چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌کند؟ قسمت دوم

شرکت در آزمون

ریزساختار چیست؟

با شناختی که نسبت به ساختار مواد پیدا کرده‌اید، ممکن است گمان کنید موادی که ما به صورت توده‌ای در اطراف خود می‌بینیم ،از گسترده‌تر شدن نظم ساختاری اولیه خود، به وجود آمده‌اند. به عبارت دیگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌ای، شکل گسترش یافته ای از ساختار اولیه اش می باشد و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهد بود. این تصور، با مشاهدات رفتاری مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافیت ما انتظار داریم که استحکام در راستاهای مختلف متفاوت باشد؛ زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحکام کمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حرکت لایه‌ها بر روی یکدیگر" را داشته باشد. می‌دانیم که از گرافیت به عنوان ماده اصلی مغز مداد استفاده می‌شود و اثری که از مداد بر روی کاغذ باقی می‌ماند در حقیقت لایه‌‌های نازک گرافیت است که با مالش نوک مداد بر روی کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روی کاغذ می‌چسبد و همانطور که پیش‌تر اشاره شد، لایه‌های گرافیت ،به دلیل پیوند ضعیف ثانویه، امکان لغزش و حتی جدا شدن از یکدیگر را دارند. حالا سوال اینجاست که اگر توده گرافیت ،حالت گسترش یافته ی همان ساختار اولیه گرافیت باشد، باید مداد تنها در یک جهت خاص قابلیت نوشتن داشته باشد؛ زیرا ساختار گرافیت تنها لغزیدن لایه‌ها بر روی هم و کنده شدن آنها از توده و چسبیدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصی میسر می‌سازد و در غیر از آن جهات خاص ، به دلیل وجود پیوندهای قوی درون لایه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. این تعبیر به آن معناست ، که مداد تنها در برخی جهات خاص می‌نویسد و در دیگر جهات مداد نخواهد نوشت و این تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگیری مداد متفاوت و متناقض است ؛زیرا به تجربه دریافته‌ایم که مداد در تمامی جهات می‌نویسد. ما مداد را در هر زاویه و هر جهتی نسبت به کاغذ حرکت دهیم مداد خواهد نوشت. پس دلیل این تناقض چیست؟ آیا ساختار گرافیت آنگونه که گمان می‌کنیم نیست؟ و یا اینکه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یکنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟(شکل 1)



شکل 1- طرحی ساده از ریزساختار ایده‌آل گرافیت

برای درک درست از رفتار توده‌ای مواد ،لازم است که با ریزساختار آنها آشنا بشویم. با بررسی میکروسکوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ که توده گرافیت یکپارچه نیست؛ بلکه این توده متشکل از دانه‌های بسیاری است که هر یک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی که هر یک دارای ساختار گرافیت هستند، دانست(شکل 2).



شکل 2- طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت

تفاوت این نوع ریزساختار، از نوعی که پیش‌تر تصور می‌کردیم، یعنی یک توده گسترده از ساختار گرافیت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ، ما توده گرافیت را یک ساختار یکپارچه و منظم از ساختار گرافیت که در تمام توده گسترش یافته می‌دانستیم؛ در این حالت ، نظم حاکم بر ساختار، یک نظم با دامنه بلند که تمام توده را می‌پوشاند در نظر گرفته می‌شود. اما درعمل ، نظم ساختار گرافیت به صورت محلی و با دامنه‌های کوتاه مشاهده می‌شود. این بی‌نظمی در قرار گرفتن توده‌های دارای ساختار گرافیت ، باعث می‌شود که تنوع و گوناگونی فراوانی در بخش‌های گرافیت که هر یک زاویه و جهت خاصی دارند، وجود داشته باشد. بنابراین همیشه بخش‌هایی که زاویه و جهت مناسب برای حرکت و کنده شدن لایه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگرانی از جهت و زاویه قرار گرفتن مداد می‌توانیم از نوشتن آن مطمئن شویم.


نتیجه‌گیری:

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد را به صورت اجمالی و ساده شناختیم. این عوامل عبارت بودند از: عناصر تشکیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یک شهر بدانیم. عناصر تشکیل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد که چگونگی قرارگرفتن عناصر در کنار یکدیگر و اتصالات میان آنها را مشخص می‌کند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار که چگونگی کنار هم قرار گرفتن ساختار میکروسکوپی را معین می‌کند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یک شهر نه تنها به مصالح(ترکیب شیمیایی بکار رفته در آن) بلکه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز بشدت وابسته خواهد بود.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد،ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ،ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی، نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را، در ویژگی‌های ناشی از این پیوندها، در مواد مختلف می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود؛ زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی درطول ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد،اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟
برای روشن شدن مطلب، مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را، به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد؛ زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد.علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است(شکل 1).لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است؛ نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که نوع این پیوند از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفحات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، استحکام این ساختار، در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری ، به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها است. از سوی دیگر، به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیروی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.

در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است(شکل 2). در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود، در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد، مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ،ساختار مواد از طریق نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی خواص ، می‌‌توان ساختار را متناسب با آنها طراحی نمود.

چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌کند؟ قسمت اول

شرکت در آزمون

شیمی‌دانان ها چگونه می‌توانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف، بسته به این‌که از چه عناصری تشکیل شده‌اند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند. برای مثال، موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان می‌دهند ،در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن 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 مولکول‌های بزرگ، خواص ترکیب، به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانو فناوری ،که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خاص است، یک دانشمند شیمی مولکولی، با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتم‌ها را پیشنهاد می‌کند که خاصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها، صرفا" آنچه ما روی کاغذ رسم می‌کنیم نیستند. مولکول‌ها دارای بعد هستند و فضا اشغال می‌کنند.
یک مولکول، در فضا آرایشهای مختلفی را می‌تواند اختیار کند. درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر، می‌توان آرایش‌های مختلف را پیش‌بینی و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر بررسی کرد. همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی، چه خواصی را موجب می‌شود. این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر می‌باشد.
شاخه‌ای از نانوفناوری، که با بهره‌گیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی می‌کند را "نانوفناوری محاسباتی" می‌نامند.

شیمی مولکولی

شرکت در آزمون

مقدمه

آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کرده‌اید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟چه اتفاقی می‌افتد وقتی پیستون سرنگ را فشار می‌دهید؟هوا چگونه متراکم می‌شود؟ چگونه در یک فضای کوچکتر جا می‌گیرد؟ 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 می‌دهیم ، هوای داخل این سوراخها خارج می‌شود و ذرات جامد اسفنج به هم نزدیکتر می‌گردند. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار می‌دهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم می‌شود. "بویل"، دانشمند انگلیسی، در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشه‌ای پنچ متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه، هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم می‌شود و فضای کمتری اشغال می‌کند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد. در میان اتم‌ها فضایی است، که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم می‌شود، اتم‌ها به هم نزدیکتر می‌شوند. بویل همان سال‌ها، در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد ساده‌تر 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 مولکول‌های ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب،چند عدد از هر نوع اتم وجود دارد. در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی، درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق می‌کردند. هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند، معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند. با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود. به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست. و این اتمها باید آرایش ویژه‌‌‌ای داشته باشند. بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها می‌شود و خواص مواد با هم تفاوت خواهند داشت.
با توجه به اینکه هم مولکولها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمی‌شوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتم‌ها را در مولکولها بیابند؟
نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت. او مولکول‌های آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلز، همیشه با تعداد مشخصی از مولکول‌های آلی ترکیب می‌شود. او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد. او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌ای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است. برای مثال وقتی می‌گوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر می‌تواند ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندی نیز در 1858 میلادی، نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر متصل می‌شوند و مولکولهای مختلف را تشکیل می‌دهند. طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود می‌تواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد. کوپر همچنین پیشنهاد کرد ،که اتم‌ها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که می‌توانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند:



شکل 1.ظرفیت اتمهای کربن،نیتروژن،اکسیژن و هیدروژن

به این ترتیب می‌توانیم مولکول‌ها را با رسم پیوندهای میان اتم‌ها، به شکل زیر نشان بدهیم:

شکل2.آرایش اتمی و پیوندهای بین اتمها

استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکول‌های کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکول‌های بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی می‌شد. از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ 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 مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر می‌رسید- را حل کند.
امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده می‌شود.


شکل3.مدل گوی و میله برای نمایش آرایش اتمی

این سه شاخه عبارتند از:

1- نانوتکنولوژی مرطوب: این شاخه به مطالعه سیستم های زنده ای می پردازد که اساسا در محیطهای آبی وجود دارند. در این شاخه ساختمان مواد ژنتیکی، غشاءها و سایر ترکیبات سلولی در مقیاس نانومتر مورد مطالعه قرار می گیرد.پژوهشگران موفق شده اند ساختارهای زیستی فراوانی تولید کنند که نحوه عملکرد آنها در مقیاس نانویی کنترل می شود. این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی،دارویی و به طور کلی علوم و روشهای مرتبط با زیست فناوری است.(شکل 1)

شکل 1.پروتئین ها و رشته های DNA از موضوعات اصلی تحقیقات در نانوفناوری مرطوب هستند.

2- نانوتکنولوژی خشک: این شاخه از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می شود و به مطالعه تشکیل ساختارهای کربنی، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی می پردازد. نکته قابل توجه اینست که الکترونهای آزاد که در فناوری مرطوب موجب انتقال مواد و انجام واکنشها می گردند، در فناوری خشک خصوصیات فیزیکی ماده را پدید می آورند. در نانوتکنولوژی خشک ، کاربرد مواد نانویی در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری مورد مطالعه قرار می گیرد. برای مثال طراحی و ساختن میکروسکوپ هایی که بتوان با استفاده از آنها مواد را در ابعاد نانومتر دید.(شکل 2)

شکل 2.نانو لوله های کربنی (راست) و نانوترانزیستورها (چپ)، دو نمونه از تحقیقات در نانوفناوری خشک

3- نانوتکنولوژی محاسبه ای: در بسیاری از مواقع ، ابزار آزمایشگاهی موجود برای انجام برخی از آزمایشها در مقیاس نانومتر مناسب نیستند و یا آنکه انجام این آزمایشها بسیار گران تمام می شود. در این حالت از رایانه ها برای شبیه سازی فرآیندها و واکنش های اتم ها و مولکول ها استفاده می شود. شناختی که به وسیله محاسبه به دست می آید، باعث می شود که زمان لازم برای پیشرفت نانوتکنولوژی خشک بطور محسوسی کاهش یابد و البته تأثیر مهمی در نانوتکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت.(شکل 3)

شکل 3.نانو چرخ دنده ها (راست) و نانوموتورها (چپ) از نانو ساختارهایی هستند که با استفاده از شبیه سازی رایانه ای اطلاعات زیادی درباره آنها داریم. اما این وسایل هنوز در عمل مورد استفاده قرار نگرفته اند.

شاخه های فناوری نانو

شرکت در آزمون

علت اهمیت مقیاس نانو
سوالی که برای اکثر ما پیش می آید این است که تغییر اندازه، چگونه در خواص شیمیایی مواد تاثیر می گذارد؟
از جمله تغییرات شیمیایی که بر اثر کوچک شدن ذرات تا اندازه نانومتری به وجود می آید عبارت اند از:
1- تغییر رنگ :حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند.اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است . طلا و نقره، شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند. این پدیده در دنیای ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است!برای مثال اتم طلا در اندازه 30 تا 500 نانومتر به رنگ آبی، در اندازه 3 تا 30 نانومتر به رنگ قرمز و در اندازه ی کمتر از 1 نانو متر به رنگ زرد است. اما از آن غیرعادی‌تر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ می‌دهند! برای مثال : نانو ذرات کروی نقره 40 نانومتری به رنگ آبی پر رنگ،نانو ذرات کروی نقره 80 نانو متری آبی کم رنگ، نانو ذرات کروی نقره 120 نانو متری زرد رنگ،نانو ذرات کروی طلا 50 نانو متری سبز رنگ،نانو ذرات کروی طلا 100 نانو متری نارنجی رنگ و نانو ذرات هرمی شکل طلا 100 نانو متری قرمز رنگ هستند.
2- تغییر شفافیت : شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده ،در عبور دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند یا جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاب کند نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد ،که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاری، رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد.
نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر، ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.
3- تغییر خواص مغناطیسی: کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه براده‌ها ته‌نشین شوند، یک آهن‌ربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل، جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتری آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود.
سیال مغناطیسی (فروفلوید) ،مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد؛به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آنرا به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد، که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.
4- تغییر واکنش پذیری: خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمی‌توان آنها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک خاصیت‌ شیمیایی، در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهمترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌ایم (شکل 6). همه اینها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند؛ تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانو، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را برای ما فراهم کرده است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوانیم با استفاده از نانوکاتالیزگرها، واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کنیم.
در خاتمه: آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توانیم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آنرا از روی خواصش شناسایی کنیم. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناولی مندلیف اضافه کنیم؛ بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کنیم، لازم است که معلوم کنیم خواص عنصر را در چه ابعادی می‌خواهیم. ما در دنیای ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته‌بندی می‌کنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می‌کنیم. برای ساخت پنجره از شیشه استفاده می‌کنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد؛ برای ساخت زیور آلات ماندگار از طلا استفاده می‌کنیم، زیرا واکنش‌پذیری پایینی دارد و اکسید نمی‌شود؛ برق را با رشته‌های مسی انتقال می‌دهیم، چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد؛ و از آنجا که فولاد یکی از سخت‌ترین مواد دنیای ماست، ابزارهای بزرگ صنعتی‌مان را از آن می‌سازیم.

علت اهمیت مقیاس نانو
سوالی که برای اکثر ما پیش می آید این است که تغییر اندازه، چگونه در خواص شیمیایی مواد تاثیر می گذارد؟
از جمله تغییرات شیمیایی که بر اثر کوچک شدن ذرات تا اندازه نانومتری به وجود می آید عبارت اند از:
1- تغییر رنگ :حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند.اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است . طلا و نقره، شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند. این پدیده در دنیای ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است!برای مثال اتم طلا در اندازه 30 تا 500 نانومتر به رنگ آبی، در اندازه 3 تا 30 نانومتر به رنگ قرمز و در اندازه ی کمتر از 1 نانو متر به رنگ زرد است. اما از آن غیرعادی‌تر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ می‌دهند! برای مثال : نانو ذرات کروی نقره 40 نانومتری به رنگ آبی پر رنگ،نانو ذرات کروی نقره 80 نانو متری آبی کم رنگ، نانو ذرات کروی نقره 120 نانو متری زرد رنگ،نانو ذرات کروی طلا 50 نانو متری سبز رنگ،نانو ذرات کروی طلا 100 نانو متری نارنجی رنگ و نانو ذرات هرمی شکل طلا 100 نانو متری قرمز رنگ هستند.
2- تغییر شفافیت : شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده ،در عبور دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند یا جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاب کند نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد ،که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاری، رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد.
نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر، ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.
3- تغییر خواص مغناطیسی: کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه براده‌ها ته‌نشین شوند، یک آهن‌ربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل، جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتری آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود.
سیال مغناطیسی (فروفلوید) ،مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد؛به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آنرا به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد، که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.
4- تغییر واکنش پذیری: خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمی‌توان آنها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک خاصیت‌ شیمیایی، در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهمترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌ایم (شکل 6). همه اینها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند؛ تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانو، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را برای ما فراهم کرده است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوانیم با استفاده از نانوکاتالیزگرها، واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کنیم.
در خاتمه: آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توانیم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آنرا از روی خواصش شناسایی کنیم. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناولی مندلیف اضافه کنیم؛ بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کنیم، لازم است که معلوم کنیم خواص عنصر را در چه ابعادی می‌خواهیم. ما در دنیای ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته‌بندی می‌کنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می‌کنیم. برای ساخت پنجره از شیشه استفاده می‌کنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد؛ برای ساخت زیور آلات ماندگار از طلا استفاده می‌کنیم، زیرا واکنش‌پذیری پایینی دارد و اکسید نمی‌شود؛ برق را با رشته‌های مسی انتقال می‌دهیم، چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد؛ و از آنجا که فولاد یکی از سخت‌ترین مواد دنیای ماست، ابزارهای بزرگ صنعتی‌مان را از آن می‌سازیم.

چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟

شرکت در آزمون

فعالیت1- تبدیل در سیستم SI
در این بخش ابتدا دانش‌آموزان با سیستم SI آشنا می‌شوند و با آگاهی از مبدا پیدایش نماد علمی و کاربرد آن، این مفهوم را می‌آموزند. در ادامه این فعالیت، دانش‌آموزان با انجام چند تبدیل واحد (که تمرکز آن بر واحد طول، حجم و جرم است) با نماد‌نویسی علمی آشنا می‌شوند.

فعالیت 2- طبقه‌بندی اشیاء بر اساس اندازه
هدف فعالیت دوم، توسعه مفهوم مقیاس است. در این فعالیت ابتدا کارت‌هایی در اختیار دانش‌آموزان قرار داده می‌شود که تصاویری از اجسام مختلف بر روی آن‌ها وجود دارد. در ادامه از آنها خواسته می شود تا تصاویر اشیائی را که در محدوده 10 تا 10(

دوره آموزش مقیاس و اندازه‌گیری

معلم محترم: این دوره مخصوص دانش آموزان سالهای اول و دوم دبیرستان است. البته مفاهیم کلی آن برای دانش آموزان سال‌های آخر راهنمایی نیز می تواند مفید باشد. یکی از سخت‌ترین مفاهیم فیزیکی ،دیدن اجسام در محدوده کوچک‌تر از میلی‌متر است. این موضوع اهمیت بسیاری در آموزش علوم و فناوری‌نانو دارد. زیرا واضح است که مشاهده و دیدن هر چیزی، به درک بهتر آن کمک می کند. این دوره از دو بخش کلی تشکیل شده است. در بخش اول ،دانش آموزان نکاتی را درباره سیستم SI می‌آموزند و با تلاشی که برای تبدیل اندازه اجسام به مقیاس نانو می‌کنند، می‌توانند اندازه‌ اجسام را در دو مقیاس میکرو و نانو با هم مقایسه کنند.
در بخش دوم دانش‌آموزان با روشهای دیدن مقیاس نانو (همانند استفاده از میکروسکوپ‌ها و پراش نور) آشنا می‌شوند، از نزدیک آنها را مورد بررسی قرار داده و با آنها آزمایش می‌کنند.

دانش‌آموز عزیز: این دوره به شکلی طراحی شده که تا حد زیادی می‌توان آن‌را به‌طور خودآموز دنبال کرد. شما با دیدن فایل ارائه و انجام فعالیت‌ها و آزمایش‌ها به ترتیبی که در این فایل آمده، می‌توانید این دوره را برای خود اجرا کنید. بعلاوه مقاله‌های مرتبط سایت نیز می‌توانند، به طی بهتر دوره به شما کمک نمایند. اگر سوالی داشتید، می‌توانید از طریق سایت (info@nanoclub.ir) با گروه نویسندگان مکاتبه کنید.

چشم ها و انگشت های دنیای نانو

شرکت در آزمون

> پیکو یا نانو؟!
حال که با استفاده از فناوری نانو دسترسی به خواص جدید ممکن می‌شود، آیا حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر نیز مفید است؟ برای پاسخ به این پرسش دقت کنید که اندازه‌ی اتم‌ها در حدود ^10-10 متر است. اگر بخواهیم به سمت فناوری‌های کوچک‌تر از نانو حرکت کنیم، یعنی باید وارد محدوده ‌ی اتم شویم. محدوده‌ی اتم، یعنی محدوده‌ی الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و سایر ذرات زیر اتمی . یعنی مثلاً ما با استفاده از این ذرات زیر اتمی ، ابتدا یک اتم بسازیم و سپس با کنار یکدیگر قرار دادن اتم‌ها، موادی را با خواص جدید بنا کنیم.
لازم است توجه کنیم نخست آن‌که، ما در طبیعت، ذرات زیر اتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون را به صورت جداگانه نمی‌یابیم. یعنی این ذرات، درون اتم‌ها قرار دارند و برای دسترسی به آن‌ها باید به محدوده‌ی درون اتم‌ها وارد شویم . ثانیا ورود به محدوده‌ی درون اتم‌ها معمولاً بسیار گران و پرهزینه است. اگر چه این کار امروزه در بعضی از آزمایش‌گاه‌های پیشرفته‌ی فیزیک انجام می‌شود، اما به نظر نمی‌رسد که در زندگی روزمره کاربرد چندانی داشته باشد. ثالثا ما می‌خواهیم با کنار یکدیگر قرار دادن ذرات زیر اتمی نظیر الکترون، پروتون و نوترون، اتم‌ها را بسازیم. در حالی که طبیعت، بسیاری از اتم‌ها را در اختیار ما قرار داده است.
ورود به محدوده‌ی کوچک‌تر از نانو (مثلا محدوده ی پیکو یا همان ^12-10 متر)، مانند آن است که بخواهیم ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس قطعات حاصل را به یکدیگر متصل کنیم و با حبه‌های قند حاصل، مکعب نهایی را بسازیم. طبیعی است کار کردن با همان حبه‌های قند اولیه را نسبت به این که ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس دوباره به یکدیگر متصل کنیم، ترجیح می‌دهیم.
البته توجه به این نکته نیز خالی از لطف نیست که امروزه با استفاده از روش‌های دقیق و فناوری‌های بسیار گران و پیشرفته، ده‌ها عنصر مصنوعی ساخته شده است که بعضی از آن‌ها در صنایع گوناگون و مخصوصا توسعه‌ی دانش و فناوری کاربرد دارد. لازم به ذکر است که عناصر مصنوعی به دلیل تراکم بسیار ذرات زیراتمی، بسیار ناپایدار هستند. یعنی عمر آن‌ها در حدود کسری از ثانیه است!
آن چه فناوری نانو را از چنین فناوری‌هایی متمایز می‌کند، گستردگی بسیار زیاد فناوری نانو در همه‌ی صنایع از مهندسی الکترونیک، مکانیک، کامپیوتر و هوافضا گرفته تا کشاورزی و دام ‌پروری و حتی علوم پزشکی، داروسازی و زیست‌فناوری است.

چرا نانو؟

شرکت در آزمون

> یک آزمایش ساده

مواد و وسایل موردنیاز :

1. مقوا به اندازه‌ی ساخت دو مکعب به اضلاع 10×5×5 سانتی‌متر

2. مقداری نوار چسب

3. 200 حبه قند مکعبی شکل

4. مقداری شکر (از نظر جرم برابر با جرم 200 حبه قند)

5. مقداری آب

6. یک گرم‌‌کن الکتریکی (هیتر)

7. اسپری آب پاش یا قطره چکان

شرح آزمایش :

با استفاده از مقوا و نوار چسب ، دو مکعب به اضلاع 5×5×10 سانتی‌متر بسازید . یکی از وجه‌های 5×10 سانتی‌متری آن را بازبگذارید تا بتوانید درون آن مقداری قند و شکر بریزید.
100 حبه قند مکعبی شکل را با نیمی از شکرها مخلوط کنید و آن را درون یکی از مکعب‌های مقوایی که ساخته‌اید بریزید. این مکعب را مکعب شماره (1) می‌نامیم. مقدار بسیار کمی آب را با استفاده از اسپری آب‌پاش یا قطره‌چکان، درون مکعب (1) و بر روی مخلوط حبه‌های قند و شکر بریزید؛ به گونه‌ای که مقدار کمی رطوبت ایجاد شود. مکعب (1) را در مجاورت گرم‌کن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از تبخیر آب، حبه‌های قند و شکرها به یکدیگر می‌چسبند.

در مکعب دیگر که آن را مکعب (2) می‌نامیم، ابتدا حبه‌های قند را به صورت منظم کنار یکدیگر قرار دهید ( آن‌ها را کاملاً به یکدیگر نچسبانید تا فضاهای خالی بین آن‌ها وجود داشته باشد). سپس مقداری شکر بر روی آن بریزید به گونه‌ای که علاوه بر پر شدن فضاهای خالی، روی حبه‌های قند نیز با مقداری شکر پوشیده شود. سپس ردیف دیگری از حبه‌های قند را روی شکرها بچینید و دوباره بر روی آن مقداری شکر بریزید. مکعب (2) را نیز در مجاورت گرم‌کن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود.
پس از آن که مطمئن شدید آب درون هر دو مکعب (1) و (2) کاملاً تبخیر شده است ، پوشش مقوایی آن‌ها را به آرامی جدا کنید. اکنون دو مکعب بزرگ به اضلاع 10*5*5 سانتی‌متر دارید که از مخلوط حبه‌های قند و شکر تشکیل شده است.(شکل 1)

شکل 1. مکعب قندی 1 (سمت چپ) و مکعب قندی 2 (سمت راست)

پرسش‌های آزمایش:
1- چه تفاوتی بین ساختار دو مکعب (1) و (2) وجود دارد؟
2- فکر می‌کنید ساختار کدام مکعب (1) یا (2) به آن چه در فناوری نانو مطرح می‌شود، نزدیک‌تر است؟
3- آیا خواص مکعب (1) با مکعب (2) تفاوتی دارد یا خیر؟
برای یافتن پاسخ پرسش‌های بالا، ادامه مقاله را با دقت بیش‌تر بخوانید.


> میکرو یا نانو؟!
در مکعب (1) ، ما با توده‌ای از مواد سر و کار داریم . مخلوطی از حبه‌های قند و شکر که به صورت کاملا بی‌نظم و تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هنگام ساختن مکعب (1) با تک تک حبه‌های قند سر و کار نداشتیم . یعنی اصلاً به آن دسترسی نداشتیم. (حبه‌های قند و شکرها را با هم مخلوط کردیم و مخلوط حاصل را به صورت توده‌ای درون مکعب (1) ریختیم، بنابراین، به تک تک حبه‌های قند دسترسی نداشتیم.)
در مکعب (2) ، با قرار دادن تک تک حبه‌های قند در مجاورت یکدیگر، مکعب را ساختیم. یعنی به همه‌ی حبه‌های قند دسترسی داشتیم.
تفاوت در ساختار دو مکعب موجب شده است که بعضی از خواص مکعب (2) با مکعب (1) متفاوت باشد . مثلاً می‌توان شکنندگی آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کرد. مکعب (2) که دارای ساختار منظم‌تری است در مقابل ضربه و نیرو مقاوم‌تر و سخت‌تراست ، نسبت به مکعب (1) که ساختار نامنظمی دارد.
اگر حبه‌های قند را به اتم‌ها (یا مولکول‌ها) ی تشکیل دهنده‌ی یک ماده تشبیه کنیم، شکرهای بین آن‌ها نقش پیوندهای بین اتمی (بین مولکولی) را دارند. همان‌طور که حتما می‌دانید ، اندازه‌ی اتم‌ها تقریباً 10-10 متر یا به اصطلاح، یک آنگستروم است. اندازه‌ی مولکول‌ها هم بسته به این که از چند اتم تشکیل شده‌اند و ساختار آن‌ها چگونه است، متفاوت‌ است . فاصله‌ی بین اتم‌ها یا مولکول‌ها در پیوندهای بین اتمی یا بین مولکولی نیز با توجه به حالت ماده متفاوت است. در جامدات و مایعات فاصله‌ی بین اتمی یا بین مولکولی ، تقریباً ^10-10 متر است . دقت کنید که این اعداد چه قدر به ابعاد نانو، یعنی ^9-10 متر نزدیک است.(شکل 2)

شکل 2. اتم وذرات زیراتمی