صنایع شیمیایی JAM . BGR


موسسه آموزش عالی جامی دلیجان

;
 

کاربرد نانوتکنولوژی در شیمی و الکتروشیمی تجزیه ای                          

 

امروزه بشر نمی تواند با داشتن دیدی ثابت و همیشگی به فرآیندهای طبیعی،شیمیایی و بیولوژیکی همچنان مرزهای دانش را گسترش دهد،بلکه نیاز به دید از زوایای مختلف ودر ابعاد مختلف جهت رشد و پیشرفت بشر کاملا حس می گردد.نگاه از ابعاد بزرگ و وسیع مثل نقشه برداری از شهرها و کشور ها توسط ماهواره و غیره اطلاعاتی می دهد که با دید طبیعی غیر قابل حصول می باشد.

از طرفی نگاه به طبیعت و فرآیندهای شیمیایی بیولوژیکی از دید میکرونی و نانو متری یعنی در ابعاد اتمی اطلاعاتی به دست می دهد که بسیار راحت تر می توان به رمز و راز آن پدیده پی برد و مسیر حرکتی آن را مشخص و خواسته ها و نظر های شخصی را در آن اعمال نمود.آن چه که امروز تحت عنوان نانو تکنولوژی مطرح است آشنا شدن و کنترل کردن بسیاری از پدیده ها در ابعاد اتمی و آنگسترومی می باشد که مسیری مشکل با آینده ای روشن و نتایجی بس شگفت انگیز است.

پیشرفت اخیر در ساخت Carbon nanotubes،چیپس های کامپیوتری،موتورهای بیو مولکولی و nanomachines،گرد و قبارهای هوشمند،سنسنورهای با ابعاد باکتری،فیلترهای میکرونی و دیگر موارد موجبات تغییر و تحول در علوم مختلف از جمله کامپیوتر،الکترونیک،هوافضا،بیوشیمی،محیط زیست،شیمی و دیگر علوم را فراهم آورده است.در این زمینه،علم شیمی نیز بی بهره نبوده و با حضور روش های میکروسکوپی و الکترودهایی با ابعاد نانومتر امکان بررسی ساختار و شناسایی بسیاری از سطوح فلزی و غیر فلزی میسر شده است.در این مقاله به بررسی روش های مختلف آنالیز در سطح شیمی و الکتروشیمی پرداخته و کاربردهای آن ها مشخص می گردد.

 

نانو تکنولوژِی عرصه ای است که امروزه بیش از پیش اهمیت آن نمودار شده است.در واقع در هر زمینه ی علمی و ر اکثر علوم استفاده از نانو تکنولوژی به نحوی موجبات توسعه و پیشرفت در آ« زمینه ی علمی شده است.در الکترو شیمی تجزیه ای که خود زمینه ی علمی بسیار گسترده ای می باشد،با حضور علم نانو تغییر و تحولی دو چندان پیدا کرده است.آن چه در الکتروشیمی تجزیه ای مهم است اطلاعات پیرامون سطح الکترودها،سطح نمونه ها و سایر سطوح مورد نظر می باشد.هرگونه غیر یکنواختی در سطوح سبب تکرار پذیری در نتایج آزمایشات می شود.

همچنین بسیاری از برهم کنش های زندگی روزمره در گرو خواص سطوح بر هم کنش می باشد.اطلاعات پیرامون خوردگی سطوح،شکست یا ساییدگی سطوح،غیر یکنواختی سطوح،سناخت اجزای موجود در سطوح و درچه ی اکسیراسیون آن ها جهت مطالعه ی فرایندها بسیار ضروری می باشد

این اطلاعات مهم با حضور نانو فناوری قابل دست یابی بوده و در روش های مختلف میکروسکوپی جهت آنالیز سطوح،توسعه و بهبود یافته اند.این روش قادر به آنالیز سطح در ابعاد اتمی می باشند که از پیشرفت های شگرف در زمینه ی شناخت سطوح می باشد.از جمله این روش ها می توان به روش های:

1-AFM (Atomic Force Microscopy)

2-STM (Scaning Tunneling Microscopy)

3-SEM (Scaning Electron Microscopy)

4-SECM (Scaning Electro Chemical Microscopy)

5-NFOM (Near Field Optical Microscopy)

6-XPS (X-Ray Photoelcton Spectroscopy)

و دیگر روش ها روشها اشاره نمود که در این بخش معرفی می گردند.

 

تئوری

بسیار یاز واکنش های شیمیایی در سطح جامدات اتفاق می افتد که از آن جمله می توان به واکنش های کاتالیزوری،الکتروشیمی و دیگر واکنش ها اشاره نمود.فهم بیش تر این واکنش ها نیاز به فهم بیش تر و علم بیش تر پیرامون ساختار و ترکیب سطوح دارد.روش های آنالیز سطح به دو دسته ی کلی تقسیم می گردند:

روش هایی که برای آنالیز عنصری سطوح به کار می روند که در واقع این روش ها اطلاعاتی راجع به ساختار و اجزای سطوح به ما می دهند.

روش هایی که برای تصویربرداری سطوح به کار می روند و در واقع این روش ها نقشه ای از میزان هموار بودن یا ناهمواری و غیریکنواختی در سطوح را می دهند. تعدادی از این روش ها که در علم شیمی از عمده روش های تجزیه سطح می باشند معرفی می گردند.

 

شیمی ملکولی

آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کرده اید تا آنرا تحت فشار قرار دهید؟

چه اتفاقی می افتد وقتی پیستون سرنگ را فشار می دهید؟

هوا چگونه متراکم می شود چگونه در یک فضای کوچکتر جا می گیرد؟

یک تکه اسفنج را می توان در فضای کوچکتری متراکم کرد. علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد. وقتی اسفنج را فشار می دهیم هوای داخل این سوراخها خارج می شود و ماده جامد اسفنج به هم نزدیکتر می گردد. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار می دهید، آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم می شود. «بویل»، دانشمند انگلیسی در سال 1662 میلادی مقداری جیوه - که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشه ای پنج متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاهده کرد که با افزودن جیوه هوای به دام افتاده در سمتی که بسته ست، متراکم می شود و فضای کمتری اشغال می کند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتم های ریز، تشکیل شده باشد. میان اتم ها فضایی است که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم می شود، اتم ها به هم نزدیکتر می شوند. بویل همان سال ها در کتابی نوشت:« عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد ساده تر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است.»

دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند. بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان از ملکول های ساده ساخته شده بودند و هرکدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتم ها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد.در سال1824 میلادی(1203 شمسی)

"یوستون لیبینگ"و "فردریخ وهلر"،شیمیدانان آلمانی در باره ی دو ماده ی مرکب متفاوت تحقیق می کردند.

هر یک از آن ها برای ماده ی مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد.وقتی آن ها نتایج ار خود را اعلام کردند،معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند.با این که این دو ماده با هم متفاوت بودند و از خر جهت خواص گوناگونی داشتند،مولکول های آن ها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتم های هر عنصر هر دو ماده یکسان بود.به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردن عده اتم های موجود در یک کافی نیست.و اتم ها باید آرایش ویژه ای داشته باشند.بنابراین،آرایش متفاوت سبب تفاوت مولکول ها می شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.

با توجه به این که هم مولکول ها و هم اتم ها به قدری کوچک هستند که دیده نمی شوند،شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتم ها را در مولکول ها بیابند؟

نخستین گام را در این راه،"ادوارد فرانکلند"انگلیسی برداشت.او مولکول های آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتم یک نوع فلز،همیشه با تعداد مشخصی از مولکول های آلی ترکیب می شود.او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد.او اسم این خصلت را والانسگذاشت.والانس کلمه ای لاتین به معنای ظرفیت است.برای مثال وقتی میگوییم:ظرفیت هیدروژن یک است،یعنی اتم خیدروژن تنها با یک اتم دیگر می تواند ترکیب شود.

ظرفیت اکسیژن دو ،نیتروژن سه و کربن چهار است.

"اسکات کوپر"اسکاتلندی نیز در سال 1858 میلادی پیوندهای شیمیایی را مطرح کرد.او معتقد بود که اتم ها با "قلاب"یا "پیوند" به یکدیگر متصل می شوند وم مولکول های مختلف را تشکیل می دهند.طبق نظریه ی او،هر اتم به اندازه ی والانس یا ظرفیت خود می تواند با اتم های دیگر پیوند بدهد.کوپر همچنین پیشنهاد همچنین پیشنهاد کرد که اتم ها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که میتوانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند:

به این ترتیب می توانیم ملکول ها را با رسم پیوندهای میان اتم ها، به شکل زیر نشان دهیم:

استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکول های کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود. اما در مورد ملکلول های بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی می شد. از اینرو «گلوله» تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در مورد مواد مرکب آلی برطرف کند. «فردریش آگوست ککوله» با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از ملکول ها – که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر می رسید- را حل کند.

امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن ملکول ها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده می شود.

اما شیمی دان ها چگونه می توانند بین ساختار ملکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟

مواد مختلف بسته به این که از چه عناصر تشکیل شده اند و دارای چه آرایش هستند، خواص مختلفی دارند.

برای مثال موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان می دهند در ساختار ملکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به کسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و ... پیوند دارد. حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ... قرار گیرد. ترکیب به جای «خصلت اسیدی»، «خاصیت قلیایی» خواهد داشت.

در داروها و ملکول های بزرگ، خواص ترکیب به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانوفناوری که هدف ساختن ملکولی جدید با رفتاری خواص است، یک دانشمند شیمی ملکولی با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتم ها را پیشنهاد می کند که خواصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکول ها صرفاً آنچه ما روی کاغذ رسم می کنیم نیستند. مولکول ها دارای بعد هستند و فضا اشغال می کنند.

یک ملکول در فضا آرایشهای مختلفی را می تواند اختیار کند.در حال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک رایانه می توان آرایش های مختلف را پیش بینی کرده و چگونگی قرار گرفتن اتم ها را در کنار یکدیگر بررسی کرد.همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی چه خواصی را موجب می شود.این کار نیز به واسطه ی اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ی ساختارهای مختلف مولکول ها بدست آورده است امکان پذیر می باشد.

شاخه ای از نانو فناوری که با بهره گیری از شیمی مولکولی و روش های محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتمی،آرایش های متنوع مولکول ها را بررسی می کند نانو فناوری محاسباتی می گویند.