—d1896

TOC o "1-3" h z u 1-1. انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل7
1-2. نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت7
1-3. نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت12
فصل دوم - آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی
2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست18
2-2. فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس23
2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس25
2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت26
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت31
3-2. اصلاح شیمی سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی36
3-4. شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو36
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن52
4-2. نمونه‌های در قالب ریخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاویر FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزیع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد


رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا

user8290

3-2. اصلاح شیمی سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی36
3-4. شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو36
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن52
4-2. نمونه‌های در قالب ریخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاویر FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزیع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].


3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا

–409

عنوان صفحه
شکل 1-1- نمایی از درختچه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه (ذخیره‌گاه بادام کلم بدره) PAGEREF _Toc417289229 h 9شکل 3-1- موقعیت منطقه مورد مطالعه در کشور، استان و شهرستان PAGEREF _Toc417289245 h 23شکل 3-2- آمبروترمیک حوزه کلم (ایستگاه هواشناسی ایلام طی دوره‌ی آماری 1392-1370) PAGEREF _Toc417289249 h 25شکل 3-3- نمایی از نمونهبرداری خاک در رویشگاه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289261 h 27شکل 4-1- نقشه مدل رقومی ارتفاعی (DEM) منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289278 h 31شکل 4-3- نقشه کلاسه‌های شیب در منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289279 h 32شکل 4-4- نقشه جهات جغرافیایی در منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289280 h 32شکل 4-5- شبکه آماربرداری 200×200 متر و نحوه قرارگیری پلاتها PAGEREF _Toc417289282 h 33شکل 4-6- جانمایی قطعات نمونه آماربرداری بر روی تصاویر ماهوار‌ه‌ای Google Earth PAGEREF _Toc417289283 h 33شکل4-7- تعداد در هکتار گونه بادام کوهی در قطعات نمونه منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289291 h 36شکل4-8- تعداد در طبقات قطری تاج گونه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289293 h 36شکل 4-9- تعداد در طبقات ارتفاعی گونه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289295 h 36شکل 4-10- رابطه رگرسیونی بین قطر تاج و ارتفاع درختچه‌های بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه PAGEREF _Toc417289299 h 37
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 4-1- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل ارتفاع از سطح دریا بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی PAGEREF _Toc417289303 h 39نمودار 4-2- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل جهت دامنه بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی PAGEREF _Toc417289307 h 40نمودار 4-3- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل شیب بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی PAGEREF _Toc417289311 h 41نمودار 4-4- مقایسه مشخصه‌های خاک در طبقات مختلف ارتفاعی PAGEREF _Toc417289315 h 42نمودار 4-5- مقایسه مشخصه‌های خاک در جهات جغرافیایی PAGEREF _Toc417289318 h 43نمودار 4-6- مقایسه مشخصه‌های خاک در شیب‌های مختلف PAGEREF _Toc417289322 h 44نمودار 4-7- ضریب همبستگی بین مشخصه‌های رویشی و خصوصیات خاک PAGEREF _Toc417289325 h 45
چکیدهدر این مطالعه، ذخیره‌گاه بادام کوهی (Amygdalus Arabica Olive) منطقه کلم شهرستان بدره در استان ایلام که یک دخیره گاه تیپیک می‌باشد، مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا در منطقه، محدوده ذخیره‌گاه بادامک، شناسایی و پلیگون آن به ‌صورت رقومی بسته شد. در داخل محدوده‌‌های مشخص شده شبکه آماربرداری به ابعاد 200×200 متر به‌ صورت منظم- سیستماتیک تصادفی طراحی و برای اندازه‌گیری درختچه‌ها و از قطعات نمونه دایره‌ای شکل با مساحتی به روش حداقل سطح تعیین گردید. نتایج اندازه گیری مشخصه‌های کمی و کیفی نشان داد که این مشخصه‌ها در حال نوسان بوده و برای بررسی وضعیت خاک رویشگاه مورد مطالعه، برخی مشخصه‌‌های فیزیکی و شیمیایی خاک از قبیل بافت خاک، ماده آلی، کربن آلی، اسیدیته، نیتروژن کل، وزن مخصوص ظاهری و هدایت الکتریکی (Ec) در مرکز هر قطعه نمونه مورد اندازهگیری و مطالعه قرار گرفت. مقایسه میانگین‌ها در ارتباط با مشخصه ارتفاع از سطح دریا نشان داد که در ارتفاعات پائین منطقه مورد مطالعه که اکثراً در داخل دره واقع شده بودند (طبقه ارتفاعی 1000-900 متر)، تعداد درختچهها، تعداد جستها و وضعیت شادابی دارای میانگین بیش‌تری بوده و بالعکس در ارتفاعات بالاتر (طبقه ارتفاعی 1200-1100 متر) میانگین ارتفاع درختچهها و قطر تاج بیش‌تر بوده است. در ارتباط با عامل فیزیوگرافی جهت دامنه نتایج نشان داد که در جهت‌های شرقی منطقه مورد مطالعه، تعداد درختچهها، تعداد جستها و ارتفاع و قطر تاج آنها دارای میانگین بیش‌تری بوده و در جهت‌های شمالی وضعیت شادابی درختچهها نسبت به دیگر جهت‌ها بهتر بوده است. نتایج بررسی خصوصیات کمی و کیفی بادام کوهی در شیب‌های مختلف نشان داد که در طبقات شیب 60-45 درصد بیش‌‌ترین تعداد درختچه و تعداد جست گروه دیده میشود و در مناطق کم شیب از تعداد درختچه کاسته میشود. در کلاسه‌‌های شیب 45-30 درصد ارتفاع، قطر تاج و وضعیت شادابی درختچه‌های بادام کوهی از میانگین بالاتری برخوردار است.
با توجه به نتایج ضریب همبستگی پیرسون، تعداد درختچهها و قطر تاج آنها با ماده آلی خاک در سطح 5 درصد دارای همبستگی مثبت و معنیدار می‌باشد. همچنین بین تعداد درختچهها و تعداد جست گروهها با نیتروﮊن کل به ترتیب در سطح احتمال 1 درصد و 5 درصد همبستگی مثبت و معنی دار وجود دارد. مشخصه‌های کمی و کیفی درختچه‌های بادام کوهی با مشخصه‌های خاک از جمله اسیدیته، درصد شن، ماده آلی و نیتروﮊن کل رابطه مثبت و با مشخصه‌های خاک از جمله درصد رس و سیلت رابطه منفی وجود دارد، هر چند معنی دار نمیباشند.
کلمات کلیدی: بادام کوهی، عوامل فیزیوگرافی، ذخیره‌گاه کلم، شهرستان بدره
فصل اولکلیات تحقیق1635760889000
1-1- بیان مسالهاستان ایلام دارای 641667 هکتار جنگل و 1146280 هکتار مرتع می‌باشد که در مجموع بیش از 87 درصد استان را عرصه‌های منابع طبیعی تشکیل میدهد، این مقدار برابر 4% جنگل‌ها و 1% مراتع کشور و همچنین 10% سطح جنگل‌ها و 6% مراتع زاگرس می‌باشد. 66 درصد جنگل‌‌های استان را جنگل تنک تشکیل میدهد و جزء جوامع جنگلی مناطق خشک و نیمه‌خشک سلسله جبال زاگرس بوده و تیپ غالب آن را گونه بلوط ایرانی با 90%، گونه پسته وحشی 6% و 4% بقیه را بادام کوهی، داغداغان، کیکم، بادامک و غیره را شامل می‌شود. از جمله گونه‌های نادر گیاهی استان ایلام میتوان به مورد، بادام، بادامک، گلابی وحشی، سماق، ارغوان، لرگ، زربین و. . . اشاره کرد که ذخیرهگاه‌های جنگلی استان را تشکیل میدهند.
بادام کوهی درختچه‌ای متعلق به خانواده گلسرخیان تا ارتفاع 6 متر، با شاخه‌های متعدد، ایستاده و بدون کرک، سبز رنگ و استوان‌های، برگ‌های خطی، گل‌ها به قطر 25 میلی‌متر و موسم گلدهی آن اسفند تا فروردین ماه می‌باشد (مظفریان 1383). از نظر اکولوژیکی، جنگل‌‌های بادامک به عنوان یکی از مهم‌ترین عوامل بازدارنده بروز سیل در مناطق کوهستانی و تخریب اراضی و محصولات کشاورزی در بسیاری از مناطق جغرافیایی و اکولوژیکی مطرح میباشند.
ذخیره‌گاه بادام کوهی منطقه کلم بدره، جزء رویشگاه‌‌های با اهمیت و از ذخایر ژنتیکی درختچه‌ای در ایران محسوب میشود. عدم شناخت کافی از این ذخیره‌گاه مانع جدی در احیاء رویشگاه‌‌های تخریب یافته آن و برنامهریزی به منظور مدیریت بهینه رویشگاه‌‌های موجود خواهد بود. بر این اساس آگاهی از نیاز رویشگاهی این گونه و تعیین مشخصه‌های کمی و کیفی آن میتواند کمک شایانی برای استفاده مناسب از این گونه به همراه داشته باشد. در این راستا آگاهی از ویژگی‌های خاک رویشگاه این گونه نقش مؤثری در پیشنهاد گونه‌های سازگار با شرایط خاک در مناطق مشابه دارد، بنابراین میتوان از نتایج این پژوهش برای اصلاح، احیاء و حفاظت پوشش گیاهی مناطق با شرایط مشابه استفاده نمود. با توجه به بومی بودن گونه بادامک، ارزش اقتصادی از نظر تولید میوه، دارویی، صنعتی و خوراکی، اهمیت اکولوژیکی و استفاده از آن در طرح‌های آبخیزداری و حفاظت و احیاء و جلوگیری از فرسایش خاک و نبود اطلاعات کافی در خصوص گونه بادامک، اقدام به انتخاب آن برای بررسی و مطالعه رویشگاهی آن در ذخیره‌گاه کلم شهرستان بدره شده است. نتایج به دست آمده از این پژوهش می‌تواند برای جنگل کاری موفق گونه بادامک در استان ایلام به کار گرفته شود.
1-2- اهمیت و ضرورت انجام تحقیقیکی از وسیع‌ترین مناطق رویشی کشور منطقه زاگرس است که با پنچ میلیون هکتار جنگل تقریباً وسعتی معادل 40 درصد از کل جنگل‌‌های کشور را به خود اختصاص داده است. ارزشمندی این جنگل‌ها به لحاظ زیست محیطی ایجاب میکند که گونه‌های ارزشمند این مناطق مورد توجه علمی بیش‌تری قرار گیرند. قدم اول در حفاظت از این ذخیره‌های ارزشمند ملی آشنایی کامل با ویژگی‌های بومشناختی و بومسازگان آنهاست. جنس بادام یکی از با ارزش‌ترین رستنی‌های ایران می‌باشد که در بخش کوهستانی منطقه ایرانی و تورانی در مرکز، شرق و غرب پراکنش دارد. این جنس دارای بیش از 40 گونه در پاره ای از نقاط جهان می‌باشد که بیش از 30 گونه از آن در ایران رویش دارد (ایران نژاد پاریزی 1374). گونه‌های جنس بادام به علت دارا بودن خواص دارویی، صنعتی و خوراکی از لحاظ اقتصادی حائز اهمیت میباشند. گونه گیاهی بادامک در بسیاری از نقاط کشور امکان رویش دارد (الوانی نژاد 1378). بنابراین شایسته است که برای حفظ تنوع گون‌های، توسعه منابع طبیعی کشور و حفظ ارزش‌های زیست محیطی، چنین گونه‌هایی مورد توجه علمی بیش‌تری واقع شوند.
بادامک به عنوان یکی از گونه‌های درختچه‌ای مناسب برای بسیاری از مناطق اکولوژیک کشور مورد توجه بوده و سالهاست در اراضی شیبداری که در معرض خطر فرسایش آبی هستند، کشت میگردد. به جهت ماهیت اجرای طرح‌های تثبیت بیولوژیک، شناخت عوامل توسعه دهنده و یا محدود کننده گونه‌های گیاهی اهمیت به سزایی دارد. اولین گام در انتخاب گونه گیاهی مناسب، شناخت بستر مناسب برای بقا، رشد، زادآوری و استمرار تولید می‌باشد. از جمله مهم‌ترین عوامل در موفقیت طرحها و پروژه‌های جنگل‌شناسی و مدیریت جنگل، شناخت ویژگی‌ها، نیازها و فرایند‌های رویشی گیاه و اثر متقابل آنها با شرایط رویشگاه است. رشد گیاهان علاوه بر خصوصیات ژنتیکی، به عوامل محیطی و رویشگاهی بستگی دارد که این عوامل محیطی مجموع‌های از خصوصیات خاک، توپوگرافی، آب و هوا، اقلیم و دیگر نهاده‌‌های اکولوژیک هستند. در برنامهریزی‌های اصلاح و توسعه منابع طبیعی، ضمن لزوم بررسی‌های گیاه شناسی برای هر گونه گیاهی، شناخت نیاز‌های محیطی گیاه نیز باید مورد توجه متخصصان مربوطه قرار گیرد.
در این راستا، آگاهی از خواهش‌های بومشناختی گونه بادامک در ذخیره‌گاه جنگلی کلم شهرستان بدره در استان ایلام از نظر خاک، اقلیم، شرایط توپوگرافی و سایر عوامل محیطی میتواند برنامه‌‌های حفاظت، احیاء و توسعه این منابع جنگلی را با موفقیت بیش‌تری همراه کند.
در اغلب عرصه‌های ملی بویژه در استان ایلام در حال حاضر امکان استفاده از گونه‌های درختی فراهم نیست و تجربیات اخیر حکایت از عدم استقرار و یا استقرار ضعیف جنگل‌کاری با گونه‌های درختی دارد. بنابراین در حال حاضر استفاده از گونه‌های درختچه‌ای همچون بادامک که میتواند نقش پیش‌آهنگ را در عرصه‌های تخریب یافته جنگل‌‌های زاگرس داشته باشد، تنها راهکار موجود است. یکی از مناسب‌ترین گونه‌های موجود به منظور احیای مناطق تخریب یافته استفاده از انواع بادام بویژه بادامک است. تحقیق حاضر نیز با هدف بررسی شرایط و نیاز رویشگاهی گونه بادامک در ذخیرهگاه کلم شهرستان بدره انجام گرفت که نتایج حاصل از آن میتواند به عنوان یک دستاورد مهم در جهت مدیریت بهینه این ذخیره‌گاه و همچنین در برنامهریزی‌های حفاظت، احیاء، توسعه و مدیریت هر چه دقیق‌تر این گونه ارزشمند مورد استفاده قرار گیرد.
1-3- سؤالات تحقیقخصوصیات کمی و کیفی جوامع درختچه‌ای بادام کوهی در ارتباط با ارتفاع از سطح دریا و جهت جغرافیایی تغییر میکند؟
آیا تراکم درختچه‌های بادام کوهی در یال‌ها بیش‌تر از درهها است؟
1-4- اهداف بررسی شرایط رویشگاهی گونه بادام کوهی در ذخیرهگاه جنگلی کلم شهرستان بدره
تعیین مشخصه‌های کمی و کیفی درختچه بادام کوهی ذخیرهگاه جنگلی کلم شهرستان بدره
1-5- تعاریف و کلیات1- پوشش گیاهی
پوشش گیاهی عبارت از انواع درختان، بوته‌ها و علوفه و چمن و سبزی که در سطح زمین استقرار می‌یابد به عبارتی هرگونه سرسبزی در سطح زمین را سطح پوشش گیاهی نامند (‌جنگل، مرتع، زراعت) فقدان پوشش گیاهی در سطح زمین از عوامل عمده تخریب سطح خاک توسط باران می‌باشد. پوشش گیاهی مانعی است در مقابل باران که به سطح خاک برخورد می‌نماید. برخورد باران به سطح خاک باعث جابجایی خاکدانه‌ها و فرسایش خاک می‌شود. فرسایش خاک حاصلخیز فقر پوشش و نابودی آن‌را در پی دارد‌. عدم وجود پوشش گیاهی نیز نابودی خاک را در پی دارد. به عبارتی پوشش گیاهی و خاک برای حفظ خود مکمل یکدیگرند‌. عدم وجود یکی باعث نابودی دیگری می‌شود. این ارتباط حیاتی به حیات بشر و موجودات زنده ارتباط دارد.
2- اُت اکولوژی
الف) مطالعه و شناخت روابط و چگونگی رفتار جمعیت یک گونه در رویشگاه و تعامل با اجزاء آن است، که در مدیریت علمی رویشگاه‌‌های یک گونه به منظور حفظ، احیاء و اصلاح آنها حائز اهمیت می‌باشد (مهاجر 1385).
ب) شاخه‌ای از علم اکولوژی که روابط بین یک ارگانیسم یا گونه را با محیط زنده و غیر زنده (رویشگاه آن) مورد مطالعه قرار میدهد.
3- رویشگاه
مجموعه عوامل اقلیمی، خاکی و پستی بلندی که در یک محل وجود دارد و شرایط لازم و کافی را برای استقرار و رشد و توسعه درختان بوجود میآورد. رویشگاه مترادف پایگاه به کار برده میشود (مهاجر 1385).
4- شرایط اکولوژیکی
دامنه پراکنش گونه‌‌های درختی در جنگل‌‌های زاگرس متفاوت بوده و هر گونه دارای نیاز رویشگاهی خاصی می‌باشد. در منطقه اکولوژیک زاگرس گونه‌‌های مختلفی انتشار دارند که در فرم‌‌های مختلف زمین، در جهت‌‌های جغرافیایی مختلف، در ارتفاعات مختلف از سطح دریا، بر روی خاک‌‌های مختلف با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلف دارای گسترش‌گاه ویژه‌ای هستند (زهره‌وندی و همکاران 1390).
5- ذخیرهگاه جنگلی
ذخیره‌گاه جنگلی عرصه‌ای جنگلی است که به دلایل اکولوژیک و یا دخالت‌‌های انسانی دچار آسیب شده و با خطر انقراض یک یا چند گونه جنگلی روبه رو است. با توجه به این که چنین پدید‌های نابودی تنوع زیستی را در زیست کره به دنبال خواهد داشت لازم است با هدف جلوگیری از چنین اتفاقی، برنام‌های را برای حفاظت از این مناطق و به منظور استمرار زادآوری اجرا کرد.
6- بادام کوهی
پراکنش جنس بادام از نظر تقسیم بندی‌های جغرافیای گیاهی در منطقه ایرانوـ تورانی است و از حوزه دریای مدیترانه تا آسیا گسترش دارد. پراکنش اصلی آن در جنوب غرب آسیا و خاورمیانه است؛ اما تعداد بسیار کمی از گونه‌ها در چین و مغولستان وهمین طور جنوب شرق اروپا رویش دارند. بررسی‌های تکاملی نشان داده است که تکامل بادام در مناطق استپی خشک، بیابان‌ها و مناطق کوهستانی تحت شرایط سخت صورت پذیرفته و این جنس با زیسگاه‌های خشک و نیمه خشک سازگار شده است. بادام در ارتفاعات و بر روی دامنه‌‌های صخره ای، سنگی، سنگریزه‌ای و یا بستر‌های شنی یا رسی رشد می‌کند. این جنس نیازمند مناطق نورگیر باز است و هم چنین در استپ‌ها و استپ ـ جنگل‌ها می‌روید.
جنس Amygdalus به خانواده Rosaceae گل سرخیان تعلق دارد. در حال حاضر این تیره تقریباً دارای 90 جنس و 3000 گونه می‌باشد و در ایران دارای 4 زیرتیره، 30 جنس و تقریباً 27 گونه و 7 طایفه است. بادام کوهی درختچه‌ای است خاردار شاخه‌‌های آن در ابتدا صاف و قهوه‌ای روشن است پس از چندی رنگ آن به خاکستری روشن یا تیره تبدیل می‌شود. گل بادام روی شاخه‌‌های یکساله به صورت جانبی و انفرادی پدیدار می‌شود. گسترش اصلی جنس بادام در منطقه ایرانی- تورانی است و معمولاً در نواحی جنوب غربی آسیا پراکنده اند. گونه‌‌های بادام در شرایط متفاوتی از جمله در شیب جنوبی رشته کوه‌‌های البرز تا شیب شمالی کوه‌های مکران در جنوب ایران گسترش دارد و رشد می‌کند (وفادار و دیگران 2008). گونه A. arabica در غرب ایران پراکنده است که دارای شاخه‌های شیاردار و دمبرگ 7 میلی‌متری است. این گونه به دلیل اهمیت اقتصادی، دارویی و کشاورزی از زمان‌‌های بسیار دور مورد توجه بوده و در برابر فرسایش از خاک نگهداری می‌کنند و به دلیل وجود اسید‌های چرب غیراشباع و آمیگدالین مصارف دارویی بالایی دارد (شنگ مین 2003).
بلندی درخت بادام به 6 ‌تا10 متر می‌رسد. ریشه آن قوی است و به طور عمودی تا 3 متر در زمین فرو می‌رود و به همین دلیل نسبت به خشکی و کم‌آبی مقاوم است. تنه درختان بادام در جوانی به رنگ خاکستری شفاف و صاف که به‌ تدریج رنگ آن تیره‌تر می‌شود. برگ بادام کشیده و نوک‌تیز و چرمی و کلفت است و بنابراین در هوای گرم و خشک مقاوم است.
از نظر اکولوژیکی، دما مهم‌ترین فاکتور اقلیمی برای گونه بادام است. بادام برای جوانه زنی یکنواخت در بهار، به سرمای زمستانه متوسطی نیاز دارد. درخت بادام سرمای زمستان را در حد متوسطی تحمل می‌کند ولی به علت زود باز شدن گل‌‌های آن تحمل این درخت نسبت به سرمای بهاره کمتر است. نیاز سرمایی برای باز شدن عادی جوانه‌ها بسته به نوع دما متفاوت بوده و از 100 تا 700 ساعت پائین‌تر از 2/7 درجه سانتی‌گراد متغیر است. خواب جوانه‌ها به علت وجود غلظت زیاد قند در آنها می‌باشد. درخت بادام سرمای زمستانه را تا 20- درجه سانتی گراد تحمل می‌کند. در صورتی که سرما بیش از این حد باشد و سرد شدن هوا نیز به تدریج صورت گرفته باشد، درخت بادام مقاومت بیش‌تری به سرما خواهد داشت. عامل محدود کننده کاشت بادام سرمای بهاره بخصوص در زمان گل یا بلافاصله پس از تشکیل میوه است. شیب‌های جنوبی برای کاشت بادام خیلی مطلوب است و زمین‌های هموار نیز در صورتی که دارای هوای ملایمی باشند می‌توانند مورد استفاده قرار گیرد. در مناطقی که سرمای بهاره متداول است باید از ارقام دیر گلده استفاده شود. بنابراین نسبت به سرمای دیررس بهاره بسیار حساس هستند بادام برای رساندن میوه خود نیاز به 8-6 ماه فصل رشد دارد و در تابستان خواهان هوای گرم و خشک می‌باشد و در مناطقی که متوسط بارندگی کمتر از 250 میلی‌لیتر در سال دارد، به خوبی رشد می‌کند (خاتم‌ساز 1371).
مناسب‌‌ترین خاک برای بادام خاک‌‌های لومی می‌باشند، اما با توجه به این‌که درختان بادام اغلب در خاک‌‌های غیر حاصلخیز کاشته می‌شوند، بنابراین قبل از کاشت برای تعیین میزان کمبود مواد غذایی باید تجزیه خاک صورت گیرد. تجزیه برگی نیز برای تشخیص مقدار و نوع عناصر غذایی خاک مفید است.
درخت بادام بی برگ در جنگل‌‌های زاگرسی به عنوان گونه پرستار و پیش‌آهنگ شناخته شده و یکی از مقاوم‌‌ترین درختان به خشکی و گرما در میان درختان و درختچه‌‌های جنگلی شناخته می‌شود. با توجه به اینکه کشور ما یکی از کشور‌های دارای آب و هوای خشک بوده و کمبود آب در کشاورزی و باغبانی مطرح می‌باشد توسعه‌ی کشت و کار گونه‌‌های مختلف بادام در مناطق مناسب ضروری می‌نماید (شکل 1-1).

شکل 1-1- نمایی از درختچه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه (ذخیره‌گاه بادام کلم بدره)7- تیپ‌های گیاهی منطقه
الف) تیپ Amygdalus arabica- Annual grasses
این تیپ در شیب شمالی منطقه در محدوده طول شرقی 25. 1 54 46 تا 22. 2 59 46 و عرض شمالی 6. 5 2233 تا 15. 2 24 33 واقع شده است. به علت شرایط اکولوژیکی و فشار چرای دام، گرایش پوشش گیاهی منطقه منفی است. گونه‌های علفی منطقه مورد مطالعه نیز شامل گراس و فورب یکساله می‌باشند و گیاهان بوته‌ای به صورت محدود وجود دارند. خاک این تیپ عمیق و دارای املاح گچ و آهک و مارن می‌باشد. بافت خاک متوسط تا سنگین دارای ساختمان توده‌ای، مقدار خلل و فرج متوسط با تعداد زیاد و ریشه‌های ریز با تعداد متوسط واکنش در برابر HCL زیاد، هدایت الکتریکی 74/0 دسی‌زیمنس بر متر و اسیدیته آن برابر 78/7 می‌باشد. از نظر پایداری خاکدانه‌ها بسیار سخت و درصد اشباع آن برابر 48 درصد و مقدار کربنات کلسیم در این افق 48 درصد است. میزان لاشبرگ 5 درصد می‌باشد و در این تیپ 29 درصد سنگریزه دیده می‌شود میزان خاک لخت 1/31 درصد می‌باشد. پوشش گیاهی در این تیپ دارای 5/9 درصد تاج پوشش می‌باشد. لیست گیاهان موجود در این تیپ در جدول1-1 ارائه شده است.
جدول 1-1- لیست گیاهان شناسایی شده در تیپ Amygdalusarabica- Annual grassesردیف نام فارسی نام علمی خانواده شکل زیستی
1 گاوزبان خارک‌دار Anchusa strigosa Labill Boraginaceae He
2 گون Astragalu neomozafarina ina Papilionaceae Ch
3 بارهنگ Plantago psylium Plantaginaceae He
4 دانه تسبیح Aegilo pscrassa Gramineae Th
5 جو هرز (قلطاس) Hordeum glaucum Gramineae Th
6 بادامک Amygdalus lycioides Rosaceae Ph
7 گلرنگ زرد Carthamus oxycanthalis Compositae Th
8 شکر تیغال مشهدی Echinops ritroides Bunge Compositae He
9 دگر گل گندمی Hetheranthelium piliferum Gramineae Th
10 زنگوله ای شرقی Onosma heliotropium Boraginaceae He
11 سدابی زگیل دار Haplophylumtuberculatum Rutaceae He
12 طوسک ایتالیایی Scabiosa rotate Dipsacaceae Th
13 ترشک Rumexephedroides Polygonaceae Th
14 بهمن Stipa capensis Thunb Gramineae Th
15 ختمی Alceaaucheri Malvaceae He
16 سوزن چوپان Erodium ciconium Geraniceae Th
17 بادام کوهی Amygdalus Arabica olive Rosaceae Ph
18 خنجوک Pistachia khinjuk Anacardiaceae Ph
19 چچم شکننده Loliumrigidum Gramineae Th
20 شبدر Trifolium campester Papilionaceae Th
21 شکر تیغال Echinopsritroides Compositae He
22 گوش بره Phlomis persica Bioss Labiatae He
23 کنگر Gundelia tournefortii Compositae He
24 علف جارو Bromus danthonia Gramineae Th
25 جارو علفی بامی Bromus tectorum Gramineae Th
26 مریم گلی Salvia bracteata Labiatae He
27 گچ دوست Gypsophila pallida Caryophyllaceae He
28 بله جی جی Astragalus fasciculifolius Papilionaceae Ch
شکل زیستی: تروفیت :Th، همیکریپتوفیت :He، کامفیت :Ch، فانروفیتPh
ب) تیپ Quercus brantii- Amygdalus arabica
این تیپ در قسمت شمال غربی منطقه قرار گرفته است و در بین طول شرقی 2. 2 53 46 تا 28. 6 57 46 و عرض شمالی 16. 9 21 33 تا 36 23 33 واقع شده است. این تیپ دارای شیب زیاد و عمق خاک کم تا متوسط بوده و سنگ بستر در بعضی قسمت‌‌های آن نمایان شده است. پوشش گیاهی درختی بیش‌تر از نوع بلوط ایرانی همراه با پایه‌‌های پراکند‌های از بنه است. بافت خاک متوسط تا سنگین دارای ساختمان توده‌ای، مقدار خلل و فرج زیاد با اندازه متوسط و بدون ریشه و واکنش در برابر HCL زیاد، هدایت الکتریکی 76/0 دسی‌زیمنس بر متر و اسیدیته آن برابر 65/7 می‌باشد. از نظر پایداری خاکدانه‌ها سخت و درصد اشباع آن برابر 2/32 درصد و مقدار کربنات کلسیم در این افق 5/68 درصد است. میزان لاشبرگ 5 درصد می‌باشد و در این افق 7/26 درصد سنگریزه دیده می‌شود و خاک لخت 35 درصدد می‌باشد. درصد پوشش گیاهی این تیپ 49/20 درصد می‌باشد.
جدول 1-2 لیست گیاهان شناسایی شده در AmygdalusarabicQuercusbrantii-ردیف نام فارسی نام علمی خانواده شکل زیستی


1 جارو علفی هرز Bromus danthonia Gramineae Th
2 گلرنگ زرد Carthamu soxycanthalis Compositae Th
3 جاشیر Ferulago macrocarpa Umbelliferae He
4 بابونه Anthemis altissima Compositae Th
5 کنگر Gundeliatournefortii Compositae He
6 دانه گنجشکی Helianthemum salisifolim Cistaceae Th
7 شیرپنیر موئین Galium setaceum Rosaceae Th
8 دم روباهک Lophocloaphleoides Gramineae Th
9 خشخاش هرز Papaverdubium Papaveraceae Th
10 لعل کوهستان Olivier adecombens Umbelliferae Th
11 بادام کوهی Amygdalus arabica Rosaceae Ph
12 دانه تسبیح Aegilopscrassa Gramineae Th
13 جو وحشی Hordeum glaucum Gramineae Th
14 طوسک ایتالیایی Scabiosa rotate Dipsacaceae Th
15 بارهنگ کتانی Plantago psyllium Plantaginaceae He
16 بلوط ایرانی Quercus brantii Fagaceae Ph
17 شکر تیغال Echinopsritroides Compositae He
18 بله جی جی Astragalus fasciculifolius Papilionaceae Ch
19 زوال Eryngium billardieri Umbelliferae He
20 شبدر Trifolium campester Papilionaceae Th
شکل زیستی: تروفیت :Th، ژئوفیت :GE، همیکریپتوفیت :He، کامفیت :Ch، فانروفیتPh
8- خواص دارویی
بادام ملین بوده و روغن بادام ضد یبوست است مخصوصاً می‌توان از روغن بادام رفع یبوست بچه‌ها استفاده کرد.
بادام برای درمان زخم روده‌ها و مثانه و اسهال مفید است.
بادام تقویت کننده نیروی جنسی است و تولید اسپرم را زیاد می‌کند، بادام آسیاب شده و با عسل مخلوط شده، برای درد کبد و سرفه مفید است.
شکوفه بادام را دم نموده و به عنوان مسهل برای اطفال می‌توان استفاده کرد.
دم کرده پوست قهوه‌ای رنگ مغز بادام بهترین دارو برای تسکین درد و التهاب مجاری تنفسی است.
روغن بادام خواب آور است و بی خوابی را از بین می برد.
مالیدن روغن بادام برروی پوست التهاب را رفع کرده و سوختگی را درمان می‌کند.
ریشه درخت بادام برای درمان انواع دردها مفید است و برای پاک کردن طحال، کلیه و دفع کرم رود به کار می رود.
1-6- جمع بندی و جنبه جدید بودن و نوآوری در تحقیقبا توجه به گسترش رویشگاهی وسیع گونه بادام کوهی در کشور متاسفانه در ارتباط با بررسی رویشگاهی این گونه تحقیقات در داخل کشور اندک می‌باشد و بجز چند توده بادام کوهی در استان‌های کرمان و چهارمحال بختیاری در دیگر مناطق مطالعه جامعی صورت نگرفته است. در استان ایلام گونه درختچه‌ای بادام کوهی منطقه کلم شهرستان بدره به عنوان ذخیره‌گاه از سوی سازمان جنگل‌ها، مرتع و آبخیزداری کشور معرفی شده است که تاکنون هیچگونه مطالعه‌ای در مورد بررسی خصوصیات رویشگاهی آن صورت نگرفته است. به همین دلیل و به منظور شناخت و کسب اطلاعات و نیز به دلیل اینکه این گونه از گونه‌هایی با ارزش ژنتیکی و اقتصادی بالاست و رویشگاه آن در استان به عنوان ذخیرهگاه معرفی شده است، مطالعات در خصوص این گونه ضروری احساس شده و هدف این مطالعه نیز بررسی شرایط رویشگاهی گونه بادام کوهی ذخیرهگاه جنگلی کلم بدره می‌باشد.

فصل دوممروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق1903095284480000
2-1- مرور منابع2-1-1- بررسی پژوهش‌های انجام شده در داخل کشورپیری (1391)، مطالعه شرایط رویشگاهی لرگ در دره لارت شهرستان بدره استان ایلام پرداخت عرصه تحت پوشش توده لرگ پس از ثبت موقعیت تمام پایه های لرگ در، آماربرداری صدرصد از مشخصه های کمی و کیفی انجام شد خاک منطقه دارای بافت رسی – لومی تا شنی – رسی – لومی با میانگین اسیدیته برابر 34/7 بوده است نتایج نشان داد که حداقل و حداکثر قطر پایه ها به ترتیب 7 و 91 سانتی متر بوده حداقل و حداکثر ارتفاع درختان بترتیب5/0 و20 متر می باشد میانگین ارتفاع درختان به روش لوری 34/14 متر محاسبه گردید تجدید حیات درختان به طور متوسط برابر 5/770 اصله در هکتار و جنگل ناهمسال و نامنظم می باشد.
قربانی (1391)، بررسی برخی از خصوصیات اکولوژی گونه مورد را در سه ذخیره گاه جنگلی تنوره آبدانان، زرآب زرین آباد، و روستای مورد از توابع بخش چوار در استان ایلام پرداخت نتایج نشان داد که محدوده ارتفاعی مورد بین 826 تا 1100 متر ارتفاع از سطح دریا بوده و بیشترین پارامتر ارتفاع و قطر به ترتیب 02/3، 88/3 مربوط به ذخیره گاه زرین آباد از نظر پارامتر شادابی و تعداد زادآوری ذخیرگاه چوار اختلاف معنی داری نسبت به دو ذخیرگاه دیگر می باشد . خاک رویشگاه چوار سیلتی – لومی و دو رویشگاه دیگر رسی – لومی بوده . نتایج همبستگی بین متغیرها نشان داد که در هر سه رویشگاه بین قطر تاج و ارتفاع پایه ها همبستگی مثبت وجود دارد . در رویشگاه چوار زاداوری درختان با میزان کربن آلی و پتاسیم خاک دارای همبستگی مثبت و دررویشگاه آبدانان بین ارتفاع پایه ها و میزان اسیدیته خاک همبستگی منفی بسیار قوی وجود دارد .
گودرزی و همکاران (1391)، در تحقیقی تأثیر فیزیوگرافی و برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک را بر روی پراکنش گونه بادامک در چهار منطقه از استان مرکزی مورد مطالعه قرار دادند. در این پژوهش پس از جنگل گردشی و بررسی مقدماتی منطقه و با توجه به متغیر‌هایی مانند جهت جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا و شیب اقدام به پیاده نمودن 61 قطعه با استفاده از دستگاه GPS در چهار منطقه جلایر ساوه، نیمور محلات، جفتان تفرش و سرآبادان تفرش گردید. نتایج به دست آمده از آزمون تجزیه واریانس یک طرفه نشان داد که بیش‌‌ترین ارتفاع از سطح دریا، شیب، آهک، هدایت الکتریکی و فسفر در منطقه نیمور محلات، بیش‌‌ترین مقدار درصد شن و سطح مقطع تاج در هکتار در مناطق جلایر ساوه و سرآبادان تفرش، بیش‌‌ترین تعداد درخت در هکتار در منطقه سرآبادان تفرش و کم ‌ترین ارتفاع از سطح دریا و سیلت در منطقه جلایر ساوه وجود دارد. همچنین تحلیل مولفه‌‌های اصلی بیانگر آن است که همه مشخصه‌‌های رویشی در جهت مثبت محور اول پراکنده شدهاند. منطقه جلایر ساوه بیش ‌ترین همبستگی مثبت را با محور اول و نیمور محلات با محور دوم نشان می‌دهد. در ربع اول و در مناطق سرآبادان و جلایر ساوه درصد شن و ازت کل و در ربع دوم و در منطقه نیمور محلات ارتفاع از سطح دریا، شیب و فسفر و در ربع چهارم و در منطقه جفتان تفرش کربن آلی از مهم ‌ترین عوامل تأثیرگذار بر پراکنش بادامک میباشند.
صیادی و همکاران (1391)، در مطالعه خود به بررسی اثر توپوگرافی و خصوصیات خاک بر خصوصیات کمی و کیفی بادام کوهی در ذخیرهگاه رحمت آباد شهرستان آبیک استان قزوین پرداختند. آماربرداری از پایه‌‌های بادام کوهی و ثبت مشخصات کمی و کیفی به صورت صد در صد انجام گرفت. مشخصه‌های مورد نظر از لحاظ جنگل‌شناسی شامل تعداد درختان، ارتفاع کامل، قطر متوسط تاج، قطر یقه (مجموع جست‌‌های تشکیل دهنده تنه) و مشخصه‌های کیفی شامل فرم تنه، وضعیت شادابی و سلامت تاج، سلامت تنه، انحنا و پیچیدگی تنه مورد سنجش قرار گرفت. برداشت نمونه‌های خاک از عمق 20-0 سانتیمتری به صورت انتخابی، در نقاطی که وضعیت پوشش گیاهی و توپوگرافی به طور واضحی تغییر می‌کرد با در نظر گرفتن قطعه نمونه‌‌هایی صورت گرفت. نتایج تحقیق نشان داد که بین تعداد پایه در هکتار بادام و ارتفاع از سطح دریا، شیب و جهت اختلاف معنیداری وجود دارد. همچنین در این تحقیق معلوم شد که از بین خصوصیات فیزیکی خاک تنها درصد سنگریزه و درصد تخلخل با برخی از خصوصیات کمی بادام کوهی همبستگی دارد.
میرآزادی و همکاران (1391)، تحقیقی را در ارتباط با بررسی وضعیت رویشگاه‌‌های طبیعی درختچه مورد در استان لرستان و چگونگی حفاظت از آنها انجام دادند. هدف از پژوهش آنها بررسی رویشگاه‌‌های درختچه مورد در استان لرستان و بررسی میزان تخریب این رویشگاه‌ها بود، به این منظور 31 رویشگاه عمده این درختچه در استان لرستان شناسایی گردید و پس از مراجعه به این مناطق ویژگی‌های رویشگاهی و خاکی آنها مورد اندازهگیری قرار گرفت، نتایج این تحقیق نشان داد که رویشگاه‌‌های مورد در استان لرستان به شدت تخریب یافته بوده و روند نزولی و قهقرایی طی میکنند، با توجه به نتایج به دست آمده این محققان آنچه بیش از هر عامل دیگری امروزه در زمینه حفظ منابع طبیعی به ویژه در سطح ملی می‌تواند تأثیرات مثبت داشته باشد، افزایش معرفت و آگاهی جامعه در زمینه منابع طبیعی و شناخت مسایل و مشکلات زیست محیطی است.
فیروزبخت و همکاران (1391)، مطالعه‌ای را تحت عنوان ارزیابی و تعیین شرایط رویشگاهی بنه atlantica Pistacia در جنگل‌‌های زاگرس مرکزی انجام دادند. در این تحقیق خصوصیات گیاه شناسی، اقلیمی، رویشگاهی، خاک شناسی، زمین شناسی، مورفولوژیک، فیزیولوژیک، جنگل‌شناسی و پوشش‌های همراه بنه در زاگرس مرکزی و ایران مورد بررسی و مطالعه قرارگرفت. همچنین اهمیت جنگل‌‌های بنه در اکوسیستم زاگرس مورد نقد قرارگرفته و یکسری پیشنهادها برای حفظ جنگل‌‌های بنه ارائه گردیده است.
توکلی نکو و همکاران (1390)، در بررسی رویشگاه‌‌های بادامک در استان قم دریافتند که تراکم درختچه‌‌های بادامک در دامنه‌ها بیش‌تر است. از نظر ارتفاع، قطر تاج، مساحت تاج پوشش و مساحت تاج پوشش در واحد سطح، درختچه‌های موجود در درهها وضعیت بهتری داشتند و مقادیر آن برای دامنه بیش‌تر از یال‌ها بود. از نظر رشد سالانه درختچه‌ها، با اندازه‌گیری فاصله میان گره‌ها و محاسبه رشد طولی شاخه در سال جاری، بیش‌‌ترین مقادیر در دره‌ها و پس از آن در دامنه‌ها و یال‌ها مشاهده شد. همچنین جهت جغرافیایی نقش مهمی در پراکنش بادامک نشان داد، به طوری که بیش‌‌ترین تراکم درختچه‌ها در شیب‌‌های جنوبی و شرقی و کم‌ترین مقدار آن در شیب‌‌های شمالی و غربی مشاهده گردید. همچنین از دیگر عوامل موثر بر پراکنش بادامک شرایط خاک و به ویژه بافت خاک بود که در مواردی که خاک با بافت متوسط تا سبک همراه با سنگریزه وجود داشت، تراکم درختچه‌‌های بادامک بیش‌‌ترین مقدار بود.
رجبی نوفاب (1390)، در پایاننامه کارشناسی ارشد خود به برآورد ترسیب کربن در دو گیاه بادام کوهی و مو و بررسی امکان واسنجی مدل‌های ترسیب کربن (مطالعه موردی ایستگاه حسین آباد استان فارس) پرداخت و نتایج وی نشان داد که مقدار کربن آلی ترسیب شده در خاک تحت درختچه‌های بادامکوهی و مو به ترتیب 1/354 و 4/227 تن در هکتار است. هدایت الکتریکی از مهم‌ترین عوامل خاکی تأثیرگذار بر میزان کربن آلی خاک در درختچه بادام است در حالی که در گونه مو اسیدیته از جمله فاکتور‌های مهم تأثیرگذار بر میزان ترسیب کربن است. همچنین بیان کردند که با توجه به نتایج این تحقیق، ضروری به نظر میرسد اقدامات لازم در جهت افزایش پتانسیل ترسیب کربن در عرصه‌های مختلف کشور انجام گیرد تا قدمی در راستای کاهش غلظت کربن در جو به منظور کاهش تغییر اقلیم برداشته شود.
روانبخش و همکاران (1389)، در مطالعه خود تحت عنوان بررسی کمی و کیفی ذخیرهگاه جنگلی ارس- شیرخشت اوشان در البرز مرکزی، نشان دادند که این توده دو تیپ جنگلی اصلی شیرخشت- ارس و شیر خشت – راناس دارد. گونه‌های این توده در اشکوب درختی شامل ارس، بنه، پلاخور و تا بوده و در اشکوب درختچه‌ای، شیرخشت، راناس، تنگرس، نسترن و زرشک دیده میشوند. توده دارای ساختار ناهمسال نامنظم بوده است. همچنین تجدید حیات توده در بخش انبوه 7 برابر بیش از بخش تنک است. شادابی و سلامت توده با رتبه دهی به 7 گونه اصلی، مورد بررسی قرار گرفت.
الوانینژاد (1387)، در مطالعه خود جهت بررسی عوامل مؤثر بر پراکنش گونه بادام کوهی در دو منطقه مختلف استان فارس دریافت که عامل جهت جغرافیایی نقش مهمی در پراکنش گونه بادام کوهی ایفا میکند به طوریکه این گونه بیش‌تر در جهت‌های جنوبی، شرقی و جنوب شرقی که آفتابگیر هستند ظاهر میشود. در منطقه دشت موک بیش‌‌ترین پراکنش مربوط به ارتفاع 2150-1900 متر و در منطقه دربک 1870-1600 می‌باشد. همچنین ایشان بیان کردند که از لحاظ آب و هوایی رویشگاه‌‌های بادام اغلب در مناطق نیمه خشک، مدیترانه ای گرم و خشک حتی مناطق مرطوب و خشک میتوانند مشاهده شوند.
سالاریان و همکاران (1387)، در بررسی نیاز رویشگاهی گونه بادامک در جنگل‌‌های زاگرس (استان چهارمحال و بختیاری) به این نتیجه رسیدند که جهت جغرافیایی عامل بسیار مهمی در پراکنش بادامک می‌باشد، به طوری که میانگین ارتفاع، تعداد جست، قطر یقه، قطر تاج و درصد تاج پوشش این گونه در جهت جنوبی بیش‌تر از جهت شمالی بوده است. همچنین طبقه ارتفاعی 1800 تا 1900 متر از سطح دریا بهترینمحدوده رویشی برای گونه بادامک در منطقه مورد مطالعه در استان چهارمحال و بختیاری است.
سهرابی و همکاران (1387) مطالعه‌ای تحت عنوان بررسی خصوصیات رویشگاهی و جنگل‌شناسی توده لرگ در استان لرستان انجام دادند. در بررسی به‌عمل آمده مشخص شد که شرایط اقلیمی رویشگاه لرگ در شول‌آباد نیمه‌مرطوب سرد و محل استقرار این توده تراس کوچک رودخانه‌ای با بافت خاک لومی رسی می‌باشد که به مرور زمان در اثر ته‌نشینی رسوبات آن به ‌وجود آمده است. درختان در حاشیه رودخانه دائمی مستقر شده‌اند و سنگ بستر آن دارای سازند آهکی است. حداقل و حداکثر قطر درختان لرگ به ‌ترتیب 2 و 128 سانتی‌متر، میانگین رویش قطری سالانه‌ درختان این توده برابر با 8/3 میلی‌متر و موجودی سرپا در توده مورد مطالعه برابر 5/389 سیلو در هکتار تعیین شد. حداکثر و حداقل ارتفاع درختان لرگ در رویشگاه به ترتیب 28 و 3/2 متر برآورد شد.
مهدی‌فر و ثاقب طالبی (1385)، مطالعه‌ای با عنوان بررسی مشخصات کمی کیفی و خصوصیات رویشگاهی دارمازو به منظور شناخت خصوصیات رویشگاهی گونه دارمازو انجام دادند. نتایج حاصل نشان می‌دهد که مساحت رویشگاه این گونه در منطقه 5751 هکتار بوده. پراکنش آن از ارتفاع 1200 تا 2400 متر از سطح دریا می‌باشد که در محدوده ارتفاعی 1200 تا 2000 متر از سطح دریا منطقه مورد مطالعه تشکیل تیپ داده و از 2000 تا 2400 متر به صورت پراکنده در منطقه حضور دارد. بافت خاک رویشگاه مورد مطالعه متوسط (لومی)، نسبتاً سنگین (لومی رسی) تا سنگین (رسی) می‌باشد و اسیدیته آنها از 4/7 تا 8 متغیر است که نشان دهنده‌ی آهکی بودن این خاک‌هامی‌باشد. ماده آلی در خاک نسبتاً خوب است. در مجموع جهت‌های شمالی و فرم‌های دره و دامنه در محدوده ارتفاعی 1200 تا 1600 متر بالاتر از سطح دریا رویشگاه‌‌های مناسبی از نظر خصوصیات کمی و کیفی درختان دارمازو هستند. از نظر خصوصیات کیفی نیز مشخص شد که بهترینوضعیت شاخه دهی (درختان بدون شاخه) در فرم دامنه (6/74 %) و در طبقه ارتفاعی 1200تا 1600 متر (7/73 %) قرار دارند.
رحمانی و همکاران (1382)، اثر تنش شوری بر رشد دو گونه وحشی و دو ژنوتیپ از گونه اهلی بادام را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که طول و قطر نهال‌ها، وزن خشک برگ، ساقه و ریشه با افزایش شوری کاهش پیدا نمود. اثر شوری با سوختگی حاشیه برگ آغاز شده، بعد به داخل برگ توسعه یافته و در نهایت خشکی برگ و ریزش آنها را به دنبال داشت. غلظت بیش از 1200 میلیگرم در لیتر نمک در ابتدای رشد، سبب آسیب جدی و کاهش شدید رشد شده و در نهایت خشکی تمام ژنوتیپها را به دنبال داشت. در غلظت پایین نمک، بادام‌های اهلی رشد بیش‌تری نسبت به ژنوتیپ‌های وحشی داشته، ولی در غلظت 1200 میلیگرم در لیتر نمک، بادام لیسیوئیدس نسبت به ژنوتیپ‌های اهلی بادام رشد بیش‌تری نشان داد.
ایران نژاد پاریزی (1374)، در بررسی اکولوژیکی جوامع گیاهی گونه‌‌های طبیعی بادام در استان کرمان، مشخص کرد که گونه بادام کوهی بیش‌‌ترین پراکنش را در استان کرمان داشته است. این گونه در اغلب مناطق کوهستانی و تپه ماهوری این استان، با درجات انبوهی و فرم حیاتی مختلف دیده میشود.
2-1-2- بررسی پژوهش‌های انجام شده در خارج از کشوررئوستا و دیگران (2013) در برآورد میزان ترسیب کربن گونه بادامک (Amygdalus scoparia) به این نتیجه رسیدند که ارزش اقتصادی ترسیب کربن این گونه در هر هکتار 871/12 دلار امریکا می‌باشد و با توجه به ارزش اقتصادی این گونه از لحاظ حفاظت آب و خاک آن را برای پروژه‌های جنگل‌کاری در مناطق خشک و نیمه خشک پیشنهاد کردند.
دوگان و دیگران (2011) طی تحقیقی به مطالعه‌ تعیین بعضی از خصوصیات اکولوژیکی و اهمیت اقتصادی گونه پنج انگشت با نام علمی Vitex agnus-castus که یک گونه مدیترانه‌ای است و از گونه‌های همراه درختچه مورد می‌باشد، پرداختند. نتایج آنها نشان داد که این گونه در منطقه مورد مطالعه (ترکیه) در خاک‌های با بافت لومی و کمی قلیایی رشد میکند و مناطق با درصد کربنات کلسیم پائین، میزان مواد آلی بالا و خاک‌های غنی از نیتروژن و فسفات را ترجیح میدهد.
آرخی و دیگران (2010) در مطالعه خود گزارش کردند که ارتفاع از سطح دریا بر پراکنش گونه Amygdalus orientalis تأثیر گذار است.
گورتاپه و دیگران (2006) گسترشگاه و مناطق اکولوژیک 11 گونه بادام را مورد مطالعه قرار دادند و نشان دادند که جنس بادام در مناطق بین 7/39 و 36 درجه عرض جغرافیایی و بیش‌تر در دامنه‌های ارتفاعی 1100 تا 2300 متر از سطح دریا با خاک با بافت سبک و متوسط رشد میکند و بر اثر بهرهبرداری غیر اصولی، این جنس در معرض خطر قرار گرفته است.
خِرسات و دیگران (2006) بیان کردند که مقدار شوری بر مشخصه‌های کمی و کیفی بادامک تأثیر منفی داشته است که احتمالاً افزایش آن موجب افزایش خشکی محیط، افزایش فشار اسمزی محلول خاک، سمیت یونها، عدم امکان جذب آب از سوی ریشه‌ی گیاه و اختلال در جذب برخی از عناصر غذایی می‌شود.
بادانو و دیگران (2005) در تحقیق خود در ارتباط با بررسی تأثیر جهت دامنه بر روی الگوی پراکنش گونه بادام، نتیجه گرفتند که عوامل رویشی این گونه در جهت جنوبی وضعیت مناسب‌تری نسبت به جهت شمالی دارد.
فلامینی و دیگران (2004) طی مطالعه‌ای بیان کردند که رشد و عملکرد درختچه‌های مورد در اکوسیستمها تحت تأثیر عوامل مختلفی نظیر نوع گونه، اقلیم منطقه، نوع خاک، ارتفاع از سطح دریا و موقعیت جغرافیایی می‌باشد. ویژگی‌های مختلف خاک بر چگونگی رشد و نمو و نیز بر میزان مواد مؤثره این گونه تأثیر دارند. هر یک از این عوامل میتوانند تأثیر به سزایی بر کمیت و کیفیت محصول گیاهان داشته باشند.
اسمیت (1996) در پژوهش خود بیان میکند هر رویشگاهی که تنوع زیستی بیش‌تری داشته باشد، پایداری اکولوژیکی و حاصلخیزی بیش‌تری را خواهد داشت و یک اکوسیستم پایدار و پویا خواهد بود. و از بین مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر تنوع یک رویشگاه می‌توان به عوامل مختلف خاکی و فیزیوگرافی اشاره کرد.
بروایس و زوهاری (1995) در تحقیقی بر روی 26 گونه مختلف بادام، ارتفاع از سطح دریا را به عنوان عامل محدودکننده پراکنش گونه‌های بادام معرفی کردند.
دنیسوف (1982) در بررسی پراکنش و تغییر پذیری بادام‌های وحشی در کشور آذربایجان بیان کرد که ارتفاع از سطح دریا به عنوان عامل محدود کننده در پراکنش این گونهها میتواند مد نظر قرار گیرد و دو فرم بوته‌ای در دامنه زانگ زوار در آذربایجان گزارش شده است که برای برنامه‌های اصلاح نژاد میتوان از آنها استفاده کرد.
آلبرجینا (1978) در مطالعه‌ای که در قسمت جنوب غربی سیسیل ایتالیا بر روی گونه بادام Amygdalus Webbii داشت، بیان میکند که این گونه بر روی انواع خاک‌های آهکی تا آتشفشانی رشد نموده و از نظر ارتفاعی در ارتفاع 900 متر از سطح دریا پراکنش دارد.

فصل سوممواد و روش‌ها1865630194246500
3-1- مواد و روش‌ها3-1-1- مواد3-1-1-1- رویشگاه زاگرسرویشگاه زاگرس بخش وسیعی از رشته کوه زاگرس را شامل می‌شود که از شمال‌غربی کشور یعنی شهرستان پیرانشهر در آذربایجان غربی شروع و تا حوالی شهرستان فیروزآباد در فارس امتداد می‌یابد و محدوده ای به طول 1300 و عرض متوسط 200 کیلومتر را می‌پوشاند. جنگل‌‌های زاگرس که تحت عنوان جنگل‌‌های نیمه خشک طبقه‌بندی شدند، با وسعت 5 میلیون هکتار، 40% کل جنگل‌‌های ایران را به خود اختصاص داده‌اند. این منطقه بیش‌‌ترین تأثیر را در تامین آب، حفظ خاک، تعدیل آب و هوا و تعدیل اقتصادی و اجتماعی در کل کشور دارد. از مهم‌‌ترین گونه‌‌های درختی و درختچه‌ای حوزه زاگرس می‌توان به گونه‌‌هایی از قبیل بلوط ایرانی، مازودار، ویول، کیکم، بنه، کلخونک، بادامک، داغداغان، دافنه، ارس و گلابی اشاره نمود.
3-1-1-2- زیست بوم استان ایلاماستان ایلام با حوضه جغرافیایی و سیاسی به ابعاد 20150 کیلومتر مربع، حدود 2/1 درصد از مساحت کشور را تشکیل داده است (شکل 3-1). این استان در غرب رشته کوه‌‌های زاگرس بین 4540 تا 4803 طول شرقی و 3203 تا 3402 عرض شمالی قرار گرفته است. شهر ایلام (مرکز استان) در قسمت شمالی استان و در فاصله 745 کیلومتری جنوب غربی تهران واقع شده است. این استان از جنوب به استان خوزستان و کشور عراق، از شرق با استان لرستان، از شمال و شمال غرب با استان کرمانشاه همسایه بوده و از سمت غرب دارای 425 کیلومتر مرز مشترک با کشور عراق است. حدود طبیعی این استان 220 کیلومتر طول و حدود 100 کیلومتر عرض دارد و از شمال به کوه قلاجه تا رود سیمره در شرق و از جنوب به رودخانه دویرج و از غرب به کشور عراق توسط سلسه جبال حمرین محدود شده است (سازمان جغرافیایی نیرو‌های مسلح 1386).
3-1-1-3- منطقه مورد مطالعهمنطقه مورد مطالعه بنام ذخیرهگاه بادام کلم در شهرستان بدره و در استان ایلام واقع شده و در تقسیم بندی کلی هیدرولوژی استان جزء حوزه آبریز سیمره می‌باشد. عرصه طرح ذخیره‌گاه بادام کلم به مساحت 64/63 هکتار در استان ایلام، شهرستان دره شهر، بخش بدره، دهستان دوستان و در غرب روستای کلم قرار گرفته و در محدوده جغرافیایی 33 درجه، 22 دقیقه و 41 ثانیه تا 33 درجه، 23دقیقه و 33 ثانیه عرض شمالی و 46 درجه، 53 دقیقه و4 ثانیه تا 46درجه، 55 دقیقه و 11ثانیه شرقی در استان ایلام واقع شده است (شکل 3-1). نوع گونه‌‌های جنگلی همراه در این رویشگاه شامل بادامک، زالزالک، بنه، بلوط ایرانی و انواع گونه‌‌های علفی یکساله و چند ساله شامل: انواع گون، جو دوسر – گلرنگ زرد- گوش بره – مریم نخودی-چچم – هندوانه ابوجهل و ... می‌باشد.
گونه اصلی و حفاظتی در این ذخیره‌گاه بادام کوهی (Amygdalus arabica) می‌باشد که دارای وضعیت ساختاری نسبتاٌ ناهمسال می‌باشد و زادآوری در این گونه به خوبی مشاهده میشود. حداقل و حداکثر ارتفاع از سطح دریا به ترتیب 900 و 1200 متر می‌باشد. در حاشیه ذخیره‌گاه دو روستای کلم بالا و پایین وجود دارد که سامان عرفی دامداران این دو روستا می‌باشد. با توجه به مشکلات اجتماعی و تقسیمات عرفی برخی تخلفات و تجاوز به عرصه در سال‌های ابتدایی وجود داشت که به مرور مرتفع گردید.

شکل 3-1- موقعیت منطقه مورد مطالعه در کشور، استان و شهرستان
3-1-1-4- اقلیمایستگاه هواشناسی ایلام طی دوره‌ی آماری (1392-1370) که متوسط بارندگی سالیانه در این منطقه 6/667 میلی‌متر بوده که از این میزان 1/20 درصد در فصل بهار، 1/0 درصد در فصل تابستان، 9/31 درصد در فصل پاییز و 9/47 درصد در فصل زمستان می‌باشد. بارندگی‌ها عمدتاً در فصل زمستان و بعد از آن در فصل پاییز و سپس بهار ‌تداوم دارند تابستان فصل خشک منطقه می‌باشد و از خرداد تا اواسط آبان‌ماه اوقات خشک سال هستند. بعلت ورود سامانه‌‌های بارش‌زا و ویژگی فصل بهار‌، عمدتاً بارش‌ها در این فصل رگباری بوده و به دلیل عدم پوشش‌گیاهی مناسب اکثراً سیلابی هستند‌. حداکثر مطلق دما که تا کنون در این ایستگاه به ثبت رسیده است 4/41 درجه سانتی‌گراد بوده است. میانگین دمای سالانه در ایستگاه فوق الذکر 8/16 درجه سانتیگراد می‌باشد. حداقل مطلق دمای ثبت شده در طول دوره آماری 6/13- درجه سانتی‌گراد بوده است. پایین‌‌ترین دما‌های ثبت شده در این ایستگاه مربوط به بهمن ماه می‌باشد یعنی بهمن ماه سرد‌ترین ماه سال است. اما گرم‌‌ترین ماه سال مرداد ماه بوده که حداکثر مطلق دما‌های ثبت شده مربوط به اواخر تیر ماه و مرداد ماه می‌باشد. این ایستگاه دارای 11روز یخبندان می‌باشد. روز یخبندان از نظر هواشناسی به روزی اطلاق می‌شود که حداقل دما صفر و کمتر از آن است. براین اساس در دوره آماری دما‌های صفر و زیر صفر استخراج و پس از بررسی ‌نهایی مشخص گردید، ایستگاه فوق‌الذکر به طور متوسط دارای 35 روز یخبندان است‌. یکی دیگر از پارامتر‌های اقلیمی میزان ساعات آفتابی در سال است. که میانگین آن در سال 2857 ساعت می‌باشد ابرناکی آسمان از دیگر پارامتر‌های اقلیمی است که مشخص کننده دمای زمین و انرژی رسیده به زمین می‌باشد و رابطه مستقیمی با میزان بارندگی دارد‌. به طور متوسط ایستگاه دارای 42 روز در سال ابرناکی است. از دیگر پارامتر‌های مورد بررسی رطوبت هوا است. رطوبت نسبی تأثیر بسزایی در اقلیم، پوشش گیاهی و غیره دارد‌. متوسط رطوبت در این ایستگاه 40 درصد بوده که متوسط حداکثر 55 و متوسط حداقل 25 درصد است. بیش‌‌ترین میزان رطوبت نسبی ماهانه در بهمن ماه با 62 درصد و کم‌ترین میزان رطوبت نسبی در مرداد ماه 19 درصد است. تبخیر از مهم‌ترین پارامتر‌های اقلیمی مخصوصاًدر مناطق خشک است. میزان متوسط تبخیر سالانه 2/1892 میلی متر است. بیش‌‌ترین مقدار تبخیر در تیرماه به میزان 5/367 میلی متر و کم‌ترین میزان 0 میلی متر در زمستان است. باد غالب در منطقه غربی و باد نایب غالب جنوب‌شرقی است. بررسی گلباد سالانه نشان می‌دهد که وزش‌‌های باد، بالای 2 متر بر ثانیه هستند. حداکثر بادی که تاکنون در منطقه به ثبت رسیده است 25 متر بر ثانیه بوده که از جنوب‌غرب به سمت شمال شرق وزش داشته است. جدول فراوانی باد سالانه نشان می‌دهد که بیش‌‌ترین بادها، بین 2 تا 4 متر بر ثانیه سرعت داشته است‌. در گلباد فروردین ماه مشاهده می‌شود که در این ماه باد غالب جنوبی و نایب غالب غربی است. در اردیبهشت ماه نیز باد غالب غربی و باد نایب غالب جنوب‌شرق است‌. در خردادماه‌ تا مهر‌ماه غالب غربی و نایب غالب شمال‌غربی است. اما در آبانماه باد غالب غربی و نایب غالب جنوب‌شرقی است. در آذرماه تا اسفند ماه باد غالب جنوب‌شرقی و باد نایب غالب شرقی است‌. محاسبه فرمول‌‌های مربوط به تعیین اقلیم نشان می‌دهد در روش آمبرژه نوع اقلیم مرطوب معتدل و در روش دومارتن نوع اقلیم نیمه مرطوب است. در روش گوسن (آمبروترمیک) فصل خشک منطقه از اواسط اردیبهشت ماه آغاز و تا اواسط مهر‌ماه ادامه دارد (شکل 3-2). یعنی تقریباً 5 ماه از سال منحنی درجه حرارت در بالای منحنی بارندگی قرار دارد و فقط 5 ماه از سال فصل مرطوب منطقه محسوب می‌شود.
شکل 3-2- آمبروترمیک حوزه کلم (ایستگاه هواشناسی ایلام طی دوره‌ی آماری 1392-1370)3-1-1-5- زمین‌شناسیذخیرهگاه کلم شهرستان بدره در زون ساختاری زاگرس چین خورده قرار می‌گیرد. عمده سنگ‌‌های منطقه را، واحدهای آهکی و شیلی مربوط به مزوزوییک و سنوزوییک تشکیل داده‌اند. سازند گچساران با لیتولوژی انیدریت و مارن و میان لایه آهکی بیش‌ترین وسعت را در منطقه دارد. سایر واحدهای سنگی موجود در حوزه عبارتند از سازند آهکی سروک سازند ایلام با لیتولوژی سنگ آهک و میان لایه شیل، سازند پابده با تناوب شیل و آهک و مارن، سازند شیلی گورپی، سازند آسماری، بخش آهکی امام حسن و سازند انیدریتی گچساران. از نظر ساختاری مهم‌ترین ساختار موجود در حوزه چین‌ها هستند (مطالعات تفصیلی- اجرایی حوزه آبخیز کلم دره‌شهر، 1390). در حوزه کلم با توجه به لیتولوژی واحدهای سنگی، پوشش گیاهی خوب و شرایط آب و هوایی، هوازدگی فیزیکی، زیستی و شیمیایی قابل مشاهده است. همچنین با استناد بر آمار و اطلاعات هواشناسی، تعیین اقلیم ذخیرهگاه بادام منطقه نشان داد که در روش آمبرژه نوع اقلیم مرطوب معتدل و در روش دومارتن نوع اقلیم نیمه مرطوب است. این گونه اغلب در اقلیمهای نیمهمرطوب با زمستانهای نسبتاً سرد مستقر میشود. سالاریان و همکاران (1387) نیز اذغان نمودند که گونه بادام کوهی اغلب در اقلیم‌های نیمهمرطوب مستقر میشوند.
3-2- روش انجام تحقیقاین مطالعه از نوع مطالعات تحلیلی بوده و برای جمعآوری اطلاعات از سه روش کتابخانه‌ای، میدانی و آزمایشگاهی استفاده شده است. در این تحقیق ابتدا برای تعیین مبانی نظری و پیشینه‌ی تحقیق از شیوه کتابخانه‌ای اقدام گردیده و پس از مطالعه کتابخانه‌ای و جستجوی الکترونیکی و به موازات مطالعات مستمر نظری بخشی از اطلاعات مورد نیاز نیز با استفاده از فرم‌‌های آماربرداری در منطقه تهیه و جمع آوری گردید.
ابتدا در منطقه، محدوده ذخیرهگاه بادامک، شناسایی و پلیگون آن به‌صورت رقومی (به ‌وسیله دستگاه GPS در سیستم مختصات UTM با بیضوی WGS84) بسته شد. در داخل محدوده‌‌های مشخص شده شبکه آماربرداری به ابعاد 200×200 متر به‌ صورت منظم- تصادفی (سیستماتیک) طراحی و برای اندازه‌گیری درختچهها و آماربرداری از قطعات نمونه دایره‌ای شکل با مساحتی که به روش حداقل سطح به دست آمده و با توجه به تراکم درختچه‌‌های بادامک حداقل 10 تا 15 پایه در هر قطعه نمونه قرار گیرد، استفاده گردید.
در این قطعات نمونه مشخصه‌های کمی و کیفی همچون تعداد درختچه، ارتفاع و دو قطر عمود بر هم تاج درختچهها، تعداد جست، درجه شادابی درختچهها، میزان ابتلا به آفت و بیماری آنها و زادآوری اندازهگیری گردید. همچنین در هر قطعه نمونه با توجه به طول و عرض جغرافیایی، وضعیت فیزیوگرافی و توپوگرافی (ارتفاع منطقه و میزان و جهت شیب دامنه نیز ثبت میشود) نیز ثبت گردید.
ابزار‌های اندازهگیری مشخصات کمی و کیفی درختچه‌های بادامک شامل موارد ذیل است: دستگاه GPS برای تعیین مرکز قطعه نمونه و یافتن موقعیت، شاخص (ژالن) درجهبندی شده یا دستگاه سونتو برای اندازه گیری گردید. ارتفاع درختچهها، متر نواری برای اندازه گیری قطر تاج درختان و ارتفاع تاج.
3-2-1- تهیه نقشه‌های عوامل فیزیوگرافیپس از مشخص شدن محدوده رویشگاه بر روی نقشه توپوگرافی 1:25000، بمنظور کنترل و نحوه قرار گیری قطعات نمونه در ارتباط با مشخصه‌‌های فیزیوگرافی، توسط نرم افزار Arc GIS 10 نقشه منطقه رقومی شده و از ابزار Topo to Raster برای تهیه نقشه‌های DEM و پس از آن نقشه‌‌های ارتفاع از سطح دریا، شیب و جهت دامنه استفاده شد. سه طبقه ارتفاع از سطح دریا ( 900-1000، 1000 تا 1100 و 1100 تا 1200 متر)، پنج طبقه شیب (0-20، 20-40، 40-60، 60-80 و بیش‌تر از 80 درصد) و پنج جهت جغرافیای (شمال، جنوب، شرق، غرب و بدون جهت) در محدوده مورد مطالعه مشخص شد.
3-2-2- نمونهبردای خاکبرای بررسی وضعیت خاک رویشگاه مورد مطالعه، برخی مشخصه‌‌های فیزیکی و شیمیایی خاک از قبیل بافت خاک، ماده آلی، کربن آلی، اسیدیته (pH)، نیتروژن کل، وزن مخصوص ظاهری و هدایت الکتریکی (Ec) در مرکز هر قطعه نمونه مورد اندازهگیری و مطالعه قرار گرفت. برای این منظور در مرکز هر قطعه نمونه با حفر پروفیل خاک تا عمق ممکنه که با توجه به صخر‌های بودن منطقه کمتر از 20 سانتیمتر بود، نمونه‌های خاک برداشت شد (شکل 3-3). نمونه‌های خاک پس از طی مراحل اولیه آماده سازی برای انجام مطالعات خاکشناسی به آزمایشگاه منتقل شدند.
شکل 3-3- نمایی از نمونهبرداری خاک در رویشگاه مورد مطالعه3-2-2-1- آزمایشات خاکدر محیط آزمایشگاه نمونهها در هوای آزاد خشک گردید و بعد از خرد نمودن کلوخهها، جدا کردن ریشه‌ها، سنگ و سایر ناخالصیها، از الک 2 میلی‌متری عبور داده شدند (هرناندز و همکاران 2004).
بافت خاک با استفاده از روش دانسیمتری بایکاس (زرین کفش 1371) و وزن مخصوص ظاهری به روش کلوخه بر حسب گرم بر سانتیمتر مکعب مطالعه شد (بلیک و‌ هارتج 1986). ماده آلی و کربن آلی با استفاده از روش سرد بر مبنای اکسیداسیون کربن آلی به کمک بیکرمات پتاسیم (K2Cr2O) در محیط کاملاً اسیدی H2SO4)) اندازگیری گردید (آلیسون 1975).
خصوصیات اندازه‌گیری شده خاک در این مطالعه شامل PH خاک، EC خاک، وزن مخصوص ظاهری، مقدار ماده آلی و نیتروژن بود. در این مطالعه از روش مبتنی بر برآورد درصد کربن آلی خاک استفاده شد. کربن آلی به طور متوسط 58% ماده آلی را تشکیل میدهد و درصد ماده آلی را می‌توان با ضرب کردن کربن آلی در عامل وان-بنون لن یا 724/1 به دست آورد.
3-2-3- جامعه آماری، روش نمونه‏گیری و حجم نمونهجامعه آماری مورد مطالعه در این تحقیق ذخیرهگاه گونه بادام کوهی واقع در منطقه کلم شهرستان بدره می‌باشد که آماربرداری از درختچه‌های بادام کوهی به صورت نمونه‌ای بوده و حجم نمونه بستگی به تعداد قطعات نمونه و تعداد درختان قرار گرفته در هر قطعه نمونه دارد.
3-2-4- متغیر‌های مورد بررسی
در این مطالعه اطلاعات کمی و کیفی درختچه‌های بادام کوهی شامل قطر تاج، ارتفاع، تعداد درختچه، تعداد جست گروه و مشخصه کیفی شامل شادابی در رویشگاه کلم بدره برداشت شد. برای تعیین شادابی چهار طبقه سرسبزی تاج درختچه‌ها در نظر گرفته شد (پاور و دیگران 1995) که شامل درجه 1: بیش از 75، درجه 2: بین 50 تا 75، درجه 3: بین 25 تا 50 و درجه 4: کمتر از 25 درصد تاج سرسبز بودند.
سطح تاج با اندازه‌گیری سطح سایه انداز تاج درختان (منظور سطحی است که تصویر تاج درختان به هنگامی که نور خورشید عمود میتابد بر روی سطح زمین ایجاد می‌کند که با اندازه گیری قطر بزرگ و کوچک تاج درخت تعیین میگردد).
برای برداشت متغیر‌های مورد بررسی از ابزار و لوازم فنی کار مانند متر نواری، GPS و اسپری رنگی جهت نشانهگذاری استفاده شد. همچنین در این ذخیرهگاه در مراکز قطعه نمونهها، نمونه‌های خاک از عمق 0 تا 20 سانتیمتری جهت آزمایش‌های فیزیک و شیمی خاک برداشت شد.
3-2-5- روش‌ها و ابزار تجزیه و تحلیل داده‏هابه منظور تجزیه تحلیل دادهها ابتدا پس از تعیین نرمال بودن دادهها به وسیله آزمون کای اسکور و همگن بودن دادهها بوسیله آزمون لون برای مشخصه‌های کمی مانند قطر تاج، از آزمون تجزیه واریانس و برای مقایسه میانگین‌ها از آزمون دانکن استفاده شد. برای داده‌های کیفی مانند شادابی که به صورت رتبه‌ای بودند از آزمون‌های ناپارامتری، برای مقایسه‌‌های کلی از آزمون کروسکال -والیس و برای مقایسه میانگین‌ها از آزمون من ویتنی استفاده گردید. برای تجزیه و تحلیل دادهها از نرم افزار‌های آماری همچون Excel و SPSS استفاده شد.

فصل چهارمنتایج1739265290957000
4-1- نتایج4-1-1- تهیه نقشه عوامل فیزیوگرافیبرای بررسی تأثیر عوامل فیزیوگرافی بر مشخصات کمی و کیفی درختچه‌‌های بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه، نقشه‌‌های مشخصه‌‌های شیب، جهت و ارتفاع از سطح دریا در محیط GIS تهیه شد.
برای تهیه نقشه‌های فیزیوگرافی ابتدا مدل رقومی ارتفاع با استفاده از خطوط توپوگرافی با منحنی میزان‌‌ 20 متری تهیه گردید (4-1) و سپس نقشه‌های شیب، جهت دامنه و ارتفاع از سطح دریا تهیه و کلاسهبندی شدند. اشکال 4-2، 4-3 و 4-4 نقشه‌های فیزیوگرافی مورد استفاده در این تحقیق را نشان می‌دهند.

شکل 4-1- نقشه مدل رقومی ارتفاعی (DEM) منطقه مورد مطالعهشکل 4-2- نقشه طبقات ارتفاع از سطح دریا در منطقه مورد مطالعه

شکل 4-3- نقشه کلاسه‌های شیب در منطقه مورد مطالعه
شکل 4-4- نقشه جهات جغرافیایی در منطقه مورد مطالعه4-2- تهیه نقشه شبکه آماربرداریهمان طور که در فصل مواد و روش‌ها توضیح داده شد پس از تهیه نقشه محدوده مورد مطالعه و بازدید میدانی از منطقه مورد مطالعه و با توجه به تراکم مناسب گونه بادام کوهی در سطح منطقه تصمیم به طراحی شبکه آماربرداری 200 * 200 گرفته شد و برای طراحی و پیاده کردن پلات‌ها در روی نقشه از نرم افزار GIS 10 و اکستنشن ET Geo Wizards استفاده شد. پس از طراحی شبکه و پیاده کردن آن بر روی نقشه محدوده مورد مطالعه مشخص شد که تعداد 19 پلات دایره‌ای در منطقه قرار گرفته است (شکل 4-5 و 4-6). برای انجام مراحل بعدی کار مختصات جغرافیایی (UTM) این نقاط و محدوده وارد دستگاه GPS شد.

شکل 4-5- شبکه آماربرداری 200×200 متر و نحوه قرارگیری پلاتها
شکل 4-6- جانمایی قطعات نمونه آماربرداری بر روی تصاویر ماهوار‌ه‌ای Google Earth4-3- پوشش گیاهیپس از آن لیست فلورستیک گیاهان منطقه مطالعاتی بر حسب خانواده، جنس، گونه، شکل رویشی و دیرزیستی تهیه گردید. در ذخیره‌گاه بادام کلم شهرستان بدره گونه غالب، درختچه بادام کوهی می‌باشد. لیست فلورستیک گیاهان شناسایی شده در کل سطح ذخیره‌گاه در جدول (4-1) ارائه شده است.
جدول 4-1- لیست فلورستیک گونه‌های گیاهی منطقه مطالعاتیردیف نام فارسی نام علمی خانواده شکل رویشی دیرزیستی موارد استفاده
1 ون Pistacia Atlantica Anacardiaceae درخت چندساله حفاظت خاک- صنعتی
2 گل گاوزبان Anchusa Italica Boraginaceae فورب چند‌ساله دارویی‌- مرتعی
3 آفتاب پرست Heliotropium Dolosum Boraginaceae فورب یکساله مرتعی
4 زنگوله ای Onosma Asperrimum Boraginaceae فورب چند ساله مرتعی
5 گچ دوست Gypsophila Pilosa Caryophyllaceae فورب چند ساله مرتعی
6 خارکو Noaea Mucronata Chenopodiaceae فورب چند ساله مرتعی
7 دانه گنجشکی Helianthemum Salicifolium Cistaceae فورب یکساله مرتعی
8 بابونه Anthemis SP Compositae فورب یکساله مرتعی
9 همیشه بهار Calendula Persica Compositae فورب یکساله مرتعی
10 گلرنگ وحشی Carthomus Oxycantha Compositae فورب یکساله مرتعی
11 گل گندم Centurea Bruguieriana Compositae فورب یکساله مرتعی
12 ریش گوشی Crepis Kotschyana Compositae فورب یکساله مرتعی
13 شکر تیغال Echinops Ritroides Compositae فورب یکساله مرتعی
14 کنگر Gundelia Tournefortii Compositae فورب چند ساله مرتعی
15 ماهوی وحشی Lactca Orientalis Compositae فورب چند ساله مرتعی
16 پیچک Convolvulus Chondrilloides Convolvulaceae فورب چندساله مرتعی
17 کیسه کشیش Capsella Bur*astoris Cruciferae فورب یکساله مرتعی
18 منداب Eruca Sativa Cruciferae فورب یکساله مرتعی
19 موچه Lepidium Latifolium Cruciferae فورب یکساله مرتعی
20 شب بو Longipetalo Matthiola Cruciferae فورب یکساله مرتعی
21 آجیل مزرعه Neslia Apiculata Cruciferae فورب یکساله مرتعی
22 رعنا زیبا Scobiosa Rotata Dipsaceae فورب یکساله مرتعی
23 شیر شگ Euphorbia Denticulata Euphorbiaceae فورب چندساله حفاظت خاک
24 سوزن چوپان (نوک‌لک‌لکی) Erodium Ciconium Geraniaceae فورب یکساله مرتعی
4-4- مشخصات رویشی توده مورد مطالعهدر این مطالعه رویشگاه هدف به صورت تصادفی سیستماتیک آماربرداری شد و مشخصه‌‌های تراکم تعداد، قطر تاج، ارتفاع، شادابی و تعداد جست اندازه‌گیری شدند. میانگین تعداد درختچهها در هکتار 240 اصله به دست آمد. بر این اساس بیش‌‌ترین تعداد در هکتار 298 اصله بوده و کم‌ترین تعداد نیز 130 اصله بوده است. با توجه به اندازهگیری‌های به عمل آمده، قطر تاج بادام در منطقه مورد مطالعه از 25/0 تا 85/5 متر متغیر است و میانگین آن 61/1 متر می‌باشد. از نظر ارتفاع، داده‌های اندازهگیری شده بین 3/0 تا 2/4 در نوسان بوده و میانگین آن 77/1 متر بدست آمد. از نظر میزان شادابی درختان بادام، میانگین شادابی توده 69/1 بدست آمد. نتایج این مطالعه نشان داد که به‌طور میانگین هر درخت بادام دارای 77/7 جست بوده که نتایج نشان داد که بیش‌‌ترین تعداد جست 40 عدد و کم‌ترین مقدار آن 1 عدد می‌باشد. (جدول 4-2).
جدول 4-2- نتایج اندازه‌گیری مشخصه‌‌های رویشی توده بادام کوهیمیانگین انحراف معیار بیشنه کمینه
تعداد در هکتار 240 32/10 298 130
قطر تاج 61/1 35/1 85/5 25/0
ارتفاع 77/1 02/1 2/4 3/0
تعداد جست 77/7 65/8 40 1
شادابی 69/1 75/0 1 3
به منظور شناخت بهتر ساختمان توده‌های جنگلی آگاهی از ساختمان افقی و عمودی جنگل بسیار ضروری می‌باشد. در جنگل‌‌های بادام منطقه، ساختار جنگل به دلیل استفاده و وابستگی جنگل نشینان تحت تأثیر قرار گرفته است. برای مدیریت این منابع جنگلی کسب اطلاعات ساختار افقی و عمودی توده بادام منطقه امری ضروری به نظر میرسد که مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی ساختار افقی و ساختار توده از لحاظ همسال، ناهمسالی، مسن و جوانی ساختار میتوان از نمودار اشکوب بندی جنگل و پراکنش درختان در طبقات قطری استفاده کرد.
نتایج نمودار تعداد در هکتار، تعداد در طبقات ارتفاعی و تعداد در طبقات قطری تاج توده بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه نشان میدهد که توده مورد نظر تقریباً یک توده همسال منظم می‌باشد. در کل میتوان نتیجه گیری کرد که جنگل فوق دارای ساختار همسال و جوان می‌باشد (اشکال 4-7 تا 4-9).

شکل4-7- تعداد در هکتار گونه بادام کوهی در قطعات نمونه منطقه مورد مطالعه
شکل4-8- تعداد در طبقات قطری تاج گونه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه
شکل 4-9- تعداد در طبقات ارتفاعی گونه بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه4-4-1- آنالیز همبستگی میان خصوصیات رویشینتایج نشان داد که در ذخیره‌گاه بادام کوهی بین قطر تاج با ارتفاع درختان و تعداد جست با ارتفاع با قطر تاج همبستگی وجود دارد و بین شادابی و سایر خصوصیات رویشی همبستگی قابل قبولی دیده نشد. در جدول 4-3 آنالیز همبستگی میان عناصر رویشی گونه بادام کوهی با هم آمده است. براساس نتایج حاصله در رویشگاه بین قطر تاج و ارتفاع در سطح 99 درصد و نیز بین تعداد جست و قطر تاج و ارتفاع در سطح 95 درصد همبستگی وجود دارد (جدول 4-3). بر این اساس رابطه رگرسیونی بین قطر تاج و ارتفاع درختچه‌‌های بادام کوهی رسم شد (شکل 4-10).جدول 4-3- آنالیز همبستگی میان پارامتر‌های رویشی بادام کوهی منطقه مورد مطالعهپارامتر قطر ارتفاع شادابی تعداد جست
قطر 1 . 67** -. 18 . 42*
ارتفاع . 67** 1 -. 05 . 35*
شادابی -. 18 -. 05 1 -. 19
تعداد جست . 42* . 35* -. 19 1
**. معنی‌داری در سطح 01/0
*. معنی‌داری در سطح 05/0

شکل 4-10- رابطه رگرسیونی بین قطر تاج و ارتفاع درختچه‌های بادام کوهی در منطقه مورد مطالعه4-5- بررسی مشخصه‌های کمی و کیفی بادام کوهی تحت تأثیر عوامل فیزیوگرافی:4-5-1- ارتفاع از سطح دریانتایج تجزیه واریانس اثر فاکتور‌های فیزیوگرافی بر مشخصه‌های کمی گونه بادام کوهی در رویشگاه مورد مطالعه نشان میدهد که در ارتباط با عامل ارتفاع از سطح دریا، تعداد درختچهها و شادابی با افزایش ارتفاع از سطح دریا کاهش یافته به طوریکه درختچه‌های نزدیک به داخل دره که ارتفاع از سطح دریای کمتری داشتند از وضعیت شادابی بهتر و تعداد در هکتار بیش‌تری برخوردار بودند و این وضعیت در مقایسه با طبقات ارتفاعی بالاتر دارای اختلاف معنیدار و قابل مشاهد‌ه‌ای در سطح احتمال 95 درصد بود (جدول 4-2). در مورد مشخصه‌های کمی ارتفاع درختچهها و قطر تاج درختچهها نیز اختلاف معنیدار بین ارتفاعات مختلف دیده شده، اما این اختلاف در جهت عکس و منفی بود، بعبارتی با کاهش ارتفاع از سطح دریا در منطقه مورد مطالعه از ارتفاع درختچهها و قطر تاج آنها به طور معنیداری کاسته میشود. در مورد مشخصه تعداد جست گروه هیچ‌گونه اختلاف معنیدار و قابل توجهی در ارتفاعات مختلف منطقه دیده نشد (جدول 4-4).
جدول 4-4- نتایج تجزیه و تحلیل مشخصه‌های رویشی بادام کوهی در ارتباط با طبقات مختلف ارتفاعیردیف مشخصه‌‌های کمی و کیفی بادام کوهی نتایج تجزیه واریانس
df F p
1 تعداد در هکتار 2 *42/4 018/0
2 ارتفاع درختچه 2 *03/1 02/0-
3 قطر تاج 2 *362/3 026/0-
4 تعداد جست گروه 2 ns39/0 68/0
5 وضعیت شادابی 2 *18/3 031/0
نتایج مقایسه میانگین‌ها در ارتباط با مشخصه ارتفاع از سطح دریا نشان داد که در ارتفاعات پائین منطقه مورد مطالعه که اکثراً در داخل دره واقع شده بودند (طبقه ارتفاعی 1000 -900 متر)، تعداد درختچهها، تعداد جستها و وضعیت شادابی دارای میانگین بیش‌تری بوده و برعکس در ارتفاعات بالاتر (طبقه ارتفاعی 1200 - 1100 متر) میانگین ارتفاع درختچهها و قطر تاج بیش‌تر بوده است (جدول 4-5).
جدول 4-5- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل ارتفاع از سطح دریا بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی
متغیر مشخصه
کلاسه تعداد ارتفاع (m) قطر تاج (m2) تعداد جست شادابی
ارتفاع از سطح دریا 1000-900 a25 b62/1 b52/1 a9 a95/1
1100-1000 b23 b68/1 b5/1 a8 b7/1
1200-1100 b15 a95/1 a7/1 a8 b6/1

نمودار 4-1- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل ارتفاع از سطح دریا بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی4-5-2- جهت‌های جغرافیایینتایج تجزیه واریانس در ارتباط با مشخصه جهت دامنه نشان دهنده اختلاف معنی دار آماره‌های تعداد در هکتار درختچهها، تعداد جست گروهها، ارتفاع درختچهها و وضعیت شادابی می‌باشد، به طوریکه در جهت‌‌های شرقی تراکم بادام کوهی، ارتفاع آنها و تعداد جست گروه‌ها بیش‌تر از سایر جهتها بود که این اختلاف از لحاظ آماری نیز معنی دار بوده است. در مورد تأثیر جهت دامنه بر وضعیت شادابی تاج نیز اختلاف معنی دار دیده شد، اما در مورد قطر تاج درختچه‌های بادام اختلاف معنی دار از لحاظ آماری دیده نشد (جدول 4-6).
جدول 4-6- نتایج تجزیه و تحلیل مشخصه‌های رویشی بادام کوهی در ارتباط با جهت‌های جغرافیاییردیف مشخصه‌‌های کمی و کیفی بادام کوهی نتایج تجزیه واریانس
df F p
1 تعداد در هکتار 4 *42/3 018/0
2 ارتفاع درختچه 4 *08/3 02/0
3 قطر تاج 4 ns59/0 66/0
4 تعداد جست گروه 4 *162/4 12/0
5 وضعیت شادابی 4 *28/4 081/0
نتایج مقایسه میانگین‌ها در ارتباط با عامل فیزیوگرافی جهت دامنه نشان داد که در جهت‌های شرقی منطقه مورد مطالعه، تعداد درختچهها، تعداد جستها و ارتفاع و قطر تاج آنها دارای میانگین بیش‌تری بوده و در جهت‌های شمالی وضعیت شادابی درختچهها نسبت به دیگر جهت‌ها بهتر بوده است (جدول 4-7).
جدول 4-7- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل جهت دامنه بر مشخصه‌های کمی بادام کوهیمتغیر مشخصه
کلاسه تعداد ارتفاع (m) قطر تاج (m2) تعداد جست شادابی
جهت جغرافیایی شمال b14/17 b72/1 a58/1 b4/7 a85/1
جنوب b85/21 b75/1 a61/1 b71/7 b67/1
شرق a25/23 a89/1 a66/1 a55/8 b79/1
غرب b14/15 b65/1 a63/1 b51/7 b63/1

نمودار 4-2- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل جهت دامنه بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی4-5-3- شیب دامنهاز نظر مشخصه درصد شیب تنها تعداد درختچهها و تعداد جست گروها از نظر آماری اختلاف معنیدار را در سطح احتمال 95 درصد نشان دادند، به طوریکه با افزایش درصد شیب در منطقه مورد مطالعه تعداد درختچه‌ها و جست گروها به طور قابل توجهی افزایش مییابد (جدول 4-8).
جدول 4-8- نتایج تجزیه و تحلیل مشخصه‌های رویشی بادام کوهی در ارتباط با درصد شیبردیف مشخصه‌‌های کمی و کیفی بادام کوهی نتایج تجزیه واریانس
df F p
1 تعداد در هکتار 4 *37/8 018/0
2 ارتفاع درختچه 4 ns33/1 02/0
3 قطر تاج 4 ns29/1 66/0
4 تعداد جست گروه 4 *03/7 12/0
5 وضعیت شادابی 4 ns53/0 081/0
نتایج بررسی خصوصیات کمی و کیفی بادام کوهی در شیب‌های مختلف نشان داد که در طبقات شیب 45-60 درصد بیش‌‌ترین تعداد درختچه و تعداد جست گروه دیده میشود و در مناطق کم شیب از تعداد درختچه کاسته میشود. در کلاسه‌‌های شیب 30-45 ارتفاع، قطر تاج و وضعیت شادابی درختچه‌های بادام کوهی از میانگین بالاتری برخوردار است (جدول 4-9).
جدول 4-9- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل شیب بر مشخصه‌های کمی بادام کوهیمتغیر مشخصه کلاسه تعداد ارتفاع (m) قطر تاج (m2) تعداد جست شادابی
درصد شیب 15-0 b5/15 a67/1 a51/1 b8 a6/1
30-15 b4/23 a9/1 a71/1 b31/7 a7/1
45-30 b25/31 a9/1 a76/1 b6/7 a2
60-45 a38 a53/1 a5/1 a25/8 a93/1
حروف نامشابه در هر ردیف نشان دهنده اختلاف معنی داری در سطح 5 در صد است.

نمودار 4-3- مقایسه‌ی میانگین تأثیر عامل شیب بر مشخصه‌های کمی بادام کوهی4-6- وضعیت خاک منطقه مورد مطالعه4-6-1- بررسی وضعیت خاک در طبقات مختلف ارتفاعیمقایسه مشخصه‌‌های خاک در طبقات مختلف ارتفاعی در جدول 4-11 ارائه شده است. همانگونه که ملاحظه می‌گردد هدایت الکتریکی خاک (EC)، کربن (C)، نیتروﮊن کل (N) و ماده آلی (OM) در طبقه ارتفاعی 1100 تا 1200 متر از سطح دریا بیش‌تر از سایر طبقات می‌باشد. pH خاک در کلیه طبقات ارتفاعی تقریباً مشابه (بیش از 7) بوده است. مقایسه آماری مشخصه‌های خاک در ارتباط با ارتفاع از سطح دریا نشان داد که اختلاف معنیداری بین کربن و ماده آلی در سطح پنج درصد و نیتروﮊن کل در سطح یک درصد با ارتفاع از سطح دریا وجود دارد. در مورد سایر مشخصه‌های خاک اختلاف معنی دار از لحاظ آماری مشاهده نشد (جدول 4-10).
جدول 4-10- مقایسه مشخصه‌های خاک در طبقات مختلف ارتفاعی طبقه ارتفاعی
مشخصه 1000-900 1100-1000 1200-1100
pH 12/7 16/7 13/7
EC 51/1 64/1 93/1
C *24/1 *30/1 *56/1
N **10/0 **11/0 **13/0
ماده آلی (OM) *13/2 *25/1 *69/2
** معنی داری در سطح 1 درصد، * معنی داری در سطح 5 درصد، ns عدم معنی داری

نمودار 4-4- مقایسه مشخصه‌های خاک در طبقات مختلف ارتفاعی4-6-2- بررسی وضعیت خاک در جهت‌های مختلف جغرافیاییجدول 4-12 مقایسه مشخصه‌‌های خاک را در جهت‌های مختلف جغرافیایی نشان میدهد. همان طور که ملاحظه میشود میانگین مشخصه‌های pH و EC خاک در جهت‌های شرقی بیش‌تر بوده (pH در تمام جهات قلیایی بوده است) و میانگین مشخصه‌های کربن، نیتروﮊن و ماده آلی در جهت‌‌های جنوبی بیش‌تر از سایر جهات می‌باشد. همچنین نتایج نشان داد که تنها کربن و ماده آلی دارای اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال 95 درصد با جهات مختلف جغرافیایی دارند.
جدول 4-11- مقایسه مشخصه‌های خاک در جهات جغرافیایی جهت
مشخصه شمال جنوب شرق غرب
pH 036/7 05/7 26/7 12/7
EC 44/1 85/1 89/1 23/1