاط کوانتومی و نانوبلورهای صفر بعدی که خواص نوری آنها به اندازه بستگی دارد؛ ورقههای دو بعدی مانند گرافن و دیکالکوژنیدهای فلزات واسطه؛ سنتز کلوئیدی و فاز محلول نانوذرات و مونتاژ آنها به ابرساختارهای منظم؛ و روشهای شیمیایی نرم، سل-ژل و الگوبرداری که برای ساخت جامدات نانوساختار استفاده میشوند. در تمام این موارد، اندازه و شکل به عملکرد الکترونیکی، نوری و کاتالیزوری مرتبط میشود.
Sub-topics
Core questions
- چرا خواص مواد هنگامی که یک جامد به ابعاد نانومتری کاهش مییابد، تغییر میکند؟
- چگونه نانوبلورها، نانورقهها و نانوذرات با اندازه و شکل کنترلشده سنتز میشوند؟
- چگونه غلبه اتمهای سطحی، شیمی را در مقیاس نانو تغییر میدهد؟
- چگونه میتوان بلوکهای سازنده نانومقیاس را در معماریهای عملکردی مونتاژ کرد؟
Key concepts
- محصورشدگی کوانتومی
- نسبت سطح به حجم
- سنتز نانوبلور کلوئیدی
- کنترل شکل و وجه
- خودآرایی نانوساختارها
- لیگاندها و عوامل پوشاننده سطحی
Key theories
- محصورشدگی کوانتومی در نانوبلورها
- هنگامی که اندازه یک بلور نیمهرسانا با اندازه اگزیتون قابل مقایسه میشود، سطوح الکترونیکی گسسته شده و با کاهش اندازه، شکاف باند مؤثر افزایش مییابد، بنابراین جذب و گسیل نوری را میتوان به سادگی با تغییر اندازه ذرات تنظیم کرد.
- کنترل شکل و سطح نانوبلورها
- خواص نانوبلورها نه تنها به اندازه بلکه به شکل و وجوه بلوری در معرض، که به صورت جنبشی در طول سنتز کلوئیدی از طریق سورفکتانتها و شرایط رشد کنترل میشوند، بستگی دارد و رفتار کاتالیزوری و پلاسمونیک را تعیین میکند.
Clinical relevance
شیمی نانومواد زیربنای طیف وسیعی از فناوریها است: نقاط کوانتومی با قابلیت تنظیم اندازه در نمایشگرها و تصویربرداری زیستی استفاده میشوند، نانوذرات با سطح ویژه بالا به عنوان کاتالیزور و الکترود عمل میکنند، و مواد دو بعدی برای الکترونیک، حسگرها و غشاها مورد بررسی قرار میگیرند.
History
شناسایی این موضوع در دهههای ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ که نانوبلورهای نیمهرسانا خواص نوری وابسته به اندازه از خود نشان میدهند، که در بررسی سال ۱۹۹۶ آلیویساتوس کدگذاری شد، محصورشدگی کوانتومی را به عنوان یک پدیده قابل کنترل شیمیایی تثبیت کرد. پیشرفتها در سنتز کلوئیدی سپس امکان کنترل دقیق اندازه و شکل را فراهم آورد، و جداسازی گرافن در سال ۲۰۰۴ شیمی مواد دو بعدی را گشود و این حوزه را به رشته نانوشیمی گسترش داد.
Key figures
- A. Paul Alivisatos
- Mostafa El-Sayed
- Geoffrey Ozin
Related topics
Seminal works
- alivisatos1996
- elsayed2005
- ozin2009
Frequently asked questions
- چرا یک نانوذره رفتاری متفاوت از همان ماده در حالت تودهای دارد؟
- دو اثر در مقیاس نانو غالب هستند: بخش بزرگی از اتمها در سطح قرار میگیرند که واکنشپذیری و انرژیها را تغییر میدهد، و برای نیمهرساناهای به اندازه کافی کوچک، الکترونها به صورت کوانتومی محصور میشوند که سطوح انرژی را گسسته کرده و خواص نوری و الکترونیکی را نسبت به حالت تودهای تغییر میدهد.
- چگونه میتوان رنگ نقاط کوانتومی را تنظیم کرد؟
- به دلیل محصورشدگی کوانتومی، شکاف باند مؤثر یک نانوبلور نیمهرسانا با کاهش اندازه آن افزایش مییابد. ساخت نقاط کوچکتر، جذب و گسیل را به سمت انرژی بالاتر (آبیتر) سوق میدهد، بنابراین میتوان رنگ را به سادگی با کنترل اندازه ذرات در طول سنتز انتخاب کرد.