علم نانو شامل مشاهده و کنترل اتم ها و مولکول های منفرد است. هر آن چیز که در دنیای لایتناهی وجود دارد (مانند غذایی که می خوریم، لباسی که می پوشیم، ساختمان ها و خانه هایی که در آن زندگی می کنیم و حتی بدن خودمان) از اتم ساخته شده است. اما چیزهایی که به اندازه یک اتم کوچک هستند با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند. دانشمندان و مهندسان امروزی روش های متنوعی را برای ساختن مواد در مقیاس نانو پیدا کرده‌اند، تا بتوانند از خواص منحصر به فرد آنها مانند استحکام بیشتر، وزن سبک تر، افزایش کنترل طیف نور و واکنش پذیری شیمیایی بیشتر استفاده کنند. این ویژگی‌ها به خاطر اثرات کوانتومی و تأثیرات فیزیکی مانند افزایش مساحت سطح ایجاد می شوند. علاوه بر این، این واقعیت که اکثر فرآیندهای بیولوژیکی در مقیاس نانو اتفاق می افتد ایده تجسم و ساختن فرآیندی جدید را به دانشمندان داد تا از آن در کارهای خود برای بهبود فرآیندهای پزشکی، تصویربرداری، محاسبات، چاپ، کاتالیزگرهای شیمیایی، سنتز مواد و بسیاری زمینه‌های دیگر استفاده کنند. کار در مقیاس نانو باعث می‌شود که دانشمندان از خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی، و نوری منحصر به فرد که به صورت طبیعی در این مقیاس اتفاق می افتد، استفاده کنند. به طورخلاصه نانو تکنولوژی به معنی انجام مهندسی مواد در ابعاد اتمی-ملکولی و ساخت موادی با خواص کاملا متفاوت درابعاد نانو است. تعریف دیگر نانوتکنولوژی با آرایش دادن و دستکاری اتم ها ساخت مواد مورد نظراست. نانومتر، (یک میلیاردم متر) به اندازه چیدن پنج تا ده اتم درکنار یگدیگر است، مکعبی باابعاد دو و نیم نانومتر تقریبا هزار اتم را شامل می شود. خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده تبدیل شده به ابعاد نانو نسبت به خواص آن در ابعاد ماکرویی کاملا متفاوت است. نانو در ملکول های ماده انرژی بالایی را ایجاد می کند به همین دلیل معجزه آسا نامیده می شود. به عقیده کارشناسان دانا آزما مهم ترین ویژگی نانو مواد، نسبت سطح به حجم بسیار بالا آنها می باشد. منظور از نسبت سطح به حجم بالا این است که هر چقدر ذره ای از نظر اندازه بزرگ تر باشد، سطح بزرگ تری دارد ولی میزان نسبت سطح به حجم در آن کمتر از سلول های کوچک است. به عنوان مثال اگر یک مکعب به ضلع پنج میکرومتری داشته باشید، سطح کل آن برابر با صد و پنجاه میکرومتر مربع و حجم کل برابر با صد و بیست و پنج میکرومتر مکعب می شود. نسبت سطح به حجم این مکعب ۱.۲ می باشد. حال اگر یک مکعب به ضلع یک میکرومتری داشته باشید، سطح کل آن برابر با شش میکرومتر مربع و حجم کل برابر با یک میکرومتر مکعب می شود. نسبت سطح به حجم این مکعب شش است. همانطور که ملاحظه می کنید زمانی که نسبت سطح به حجم امکان واکنش پذیری بیشتری برای ماده فراهم می آید. هرچه ذرات ریز شوند و نسبت سطح به حجم بیشتر شود، آنگاه تمایل آنها به واکنش های متفاوت با محیط اطراف شان بیشتر می شود. به عنوان مثال یک قند بزرگ با دشواری در آب حل می شود ولیکن اگر همان قند را خرد کرده و در آب بریزید بسیار سریع تر حل شده و واکنش می دهند. ویژگی های پایه نانو مواد نیز به واسطه ابعاد بسیار ریز با تغییرات گسترده ای همراه می شود. به عنوان مثال استحکام که جز مهم ترین خواص مکانیکی ماده می باشد، در نانو مواد افزایش قابل توجهی را در مقایسه با حالت میکرو از خود نشان می دهند. دلیل این می تواند به جاگیری بهتر اتم ها در کنار یکدیگر و عدم وجود نا به جایی ها و تخلخل ها مرتبط باشد. یکی دیگر از ویژگی های نانو مواد خصوصیات شیمیایی هستند که دستخوش تغییر می شوند. به عنوان مثال واکنش پذیری، همانطور که در بالا ذکر شد، به دلیل نسبت سطح به حجم بالا بسیار بیشتر می شود. همچنین یکی دیگر از ویژگی های نانو مواد، قابلیت ایجاد پیوند قوی در آنها ست. وقتی مواد در اندازه نانو هستند خواص ویژه ای را از خود نشان می دهند. به عنوان مثال مس در ابعاد نانو شفاف می شود. مواد بی اثر، مانند پلاتین و طلا، فعال می شوند و دمای ذوب نانو مواد به طور چشمگیری کاهش می یابد. نانوتکنولوژی پتانسیل این را دارد که زندگی ما را تغییر بدهد. برخی از کاربردهای آن شامل ذخیره و تولید انرژی (باتری ها)، فناوری اطلاعات، فناوری پزشکی، تصفیه و خالص سازی غذا و آب، ابزار دقیق اندازه گیری و محیط زیست می باشد. مواد بر پایه فناوری نانو و نانو مواد شامل اجزا الکترونیکی، نانو رنگ ها، وسایل ذخیره انرژی، پارچه های نانو و لوازم آرایشی و… هستند. یکی از کاربردهایی نانومواد، نانوالیاف بوده که اخیرا در بازارهای تجاری موفق ظاهر شده است. به احتمال فراوان در بازار، لباس‌هایی با عناوین مختلف نظیر پیراهن نانو و یا شلوار ضد لک را دیده باشید. فرش، پتو و یا کیف و چمدان‌های نانو با وعده‌هایی همیشه تمیز و ضد گرد و غبار چطور. تمامی این مواردی که نام بردیم در ساختار خود پارچه‌هایی با پوشش دارند. این الیاف سطح بسیار کوچکی داشته که ذرات گرد و غبار را از خود عبور نمی دهند. در نتیجه لایه های پائینی و عمیق تمیز باقی می مانند. یکی دیگر از خواص جالب توجه نانوپوشش ها، آبگریزی است. منظور از آبگریزی این است که سطح مذکور خیس نمی شود و مولکول های آب روی آن شکل کروی به خود گرفته و به راحتی سر می‌خورند. اخیرا در بازارهای تجاری تبلیغات نانو پوشش های آبگریز برای بدنه‌های خودر و لباس ها مشاهده می شود. امروزه اهمیت نانو مواد و کاربردهای متنوع آن بر کسی پوشیده نیست. اخیرا دانشگاه ها در مقاطع تحصیلات تکمیلی، رشته‌هایی با نام نانوفیزیک، نانوشیمی، فناوری نانو و … را به عنوان رشته هایی میان رشته ای برگزار کرده و از بسیاری از رشته های علوم پایه و مهندسی جذب دانشجو می کنند. این امر حاکی از کاربرد های متنوع نانومواد در سایر علوم نظیر پزشکی، علوم پایه، علوم مهندسی و … است. بدیهی است که جهت بهره وری از خواص ویژه نانو ذرات باید آنها را ایجاد یا به اصطلاح سنتز کرد. روش های مختلفی جهت سنتز نانو ذرات یا نانو مواد وجود دارند که هر یک دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. به این نکته اشاراتی خواهیم کرد. طبقه بندی انواع نانوساختار ها بر اساس تعداد ابعاد آزاد را برای شما عزیزان تشریح خواهیم کرد. نانو ساختارها بر اساس تعداد ابعاد آزاد به دسته های زیر تقسیم می شوند. _ نانومواد سه بعدی: یعنی هر سه بعد آنها در مقیاس آزاد است. همانطور که مشاهده می‌کنید این تعریف با تعریف مواد نانوساختار در تناقض است، زیرا هیچ یک از سه بعد آن در مقیاس نانو نیست. این دسته شامل نانوکامپوزیت‌ها (مواد مرکبی که شامل چند ماده است) و مواد حجیم نانوساختار (یا مواد توده‌ای نانوساختار) می‌باشد. مواد حجیم نانوساختار موادی هستند که اندازه واحدهای سازنده مجزای آنها حداقل در یک بعد کمتر از صد نانومتر باشد. بعضی مواد یک سری خواص را ندارند. برای مثال پلاستیک خاصیت رسانایی الکتریکی ندارد. اما اگر ماده‌ای همانند ذرات فازی که خاصیت رسانایی دارند را به آن اضافه کنیم، ماده مخلوط تولید شده می‌تواند خاصیت رسانایی داشته باشد. به این مواد کامپوزیت یا ماده مرکب گفته می شود. ماده مرکب ممکن است از بیش از دو ماده تشکیل شده باشد که هر یک از مواد اضافه شده می‌تواند قابلیت تقویت یکی از خواص را داشته باشد. در صورتی که حداقل یکی از اجزای کامپوزیت نانوساختار باشد، به آن نانوکامپوزیت می‌گوئیم. به عنوان مثال می توان رسانایی پلیمرها را با استفاده از نانولوله های کربنی افزایش داد. پس به طور کلی نانو مواد به موادی گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آن زیر صد نانومتر باشد و یا اجزای تشکیل دهنده آن (اجزای مجزا) زیر صد نانومتر باشند(مانند نانوکامپوزیت ها). _ نانومواد دو بعدی: این مواد دارای دو بعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو می‌باشند. مواد با یک بعد در مقیاس نانو عمدتا شامل لایه‌های نازک یا پوشش‌های سطحی می‌باشد. عوامل تأثیرگذار در خواص نانوپوشش ها، جنس و ضخامت آنها می‌باشد. برای مثال سلفون‌های نگه دارنده مواد غذایی یک نوع پوشش هستند. حال اگر ضخامت آنها در ابعاد نانو باشد، به آنها نانوپوشش گفته می‌شود. نانوپوشش ها لایه‌هایی با ضخامت یک تا صد نانومتر هستند که به صورت پوشش روی مواد دیگر قرار می‌گیرند و باعث تغییر خواص و ویژگی‌های آنها می‌شوند. لایه‌های نازک نیز می‌توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند. _ نانومواد تک بعدی: نانومواد تک بعدی دارای دو بعد در مقیاس نانو و یک بعـد آزاد م ی‌باشند. نانوسیم ها، نانومیله ها، نانولوله ها، نانوالیاف همگی جز مواد نانوساختار تک بعدی می باشند. کاربردهای زیادی در بخش های مختلف مانند ساخت رایانه های بسیار کوچک با سرعت بسیار بالا، ساخت لیزرهای بسیار کوچک، تشخیص بیماری ها، حافظه های منغاطیسی و … دارند. نانوسیم ها نیز می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند نوع ماده مختلف باشند. _ نانومواد صفر بعدی: موادی که در هر سه بعد دارای اندازه نانومتری می باشند و هیچ بعد آزادی ندارند. بر اساس برخی دسته‌بندی‌ها به این دسته از نانوساختارها، نانو مواد نیز گفته می شود. عوامل تأثیرگذار بر خواص نانو مواد، اندازه و جنس ذرات هستند. نانو مواد کاربرد های مختلفی در صنایع مختلف مانند اتومبیل (ضد خش کردن بدنه، ضد بخار کردن شیشه ها، لاستیک های مقاوم و…)، پزشکی (ساخت دارو های جدید، تشخیص نشانه های بیماری ها و …)، تصفیه آب و فاضلاب، الکترونیک، صنایع نظامی و… دارند. نانوذرات می توانند بسته به کاربردشان در اشکال مختلف مانند کروی، بیضوی، مکعبی، منشوری، ستونی و… ساخته شوند. نانو مواد ممکن است از یک جزء تشکیل شده باشند یا اینکه ترکیبی از چند جزء باشند. همچنین نانو مواد می توانند به صورت خالص و یا ترکیبی از چند ماده مختلف باشند.
نانومواد دارای اندازه بسیار کوچکی هستند و باید حداقل یکی از ابعاد آن کمتر از صد نانومتر باشد. نانو مواد به چهار دسته تقسیم می شوند که شامل نانو مواد صفر بعدی (یعنی نانو موادی که در هر سه بعد در مقیاس نانو هستند مانند ذره ها)، نانو مواد یک بعدی (یعنی نانو موادی که در دو بعد در مقیاس نانو هستند مانند نانو میله ها، نانو سیم ها، نانولوله ها و ...)، نانو مواد دو بعدی (یعنی نانوموادی که تنها در یک بعد مقیاس نانو دارند مانند پوشش‌های سطحی) و نانومواد سه بعدی (یعنی نانو موادی که در هیچ یک از ابعاد در مقیاس نانو نیستند ولی از ذرات نانو به هم چسبیده تشکیل شده‌اند مانند نانوکامپوزیت ها). آنها می‌توانند به صورت منفرد، ذوب شده، توده شده یا آگلومره شده با اشکال مختلف مانند کره، لوله و کره نامتقارن وجود داشته باشند. انواع رایج نانومواد شامل نانولوله، درخت‌پار، کوانتوم دات و فولرن هستند. نانو مواد دارای ویژگی های جدید و ویژه در خواص شیمیایی و فیزیکی همچون واکنش پذیری، خواص الکتریکی، حرارتی، مکانیکی، و نوری هستند. دلیل این امر اثرات سطحی و ورود به دنیای فیزیک کوانتوم است. منظور از اثرات سطحی، افزایش نسبت سطح به حجم در ابعاد زیر صد نانومتر است. منظور از ورود به دنیای فیزیک کوانتوم، گسسته شدن نوارهای انرژی و تبدیل به ترازهای انرژی است. این مورد برای تمام نانومواد صادق نیست و صرفا برای نانومواد کوانتومی اتفاق می‌افتد. به نانومواد نیمه رسانا دارای حداقل یک بعد کمتر از ده نانومتر و همین طور به نانو مواد رسانا که دارای حداقل یک بعد کمتر از یک تا سه نانومتر باشند، نانومواد کوانتومی گفته می شود. دلیل خواص ویژه نوری نقاط کوانتومی و همین طور رسانایی الکتریکی بالستیک نانوسیم های کوانتومی، ورود به دنیای فیزیک کوانتوم است. انواع نانو مواد را می توانیم برای شما تقسیم بندی و تشریح کنیم. به این نکته توجه کنید که نانو مواد انواع مختلفی دارند. برخی از این مواد شامل نانوذرات بر پایه کربن، سرامیکی، فلزی، نیمه رسانا، پلیمری و نانوذرات بر پایه لیپید ها هستند. _ نانو مواد پلیمری: نانو مواد پلیمری بر پایه ترکیبات آلی هستند. بسته به روش آماده سازی، این ها دارای ساختارهایی مانند نانوکپسول یا نانوسفر هستند. یک ذره نانوسفر دارای ساختار ماتریس مانند است در حالی که ذره نانوکپسولی دارای مورفولوژی پوسته هسته است. در حالت اول، ترکیبات فعال و پلیمر به طور یکنواخت پراکنده شده اند در حالی که در مورد دوم ترکیبات فعال محدود شده و توسط یک پوسته پلیمری احاطه شده اند. _ نانو مواد بر پایه کربن: نانو مواد بر پایه کربن شامل دو ماده اصلی هستند: نانو لوله های کربنی و فولرن ها. CNT ها ورق های گرافنی هستند که در یک لوله رول شده اند. این مواد عمدتا در تقویت سازه ها استفاده می شوند و صد برابر قوی تر از فولاد هستند. نانولوله های کربنی را نیز می توان به دو دسته تک جداره و دو جداره تقسیم کرد. این ترکیبات به طور ویژه ای در طول لوله، رسانای حرارتی و در عرض لوله نارسانا هستند. فولرن ها آلوتروپ های کربن هستند که ساختار آن ها مانند قفس توخالی حاوی شش یا تعداد بیشتری کربن هستند. واحدهای کربنی در این ساختارها دارای آرایش پنج ضلعی و شش ضلعی هستند. اینها به دلیل هدایت الکتریکی، ساختار، استحکام بالا و میل الکترونی کاربردهای تجاری دارند. _ نانو مواد فلزی: نانو مواد فلزی از پیش ماده های فلزی تهیه می شوند. این نانو مواد دارای کاربردهایی در زمینه های تحقیقاتی، تشخیص و تصویربرداری از مولکول های زیستی و کاربردهای زیست محیطی و تجزیه و تحلیل های زیستی هستند. به عنوان مثال از نانوذرات طلا برای پوشش نمونه قبل از تجزیه و تحلیل در SEM استفاده می شود. این کار عموما برای افزایش جریان الکترونیکی انجام می شود، که به ما در دریافت تصاویر SEM با کیفیت بالا کمک می کند. این نانو مواد را می توان از طریق سنتز شیمیایی، الکتروشیمیایی یا پتروشیمیایی تهیه کرد. در روش های شیمیایی، نانوذرات فلزی با کاهش پیش سازهای یون فلزی در محلول توسط عوامل احیا کننده شیمیایی به دست می آیند. این ها قابلیت جذب مولکول های کوچک را داشته و انرژی سطحی بالایی دارند. _ نانو مواد سرامیکی: نانو مواد سرامیکی ترکیبات جامد معدنی هستند که از اکسیدها، کاربیدهاف کربنات ها، و فسفات ها ساخته شده اند. این نانو ذرات پایداری حرارتی بالایی دارند و از لحاظ شیمیایی بی اثر هستند. این ترکیبات کاربردهای زیادی در فتو کاتالیزورها، کاتالیزورهای تخریب کننده رنگ ها، دارو رسانی و تصویر برداری دارند. با کنترل برخی از کاراکتر های نانو مواد سرامیکی مانند اندازه، مساحت سطح، تخلخل، نسبت سطح به حجم و… می توان آن ها را به عنوان یک گزینه خوب به عنوان عامل دارو رسانی تبدیل کرد. این نانو مواد به طور موثری در سیستم های دارو رسانی برای تعداد زیادی از بیماری ها مانند عفونت های باکتریایی، گلوکوم، سرطان و… استفاده می شوند. _ نانو مواد نیمه رسانا: نانو مواد نیمه رسانا دارای خواصی مانند فلزات و غیر فلزات هستند. این ذرات دارای نوارهای باند گسترده ای هستند که با تغییر ویژگی آن ها، خواص متفاوتی را نشان می دهد. آن ها در فتوکاتالیز، دستگاه های الکترونیکی، عکس های نوری و تجزیه آب استفاده می شوند. برخی از نمونه های نانو مواد نیمه رسانا سیلیکون، سولفات روی، و ژرمانیوم می باشند.
