 عنوان:· نانو سیلیکای دود کنندهاهداف جلسه: 
· آشنایی با ترکیبات، سیلیکای دودکننده
·  ترکیبات مزومتخلخل هیبریدی آلی - معدنی

وسایل مورد نیاز: 
· دسترسی به اینترنت
· سیلیکای دودکننده ‏
· تولوئن ‏
· (3- کلروپروپیل)تری متوکسی - سیلان  

مقدمهنانو تکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر می ­شود. از همین تعریف ساده برمی ­آید که نانو تکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانو تکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل­ و ­نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن ­ آوری را به­ عنوان یک زمینه فرا رشته­ ای و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمایش ­ها و تحقیقات پیرامون نانو تکتولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانو تکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .
استفاده از این فن­آوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو به­ عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامه­ ریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرض ­اندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب­ ناپذیر است.

کاربردهای فناوری نانو
علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاری های تحقیقاتی میان‌ رشته‌ ا‌ی، آموزش خاص و انتقال ایده‌ ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به­ شرح زیر می‌باشد:

۱- تولید، مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌ های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقت کنترل‌ شده و سپس چیدن آن ها در ساختارهای بزرگ تر، که دارای خواص و کارکرد منحصر به‌ فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آن ها، ایجاد می‌کند.
محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده‌ است. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی ؛ کاهش هزینة عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی ؛ ابزارهایی نوین بر پایة اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه‌ا‌ی که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲-نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم های زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست‌ شناسی و شبیه‌ سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلولها وارد نمود. افزایش توان محاسباتی بوسیلة نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه های ماکروملکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شدة زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

۳- دوام‌پذیری منابع: کشاورزی ، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چه ذکر شد، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس اب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فناوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفادة مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تاثیر قابل ملاحظه‌ا‌ی ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها ؛ در توسعة فناوری سبز جدید که محصولات جانبی ناخواستة کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تاثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال، شرکت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌ اند که می‌ تواند جایگزین اجزای فلزی بدنة اتومبیل ها شود. استفاده گسترد ه ازاین نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفه‌ جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌ باشد.
یا انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ ا‌ی در فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌ هادی‌ های مورد استفاده در دیودهای نورانی را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در ا مریکا ، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده ، پیشرفت هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

۴- تکنولوژی نانو در هوا و فضا :
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای ماموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.

۵- کاربرد ریزذره ها در صنایع نظامی و امنیت ملی:
برخی کاربردهای دفاعی ریز ذره ها عبارتند از: تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان یک قابلیت مهم نظامی ، امکان آموزش موثرتر نیرو، به کمک سیستم های واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری ، استفادة بیشتر از اتوماسیون و نانوربات های پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی ، دستیابی به کارآیی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌ های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر و ه ز ینة کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی ، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح های هسته‌ا‌ی ، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم های دفاع هسته‌ا‌ی . در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینه‌ های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملی است و بالعکس.

۶- کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
ذخیره‌ سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش دهد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود.
ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ ربع برسد، و این امر موجب می‌ شود که ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری شود.
ساخت تراشه‌ ها در اندازه­ های فوق­ العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه ­های ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، تولید دیسک‌ های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه ­های کوچک نیز می ­باشد.در دو دهه‌ اخیر نانوتکنولوژی به سرعت گسترش یافته است. نانوساختارها به خاطر خصوصیات ساختاریشان از جمله اندازه کوچک و سطح ویژه بالایی كه دارند، ویژگی های منحصر به فردی در زمینه­ های مختلف علوم از خود نشان می­ دهند. البته تنها کوچک بودن اندازه مدنظر نیست، بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می­گیرد، خصوصیات ذاتی آن­ها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و غیره تغییر می­ یابند که این خواص مزایایی در بر دارد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می ­توان کارایی کاتالیزگرهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید یا در پزشکی، نانوذرات می‌ توانند در فرمولاسیون و مسیرهای رهایش دارو مؤثر باشند و به ‌نحو حیرت‌ انگیزی توان درمانی داروها را افزایش دهند.

نانوساختارها به دو صورت بدون حفره (غیرمتخلخل)[Nonporous] و یا با حفرات باز (متخلخل)[Porous] وجود دارند. در این زمینه ترکیبات غیر متخلخل کمتر مورد توجه قرار گرفته­­ اند. اما در میان این ترکیبات، سیلیکای دودکننده[Fumed Silica] که به سیلیکای گرمازا نیز معروف هست و از ذرات میکروسکوپی سیلیکای آمورف تشکیل شده است به علت مساحت سطح بالا، در دسترس بودن و هزینه کم برای کاربردهای شیمیایی و صنعتی، بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. این ترکیب پودر سفید رنگ و نرمی است که از طریق تجزیه حرارتی سیلیکون تتراکلرید در شعله اکسیژن- هیدروژن تولید می­ گردد.

تصویر سیلیکای دودکننده

تصویر شماتیک از مراحل تهیه سیلیکای دودکننده در شعله


سنتز سیلیکای دود کننده کلر دار شده
روش کار
1. 10 گرم از سیلیکای دودکننده به مدت 2 ساعت تحت خلاء قرار گرفت تا آبی را که جذب کرده از دست بدهد و کاملا خشک شود. 
2. به ماده فوق تولوئن خشک (100 میلی­لیتر) اضافه شود و به مدت 1 ساعت هم زده شود تا کاملاً یکنواحت گردد. 
3. سپس 6 میلی ­لیتر (3- کلروپروپیل) تری­متوکسی­سیلان  به صورت قطره قطره به مخلوط واکنش اضافه شود.
4. مخلوط بدست آمده به مدت 24 ساعت تحت حرارت هم زده شود.
5. در نهایت ماده جامد سفید رنگ حاصل پس از صاف کردن، به ­وسیله حلال تولوئن شسته شده و مدت 24 ساعت شسته شده است.
6. پس از جداسازی در دمای اتاق خشک گردد.
 
سوالات
 1. نانو ذره سیلیکاتی دودکننده با نانو ساختار متخلخل چه تفاوتی دارد؟


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی - شایان فروزنده دل 
تنظیم: زینب شاه مرادی
نانوساختارها به دو صورت بدون حفره (غیرمتخلخل) و یا با حفرات باز (متخلخل) وجود دارند.