—d1896

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
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش آلکوکسیدهای فلزی یک دسته از خانواده‌ی ترکیبات آلی فلزی میبا شند که شامل یک بنیان آلی چسبیده به یک عنصر فلزی یا شبهفلزی میباشند. تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) که دارای نماد شیمیایی 4)5H2Si(OC می‌باشد از جمله الکوکسیدهایی است که به عنوان پیشماده در سنتز سیلیکا آئروژل به کار می‌رود. در این پژوهش از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا ژل با جرم مولی g/mol 33/208 استفاده شد. متداول‌ترین آئروژل‌ها با بسپارش سل-ژل سیلیکا الکوکسید سنتز شدند [66]. نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه به ترتیب با جرم مولی‌های g/mol 404 و g/mol 04/291 برای تهیه نانوذرات فریت کبالت به کار رفت. متانول و آب دیونیزه به عنوان حلال نیاز بود.
4-2 روش تجربی و جزئیاتدر ابتدا برای سه درصد وزنی مورد نظر میزان گرم و لیتر مورد نیاز هر ماده محاسبه شد که در جدول 1 نشان داده شدهاست. در همهی درصد وزنی‌ها نسبت نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه به نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه 2 به 1 باقی ماند.

user8290

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
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.

user8270

فصل اولمقدمه330208445500
1-1 مقدمهانتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی در کاربردهای مختلف صنعتی و غیرصنعتی اتفاق می‌افتد و برخی از پدیده‌های طبیعی در این زمینه عبارتند از: فرایند ذوب شدن برف، یخ زدن آب دریاچه‌ها و سوختن شمع. بعضی از پروسه‌های صنعتی که همراه با تغییر فاز هستند عبارتند از: جوشکاری و ریخته‌گری.
فرآیند انتقال حرارت به همراه تغییر فاز به خاطر کارهای انجام شده توسط استفان (Stefan) در سال 1889 به مسأله استفان معروف است.
در میان کاربردهای مربوط به فرآیند تغییر فاز، واحدهای ذخیره‌کننده انرژی حرارتی دارای اهمیت فراوان می باشند چرا که در اکثر پدیده‌های فیزیکی که به همراه تغییر فاز هستند، این فرآیند به صورت ناخواسته انجام می‌گیرد. مثلاً در صنعت ریخته‌گری اگر گرمای نهان آلیاژ کمتر باشد طبیعتاً انرژی، هزینه و زمان کمتری برای تولید نیاز خواهیم داشت ولی در واحدهای ذخیره‌کننده انرژی هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول تغییر فاز می‌باشد به همین جهت در سال‌های اخیر واحدهای ذخیره‌کننده انرژی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی باعث می شود تا امکان ساخت ذخیره‌کننده‌های کوچک فراهم گردد و بتوان آن ها را به صورت فشرده تولید کرد این ویژگی باعث می‌شود تا استفاده از واحدهای ذخیره‌کننده انرژی در کاربردهای تجارتی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجهه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد به عنوان نمونه می‌توان از سیستم های ذخیره کننده انرژی همراه با تغییر فاز جهت تأمین انرژی حرارتی در مناطق مسکونی استفاده کرد.
برای بیان دلیل استفاده از پروسه تغییر فاز جهت تامین انرژی می‌توان به این نکته اشاره کرد که یک کیلوگرم بتون می‌تواند حدود kJ/kg k 1 انرژی ذخیره کند در حالی که یک کیلوگرم Cacl2-6H2O مقدار 190 کیلو ژول انرژی را در طول تغییر فاز می توانند آزاد یا جذب نماید.
دانستن عوامل و پارامترهای موثر بر کارایی ذخیره‌کننده و توانایی تعیین میزان تاثیر این عوامل بر کارایی سیستم باعث می‌شود تا بتوان عمل ذخیره‌سازی و تخلیه انرژی را بهینه سازی‌ نمود .
امروزه با توجه به کمبود و رو به پایان بودن منابع انرژی فسیلی و مسئله آلودگی هوای ناشی از مصرف این مواد برای تامین انرژی، موضوع استفاده از انرژیهای جایگزین اهمیت بیشتری یافته است. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ 80 درصد از انرژی مصرفی جهان را تامین می‌کنند. مصرف انرژی در پنجاه سال گذشته بیشتر از مصرف انرژی در دو قرن پیش از آن بوده است. سازمان اطلاعات انرژی آمریکا پیش‌بینی کرده است، مصرف انرژی جهان تا سال 2030 درحدود 57 درصد افزایش خواهد یافت. با توجه به معضلات سوختهای فسیلی (آلودگی محیط زیست، منابع محدود و پایان‌پذیر، تجدید ناپذیری و تأثیر مستقیم سیاست بر آن) دنیا به انرژی‌های نو شامل خورشید، باد (برای ماشینهای بادی امروزی)، بیو انرژی، زمین گرمایی، هیدروژن، انرژی هسته‌ای و ... تمایل نشان داده است.
یکی از انرژی های نو انرژی خورشیدی می باشد که مهمترین موضوع در انرژی خورشیدی، جذب و ذخیره آن است. جذب انرژی خورشیدی توسط کلکتورهای مختلف برای اهداف متفاوتی از جمله: تولید برق، گرمایش آب، گرمایش فضا و ... صورت می‌گیرد. فراوانی و ارزان بودن انرژی در بعضی از ساعات شبانه روز از دلایل مهم ذخیره انرژی است. انرژی خورشیدی در روز به وفور یافت می‌شود ولی یکی از اشکالات مهم این انرژی عدم دسترسی به آن در شب می‌باشد که به کمک ذخیره انرژی می‌توان از این انرژی در ساعات نبود خورشید نیز بهره برد. در بعضی کشورها مثل چین که بیشتر از انرژی الکتریکی برای گرمایش منازل استفاده می‌شود، با توجه به ارزان بودن انرژی الکتریکی در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود 5/1 برابر ( به دلیل ساعات اوج مصرف )، ذخیره انرژی از راهکارهای مهم به شمار می‌آید.
ذخیره انرژی به شکلهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی صورت می‌گیرد. ذخیره انرژی حرارتی به شکل محسوس (از طریق گرمای ویژه موادی مانند آب، زمین و ...) و نهان (از طریق تغییر فاز موادی مانند پارافین، هیدراتهای نمک و ...) انجام می‌گیرد، که در ادامه به بررسی انواع ذخیره های انرژی می پردازیم.
استفاده از ذرات نانو (با قطر کمتر از nm 50) و تأثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده (NEPCM) دریچه ای جدید برای پیشرفت تکنولوژی نوین در ترکیب مواد، بیو تکنولوژی، طراحی ابزار میکرو فلویدیک و … پیش روی محققین گشوده است.
سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت و ذخیره انرژی دارای ضریب رسانش حرارتی پایین میباشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات میباشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی در ابعاد نانو و ترکیب آنها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر میرسد. که درادامه همین فصل به راه های افزایش ارتقای کارایی سیستم پرداخته خواهد شد.
1-2 نانو
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است معادل لاتین این کلمه Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردیوم است بنابراین یک نانومتر، m9-10است این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تارموی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000 نانو متر دارد. یک سلول باکتری، قطری معادل چند صد نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلج اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند و فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط، یک نانومتر را می سازد.
در این بخش ضمن بررسی تعاریف مختلفی که از فناوری نانو وجود دارد به بیان مبانی، ساختار و اهمیت فناوری نانو و کاربرد های آن می پردازیم.
1-3 نانو تکنولوژی
به بیان ساده علم نانو اصول اولیه مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 1000 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می نامیم. نانو تکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
نانو تکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
فناوری نانو یکی از مدرن ترین فناوری های روز دنیاست که دارای خصوصیاتی منحصر به فرد با کاربردهایی در تمام زمینه های علمی و فناوری است همین کاربردها وسیع فناوری نانو که از آن به عنوان ویژگی بین رشته ای بودن فناوری نانو یاد می شود عامل مهمی در فراگیر شدن این پدیده جدید است.
از طرفی توجه روزافزون بشر به این فناوری فقط ناشی از تازگی آن و کنجکاوی بشر برای دانستن آنچه نمی داند، نیست؛ بلکه؛ دلیل قابلیت های ویژه ای که این فناوری پیش روی انسان قرار میدهد و دست یابی به آنها جز از این راه ممکن نیست.
بیشتر محصولات نانو تکنولوژی در معرض آنالیز انتقال حرارت قرار می گیرند زیرا ملاحظات گرمایی همیشه قسمت مهمی از هر فرایند طراحی می باشد بعنوان مثال، همین طور که ابعاد مبدل در سفینه ها کوچکتر می شود از رابطه انتقال گرمای جدیدی در طراحی آن استفاده می شود. بزودی دانشمندان متوجه شدند که اطلاعات ماکروسکوپیک برای پیش بینی جریان و ویژگیهای انتقال حرارتی آن در مینی کانالهای و بدلهای کوچک قابل کاربرد نیست و رابطه جدیدی موردد نیاز است.
1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟شاید این سؤال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژیی بر پایه آن بنا نهاده شده است. آنچه باعث ظهور نانو تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است.
این موضوع یکی از مهم ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو (نانو مواد) است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربردارند، نقض می شوند. برای مثال، یک سیم با اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چن اتم باشد، الکترونها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود.
1-4 تاریخچه نانو فناوری
50 سال پیش ریچارد نانیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان «آن پایین فضای بسیاری هست» به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت او فرض کرد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزسیتورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آزاد در مقابل دیگر به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی ممکن را ایجاد کنیم پس از بازگو شدن نظرات فانیمن جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت. در اواسط دهه 70، درکسلر که یک دانشجوی فارغ التحصیل و به نظریات فانیمن علاقه مند بود در سال 1980 میلادی درجه استادی خود را در رشته ی علوم کامپیوتر دریافت نمود و با جمعی از دانشجویان خود به پایه گذاری رشته جدید از مهندسی مولکولی اقدام کرد واین دفتررا «نانو فناوری» نامید.
1-5 کاربرد نانو سیالات
نانو تکنولوژی تقریباً تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تأثیر قرار خواهد داد، از دارویی که مصرف می شود تا توان و سرعت رایانه ها، منابع انرژی مورد نیاز، غذایی که خورده می شود، ماشینی که رانده می شود، خانه ای که در آن زندگی می شود و لباسی که بر تن می شود و...
مسلماً پرداختن به توضیح تمام این کاربردها امری بسیار دشوار خواهد بود بنابراین مروری اجمالی و مختصر به برخی کاربردهای ویژه نانو مواد در دنیای نانو تکنولوژی می پردازیم:
● نانو سیالات می توانند برای محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده شوند، از انتقال گرما تا تولید انرژی و صنایع الکترونیک (خنک کاری چیپ های کامپیوتری و پایگاه های داده).
● در صنایع خودروسازی
- صنایع حمل و نقل تمایل زیادی برای کاهش اندازه و وزن سیستم انتقال گرمای وسیله نقلیه دارند.
- نانو سیالات می توانند انتقال گرمای خنک کننده ها (سیستم های خنک کاری و رادیاتورها) و روانکارها را افزایش دهند.
- استفاده از نانو سیالات باعث می شود تا 10% کاهش در مساحت سطح رادیاتور و در نتیجه 5% کاهش مصرف سوخت داشته باشیم.
- کاهش در اصطکاک و خوردگی باعث کاهش در اتلاف و در نتیجه کاهش مصرف سوخت می شود.
- در مبدل های گرما که از سیالات معمولی استفاده می کنند، قدرت پمپ باید تا 10 برابر شود تا اینکه رسانایی گرمایی تا 2 برابر زیاد شود ولی اگر از نانو سیالات (با فرض رسانای گرمایی تا 3 برابر سیال معمولی) استفاده شود نرخ رسانایی گرمایی بدون افزایش توان پمپ 2 برابر می شود.
●خنک کاری ابزارآلات دارای شار گرمایی بالا مانند لوله های میکروویوی با توان بالا.
● کاربردهای پزشکی
- به منظور روش جدیدی در درمان سرطان، نانو ذرات مغناطیسی در بیو سیالات می توانند بعنوان حامل های دارو یا تشعشع باشند.
- نانو ذرات مغناطیسی توان بیشتری را نسبت میکرو ذرات از میدان مغناطیسی AC پایدار در بدن انسان جذب می کند
- نانو ذرات چسبندگی بهتری به سلولهای سرطانی دارند تا سلولهای سالم. و...
● مولدهای برق
● نیروهای با توان بالا
● نانو سرامیک ها: سرامیک های نانو، سرامیک هایی هستند که اندازه دانه یا اجزای سازنده آنها در حد نانومتر است. سرامیک های نانو ساختار مستحکم تر و انعطاف پذیرتر از سرامیک های میکرو ساختار هستند.
این سرامیک ها به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر به فرد، در بسیاری از صنایع به عنوان مثال صنایع شیمیایی، صنایع الکترونیک و مخابرات از اجزای مهم محسوب می شوند.
● در سیستم های نانو الکترومکانیکی (MEMS): ابعاد نانومتری این سیستم ها باعث می شود که همه جا قابل استفاده بوده و به راحتی جایگزین شوند و به همین دلیل انرژی مصرفی فوق العاده کمی دارند و دقت بسیار زیادی نسبت به سیستم های معمول دارند.
1-6 روشهای ذخیره انرژی1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی این سیستم شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره توان آبی پمپ شده، ذخیره انرژی هوای فشرده شده و چرخ طیار می‌شود. ذخیره در زمانی که توان مورد نیاز کم می‌باشد، صورت می‌گیرد و در زمان احتیاج، از آن بهره برداری می‌شود.
1-6-2 ذخیره الکتریکیانرژی الکتریکی از طریق باتری ذخیره می‌شود. باتری با اتصال به منبع الکتریکی مستقیم شارژ می‌شود و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی آن به الکتریکی تبدیل می‌شود. کاربرد باتری در زمان افت توان و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله توربین بادی یا فوتو ولتائیک می‌باشد. عمومی‌ترین نوع باتری‌های ذخیره سرب و می‌باشد.
1-6-3 ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره انرژی حرارتی به صورت تغییر در انرژی درونی مواد به شکل محسوس، نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از آنها می‌باشد. شکل (1-6) دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی را نشان می‌دهد.
1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوسانرژی به وسیله افزایش دما در جامد یا مایع ذخیره می‌شود. مقدار ذخیره گرمایی به گرمای ویژه، تغییر دما و مقدار ماده بستگی دارد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد برای این نوع ذخیره است. روغنها، نمکهای مذاب و فلزات مایع از دیگر موارد استفاده می‌باشند.
1-6-3-2 ذخیره گرمای نهاناین نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق تغییر فاز از جامد به مایع یا مایع به گاز یا برعکس انجام می‌شود.
1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی
این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق شکست و تغییر شکل پیوند مولکولی در واکنش شیمیایی کاملاً برگشت پذیر انجام می‌شود. مقدار ماده، نوع واکنش و میزان تغییر، بر گرمای ذخیره شده تأثیر مستقیم دارند.
در میان تکنیک‌های ذخیره گرمایی گفته شده، ذخیره انرژی به شکل نهان به دلیل چگالی بالای ذخیره انرژی و مشخصه‌های آن در ذخیره گرما در دمای ثابت به دلیل تغییر فاز، روشی قابل قبول تر می‌باشد. تغییر فاز می‌تواند به شکل: جامد ـ جامد، جامد ـ مایع، جامد ـ گاز، مایع ـ گاز و برعکس باشد. در تغییر فاز جامد ـ جامد، گرما در تغییر از یک نوع کریستال به نوع دیگر ذخیره می‌شود. این تغییرات عموماً انرژی نهان کم و تغییر حجم کوچکی نسبت به تغییر فاز جامد ـ مایع دارند. مهمترین مواد در این نوع تغییر فاز، محلول جامد آلی پنتا اریتول (323= انرژی نهان و188= نقطه ذوب)، پنتا گلیسرین (216= انرژی نهان و81= نقطه ذوب)، سولفات لیتیم (214= انرژی نهان و 578= نقطه ذوب) و(135= انرژی نهان و 196= نقطه ذوب) می‌باشد.
551815126365ذخیره انرژی حرارتی
00ذخیره انرژی حرارتی

4609465321945009042403124200025330153124200089471531242000279019014097000
365696588265شیمیایی
00شیمیایی
77089078740گرمایی
00گرمایی

2990215319405گرمای شیمیا یی خط لوله
00گرمای شیمیا یی خط لوله
4609465361950012757153619500
2995295241300گرمای واکنش
00گرمای واکنش
429514069850001532890365760گرمای نهان
00گرمای نهان
337820365760گرمای محسوس
00گرمای محسوس
7708902133600018853152133600077089021336000
3004820162560پمپ گرمایی
00پمپ گرمایی
4295140293370004295140-19050023901403035300065659030289500
4161790229235جامد - جامد
00جامد - جامد
344741586360002999740238760مایع - گاز
00مایع - گاز
1919605238760جامد - مایع
00جامد - مایع
21139158636000487616586360003228340838200021139158636000875665227330جامدات
00جامدات
418465850900012376158445500151765237490مایعات
00مایعات
4184658445500
شکل 1-1 دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی
تغییر فاز جامد ـ گاز و مایع ـ گاز دارای گرمای نهان بیشتری هستند ولیکن تغییر فاز جامد ـ مایع به دلیل تغییر حجم کمتر در خلال تغییر فاز، کاربرد بیشتری نسبت به جامد ـ گاز دارد. انتقال انرژی گرمایی در هنگام تغییر فاز از جامد به مایع و یا بالعکس صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده در دمای تقریباً ثابتی در تغییر فاز، گرما جذب و یا آزاد می‌کنند. این مواد مقدار انرژی بیشتری (4 تا 5 برابر) نسبت به مواد ذخیره انرژی محسوس، ذخیره می‌کنند.
مواد تغییر فاز دهنده به تنهایی برای انتقال گرما کافی نیستند، برای استفاده از این مواد به یک مبدل حرارتی بین منبع و ماده تغییر فاز دهنده نیاز است. این موضوع به علت پایین بودن ضریب پخش مواد تغییر فاز دهنده است.
1-7 ویژگیهای سیستم ذخیره نهانهر سیستم ذخیره نهان حداقل بایستی سه مؤلفه زیر را دارا باشد:
مواد تغییر فاز دهنده مناسب با نقطه ذوب معین در رنج دمایی مطلوب
سطح انتقال حرارت مناسب
محفظه مناسب سازگار با مواد تغییر فاز دهنده
1-8 ویژگیهای مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده مورد استفاده در طرح ذخیره حرارتی بایستی دارای خواص شیمیایی، جنبشی و ترموفیزیکی مناسبی باشد که در زیر به آن اشاره می‌شود:
خواص حرارتی:
دمای تغییر فاز مناسب با توجه به نوع کاربرد
گرمای نهان بالا
ضریب انتقال حرارت خوب
خواص فیزیکی:
تعادل فازی مطلوب
چگالی بالا
پایین بودن تغییر حجم
فشار بخار پایین
خواص جنبشی:
عدم فوق تبرید
نرخ کریستالیزه شدن مناسب
خواص شیمیایی:
پایداری شیمیایی
سازگاری با ساختار مواد
غیر سمی
غیر قابل اشتعال
ویژگی‌های اقتصادی:
در دسترس بودن
هزینه پایین
1-9 معرفی مواد تغییر فاز (PCM)
PCM ها حالت خاصی از جامد - مایع ها نامیده می شوند و محلول هایی می باشند که برای کنترل حرارت به کار می روند. این مواد به دلیل اینکه گرمای نهان در حالت انتقال جامد به جامد و یا مایع به مایع خیلی کمتر از گرمای نهان در حالت جامد به مایع (ذوب) می باشند، در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته اند.
1-10 دسته‌بندی مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به سه دسته آلی، غیرآلی و اوتکتیک تقسیم‌بندی می‌شوند (شکل1-2).
1-10-1 مواد تغییر فاز دهنده آلی
مواد آلی به دو دسته پارافین ها و غیرپارافین ها تقسیم بندی شده‌اند. مواد آلی دارای ذوب متجانس (همگون)، تشکیل دهنده هسته و همچنین برای موادی که به عنوان پوشش آنها به کار می‌روند خورنده نیستند. مواد تغییر فاز دهنده آلی که برای گرمایش و سرمایش ساختمانها به کار می‌روند دارای نقطه ذوب 32-20 درجه سانتی‌گراد هستند.
485140208915مواد تغییر فاز دهنده
00مواد تغییر فاز دهنده
3304540109220ترکیبات پارافین
00ترکیبات پارافین
1932940385445آلی
00آلی
26187403187700095186519494500
3304540189865ترکیبات غیر پارافین
00ترکیبات غیر پارافین
26187402279650095186510414000
3342640299720هیدرات های نمک
00هیدرات های نمک

95186533718500264731511366500951865332740001951990161290غیر آلی
00غیر آلی
3342640380365فلزات
00فلزات

26473151841500
3314065189865آلی -آلی
00آلی -آلی
264731536131500
3314065118745غیر آلی – غیر آلی
00غیر آلی – غیر آلی
2647315290195001961515137795اوتکتیک
00اوتکتیک
96139030924500
332359047625آلی – غیر آلی
00آلی – غیر آلی
26473155715000
شکل 1-2 دستهبندی مواد تغییر فاز دهنده
1-10-1-1 پارافینهاپارافین شامل ترکیبی از زنجیره مستقیم است. کریستالیزه شدن این زنجیره باعث آزاد شدن مقدار زیادی گرمای نهان می‌شود. با افزایش طول زنجیره، نقطه ذوب و گرمای نهان افزایش می‌یابد. پارافین به دلیل قابل دسترس بودن در محدوده وسیعی از دمای ذوب، یکی از بهترین انتخابها به عنوان مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی است. به علت ملاحظات اقتصادی، فقط پارافین‌های با خلوص صنعتی، قابلیت استفاده به عنوان مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای ذخیره گرمایی نهان را دارند. پارافین ایمن، قابل اطمینان، قابل پیش‌بینی، غیر خورنده و دارای هزینه کمتری می‌باشد. پارافین در دمای کمتر از500 درجه سانتی‌گراد، از نظر شیمیایی خنثی و پایدار است، تغییرات حجم کمی در ذوب و فشار بخار پایینی در حالت ذوب دارد. پارافین‌ها به دلیل خواصی که در بالا گفته شد، معمولاً دارای سیکل انجماد ـ ذوب طولانی هستند. علاوه بر خواص فوق، ذوب متجانس و تشکیل دهنده هسته، دو ویژگی مهم پارافین‌ها می‌باشد. از اشکالات پارافین می‌توان به ضریب رسانش پایین، کمی اشتعال‌پذیر و ناسازگاری با محفظه پلاستیکی اشاره کرد، این اشکالات با کمی تغییر در واکس پارافین و واحد ذخیره برطرف می‌شود. در جدول (1-1) لیستی از پارافین های منتخب با نقطه ذوب و گرمای نهان ارائه شده است. پارافین‌ها از نظر پیشنهاد برای طرحها به سه دسته (I) خوب، (II) متوسط، (III) ضعیف دستهبندی شده‌اند.
جدول 1-1 نقطه ذوب و گرمای نهان پارافین‌ها

1-10-1-2 غیر پارافین‌هاغیرپارافین‌های آلی شامل تعداد بیشماری مواد با خواص متغیر هستند. برخی محققین، تحقیق وسیعی برروی مواد آلی انجام داده‌اند و سرانجام تعدادی از استرها، اسیدهای چرب، الکل و گلیکول را برای ذخیره انرژی مناسب دانستند. برخی خصوصیات این مواد عبارتند از: گرمای نهان بالا، اشتعال‌پذیر، ضریب رسانش پایین، نقطه اشتعال پایین، مقدار سمی بودن مختلف و ناسازگاری در دماهای بالا. جدول (1-2) برخی از غیرپارافین‌های آلی را ارائه کرده است.
جدول 1-2- نقطه ذوب و گرمای نهان غیر پارافین‌ها

1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلیموادمواد غیرآلی به هیدراتهای نمک و فلزات تقسیم بندی می‌شوند. ترکیبات غیرآلی گرمای نهان بالایی در واحد جرم و حجم دارند، از نظر هزینه، ارزان قیمت هستند و در مقایسه با ترکیبات آلی اشتعال ناپذیرند. به هر حال این مواد دارای مشکلات تجزیه و فوق تبرید (که برروی خواص تغییر فاز تأثیر دارند) می‌باشند.
1-10-2-1 هیدراتهای نمکفرمول عمومی هیدراتهای نمک به صورت می‌باشد. انتقال فاز جامدـ مایع هیدراتهای نمک، در واقع آب زدایی از این ماده است. هیدراتهای نمک گروه بسیار مهمی از مواد تغییر فاز دهنده هستند که دارای خصوصیات زیر می‌باشند: گرمای نهان بالا در واحد حجم، رسانش حرارتی نسبتاً بالا، تغییرات کم حجم در هنگام ذوب، کمی سمی، ذوب متجانس، اختلاف چگالی آب و ماده ترکیبی با آن (که باعث ته‌نشین شدن در انتهای محفظه می‌شود) و تشکیل هسته ضعیف که باعث فوق تبرید می‌شود. جدول (1-3) لیستی از هیدراتهای نمک را ارائه می‌کند.
1-10-2-2 فلزاتاین دسته از مواد شامل فلزات با ذوب پایین و فلزات اوتکتیک می‌شود. این فلزات به دلیل مشکل وزن، در تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده چندان جدی گرفته نشده‌اند. گرمای نهان بالا در واحد حجم و رسانش حرارتی بالا از خصوصیات این مواد است. در جدول (1-4) لیستی از این مواد ارائه شده است.
1-10-3 اوتکتیکهااوتکتیک ترکیبی از دو یا چند عنصر با حداقل ذوب می‌باشد. اوتکتیکها تقریباً همیشه بدون آنکه تجزیه شوند فرآیند ذوب و انجماد را طی می‌کنند. جدول (1-5) لیستی از اوتکتیکها را ارائه می‌کند.
1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به دو روش کپسوله می‌شوند: ماکرو کپسوله و میکرو کپسوله. در روش اول مواد تغییر فاز دهنده در لوله، کیسه، کره، صفحات و یا اجزای ساختمان بسته‌بندی می‌شود. ماکرو کپسوله‌ها دارای معایب، خرابی، نیاز به محافظت، ضریب انتقال حرارت ضعیف در حالت جامد و هزینه بالا می‌باشند. در روش دوم ذرات ریز مواد تغییر فاز دهنده با فیلم پلیمری با وزن مولکولی بالا (که بایستی سازگار با ساختار ماده ومواد تغییر فاز دهنده باشد) مخلوط می‌شود. میکرو کپسوله‌ها معایب ماکرو کپسوله‌ها را تا حد زیادی بر طرف کرده‌اند.
جدول 1-3- نقطه ذوب و گرمای نهان هیدراتهای نمک
118745-19685
00

جدول 1-4- نقطه ذوب و گرمای نهان فلزات
جدول 1-5- نقطه ذوب و گرمای نهان اوتکتیکها

1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدیآب در طول روز توسط انرژی خورشیدی به دست آمده از طریق کلکتور گرم می‌شود، گرما از آب به مواد تغییر فاز دهنده منتقل شده و از جامد به مایع تغییر فاز می‌دهد. در ساعاتی که خورشید وجود ندارد، گرمای ذخیره شده در مواد تغییر فاز دهنده به آب منتقل و از مایع به جامد تغییر فاز می‌دهد.
1-13 کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانکاربرد مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان دو هدف عمده را دنبال می‌کند:
استفاده از گرمای طبیعی ( انرژی خورشیدی) به منظور گرمایش در شب زمستانی و سرمایش در شب تابستانی
استفاده از منابع گرمایی یا سرمایی ساخت بشر
سه راه مختلف برای استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای گرمایش یا سرمایش ساختمان عبارتند از:
مواد تغییر فاز دهنده در دیوارهای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در دیگر اجزای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در واحدهای ذخیره سرما و گرما
دو سیستم غیر فعال اول، گرما یا سرما ذخیره شده را وقتی که دمای داخل یا خارج بیشتر یا کمتر از نقطه ذوب می‌شود، به صورت خود به خود آزاد می‌کند. در سیستم سوم که گرما یا سرمای ذخیره شده به صورت کاملا ایزوله از ساختمان نگهداری می‌شوند، سیستمی فعال است. بنابراین در این سیستم فقط از گرما یا سرمای ذخیره شده مورد نیاز استفاده می‌شود (برخلاف دو سیستم قبلی که به شکل خود به خود و اتوماتیک استفاده می‌شد). با توجه به مکان ونوع وسیله مواد تغییر فاز دهنده به کاربرده شده، از مواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب مطلوب استفاده می‌شود. بازار برای مواد تغییر فاز دهنده تجاری مورد نیاز در محدوده نقطه ذوب 25-5 درجه سانتی‌گراد دچار کمبود است، خصوصاً بین محدوده دمایی 20-15 درجه سانتی گراد که محصولات آنتالپی پایینی دارند. اغلب مواد تغییر فاز دهنده اصلی در محدوده 25-22 درجه سانتیگراد هستند که مورد قبول متخصصان در سیستمهای غیرفعال در ساختمان است.
1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه هاکاربرد در زمینه مواد غذایی
حفظ دمای غذا در فاصله بین تولید و سرو کردن، از مشکلات عمده تولیدکنندگان مواد غذایی است که کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در این زمینه مشکلات عمده حفظ دمای غذا را تا لحظه تحویل حل می‌نماید.
کاربرد در زمینه پزشکی- دارویی
در روزهای گرم تابستانی، هنگامی که ذخیره خون در بیمارستان به شدت کاهش می‌یابد، خیلی از بیمارستانها نیاز به تهیه خون از بانکهای خون دوردست دارند. در حال حاضر انتقال خونهای مورد نیاز توسط سیستمهای بسیار مجهز و پیچیده‌ای که باعث ایجاد حفظ دمای خون در محدوده خاصی می‌شوند، حمل‌ونقل می‌شوند. قیمت تمام شده این سیستم بسیار بالا می‌باشد و در صورت یخ ‌زدگی یا گرمایش بیش از حد، خون فاسد و غیرقابل استفاده می‌شود. با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده با محدود کردن دمای خون در محدوده مجاز، می‌توان با هزینه کم عمل انتقال خون از بانک به بیمارستان را صورت داد.
خنک‌سازی کامپیوترهای لپ‌تاپ
خنک‌سازی فضای داخلی کلاه‌کاسکت
کاربردهای فضایی در خارج جو زمین
1-15 تکنیکهای افزایش کارایی سیستم ذخیرهساز انرژیبمنظور ارتقای کیفیت یک سیستم ذخیره انرژی، تکنیکهای متنوع و گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیکها عبارتند از:
استفاده از سطوح گسترش یافته (نصب فین)
استفاده از شبکهای از PCMها (چند PCM)
افزایش هدایت حرارتی PCM
میکروکپسوله کردن PCM
1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافتهفینها، سطوح گسترش تافتهای هستند که برای مهیا کردن سطح اضافه برای تبادل حرارت در سیستمهای حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند. پیش از آنکه به بحث پیرامون اثر استفاده از فین در سیستمهای ذخیره کننده انرژی بپردازیم، لازم است این نکته یادآوری شود که اساساً دو نوع سیستم ذخیرهساز از این منظر مطرح میباشد. در یک نوع از سیستمها، تبادل انرژی میان محفظه حاوی PCM و یک سیال انتقال دهنده انرژی که به اختصار HTF نامیده میشود، صورت میگیرد مانند سیستمهای ذخیره ساز انرژی خورشیدی. اما نوع دیگر مربوط به سیستمهای فاقد سیال تبادل کننده انرژی بوده و در واقع منبع انرژی شرایط مرزی خاص در دیواره محفظه میباشد (دیوار دما ثابت یا شار ثابت)، مانند محفظه سرمایش سیستمهای الکتریکی. طبیعتاً در سیستمهای نوع دوم (فاقد HTF)، فین در سمت PCM نصب میگردد ولی برای سیستمهای نوع اول (حاوی PCM)، محل نصب فین عموماً به ضریب انتقال حرارت وابسته است. در اکثر سیستمها، سمت حاوی PCM دارای ضریب انتقال حرارت کمتر از سمت HTF بوده و بهمین دلیل عموماً فینها در سمت PCM نصب میگردد.
1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستمبکارگیری تعدادی PCM با خصوصیات نزدیک بهم در سیستمهای ذخیرهساز انرژی بعنوان تکنیک جالب توجهی برای ارتقای این سیستمها مطرح میباشد. اساس این تکنیک استفاده از چند PCM با دمای تغییر فاز متفاوت بطور همزمان و بصورت مجزا از هم در سیستم میباشد. همانطور که میدانیم، نرخ انتقال حرارت در سیستم و در نتیجه کارایی سیستم قویاً وابسته به اختلاف دمای سیال انتقال دهنده حرارت (HTF) و نقطه ذوب PCM میباشد. از آنجایی که این اختلاف دما در جهت جریان کاهش مییابد، در سیستمهای حاوی یک PCM، نرخ انتقال حرارت و راندمان سیستم با کاهش روبهروست. حال اگر از چند PCM و با ترتیب خاص در سیستم استفاده شود، این آرایش PCMها میتواند منجر به اختلاف دمایی تقریباً ثابت در جهت جریان گردد (هر چند دمای HTF در جهت جریان تغییر میکند)، که این خود منجر به انتقال حرارتی تقریباً ثابت PCM میگردد. همچنین انتقال حرارت ثابت از PCM به HTF نیز در این آرایش امکانپذیر میباشد. (شکل1-3) چیدمان اساساً بنحوی اعمال میگردد که اختلاف دمای HTF و PCM در جهت جریان تقریباً ثابت بماند، لذا در حین مرحله شارژ، همانگونه که در شکل نشان داده شده است، چیدمان PCMها در جهت کاهشی برای نقطه ذوب PCMهاست. که طبیعتاً در مرحله دشارژ جهت عکس بمنظور بهرهمند شدن از این ویژگی سیستم باید انتخاب گردد.

شکل1-3- سیستمهای حاوی چند PCM1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCMاگرچه PCMهای مرسوم معمولاً دارای دانسیته بالایی هستند، اما نرخ پایین ذوب و انجماد، پتانسیل سیستمهای ذخیرهساز انرژی را در کاربردهای خاص کاهش میدهد. علت این امر آنست که تقریباً همه PCMهای مرسوم و متداول دارای هدایت حرارتی پایین میباشند. اساساً هدایت حرارتی PCMها میتواند با بکارگیری مواد با ضریب هدایت بالا، افزایش یابد. این افزایش ضریب هدایت حرارتی با افزودن مواد با هدایت بالا به روشهای مختلفی میتواند صورت پذیرد. این روشها عبارتند از:
اشباع سازی مواد متخلخل با هدایت حرارتی بالا در PCM
پخش نمودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در PCM
جاسازی ترکیبات و ساختارهای فلزی در PCM


استفاده از مواد با ضریب هدایت بالا و دانسیته پایین
استفاده از کامپوزیت گرافیتی در PCM اگرچه منجر به افزایش کارایی سیستم میشود ولی به نوبه خود دارای محدودیتهایی است که پژوهشگران را بر آن داشت که بدنبال راه حلهای دیگری نیز باشد. این محدودیتها مربوط به پروسه تولید این کامپوزیتهای گرافیتی است که زمانبر و نیز هزینهبر میباشد. از اینرو بعضی از محققین در چند سال اخیر به دنبال راه حلی برای این مشکل بودهاند. آنها دریافتند که با افزودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در مقیاس میکرو و نانو در PCM، خواص ترمودینامیکی PCM ارتقا یافته و منجر به افزایش راندمان سیستم میشود. که در این پژوهش به بررسی این اثر پرداخته شده است. جاسازی ساختار فلزی در محفظه PCM بعنوان تکنیکی برای افزایش هدایت حرارتی ماده تغییر فاز دهنده مطرح میباشد. در این تکنیک از یک کره فلزی و یا لوله استوانهای (و یا سایر اشکال) استفاده شده و با قرار دادن آن در محفظه PCM مشاهده میگردد که زمان تغییر فاز به طرز چشمگیری کاهش مییابد و در نتیجه بازده سیستم افزایش قابل توجهی خواهد یافت (شکل1-4). ذرات و ترکیبات فلزی بعات دانسیته بالا ممکن است به پایین سیستم تهنشین شده و نیز موجب افزایش قابل توجه وزن سیستم میشود. علاوه بر آن، تحقیقات محققین نشان داده است که همه فلزات با کلیه PCMها سازگار نیستند. بعنوان مثال، ذرات آلومینیوم با پارافین سازگار بوده، در حالی که نیکل با پارافین سازگاری ندارد. همین مسائل موجب گردید که محققان بدنبال موادی با دانسیته پایین و هدایت حرارتی بالا باشند که با همه PCMها سازگار باشد.
از آنجایی که دانسیته فیبرهای کربنی از فلزات کمتر بوده و هدایت حرارتی آن تقریباً معادل هدایت حرارتی مس و آلومینیوم است، استفاده از آن بعنوان راهحلی جالب توجه برای افزایش کارایی سیستم ذخیرهکننده انرژی پیشنهاد میگردد. علاوه بر آن فیبرهای کربنی دارای مقاومت به خوردگی بوده و در نتیجه قابلیت سازگاری با اکثر PCMها را دارا میباشد. نکته حائز اهمبت در استفاده از فیبرهای کربنی در سیستم، توزیع یکنواخت ذرات فیبر کربن میباشد. مطالعات نشان میدهد سیستمهایی که در آن ذرات فیبر کربن بصورت یکنواخت در PCM توزیع شده، کارایی به مراتب بیشتری نسبت به حالتی که توزیع، تصادفی و غیریکنواخت باشد از خود نشان میدهد.

شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازی انرژی1-15-4 میکروکپسوله کردن PCMیکی از راهها برای افزایش نرخ انتقال حرارت بین PCMو چشمه یا چاه حرارتی، استفاده از PCMهای کپسوله شده میباشد. همانگونه که از اسم این مواد پیداست، PCMهای میکروکپسوله در واقع PCMهایی هستند که به حالت مایع یا جامد ودر ابعاد میکرو توسط پوسته و غشای نازکی محصور گشته است. این پوستهها میتواند از جنس بسیاری از مواد از جمله پلیمرهای طبیعی و مصنوعی باشد. میکروکپسوله کردن PCMها میتواند از دو طریق شیمیایی مانند روش تودهای، و فیزیکی مانند روش اسپری خشک انجام پذیرد. (شکل1-5) میکروکپسولههای بدست آمده از روشهای حرارتی کارایی و عملکرد بهتری نسبت به PCMهای رایج از خود نشان میدهند. علت این امر آنست که ذرات کوچک PCM در این حالت سطح انتقال حرارت بیشتری در واحد حجم و در نتیجه نرخ انتقال حرارت بیشتری دارند. علاوه بر این، PCMهای میکروکپسوله شده خواص ممتاز دیگری را نیز دارا میباشند که آن، واکنشپذیری بسیار پایین PCM با مواد جداره محفظه و توانایی تحمل تغییر حجم در خلال تغییر فاز میباشد

شکل1-5: نمونهای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای279409525000
فصل دومپیشینه موضوع و تعریف مسئله330208445500
2-1- مقدمهدر این فصل ابتدا به معرفی روشهای حل جریان نانوسیال و معرفی عدد نادسن به عنوان معیاری برای تشخیص پیوسته و یا ناپیوسته بودن نانوسیال معرفی میگردد. سپس به بررسی پارامترهای مختلف بر انتقال حرارت در نانوسیالات و معرفی انواع نانو ذرات می پردازیم. در ادامه به معرفی روش‌های عددی مدلسازی جریان نانوسیال همراه با مروری بر تحقیقات تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پرداخته خواهد شد. سپس تحقیقات انجام شده در زمینه مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای مختلف انرژی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان مسئله مورد بررسی در این تحقیق تشریح می گردد.
2-2- روشهای مدلسازی جریان نانوسیالبطور کل جریان سیالات را به دو صورت لاگرانژی و اویلری می توان حل نمود. در حل اویلری سیال پیوسته در نظر گرفته شده و در نتیجه معادلات پیوستگی و ناویر- استوکس در آن حاکم میباشد. در این حالت میتوان محیط را به حجمهای کنترل ماکروسکوپی فرضی تقسیم نمود که خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل ثابت فرض شده و از هر حجم کنترل به حجم کنترل دیگر تغییر میکند. بنابراین معادلات پیوستگی و ممنتوم ناویراستوکس در هر حجم کنترل صادق میباشد. در این حالت به دلیل نوسانات کم ملکولی خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل به صورت میانگین خواص ملکولهای آن حجم کنترل تعریف میشود. به عبارت دیگر برای برقراری فرض پیوستگی نوسانات میکروسکوپی یا ملکولی سیال نباید مهمتر از مقادیر متوسطگیری شده باشند. بنابراین حجم کنترل فرضی باید به اندازهی کافی بزرگ باشد تا بتوان نوسانات میکروسکوپی را نادیده گرفت و از طرفی باید به اندازهی کافی کوچک باشد تا از تغییرات ماکروسکوپی خارج نشود (شکل 2-1). در شکل (2-1) در حجم کنترل مشخص شده بدلیل محدود بودن نوسانات مولکولی در حجم کنترل، میتوان سیال را پیوسته در نظر گرفت.
شکل 2-1- نمونهای از حجم کنترل (ناحیه سایهدار) که در آن فرض پیوستگی برقرار است
در حل لاگرانژی به دلیل نوسانات زیاد ملکولی سیال نمیتوان محیط را پیوسته در نظر گرفت در این حالت نمیتوان یک حجم کنترل فرضی که متشکل از هزاران ملکول سیال است در نظر گرفت بلکه هر ملکول خواص مکانیکی و ترمودینامیکی جداگانه ای دارد و در نتیجه معادلات باید برای هر ملکول بطور جداگانه نوشته شود. به عبارتی هر ملکول یک حجم کنترل بوده و بنابراین باید معادلات را برای هر ملکول حل نمود. بدیهی است که حل معادلات پیوستگی (حل اویلری) بسیار سادهتر از حل ملکولی (حل لاگرانژی) است. به عنوان مثال برای جریان هوا درون یک کانال در مقیاس ماکروسکوپی برای حالتی که سرعت ماکروسکوپی از 0 تا m/s1 تغییر میکند، می توان جریان را موازی با محور کانال فرض کرد اما در این حالت سرعت ملکولهای سیال از مرتبهی km/s1 است که در هر جهتی ممکن است باشد.
هر حجم کنترل در حالت ماکروسکوپی شامل هزاران ملکول سیال است. در این حالت برای هر حجم کنترل فقط یک دسته معادله پیوستگی، ممنتوم و انرژی استفاده خواهد شد اما در حالت میکروسکوپی برای حل جریان به تعداد ملکولهای سیال معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی نیاز است. با افزایش تعداد معادلات قدرت رایانه مورد نیاز برای حل و همین طور زمان محاسبه بالا میرود بطوریکه حل میکروسکوپی با استفاده از روشهای CFD هزینه و تکنولوژی بالایی نیاز دارد و نیازمند ابر رایانههای بسیار پرقدرتی میباشد. هر چند روشهای جدیدی مانند LBM بوجود آمدند که قادر به حل میکروسکوپی جریان میباشند اما این روشها هنوز دارای نواقص زیادی هستند و توانایی حل بسیاری از جریانها را ندارند.
برای تشخیص پیوسته یا ناپیوسته بودن جریان معیاری به نام عدد نادسن وجود دارد که به صورت زیر تعریف میشود:
(2-1)
در عبارت فوق، متوسط فاصله بین ملکولهای سیال و طول مشخصهی هندسه مورد تحلیل است. رژیم جریان بر اساس عدد نادسن به چهار دسته تقسیم خواهد شد. این چهار دسته عبارتند از:
1- برای ، در این حالت جریان پیوسته بوده و شرط مرزی عدم لغزش برقرار میباشد. در این حالت استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد
2- برای ، در این حالت نیز جریان پیوسته بوده اما شرط مرزی عدم لغزش برقرار نیست و جریان از نوع جریان لغزشی میباشد. در این حالت نیز استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد.
3- برای ، در این حالت جریان از نوع جریان انتقالی میباشد. در این نوع از جریانها استفاده از معادلات ناویراستوکس چندان قابل قبول نبوده و دارای خطا میباشد. هر چند برخوردهای بین مولکولی سیال هنوز چندان قابل اغماض نبوده و باید به حساب آید.
4- برای ، در این حالت جریان یک جریان مولکولی است. در این حالت برخوردهای بین مولکولی سیال در مقایسه با برخوردهای بین ملکولهای سیال و دیواره ناچیز است.
در شکل (2-2) مدلهای جریان مربوط به عدد نادسن بطور خلاصه ارائه گردیده است.

شکل 2-2- رژیمهای جریان گاز بر پایهی عدد نادسن.2-3- منطق وجودی نانو سیالاتبررسی دقیق خصوصیات گرمایی همه مایعات خنک کننده ای که امروزه به عنوان سیال انتقال گرما استفاده می شوند، رسانایی گرمایی ضعیفی را نشان می دهند (بجز فلزات مایع که در اکثر محدوده های دمایی قابل استفاده نیستند). برای مثال آب در هدایت گرمایی 3 بار ضعیفتر از مس است مشخص است که همه تلاشها برای افزایش انتقال گرما بوسیله آشفته سازی، افزایش سطح و...، بوسیله محدودیت های ذاتی رسانایی گرمایی محدود می شود.
بنابراین می تواند منطقی باشد که تلاشهایی برای افزایش رفتار رسانایی گرمایی سیالات خنک کننده انجام شود. استفاده از مخلوطهایی معلق از جامدها یکی از راههایی است که بیش از یک قرن گذشته به ذهن آمده است. ماکسول ]1[ پایه گذار این زمینه بود که تئوری پایه را برای محاسبه رسانایی گرمایی موثر مخلوط های معلق ارائه داد. تلاشهای او بوسیله مطالعات تجربی و تئوری زیادی مانند کارهای همیلتون و کراسر ]2[ و واسپ ]3[، پیکری شد. این مدلها برای پیش بینی رسانایی گرمایی تعلیق ها بسیار خوب کار می کنند. با این حال، همه این مطالعات به تعلیق ذرات در ابعاد میکرو و میلی محدود می شوند، و یک چنین تعلیق هایی نارساییهای زیر را بدنبال دارند:
1- ذرات به سرعت نشست می کنند، تشکیل لایه ای بر روی سطح می دهند و ظرفیت انتقال حرارت سیال را کاهش می دهند.
2- اگر نرخ چرخش سیال افزایش یابد، ته نشین شدن کاهش می یابد ولی خوردگی ابزارهای انتقال گرما، لوله ها و... به سرعت افزایش می یابد.
3- با اندازه بزرگ ذرات تمایل به گرفتگی در مسیر جریان کانال افزایش می یابد.
4- افت فشار در سیال بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.
بنابراین مسیر بوجود آمدن ذرات معلق درون سیال به خوبی مشخص شد ولی در کل گزینه قابل قبولی برای کاربردهای انتقال گرما نمی باشد. تکنولوژی مواد جدید فرصتی را فراهم کرده است تا ذراتی در ابعاد نانومتری را تولید کنیم که کاملاً درخصوصیات اپتیکی، الکتریکی، گرمایی و مکانیکی با مواد اولیه متفاوت هستند.
تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [4] و سپس چویی همکارانش [5] ایده نانوسیال را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. به منظور افزایش انتقال گرمای جابجایی، محققان ذرات در ابعاد نانو (ذرات جامد کوچکتر از nm100) را به سیال اضافه کردند.
این تکنیک افزایش قبلاً با میکروذرات معلق در سیال برای افزایش انتقال گرما در میکرو و میلی کانالها استفاده شده است. نانو ذرات نسبت سطح به حجم 1000 برابر بزرگتر از میکرو ذرات دارند و گرما را بسیار مؤثرتر می توانند انتقال دهند. چویی و همکارانش [5] نشان دادند که اضافه کردن نانو ذرات، به سیال پایه می تواند نرخ انتقال گرمای سیال را 2 برابر کند، زیرا این ذرات رسانایی گرمایی بیشتری نسبت به سیال پایه دارند. چیزی که باعث جذابیت نانو ذرات به عنوان کاندید احتمالی برای درست کردن مخلوطی از ذره ها با سیالات می شود، این است که آنها مساحت سطح زیادی دارند، مومنتم ذرات کم است، و قابلیت حرکت بالایی دارند.
وقتی ذرات بطور مناسب پخش شده باشند، این خصوصیات نانو سیالات انتظار می رود که برتری های زیر را داشته باشد:
1) رسانایی گرمایی بالاتر: مساحت سطح بیشتر نانو ذرات اجازه انتقال گرمای بیشتری را می دهد. ذرات ریزتر از nm20، 20% اتم های خود را بر روی سطح خود دارند، که آنها را هر لحظه برای تبادل حرارت در دسترس دارند. مزیت دیگر در حرکت بودن ذرات است که می تواند منتسب به اندازه ریز آنها باشد، که می تواند میکرو جابجایی هایی را بوجود آورند و در نتیجه انتقال گرما افزایش یابد [6].
2) پایداری: از آنجائیکه ذرات ریز هستند وزن کمتری دارند و احتمال ته نشین شدن کمتر می شود. همین کاهش ته نشینی باعث غلبه بر یکی از ضعفهای اصلی مخلوط های معلق می شود (رسوب کردن ذرات) و نانو سیالات را پایدارتر می کند.
3) خنک کاری میکرو کانالها بدون گرفتگی: نانو سیالات تنها یک محیط بهتر برای انتقال گرمای معمول نیستند، آنها همچنین برای کاربردهای میکرو کانال در جائیکه با بارهای گرمایی بالایی مواجه هستند، مناسب هستند. ترکیب میکرو کانالها و نانو سیالات هم سیالی بار رسانایی بالا و هم سطح انتقال گرمای بزرگتری را فراهم می کند. نانو ذرات، که فقط چند صد یا چند هزار اتم هستند، بسیار کوچکتر از میکرو کانالها بود ه و باعث گرفتگی نمی شوند.
4) کاهش احتمال خوردگی: نانو ذرات بسیار ریز هستند و ممنتمی که می توانند به یک دیوار صلب وارد کنند بسیار کمتر است. این ممتنم کاهش یافته شانس خوردگی اجزا را کاهش می دهد مانند مبدلهای حرارتی و خطوط لوله ها و پمپ ها.
نانو ذرات مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شوند، ذرات سرامیکی، ذرات فلزی خالص و نانو لولهای کربنی، که در ادامه بطور مفصل در مورد ان بحث می کنیم.
ترکیبات مختلف این نانو ذرات و سیال هایی شامل آب، اتیلن گلیکول، روغنها و تولوئن نانو سیالات مختلفی را به ما می دهد.
2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالاتافزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آنها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .
2-4-1- انباشتگی ذراتنانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی دارند [7]. کارتیکین و همکاران [8] آزمایشهای تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آنها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آنها افزایش مییابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش مییابد. شکل (2-3) نشان میدهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش مییابد و همچنین در شکل (2-4) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آنها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه تهنشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است. گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن تودههای نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش مییابد. وانگ و همکاران [9] ویسکوزیتهی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش مییابد.

شکل 2-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [8].
شکل 2-4- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (1/0=) الف) 20 دقیقه ب) 60 دقیقه ج) 70 دقیقه [8]2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانوضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی نانوذرات افزایش مییابد [8] شکل (2-5). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث تهنشینی ذرات نانو میشود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوبتر خواهد بود [10].

شکل 2-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [10]2-4-3- حرکت براونیحرکت براونی (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است [11و12]. هر چه اندازهی نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آنها افزایش مییابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد و همینطور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش مییابد [13].
2-4-4- ترموفورسیسمولکولهایی که در محیط گرمتر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکولهای مجاور برخورد میکنند. این امر موجب حرکت مولکولها از محیط گرمتر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت میشود. به این پدیده ترموفورسیس میگویند.
2-4-5- اندازه نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش مییابد [12]. این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آنها میباشد [13].
2-4-6- شکل نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که هر چه شکل نانوذرات چند وجهیتر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است [14]. دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات میباشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر میباشد. شکل (2-6) نشان میدهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجههای نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش مییابد.

شکل 2-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب - اکسید آلومنیم [14].2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانولایه سیال پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک میکند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایههای ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران [15] مشخص شده است. رن و همکاران [16] یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکولهای سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آنها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد (شکل 2-7-الف). کبلینسکی و همکاران [17] نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند. آنها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش مییابد (شکل 2-7-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و rp بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان میدهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش مییابد.

الف) ب)
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات [16 و 17].2-4-8- دماضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش مییابد. چوی و همکاران [12] با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم–آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (2-8) نشان میدهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.

شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم–آب [12]2-5- انواع نانو ذراتنانو ذرات به سه دسته نانو سیالات سرامیکی، نانو سیالات فلزی و نانو سیالات حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری تقسیم می شود که به اختصار به معرفی آنها پرداخته می شود.
2-5-1- نانو سیالات سرامیکینانو سیالات سرامیکی اولین نوعی بود که توسط گروه ANL ساخته شد. اولین تحقیق در این زمینه اندازه گیری رسانایی سیالاتی بود که شامل ذرات AL2O3و Cuo در آب و اتیلن گلیکول بودند ]18[. آنها از درصد حجمی %5-1 استفاده کردند و مشاهد شد وقتی اتیلن گلیکول استفاده می شود یک افزایش 20% با نسبت حجمی 4% CuO بدست می آید، افزایش رسانایی وقتی از آب استفاده شد کمتر بود یک افزایش 12% با نسبت حجمی 5/3% CuO.
مدل ماکسول اصلی به صورت زیر است ]1[:
(2-2)
در هر دو مدل، Keff: رسانایی گرمایی مؤثر، Kf: رسانایی گرمایی سیال، Ks: رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
ژی و همکارانش ]19[ رسانایی گرمایی نانو سیال شامل Al2o3با ذرات ریزتر از (nm2/3- 2/1) را اندازه گیری کردند. آنها علاوه بر اثر سیال پایه اثر اندازه ذره را نیز دیدند. بنابراین مشخص شد که ذرات اکسید سرامیکی که خود رسانایی گرمایی بالایی ندارند، می توانند باعث افزایش رسانایی گرمایی نانو سیالات شوند. دلیل اصلی که باعث شده تحقیقات زیادی درباره نانوسیالات با ذرات اکسیدی انجام شود در دسترس بودن آنهاست.
مورشد و همکاران [20]، به بررسی اثر شکل هندسی ذرات نانوی TiO2 در سیال پایهی آب روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال پرداختند. در این کار از ذرات نانو به شکل کروی با قطر nm15 و به شکل غیر کروی با ابعاد nm10× 40 استفاده کردند. مشاهدات نشان میدهد که حدود 33 درصد برای ذرات غیر کروی و 30 درصد برای ذرات کروی، ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش یافته است.
2-5-2- نانو سیالات فلزیبا اینکه پتانسیل نانو سیالات در افزایش انتقال حرارت از همان نانو سیالات همراه با ذرات سرامیکی مشخص بود، ولی با این حال نانو سیالات با پایه ذرات فلزی قدم بزرگی روبه جلو بود.
ایستمن و همکارانش ]21[ یک افزایش 40% رسانایی با نسبت حجمی 3/0% با ذرات nm10 مس معلق در اتیلن گلیکول را گزارش داد این گزارش به روشنی اثر ذرات را نشان می دهد و پتانسیل نانو ذرات با ذرات کوچکتر را نشان می داد.
پاتل و همکارانش ]22[ برای اولین بار از طلا و نقره برای ساختن نانو سیال در سیال پایه آب استفاده کردند. آنها همچنین از یک شیوه سیم داغ برای اندازه گیری رسانایی گرمایی استفاده کردند. مهمترین مشاهده آنها در این مطالعه افزایش قابل توجه رسانایی گرمایی برای مقادیر ناچیز غلظت ذرات بود.
ژی و همکارانش ]23[ مطالعه ای بر روی وابستگی رسانایی گرمایی مخلوط سیال- نانو ذره با سیال پایه را آغاز کردند. این محققان اثر پخش شدگی Al2O3 - را در آب یونیزه، گلیسرول و مخلوط آب روغن پمپ، مخلوط آب- اتیلن گلیکول را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که نرخ رسانایی گرمایی با افزایش رسانایی گرمایی سیال پایه کاهش می یابد.
2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمریبزرگترین افزایش در رسانایی گرمایی توسط چوی و همکارانش ]24[ ارائه گردید، که یک افزایش 50% در رسانایی گرمایی با 1% نسبت حجمی نانو لوله ها را نشان می دهد. دو عامل در افزایش غیرعادی رسانایی گرمایی مهمتر به نظر می آید. اول، رسانایی گرمایی نانو لوله های کربنی بسیار بالا است (w/m.k 3000). دوم، نانو لوله ها نسبت طول به عرض() بسیار زیادی دارند. ژی و همکارانش ]25[ رسانایی گرمایی MWCNT با قطر متوسط nm15در اتیلن گلیکول اندازه گرفتند، مشاهده شد که افزایش بیشتری برای نسبت حجمی مشابه در سیال که رسانایی گرمایی کمتری دارد بوجود می آید.
2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات
2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیالتاکنون تلاشهای زیادی برای پی بردن به علت افزایش زیاد رسانایی گرمایی نانو سیالات انجام شده است. از حرکت ساده براونی گرفته تا مدلهای پیچیده. در طول سالهای گذشته تلاشها شدت بیشتری پیدا کرده است ولی هنوز به نظر می رسد که به نتیجه مطلوب نرسیده باشند. ماکسول برای اولین بار [1]، رابطهای برای ضریب رسانش حرارتی موثر برای مخلوط ذرات معلق در ابعاد میکرو در سیال ارائه کرد که این رابطه در ابعاد نانو نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، البته این رابطه بسیار ساده بوده و تنها برای اثر نسبت حجمی نانوسیال در ضریب رسانش حرارتی موثر برای ذرات نانو کروی در نظر گرفته شده است. مدل ماکسول برای رسانایی گرمایی مخلوط جامد – سیال با ذرات نسبتاً بزرگ و درصد حجمی پایین ذرات بسیار مناسب است. رابطه آن به صورت زیر است[1]:
(2-3)
فرمول ماکسول نشان می دهد که رسانایی گرمایی مؤثر به رسانایی گرمایی ذرات کروی، سیال پایه و نسبت حجمی ذرات جامد بستگی دارد.
همیلتون و کروسر [2]، رابطهی ماکسول را کامل نموده و رابطه ای برای رسانش حرارتی ارائه نمودند که در آن علاوه بر اثر نسبت حجمی نانوذرات، اثر شکل و اندازه ی آن ها نیز در نظر گرفته شده است..
(2-4)
که در آن keff رسانایی گرمایی مؤثر، Kf رسانایی گرمایی سیال، Ks رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
با این حال چندین رابطه ثبت تجربی برای محاسبه رسانایی مخلوط دو فازی وجود دارد. اساسل همه آنها بر پایه تعریف رسانایی گرمایی مخلوط دو جزئی است‍[26]:
(2-5)

–398

1-7-5-انواع سرطانها ........................................................................................................................................................20
1-7-6-عوامل بروز سرطان...............................................................................................................................................21
1-7-7-روشهای درمان سرطان.......................................................................................................................................21
1-7-8-داروهای ضدسرطان.............................................................................................................................................22
1-8- 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................................23
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل.....................................................................................................................................23
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل...............................................................................................................25
1-9-کاپسیتابین................................................................................................................................................................26
1-9-1-معرفی کاپسیتابین.............................................................................................................................................26
1-10-نانوذرات...................................................................................................................................................................27
1-10-1-معرفی نانودرات.................................................................................................................................................27
1-10-2- تاریخچه نانوذرات........................................................................................................................................... 27
1-10-3-خواص نانوذرات.................................................................................................................................................27
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات................................................................................................................................29
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید.................................................................................................................................30
1-11 -ضرورت انجام تحقیق............................................................................................................................................31
1-12- اهداف تحقیق.........................................................................................................................................................32
1-13-متغیرهای تحقیق...................................................................................................................................................32
1-14- فرضیه های تحقیق..............................................................................................................................................33
فصل دوم: مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه مروری برپژوهش های پیشین..................................................................................................34
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل..........................................................................35
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR...............36
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل........................................................................................................................................................................37
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن............................................................................................................................................................................38
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو..................................................................38
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو.........................................40
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر.....................41
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی..............................................................................................................................................................................42
2-10- استفاده از گرانرولهای کلسیم فسفات برای سیستم رهایش 5-فلورویوراسیل.......................................43
فصل سوم:روش های پژوهش
3-1-شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................45
3-1-1-روشهای محاسباتی ازاساس.....................................................................................................................46
3-1-1-1-روش میدان خودسازگار هارتری- فاک...............................................................................................46
3-1-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست...................................................................................................................47
3-1-2-روش های نیمه تجربی.................................................................................................................................47
3-1-3-روش محاسباتی مکانیک مولکولی............................................................................................................48
3-2-نظریه تابعی چگالی............................................................................................................................................49
3-3- سری پایه..........................................................................................................................................................50
3-4- نرم افزارهای مورداستفاده دراین تحقیق.....................................................................................................52
3-4-1-نرم افزار هایپرکم و گووسویو...................................................................................................................52
3-4-2- نرم افزار گوسین..........................................................................................................................................53
3-5-روش انجام تحقیق.............................................................................................................................................54
3-6-نتایج تحقیق.......................................................................................................................................................55
3-6-1-فلورویوراسیل..................................................................................................................................................55
3-6-2-نانوذره سیلیکون کربید.................................................................................................................................63
3-6-3-نانوذره سیلیکون کربید-5-فلورویوراسیل.................................................................................................67
فصل چهارم: تفسیر و بیان نتایج
4-1- تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از محاسبات............................................................................................90
4-1-1-نتایج مربوط به مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن برای مولکولهای 5-فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید بر حسب ppm..................................................................................................................................91
4-1-2-مقادیر خصوصیات بهینهی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید............................................................................................................................................................93
4-1-3-نتایج محاسبات بهینه سازی وپوشش شیمیایی و بار مولیکن ساختاراتصالی(برهمکنش)بین 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کرید برحسب ppm..........................................................................................93
4-1-4- مقادیر خصوصیات بهینه ی ساختار اتصالی مولکولهای 5-فلوئورواوراسیل با نانوذره سیلیکون کربید....................................................................................................................................................................................96
4-1-5- نتایج حاصل از انرژی اتصال ساختار های 5-فلورویوراسیل با نانو ذره سیلیکون کربید....................98
فصل پنجم: بحث و پیشنهادات
5-1-بحث و نتیجه گیری...............................................................................................................................................100
5-2- پیشنهادات..............................................................................................................................................................102
منابع...................................................................................................................................................................................104
چکیده انگلیسی ......................................................................................................................................................... 109
پیوستها....................................................................................................................................................................... 111
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول3- 1: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-00.............................................................59
جدول3- 2: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-01.............................................................59
جدول3- 3: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-02.............................................................60
جدول3- 4: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-03..............................................................61
جدول3- 5: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-04.............................................................62
جدول 3-6: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار 5-FU-05.............................................................62
جدول3-7-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل مولکولی فلورویوراسیل...................................................................................................................................................................63
جدول3- 8: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-.......................................................................65
جدول3- 9: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-......................................................................66
جدول3-10-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای دو مدل نانوذره ی سیلیکون کربید...............................................................................................................................................................67
جدول3- 11: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-00......................................................74
جدول3-12: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-01........................................................75
جدول 3-13: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار02 NP1-FU-......................................................76
جدول3-14: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-03.......................................................77
جدول3-15: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-04.....................................................79
جدول3-16 : مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP1-FU-05....................................................80
جدول 3-17: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار00 NP2-FU-...................................................81
جدول3-18: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-01......................................................82
جدول 3-19: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-02.....................................................84
جدول 3-20: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-03.....................................................85
جدول 3-21: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-04.....................................................86
جدول 3-22: مشخصات NMR و بار مولیکن برای ساختار NP2-FU-05......................................................87
جدول3-23-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)......................................................................................................89
جدول3-24-نتایج مربوط به انرژی،هومو ، لومو ،ممان دوقطبی وانرژی گاف برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)......................................................................................................89
جدول3-25-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید1-فلورویوراسیل(NP1-FU)...................................................................................................................................................................................90
جدول3-26-نتایج انرژی اتصال برای شش مدل ساختار نانوذره ی سیلیکون کربید2-فلورویوراسیل(NP2-FU)...................................................................................................................................................................................91
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1-ساختارفلرن......................................................................................................................................................17
شکل1-3- الف)یوراسیل..................................................................................................................................................24
شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل.......................................................................................................................................24
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-الف)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-00....................................................................................56
شکل 3-1-پ)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-02.....................................................................................57
شکل 3-1-ت)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار: 5-FU-03.....................................................................................57
شکل 3-1-ث)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:04-5-FU......................................................................................58
شکل 3-1-ج)ساختار5-فلورویوراسیل،ساختار:5-FU-05......................................................................................58
شکل 3-2-الف)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Siو8اتم C،ساختار:NP1....................................64
شکل 3-2-ب)ساختارنانوذره سیلیکون کربیدباتعداد12اتم Cوتعداد8اتم Si،ساختار:NP2.............................64
شکل3-3-1-ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-00)..............................................................................................................................68
شکل3-3-2- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-01)................................................................................................................................68
شکل3-3-3- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-02)......................69
شکل3-3-4- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-03)...................................................................................................................................................................................69
شکل3-3-5- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-04)...............70
شکل3-3-6- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(1)- فلورویوراسیل(NP1-FU-05)..................................................................................................................................................................................70
شکل3-3-7- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-00).................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-8- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-01)..................................................................................................................................................................................71
شکل3-3-9- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-02)...................................................................................................................................................................................72
شکل3-3-10- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-03).............72
شکل 3-3-11- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(.NP2-FU-04)...................................................................................................................................................................................73
شکل3-3-12- ساختاربهینه شده ی نانوذره سیلیکون کربید(2)- فلورویوراسیل(NP2-FU-05)...........73
چکیده :
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیزپیدامی کنند.دراین پژوهش محاسبات تئوری تابعی چگالی، جهت بررسی اثرات جذب داروی ضد سرطان 5-فلورویوراسیل بر روی نانو ذره سیلیکون کربید با استفاده ازنرم افزارگوسین مورد بررسی قرار گرفت. به منظور دستیابی به این هدف، مدلهای مولکولی شامل هر دو نوع ساختارشامل شش ساختار مختلف مولکول فلورویوراسیل و دونوع ساختار منفرد نانوذره سیلیکون کربیدبا استفاده از نرم افزار گوسین ویو و هایپرکم طراحی گردید.شش نوع ساختار متفاوت فلورویوراسیل هم به صورت منفرد و هم در اتصال و برهمکنش با نانو ذره سیلیکون کربیدی مطالعه شد.سپس با بررسی مقادیر خصوصیات بهینه، مشخص شد که ترکیب اتصالی ، خصوصیات متفاوتی را نسبت به حالات منفرد هر یک از مولکولها نشان میدهد. همچنین بابررسی مقادیر پوشش شیمیایی و بار مولیکن به دست آمده، که خصوصیات الکترونیکی اتمها را نشان میدهد،تغییراتی درحالت اتصال نسبت به حالت مجزامشاهده شدکه نشان می دهد اتمهای فلورویوراسیل تحت تاثیرنانوذره قرارگرفته اند. همچنین سایر پارامتر های دیگر از جمله مقادیرانرژی اتصال و ممان دوقطبی. HOMO و LUMO که تفاضل جبری این دو که انرژی گاف نامیده می شود محاسبه گردید که نتایج آن قابل بحث و تفسیر است ودرنهایت پایدارترین ساختار اتصالی بین مولکول فلورویوراسیل ونانوذره سیلیکون کربید باتوجه به بیشترین انرژی اتصال مشخص گردید.
کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی، نانو ساختارها. تئوری تابعی چگالی، 5- فلورویوراسیل، نانو ذره سیلیکون کربید
مقدمه:
امروزه باگسترش روزافزون تکنولوژی وزندگی ماشینی،علاوه براینکه بیماری های جدیدی پا به عرصه ظهور نهاده اند،بیماری های قبلی نیز جنبه های پیچیده تری ازخود بروز می دهند.یکی از این بیماری های کشنده ومهلک که بشریت ازگذشته های دور با آن درگیربوده است سرطان یا کنسرمی باشد.متخصصان حوزه سلامت سرطان را تقسیم غیرطبیعی سلولهای بدن تعریف کرده اند.یکی از راههای درمان این بیماری استفاده از داروها یا شیمی درمانی می باشد.5-فلورویوراسیل یکی از دارو های مورد استفاده درشیمی درمانی جهت درمان انواع سرطان می باشد.این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است. این دارو همانند بیشتر داروهای مورد استفاده در درمان سرطان دارای عوارض جانبی است که عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد. باتوجه به عوارض یاد شده و نیزاهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل داروها، تحقیق حاضر برآن است تا با استفاده از نانو ساختارها یک طرح نوینی از داروی مذکور را جهت ارسال هدفمند وکاهش عوارض دارو طراحی وپیشنهاد کندکه قدم اول دراین راه بررسی امکان جذب دارو برروی نانوساختار مورد نظرکه نانو ساختار سیلیکون کربید است، می باشد.

فصل اول : کلیات تحقیق
1-1- بیان مسأله
نانوساختارها که با پیشگامی فولرن و نانو لوله های کربنی معرفی شده اند افق های تازه ای در حوزه های مختلف علم و فناوری گشودند که از جمله مهمترین آن ها بهره گیری نانوساختارها در علوم زیستی است.نانوساختارهای سیلیکون کربید از جمله نانوساختارهای هترواتم محسوب می شوندکه تا حدودی خاصیت یونی نیز پیدا می کنند اهمیت دارویی نانوساختارها در نگهداری و حمل آن ها در نظر گرفته می شود که در تحقیق حاضر به مطالعه ی مدلی از نانو ذره ی سیلیکون کربید در نگهداری داروی ضد سرطان فلورویوراسیل پرداخته می شود این دارو علیرغم این که کارآمدی خوبی دارد اما عوارض جانبی نامطلوب نیز به همراه دارد که نانوتکنولوژی امیدهایی را در جهت کاهش آن ها ایجاد کرده است.در تحقیق حاضر مطالعه بر اساس محاسبات کوانتومی در سطح اتمی-مولکولی انجام می شود.
1-2 - نانوفناوری
1-2-1-تاریخچه فناوری نانو


مقوله نانوفناوری نامی است که از اوایل سالهای 1980میلادی بر پروژه ای که بیست سال قبل از آن تاریخ، یعنی در سال 1959 توسط استادریچارد فایمن، در کالیفرنیا مطرح شد، بنا نهاده شد. فناوری نانو توسط فیزیکدان و برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن در سخنرانی نیمه نهایی خود در سال 1959پیش بینی شد: "درپایین دست فضای زیادی وجوددارد.". فناوری نانو، که در سال 1974 ابداع شده، اشاره به مدیریت و یا مهندسی نانو اشیاء در مقیاس مولکولی دارد .هاینریش روهرر، پیشگام سوئیسی عرصه نانوفناوری می باشددر ساخت میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده برای مشاهده و دستکاری اتم‌های منفرد همکاری داشت.روهرر و همکارش گرد بینیگ، نسخه پیشرفته‌ای از اولین میکروسکوپ الکترونی متعلق به دهه 1930، را طراحی و آن را «میکروسکوپ تونل‌زنی اسکن‌کننده» نام نهادند.وی زمانی که در لابراتوار آی بی ام کار می‌کرد، به همراه بینیگ جایزه نوبل سال 1986 فیزیک را به خود اختصاص دادند و آن را با ارنست روسکا، طراح اولین میکروسکوپ الکترونی، به اشتراک گذاشتند.روهرر و بینیگ پدران نانوفناوری شناخته شده‌اند.طراحی میکروسکوپ مزبور نقطه عطفی در تاریخ فناوری علم و اطلاعات به شمار می‌آید. ] 6و7 [
1-2-2-معرفی نانو فناوری
نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله می‌باشد.فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایشات علمی راه یافته است تا جایی که در یک دهه آینده برتری فراینده‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود. نانومتر معادل یک میلیاردم متر یا تقریبا یک هشتاد هزارم قطر مو و یا معادل اندازه ده اتم هیدروژن است که در کناریکدیگر قرار گرفته اند.حیطه تخصصی فناوری نانو ساختارها و دستگاههائی است که در ابعاد فضایی 1 تا 100 نانومتر قرار داشته و فعالیتهای این ساختارها در بازه های زمانی فمتو ثانیه (یک میلیونیوم نانوثانیه) بوقوع می پیوندد. ظهورنانوفناوری برپایه پروژه فایمن بودکه می توان آن رادر چند بند اساسی خلاصه نمود:
1-تولید ماشینها (روباتها) در مقیاس نانو (یک تا صد نانومتر )که خود این ماشینها قادرند ماشینهای دیگر و یا مواد مفیدجدید، را از طریق چیدمان اتمها در کناریکدیگر، از پائین به بالا، تولید کنند.این نوع فعالیت را اسمبلرنام نهادند.
2-یک اسمبلر می تواند حامل تمام دستورات و اطلاعات لازم جهت ساختن همانند خود باشد که در این صورت به آن خودسامان ده می گویند. از دیدگاه پروژه فاینمن، فناوری نانو در حقیقت فناوری ناظربرایجاد و کنترل این اسمبلرها و رپلیکیتورها است که خود آنها قادرند انبوهی از نانوماشینها و یا نانورو باتها را تعبیه کنند و ازطریق این انبوه سازی، یک فعالیت در مقیاسهای ملکولی راایجاد کنند. این درک از مقوله نانوفناوری بسیار بنیادی است وبا الهام از نانوفناوری موجود در دستگاههای زیستی طبیعی ارائه شده است که فناوری نانو را خلق دستگاهها و مواد ودستکاری در نظم و عملکرد آنها از پائین به بالا، یعنی درمقیاسهای ملکولی و اتمی در نظر می گیرد.از این دور نما،مقیاس نانو صرفا یک مقیاس فوق ریزو یا یک مرحله درکوچک سازی نیست، بلکه اساسی ترین مقیاسی است که ماده در انواع کیفی خود در آن مقیاس شکل می گیرد و قوانین حاکم بر عملکرد آن تشکیل می شود. درک ساده تری از مقوله فناوری نانو نیز در دست است که در برنامه ملی آمریکا برای(US National Nanotechnology Initiative) توسعه نانو فناوری ارائه شده است و هدف نانوفناوری را چنین تعریف می کند:" پژوهش و برپاسازی فناوری در سطوح اتمی، ملکولی وماکروملکولی در بازه طولی تقریبا یک تا 100 نانومتر به منظورارائه شناختی بنیادی از پدیده ها و مواد در مقیاس نانو و خلق و استفاده از ساختارها، ادوات و دستگاههائی که به خاطر اندازه فوق ریز و یا متوسط خود از خواص و عملکردهای نوظهوری برخوردار هستند".
به بیان دقیق ترفناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که موضوعات گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود.]5و6و7و8[
1-3- نانوپزشکی
1-3-1-تعریف نانوپزشکی
نانوپزشکی چیزی بیش از یک نظریه است، با این حال امکان ندارد تعریف دقیقی برای آن ارایه داد. درباره تعریف نانوپزشکی دو نظریه وجود دارد: 1- یک فناوری که از ابزارهای مولکولی و اطلاعات بدن انسان برای تشخیص و درمان استفاده می کند 2- به کارگیری خواص فیزیکی نانومتری اجسامی که حدفاصل اندازه های مولکولی و بزرگتر قرار دارند. ( مکانیک کوانتومی) .درحقیقت درمان و پیشگیری بیماری ها از قابلیت های خوب فناوری نانو به شمار می رود. این فناوری با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهای مهندسی شده، اعمالِ ساخت، کنترل، دیدن و ترمیم سیستم زیستی انسان در مقیاس مولکولی را انجام می دهد. ابزارهای بسیار ابتدایی نانوپزشکی می توانند برای شناسایی بیماری و توزیع دارو، و همچنین توزیع هورمون در بیماری های مزمن و نقص های سیستم بدن به کار روند. ابزارهای بسیار پیشرفته تر، از قبیل نانوروبات ها هستند که به عنوان جراحان کوچک داخل بدن عمل می کنند. در مقالات علمی نیز نانوپزشکی این گونه تعریف شده است : به کارگیری نانومواد یا موادی با ساختارهای نانو در پزشکی که به خاصر ساختارشان ، دارای خواص ویژه ای در زمینه پزشکی مثل توانایی عبور از غشاهای زیستی و یا هدف قرار دادن بافت ها هستند. کنترل مواد در اندازه های نانو نیازمند روش های شیمیایی و ساخت جدید منحصر به فرد است.] 10و11و12[
1-2-2-خلاصه ای از کاربردهای نانوپزشکی
1- داروها: مولکول های نانومتری چون ساختار خاصی دارند اثرات درمانی منحصر به فردی نیز دارند که در سایر داروها وجود ندارد. مثلا : داروهای مبتنی بر فولرین ها و یا درخت سان ها ( دندریمترها)
2- تصویر برداری درون تنی: حسگر های جدید بر مبنای این موارد ساخته می شوند :
برمبنای نانولوله ها، نانوسیم ها، کانتیلورها و میکروسکوپ های نیروی اتمی ، این حسگر ها در وسایل تشخیصی پزشکی استفاده می شوند.
3- زیست مواد: موادی که در این گروه قرار می گیرند عبارتند از: مواد خودتجمع ( خودآرا) و نانوموادی که خواص مکانیکی مواد دیگر را که در ابزارهای کاشتنی وجود دارند ، بهبود می بخشند. مثلا مواد نانوکامپوزیتی در دندانپزشکی که برای پر کردن به کار می روند. نانوهیدروکسی آپاتیت ←روکش کردن کاشتنی ها و یا ساخت موادی که جایگزین استخوان می شوند. مواد زیستی بر روی کاشتنی ها ← رشد سلولی و تمایز سلولی
4- کاشتنی های فعال: این موارد سطوح الکترود ها و سازگاری زیستی ابزارهای کاشتنی را بهبود می دهند. 5-سیستم تحویل دارو به بافت‌های بدن: در این بخش محققان به دسترسی بیولوژیکی بافت‌ها به انواع داروها توجه می‌کنند. منظور از دسترسی بیولوژیکی در اینجا میزان حضور مولکول‌های خاصی از دارو است، با توجه به اینکه آیا آنها در بافت‌های خاص بدن مورد نیاز هستند و اینکه دقیقا در کجا بیشترین کارایی را خواهند داشت. این اهداف با استفاده از هدف‌یابی مولکولی به وسیله اجزایی که مهندسی نانو در آنها وجود دارد، قابل تحقق است.
6-سرطان: قابلیت‌های اجزای نانو در بخش تومورشناسی یکی از رؤیاهایی است که سال‌های سال محققان در آرزوی آن بوده‌اند. استفاده از این اجزا در تصویر‌برداری‌های پیشرفته می‌تواند تصاویری استثنایی از مناطقی که تومور در آنها ایجاد شده است، ارائه دهد. سایز این اجزا همچنین به محققان این امکان را داده است که آنها را تا حد امکان به تومورها نزدیک کنند و اطلاعات کافی از آنها به دست آورند. در تازه‌ترین تحقیقات محققان روی نانوذراتی کار می‌کنند که علاوه بر استفاده در عکسبرداری، از آنها می‌توان برای درمان مستقیم تومورها استفاده کرد] 11و12و13و14و26[
1-3- نانودارو
نانو دارو یکی از شاخه های نانوتکنولوژی است که با استفاده از آن می توان ابزار قدرتمند و پراستفاده ای در زمینه پزشکی و تحقیقاتی ساخت. علاوه بر ساخت ابزار، علم نانودارو به ساختارهای مواد و دارو ها هم مربوط می شود و در زیر شاخه های خود به درمان بیماری های خاص و جراحی های حساس و حرفه ای نیز می پردازد. البته استفاده نانو دارو به این شکل نیست که این علم به صورت مستقیم در تولید و ساخت خود دارو نقش داشته باشد؛ بلکه در نحوه پخش شدن آن در بدن تاثیر دارد و این کارایی دارو ها را افزایش می دهد. بر اساس این عمل پزشکان می توانند دارو را به نقطه ای برسانند که بدن به آن نیاز دارد نه این که از راههای دیگر مثل معده قسمتی از آن را به بخش آسیب دیده برسانند. از همین قابلیت برای درمان بیشتر سرطان ها استفاده شده است. به وسیله دانش نانودارو محققین می توانند با یک روش خاص انواع سرطان را درمان کنند. این روش خاص بدون جزئیات کامل به این صورت است که با تزریق دارو به بدن، داروها سلول های سرطانی را در یک نقطه جمع می کنند و مانع از انتشار آن به نقاط دیگر می شوند و بعد از مدتی سلول های سرطانی در همان محل کشته می شوند و بدون این که سرطان به محل دیگری سرایت کند، از بین می رود. در حال حاضر از این روش برای درمان تومورهای مختلف استفاده می شود. صنعت داروسازی از نقطه نظر دارو رسانی تاکنون از طریق فناوری نانو به دست آوردهای چشمگیری رسیده است. به علاوه از دیدگاه صنعت داروسازی در بخش دارورسانی این عنوان که فناوری نانو قابلیت در دسترس قرار دادن مواد را در مقیاس بسیار کوچک فراهم می کند بسیار حائز اهمیت می باشد. در سیستم دارویی قدیم به علت غیر واقعی بودن دز دارویی از لحاظ مقدار نیاز برای درمان، بسیاری از آن در دستگاه گوارش، گردش خون و بافت های واسط به هدر می رفت تا مقدار مورد نظر به سلول ها یا بافت های مورد نظر برسد که این داروهای جذب شده در طول مسیر ایجاد عوارض جانبی می کنند که اگر در حد خواب آلودگی باشد مزاحمتی برای بیمار ایجاد نمی کند حال آنکه در بیماری هایی چون سرطان و دیابت باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق های مکرر باعث دردناک شدن بافت ها می شود که برای بیمار غیر قابل تحمل می باشد. اما در سیستم دارورسانی نوین (نانو) راه حلی برای تمامی این مشکلات خواهد بود. سیستم دارورسانی نوین (نانو) عبارت است از رساندن دارو در یک زمان معین و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص، این کار به نحو چشمگیری ایمن تر و بسیار مؤثر تر از پخش دارو در تمام بدن است. یکی از مشکلاتی که وجود دارد این است که اهداف در بدن بسیار کوچک و پراکنده می باشند. دارورسانی نوین عوارض ناخواسته را کاهش می دهد و دزهای کمتری را مصرف می کند.سیستم های دارورسانی برای اینکه قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم هایی طراحی شده نانومتری فعال یا غیرفعال استفاده می کنند، پس باید این گونه گفت گه گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است]9و10و16[
1-4-طراحی دارو به وسیله کامپیوتر
1-4-1-مقدمه
در روش طراحی دارو با کمک کامپیوتر در واقع از کامپیوتر به عنوان ابزاری کمکی برای رسیدن به درک بهتری از شیمی و بیولوژی مساله موجود و انجام فرایند طراحی دارو استفاده می شود.در بیشتر موارد از این روش برای پیدا کردن لیگاندی که اینترکشن مناسب با رسپتوری که جایگاه هدف می باشد، استفاده می شود. اتصال این لیگاند به رسپتور می تواند از طریق اینترکشن های هیدروفوبیک، الکتروستاتیک و پیوندهای هیدروژنی باشد.
1-4-2-تکنیک های محاسباتی درطراحی و تولید دارو
دریک همکاری تحقیقاتی بین المللی که بوسیله ی دانشمندان دانشکده پزشکی دانشگاه کارولینای شمالی و دانشگاه دانده در انگلستان انجام شد، روشی برای طراحی و ساخت داروهایی با بازده و تأثیر بیشتر ابداع گردید که در آن داروها می توانند همزمان چندین پروتئین را هدف قرار دهند.این روش می تواند در تولید داروهایی فوق العاده گرانبها که برای درمان بیماریهای بسیار شایع مانند دیابت، فشارخون، چاقی، سرطان، شیزوفرنی و اختلال شخصیت دو بعدی بکار می روند، موثر باشد. این بیماریها که به نام بیماریهای پیچیده معروف هستند دارای علل ژنتیکی و غیر ژنتیکی می باشند که تعیین کننده ی میزان استعداد فرد برای ابتلا به این بیماریها است.به گفته ی نویسندگان پروژه - ریسرچدر مورد ژنتیک بیماری شیزوفرنی ، صدها ژن مختلف می تواند بروی خطر ابتلا به این بیماری تأثیر داشته باشد به همین علت تنها یک دارو نمی تواند برای هدف قرار دادن علت این بیماری مفید باشد این موضوع درمورد سایر بیماریهای شایع و پیچیده صادق است.دکتر روتزمی گوید: برای بیماریهای عصبی روانی و بیماریهای عفونی و سرطان، در طی 20 سال گذشته طراحی داروها بطور انتخابی بر اساس هدف قرار دادن یک مولکول تکی صورت می گرفت اما از آنجائیکه این بیماریها بسیار پیچیده اند و علل چند گانه دارند ،داروها غالباً غیر موثر بوده و بسیاری از آنها حتی به بازار هم ارائه نمی شدند.از سوی دیگر دارویی که برای تأثیر گذاری بروی یک پروتئین هدف طراحی شده است ممکن است با تعداد بسیاری از پروتئین های دیگر برهمکنش کند، این برهمکنش های ناخواسته غالباً سبب بروز سمیت وتأثیرات جانبی داروها می گردد و بنابراین تصور اینکه شاید راهی برای ساختن داروهایی وجود داشته باشد که تعدادی از اهداف داروهای مختلف را در یک زمان مورد هدف قرار دهد ، یک راه حل اساسی محسوب شود.درروش جدید داروهای اتوماتیکی با کامپیوتر بر اساس پایگاه اطلاعاتی بزرگ دارویی، برهمکنش های دارو و هدف طراحی می شوند. دانشمندان از قدرت شیمی محاسباتی برای طراحی ترکیبات دارویی استفاده می کنند و سپس این داروها توسط متخصصین علم شیمی ساخته، آزمایش و در مطالعات بروی مدلهای حیوانی که به بیماریهای انسانی مبتلا هستند، بکار می رود.
1-4-3-نرم افزارهای مناسب جهت طراحی دارو
غربالگری مجازی، به کمک روش های کامپیوتری یک آنالوگ برای غربالگری با قابلیت بالا در محیط آزمایشگاهی (HTS) می باشد، که روشی جهت بررسی سیستماتیک کتابخانه های شیمیایی بزرگ فراهم می آورد.از این تکنیک برای شناسایی ترکیبات رهبر قوی که میتوانند سنتز شده و مورد بررسی و تست های بیولوژیکی قرار گیرند استفاده های شایان توجهی می گردد.این پیشرفت ها به میزان زیادی میزان موفقیت در مسیر توسعه ترکیبات جدید داروئی را امکانپذیر نموده اند. هسته مرکزی این دانش را کاربرد تکنیک های کامپیوتری جهت تسهیل کشف ترکیبات جدید داروئی تشکیل میدهد. طراحی دارو به کمک کامپیوتر،مدلسازی ملکولی توسط کامپیوتر،طراحی منطقی دارو به کـمـک کامپیوترو در نهایت کشف و توسعه دارو به کـمـک کـامـپـیـوتـر ، تکنیک های پیشرفته ای هستند که امروزه به منظور بهینه سازی مسیر کشف و توسعه ترکیبات داروئی موثر به کار گرفته می شوند و معرف کاربرد گسترده ابـزارهـای کـامـپـیـوتـری و پایـگاه های اطلاعاتی متنوع به منظور انجام فعالیت های ذخیره سازی، طبقه بندی، آنالیز، مدل سازی و طراحی ترکیبات داروئی می باشند.توسعه کاربرد تکنیک های کامپیوتری در مراحل کشف و توسعه ترکیبات دارویی به خصوص به کارگیری این تکنولوژی ها در کارخانه های معتبر داروئی دنیا.
1-5- شیمی محاسباتی
1-5-1- تعریف شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائل شیمی با کمک رایانه ها دارد دراین رشته از رایانه ها برای پیش بینی ساختار مولکولی خواص مولکولی و واکنشهای شیمیایی استفاده می شود دراین رشته از نتایج شیمی محض که در قالب برنامه های موثر کامپیوتری درآمده اند برای محاسبه ساختار و خواص مولکولها و جامدات استفاده می شود در حالیکه نتایج آن معمولا کامل کننده اطلاعات بدست آمده از آزمایشهای شیمایی هستند اما در برخی موارد می تواند منجر به پیش بینی پدیده های مشاهده نشده شیمیایی شود بنابراین شیمی محاسباتی می تواند به شیمی آزمایشگاهی کمک کرده و در یافتن موضوعات جدید شیمیایی با شیمی تجربی رقابت نماید سیمای شیمی محاسباتی شامل مدلسازی مولکولی روشهای محاسباتی و طراحی مولکول به کمک کامپیوتر و همچنین داده های شیمیایی و طراحی سنتزهای الی می باشد همچنین از این رشته به گستردگی برای طراحی داروها کاتالیستها و مواد نو استفاده می شود.]4[
1-5-2-روش های محاسباتی
تاکنون روش های محاسباتی بسیاری برای حل مسائل شیمی ابداع شده است. این روش ها از قوانین مکانیک کوانتوم، مکانیک کلاسیک و یا ترکیبی از آنها برای حل مسائل استفاده می کنند. انتخاب روش مناسب برای انجام محاسبات به نوع و بزرگی ساختار مورد مطالعه و همچنین نوع اطلاعاتی که مورد نیاز است بستگی دارد. اغلب این روش ها را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:]4و35و36[
1- روش های شیمی محاسباتی
2- روش های مکانیک مولکولی
3- روش های ساختار الکترونی
3-1-روش های نیمه تجربی
3-2-روش های از آغاز
3-3-روش های نظریه تابع چگالی
4- روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی
4-1- شبیه سازی دینامیک مولکولی کلاسیک
4-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی کوانتومی
4-3- روش بورن اپنهایمر
4-4- روش کار-پارینلو
1-5-3-انواع مدل های مولکولی درشیمی محاسبات
مدل های مولکولی با هدف مدلسازی ساختار مولکولی، خواص و واکنش پذیری، بوجود آمده اند.
1-دامنه تغییرات آنها از توصیفات کیفی ساده تا دقیق، مبتنی بر نتایج کمی است.
2-دامنه تغییرات هزینه آنها از سطح ابتدائی تا زمان محاسباتی معادل ماهها برای ابر رایانه های موازی شده است که مصالحه بین دامنه تغییرات هزینه و هدف مبتنی بر اهداف محاسبات است]17[
1-5-4-مکانیک مولکولی
مبتنی بر مدل توصیفی توپ و فنر است،معرف بهتری برای تعادل هندسی نسبت به مدل های پلاستیک است. قادر است تا روابط همبستگی با انرژی کرنشی را لحاظ کند، محاسبات آن کم هزینه است، پارامترهای تجربی فراوانی وجود دارد که می بایستی به دقت آزمایش و کالیبره شود،این مدل به تعادل هندسی محدود شده است، برهم کنش های الکترونی و ساختار الکترونی را لحاظ نمی کند، اطلاعاتی مبنی بر «خواص» و «واکنش پذیری» نمی دهد، قادر به لحاظ کردن و درک برهم کنش های ایجاد و شکست پیوندها نمی باشد.]17[
1-6-حمل دارو(دارورسانی نوین)
1-6-1-تعریف دارورسانی نوین
دارورسانی نوین عبارتند از: رساندن دارو در یک زمان و با دز کنترل شده به اهداف دارویی خاص ، این کار به نحو چشمگیری ، ایمن تر و بسیار مؤثرتر از پخش دارویی در تمام بدن است که سبب می‌شود عوارض جانبی و دز مصرفی کاهش یابد.در واقع رساندن دارو در یک زمان معین با دز کنترل شده به اهداف خاص که باعث کاهش عوارض جانبی ، درمان سریع تر و اختصاصی برای هر یک از افراد است. این شیوه دزهای مصرفی را کاهش می‌دهد و می‌تواند باعث دل گرمی بیماران برای ادامه رژیم مصرف دارویی صحیح شود. استفاده بهتر از دارورسانی ، اجازه استفاده از روش‌های درمانی جدید را می‌دهد. این فناوری جدید ، امکان استفاده از داروهای بسیار سمی را نیز می‌دهد. سیستم‌های دارورسانی نوین برای این‌که قادر به رساندن دز مورد نیاز دارو در زمان معین به سطح هدف باشند از سیستم‌های طراحی شده نانومتری فعال یا غیر فعال استفاده می‌کنند ، پس باید این گونه گفت که گذر از گذرگاه نانوتکنولوژی برای رسیدن به اهداف نهایی دارورسانی الزامی است. شاید بتوان گفت دارورسانی نوین انقلاب علمی-تجاری داروسازی و پزشکی بوده است که نسیم نوید بخش بیشتر و بهترزندگی کردن را به انسان می‌دهد.]9و10[
1-6-2-نانوساختارهای حامل دارومهم‌ترین نانو ساختارها و نانو داروهایی که در دارورسانی نوین کاربرد دارند عبارتنداز :]9[ 1- لیپوزوم‌ها برای نفوذ بهتر2- کپسوئید و ویروس‌ها برای انتقال دارو3-نانو ذرات مورد استفاده برای انتقال دارو4- نانوکپسول ها5- نانوسرنگ‌های سلولی6- دارورسانی با نانوسوسپانسیون7-استفاده از ماکرومولکول‌های خود تجمع دهنده برای حمل دارو‌
1-6-3-فلرن‌ها نوع دیگری از ذرات که در دارورسانی می‌توانند مورد استفاده قرارگیرند ، فلرن‌ها هستند که یکی از آلوتروپ‌های کربن بوده  و شامل حلقه‌های 5 ضلعی و 6 ضلعی از اتم کـربـن هستنـد. ایـن تـرکیبـات بـه عنـوان حـامل‌های دارویی بسیار موثرواقع می‌شوند. باکی‌بال شناخته شده ترین فلرن است که شبیه توپ فوتبال است و از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی ساخته شده است. محققان مؤسسه سی سیکستی‌از ماکرو مولکول‌های درمانی به صورت فلورن‌ها استفاده می‌کنند. فلرن‌ها از نظر ساختاری شبیه توپ فوتبال هستند و به عنوان آنتی اکسیدان و دارای قدرت جذب رادیکال‌های آزادی هستند که در طی بیماری هائی مانند بیماری‌های اعصاب ، حملات قلبی و دیابت افزایش می‌یابند. انواعی از مـواد ، دارای اکسیـژن فعـال و راد یکال‌های آزاد هستند که می‌توانند الکترون‌های غیرمزدوج خود را در تماس با مولکول‌های حیاتی مانند اسیدهای نوکلئیک قرار ‌دهند و بــه ایــن وسـیـلــه سـبــب تـخـریـب سلـولـی و مـرگ سلـول شـونـد. محققـان سیسیکستی معتقدند که فلرن‌ها به صورت یک "اسفنج رادیکالی"‌ عمل  کرده و می‌توانند که الکترون‌های تخریب شده را در میان بگیرند. در عمل ، فلرن‌ها در آب نامحلول هستند لذا لازم است تا به نوعی محلولیت آن‌ها افزایش یابد] 9،16[
شکل1-1-ساختارفلرن
‌1-6-4-لیپوزوم‌ها لیپوزوم‌ها در دارورسانی با استقبال زیادی روبرو شده‌اند. این مواد می‌توانند به طور کروی مواد داروئی را در بر گرفته و احاطه کنند. تاکنون بسیاری از ترکیبات از جمله ضدسرطان‌ها و آنتی بیوتیک‌ها توسط لیپوزوم‌ها مورد استفاده قرار گرفته اند. در مقابل نـیـز شـرکـت‌هـائـی مانند انوسایزوجود دارند که توانسته‌اند از لیپوزوم‌ها به صورت حامل‌های دارویی استفاده کنند. اغلب سلول‌ها برای انتقال پیام و سیگنال مهم خود به سلول دیگر از حامل‌هایی به نام دکسوزوم ها استفاده می‌کنند. در سیستم ایمنی ، این سلول‌های دندانه‌دار ، عوامل ویروسی و عفونت زا را حس می‌کنند. در حقیقت این شرکت توانسته است دکسوزوم های مصنوعی برای هدف قراردادن سرطان را بسازد. محققان انوسایز به کمک این روش خواهند توانست نوعی ایمنی اکتسابی بر علیه انواعی از سرطان‌ها ایجاد کنند] 9،16[
1-7-آنتی کنسر(ضدسرطان)
1-7-1-تاریخچه سرطان
بقراط که به‌عنوان پدر علم پزشکی شناخته می‌شود بین سال‌های 460 تا 370 قبل از میلاد مسیح زندگی می‌کرد،سرطان‌های پوست و بینی و پستان را دیده بود و ظاهر آنها را به خرچنگ تشبیه کرده بود. او برای نامیدن بیماری سرطان از کلمه خرچنگ (کارکونوس-کارسینوما) استفاده کرد. بعدها سلسیوس، پزشک رومی‌ از مترادف لاتین این کلمه به نام کانسر استفاده کرد. پزشکان مسلمان هم از مترادف این کلمه یعنی سرطان (به معنی خرچنگ) استفاده کردند. حدود 150 سال بعد از میلاد گالن ، پزشک رومی از واژه Oncos ( معادل یونانی بلعیدن ) برای توصیف تومورها استفاده نمود و اصطلاح وی امروزه بعنوان قسمتی از نام متخصصین سرطان بکار می رود .اولین تشخیص علمی علت سرطان در سال 1775 میلادی به وسیله ی دکتر"پرسیوال پات"پزشک بریتانیایی انجام شد.وی متوجه شد سرطان بیضه بین لوله ی بخاری پاک کن های لندن شیوع بیشتری دارد.با اختراع میکروسکوپ و تلاش پزشکان مختلف به تدریج رمز و راز سرطان آشکار شد و بسیاری از سرطان ها شناخته شدند. در قرن هجدهم اولین بار"متاستاز"یا گسترش سلول های سرطانی با کمک میکروسکوپ برای پزشکان آشکار شد.رادولف ویرشودر سال 1863 برای اولین باربه ارتباط بین التهاب و سرطان پی برد و کشف وی باعث شد تا توجه به بیماری سرطان ، که تا آن زمان نسبت به وجودش نیز شک وجود داشت معطوف گردد .در 1873 اولین جراحی موفقیت آمیز کانسر توسط تؤدور بیلروت روی یک بیمار مبتلا به کانسر لارنکس انجام شد.امااساس ژنتیک سرطان اولین بار در سال 1902 و به وسیله ی جانورشناس آلمانی پروفسور"تئودور بووری"شناخته شد.او کشف کردکروموزوم ها در تقسیم سلول های سرطانی نقش دارند و احتمالاً موتاسیون در ژن این سلول ها باعث به وجود آمدن سرطان می شود موفقیت او در این موضوع کمک کرد متوجه شود پرتوهای ایکس.عوامل شیمیایی و فیزیکی مانند سموم و زخمها میتوانند باعث"موتاسیون"و بعد سرطان شوند.با کشف رادیوم به وسیله ی"ماری کوری"و همسرش درمان سرطان وارد مرحله ی جدیدی شد و پزشکان دیگر به تنهایی بیماران را درمان نمیکردند و رادیولوژیست ها هم وارد وادی شدند.در سال 1907 میلادی The American Association for Cancer Researchبرای تحقیق و جمع آوری اطلاعات در مورد این بیماری جدید (کانسر ) تشکیل گردید. در سال 1964 گروه کوچکی از پزشکان انکولوژیست را جهت درمان بهتر و اختصاصی بیماران سرطانی پایه گذاری کردند.] 1و2و13و14[
1-7-2-تعریف سرطان
سرطان یعنی رشد ، تکثیر و گاهی انتشار غیر طبیعی سلولهای بدن. تمامی سرطانها دارای الگوی رشد مهارگسیخته و تمایل به جدا شدن از منشا اصلی و متاستاز هستند.اغلب سلولهای طبیعی بدن در پاسخ به تحریکاتی که از داخل و خارج بدن به آنها وارد می‌شود، رشد و تولیدمثل می‌کنند و در نهایت می‌میرند. اگر این فرآیند در مسیر تعادل و صحیح خود اتفاق بیفتد ، بدن سالم می‌ماند و عملکرد طبیعی خود را حفظ می‌کند. اما مشکلات ، زمانی شروع می‌شود که یک سلول طبیعی دچار " جهش " و یا تغییر شده و به سلول سرطانی تبدیل می‌شود.] 1و2[
1-7-3-نحوه پیدایش سرطان
یک سلول طبیعی ممکن است بدون هیچ دلیل واضحی به یک سلول سرطانی تبدیل شود، ولی در اغلب موارد ، تبدیل در اثر مواجهه مکرر با مواد سرطانزا مانند الکل و دخانیات صورت می‌گیرد. شکل ظاهری و نیز عملکرد سلولهای سرطانی شده با سلولهای طبیعی تفاوت دارد. جهش یا تغییر ایجاد شده در DNA یا ماده ژنتیکی سلول اتفاق می‌افتد. DNA همان مسئول کنترل شکل ظاهری و عملکرد سلول است. وقتی DNA یک سلول تغییر می‌کند، آن سلول با سلولهای سالم کنار خود تفاوت می‌یابد و دیگر کار سلولهای طبیعی بدن را انجام نمی‌دهد. این سلول تغییر یافته از سلولهای همسایه‌اش جدا می‌شود و نمی‌داند چه زمانی رشدش باید به پایان برسد و بمیرد. به عبارت دیگر سلول تغییر یافته از دستورها و علائم داخلی که سلولهای دیگر در کنترل آنها هستند، پیروی نمی‌کند و به جای هماهنگی با سلولهای دیگر خودسرانه عمل می‌کند.] 1و2و18[
1-7-4-علائم هشدار دهنده سرطان
الف)خونریزی غیر طبیعی در هر نقطه از بدن.
ب)پیدایش هرگونه توده سفت سلولی در زیر پوست، مثلا در سینه یا نقاط دیگر.
ج) پیدایش زخمی که به آسانی بهبود نمی‌یابد (بویژه در اطراف زبان ، دهان و لبها).
د) سوء هاضمه دائمی
ه) تغییراتی در وضع خالها یا زگیل از قبیل تغییر رنگ ، بزرگ شدن ، خارش ، دردناک شدن و یا خونریزی از آنها که به مدت طولانی ادامه یابد.
و) پیدایش آشفتگی در اعمال روده‌ها یا مثانه که با درمانهای عادی بهبودی نیابد.
ی) سرفه ، گرفتگی صدا و یا مشکل شدن عمل بلع به مدت طولانی. ]1و2و13[
1-7-5-انواع سرطانها
اغلب سرطانها به سه دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1- کارسینوم : شامل سرطانهایی می‌شود که از سلولهایی که سازنده پوست هستند (مثل سرطان پوست) و یا لایه داخلی اعضا را می‌پوشانند (مثل سرطان ریه) و یا سازنده غدد هستند (مثل سرطان سینه) منشا می‌گیرد.
2-سارکوم : این دسته سرطانهایی هستند که از بافت همبند مثل غضروف ، استخوان و ماهیچه منشاء می‌گیرند. از اینرو سرطان استخوان یا سرطان ماهیچه را در هر نقطه از بدن سارکوم می‌گویند.
3-لوسمی و لنفوم‌ها : شامل سرطانهایی است که از سلولهای تشکیل دهنده خون و سلولهای ایمنی منشاء می‌گیرند.
در کشورهای غربی ، سرطان پوست شایعترین سرطان است و پس از آن سرطان سینه ، ریه ، پروستات ، روده بزرگ ، مثانه و رحم قرار دارد. ]1و2و13و18[
1-7-6-عوامل بروز سرطان
به طور کلی باید گفت ۵ عامل اساسی در بروز سرطان نقش دارد.اولین عامل شیوه نادرست زندگی است که شامل رژیم غذایی نادرست و نداشتن فعالیت بدنی می شود.دومین عامل سیگار کشیدن و سپس بروز عفونت هاست و بعد از آن عوامل شغلی و آلودگی های محیطی قرار می گیرد.بی گمان در تمام بیماری های شناخته شده ژن ها تاثیر دارد. در واقع هر ۵ عامل ذکر شده همراه با تغییرات ژنتیکی باعث بروز سرطان در انسان می شود اما نکته این جاست که ژنتیک به تنهایی و در موارد نادری علت اصلی بروز سرطان قلمداد می شود.از این رو آن را جزو عوامل اصلی افزایش خطر ابتلا به سرطان ذکر نمی کنیم.از سوی دیگر طبق آمارهای سازمان جهانی بهداشت از ۱۰ میلیون مورد ابتلا به سرطان ۴۴ درصد سرطان ها به دلیل رژیم غذایی نامناسب و عفونت ها بروز پیدا کرده است. همچنین عوامل عفونی در کشورهای شرق مدیترانه عامل ۷۰ درصد تمام سرطان ها ذکر شده است.از سوی دیگر نقش عوامل عفونی در بروز سرطان در کشورهای در حال توسعه و توسعه یافته متفاوت است. در کشورهای توسعه یافته عفونت ۷ درصد علل بروز سرطان را تشکیل می دهد اما در کشورهای در حال توسعه نقش آن ۲۶ درصد است. ]1و2و18[
1-7-7-روشهای درمان سرطان
امروزه اکثر سرطانها درمان قطعی ندارند اما برای جلوگیری از رشد و پیشرفت آنها از روشهای جراحی ، پرتو درمانی ، شیمی درمانی ، هورمون درمانی ، پیوند مغز استخوان و ... استفاده می‌شود. البته یافته‌های جدید زیست شناسی سلولی تومور در روشهای درمانی ترکیبی طی یک برنامه هماهنگ مورد بهره برداری قرار می‌گیرند.روشهای اصلی درمان سرطان عبارتند از: شیمی درمانی، پرتو درمانی، جراحی، ژن درمانی، آنتی‌انجیوجنسیس، تفکر مثبت، هایپرترمیا، رمان بیولوژیکی یا ایمونولوژیک: که مشتمل بر بازسازی، تحریک، هدایت و تقویت سیستم طبیعی دفاعی بدن بیمار است و با بکارگیری آنتی بادی و هدایت سیستم دفاعی خود بیمار جهت مبارزه با سرطان روی می‌دهد. بکارگیری عواملی مانند اینترفرون، سلول‌هایی که فعالیت ضدتوموری مستقیم دارند، و پادتن‌های تک‌تیره رشد سرطان را کاهش می‌دهد.
درمان فوتودینامیک (بکارگیری رنگ و نور): در این شیوه رنگ به داخل یک رگ تزریق و سپس در تمام بدن منتشر می‌شود. پس از چند روز، این رنگ تنها در سلولهای بدخیم باقی می‌ماند. سپس نور قرمز رنگ لیزری به سلول تابانده می‌شود و رنگ درون سلول سرطانی این نور را جذب می‌کند. این امر منجر به واکنش فوتوشیمیایی که ویرانگر سلول‌ها است می‌شود.
سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر: در برخی موارد ضایعه بدخیم سرطان ریه منجر به مسدود شدن خشکنای می‌شود. در چنین موردی پزشک با سوزاندن ضایعه بدخیم با اشعه لیزر راه عبور هوا را برای بیمار باز می‌کند. این روش به گونه کامل نمی‌تواند منجر به ازبین بردن ضایعه بدخیم شود ولی کمکی است جهت آسان شدن تنفس در بیمار.]1و2و13و18[
1-7-8-داروهای ضدسرطان
ترکیبات شیمیایی بکار رفته در شیمی درمانی سرطان عبارتند از:
الف)عوامل آلکیله کننده ، نیتروژن مستارد و ترکیبات وابسته آن :نیتروژن مستارد ، عاملی موثر بر ضد سرطان است و اثر ضد سرطانی ترکیبات نیتروژن مستارد را بعلت حلقوی شدن آن درآب و تشکیل یونهای خیلی فعال اتیلین اسیونسیوم می‌دانند، که با ترکیباتی که دارای هیدروژن قابل تعویض هستند.
ب)آنتی‌مابولیت‌ها ، آنالوگهای اسید فولیک و پورین ،آنالوگهای پورین و پیریمیدین
ج)هورمونها ، ACTH و کورتیزون و همجنس‌های آن ، استروژنها و آنرژنهای متعدد
د)گروه متفرقه که شامل اورتان و آلکالوئیدها می‌باشد :اورتان کریستالهایی است بسیار محلول در آب و با اسیدها و قلیاها ناسازگار می‌باشد. اثر سمی آن روی سلولها در بسیاری موارد شبیه اثر نیتروژن مستارد است، ولی اورتان داروی بسیار ضعیفتری است.
1-8-فلورویوراسیل(5-فلورویوراسیل)
1-8-1-معرفی 5-فلورویوراسیل
5-فلورویوراسیل ابتدادرسال 1957میلادی توسط کارلس هیدلبرگرطراحی وسنتز شد.دارای فرمول C4H3FN2O2ونام عمومی این مولکول درسیستم آیوپاک 5-فلورو4.3.2.1-تتراهیدروپیریمیدین-4.2-دیون است.این مولکول در زمره مولکولهای کوچک قرار دارد.5-فلوریوراسیل یک داروی ضد سرطان از دسته فلورو پریمیدین هاست.در واقع یک پیش داروست که تحت تغییر شکل زیستی به متابولیت های نوکلئوتیدی ریبوزیل و داکسی ریبوزیل تبدیل میشود.یکی از این متابولیتها” 5-فلورو-2-داکسی یوریدین -5’-فسفات “با آنزیم تیمیدیلات سنتتازوکوفاکتور آن N5.10-متیلن تتراهیدروفولات یک کمپلکس سه تایی با اتصال از نوع کووالانسی ایجاد میکند.این واکنش جهت ساخت نوکلئوفیلهای تیمین اهمیت خاصی دارد.این امر موجب به مهار ساخت DNAبه واسطه مرگ ناشی از وجود تیمین میشود.5-فلورویوراسیل به طور معمول از طریق داخل وریدی مصرف میشودونیمه عمر10 تا 20 دقیقه دارد.این دارو به صورت خوراکی تجویز نمیشود.این دارو پرمصرف ترین دارو در درمان سرطان کولورکتال به حساب می آید. همچنین این دارو علیه طیف گسترده ای از تومرهای توپر نظیر سرطانهای پستان.معده،لوزالمعده،مری،کبد،سروگردن ومقعد فعال است.سمیتهای اصلی ان عبارت است ازسرکوب مغزواستخوان و سمیت موکوزیت واسهال سمیت جلدی به صورت سندرم دست- پا وسمیت عصبی میباشد.]1و2و19و20[

ساختمان فلورویوراسیل

شکل1-3- الف)یوراسیل شکل1-3-ب) 5-فلورویوراسیل
1-8-2-خصوصیات دارویی 5-فلورویوراسیل
گروه دارویی:ضد سرطان ازدسته آنتی نئوپلاستیک
اسامی تجاری معروف: فلوروپلکس ،افودکس، آدروسیل
اشکال دارویی: محلول تزریقی 50میلی گرم برمیلی لیتر و کرم موضعی 5درصد
موارد مصرف تزریقی:سرطانهای کولورکتال، پستان، تخمدان، سرویکس، معده، مری، مثانه، کبد، پانکراس و سرطانهای غیرمشخص اولیه
موارد مصرف پماد موضعی:اکتینیک کراتوزیس و سولار کراتوزیس وکارسینومای سلولهای بازال نوع سطحی
موراد منع مصرف:سوءتغذیه ، دپرسیون عملکرد مغز استخوان ، عمل جراحی بزرگ ، عفونتهای خطرناک.
عوارض جانبی :سندرم مخچه‌ای حاد، خواب‌آلودگی، سرخوشی،آنژین خفیف، تغییرات ECG،راش ماکولوپاپولار، خشکی، اریتم، هیپرپیگمانتاسیون، تغییرات ناخن، خارش، سوزش، تورم، بی‌اشتهایی، پروکتیت، ایلئوس پارالیتیک، استوماتیت، اسهال، تهوع، استفراغ.دپرسیون مغز استخوان، لکوپنی، آنمی،حساسیت به نور، لاکریماسیون، آلوپسی برگشت‌پذیر، ضعف و بی‌حالی
مکانیسم اثر: اثر ضدنئوپلاسم : این دارو باعث مهار سنتز DNA و RNA می‌شود.
فارماکوکینتیک:فلورویوراسیل از سد خونی – مغزی عبور می کند. متابولیسم دارو کبدی و سریع است. نیمه عمر تزریق وریدی در فاز آلفا 20-10 دقیقه و در فاز بتا 20 ساعت می باشد. دفع آن عمدتاً از طریق ریه ها ( 80-60 درصد ) و کلیه ها ( 20-7 درصد ) می باشد].1و2و19و20[
1-9-کاپسیتابین
1-9-1-معرفی کاپسیتابین
کاپسیتابین با نام تجاری اکسلودا (زلودا) یک آنتی متابولیت و یک داروی ضد سرطان است که با تداخل در تولید پروتئین های لازم برای رشد سلول های سرطانی از تکثیر و گسترش آنها در بدن جلوگیری می کند.دارای نام آیوپاک 5'_دئوکسی-5-فلورو-N-(پنتیلوکسی کربونیل)سیتیدین ودارای فرمول شیمیایی C15FN3O6H22 است.کاپسیتابین درواقع یک پیش دارواست که دربدن به فلورویوراسیل تغییرساختارمی دهد. دارو در 3 مرحله آنزیمی به فرم فعال 5 -فلورویوراسیل تبدیل میشود 5- فلورویوراسیل از دارو در سلول های تومور به واسطه فاکتور آنژیوژنیک وابسته به تومور کاتالیز میشود.کاپسیتابین برای درمان سرطان پستان و کولون یا رکتوم سرطان که به سایر نقاط بدن گسترش یافته است استفاده می شود.این دارو در درمان انواع خاصی از سرطان های سینه، روده بزرگ، یا سرطان روده بزرگ در بعضی از بیماران مورد استفاده قرار می گیرد؛ این ممکن است به تنهایی یا در ترکیب با سایر داروهای ضد سرطان و یا پرتو درمانی استفاده می شود.]1و2و19و20[
1-10-نانوذرات
1-10-1-معرفی نانوذرات
نانو ذرات دارای قطری بین 1 تا 100 نانومتر می باشند به عبارتی آنها در حوزهای مابین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده ای قرار می گیرند. مواد مختلف در این مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می دهند.نانوذرات به قدری کوچک هستند که میتوان گفت بینظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پر قدرت و بسیار سخت را میتوان از آنها تولید کردمساحت سطحی بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می گردد.نانوذرات از زمانھای بسیار دور مورد استفاده قرار می گرفته است. شاید اولین استفاده آنھا در لعاب ھای چینی و سرامیک ھای تزئینی سلسله ھای ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانو ذرات طلا استفاده شده است تا رنگھای متفاوتی از جام بر حسب نحوه تابش نور از جلو یا عقب پدید آید، البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنھا ناشناخته بوده است]5،3[
1-10-2- تاریخچه نانوذرات
از آن در دهه 1930 برای اولین بار روش ها ی فرآوری بخار جهت تولید نانو ذرات بلوری مورد استفاده قرار گرفته شد. در اولین تولید صنعتی نانو ذرات در قرن بیستم با تولید دوده و پس از آن در 1940 با تولید سیلیس فومی رخ داد.سال ها ی اخیر پیشرفت ها ی بسیار بزرگی در زمینه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون وکنترل شدید بر روی اندازه،ترکیب و یکنواختی آن ها صورت گرفته است.]3و5[
1-10-3-خواص نانوذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از:افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاھش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم ھای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهدزیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح درمقایسه با تعداد اتمهای یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند.. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر بهتغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود. تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا درنانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد. تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دھد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است.به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی ازاین دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط ایننقاط در تشخیص پزشکی کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛ چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شدهاست تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکشها مناسب باشند.مواد در مقیاس نانو، رفتار کاملًا متفاوت، نامنظم و کنترل نشده ای از خود بروز می دهند. با کوچکتر شدن ذرات خواص نیزتغییر خواھد کرد. مثلًا فلزات، سخت تر و سرامیک نرم تر می شود.
مثال خصوصیات :
کاتالیستی:اثر کاتالیستی بهتر، به دلیل نسبت سطح به حجم بالاتر
الکتریکی:افزایش هداایت الکتریکی در سرامیک هاو نانو کامپوزیت های مغناطیسی،افزایش مقاومت الکتریکی در فلزات
مغناطیسی:افزایش مغناطیسیته با اندازه بحرانی دانه ها،رفتار سوپر پارامعناطیسیته ذرات نوری
خصوصیات فلوئورسنتی: افزایش اثر کوانتومی کریستال های نیمه هادی
بیولوژیکی: غشاء و خونی-مغزی و غیره و بهبودزیست سازگاری.]3و5و24و25[
1-10-4-روشهای ساخت نانو ذرات
روشهای مختلفی برای تهیه وساخت نانوذرات وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از روش سل-ژل،مکانیزم های تبخیر- چگالش، واکنش های فاز گازی ایجاد شده به وسیله لیزر یا پلاسما و یا روشهایی که در گروه شیمیایی مرطوب قرار میگیرند. اما اصلیترین روشهای ساخت نانو ذرات را میتوان بصورت زیربیان کرد.]20[
الف) روش بالا به پایین
در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، داشته یک ماده تودهای را شکلدهی و اصلاح میکنند. درحقیقت در این روش، یک ماده بزرگ را بر داشته و با کاهش ابعاد و شکلدهی آن، به یک محصول با ابعادنانو تبدیل میشود. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده تودهای به طور متناوب کاهش داده شود تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسد، از رویکرد بالا به پایین استفاده شده است.]21و22[
ب)روش پایین به بالا
در روشهای پایین به بالا محصول از مواد ساده تر به وجود می آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در این روش انجام میشود، کنار هم قرار دادن اتمها و مولکولها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید که قادر هستید اتمها ومولکول ها را به طور واقعی ببینید و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهید تا شکل مورد نظر حاصل شود.] 21و22[
1-10-5-نانوذرات سیلیکون کربید
پودرهای سیلیکون کاربید، به‌علت خواص فیزیکی مناسب ، در موارد بسیاری از جمله ؛ ساینده‌ها ، دیرگدازها و المنت‌های حرارتی، کاربردهای الکترونیکی و نوری، درزگیرهای مکانیکی ، قطعات پمپ ، ساخت توربین ‌های گازی ، مبدل‌های حرارتی و پره‌های سرامیکی ، کاربرد دارند.سنتز پودر سیلیکون کاربید با روش‌های مختلفی از جمله سنتز این ماده غیراکسیدی با مواد اولیه‌ای همچون سیلیس و ترکیبات سیلیسی ، پوسته برنج همراه با ترکیبات مختلف حاوی کربن (شامل کربن سیاه ، کربن فعال ، گرافیت ، قیر و پلیمرها) ، در کوره‌های الکتریکی و گازی متداول انجام شده‌است. در سنتز سیلیکون کاربید نانومتری با استفاده از امواج مایکروویو به واسطه سرعت بالای حرارت‌دهی در کوره مایکروویو و عدم امکان رشد ذرات، موجب سنتز نانو متری این ماده شد.کاربید سیلیسیم یکی از مهمترین سرامیک‌های غیراکسیدی است که به دلیل برخورداری از خواص ویژه از جمله: حفظ استحکام در دماهای بالا، ضریب انبساط پایین، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، مقاومت اکسیداسیون عالی و پایداری شیمیایی دارای کاربرد وسیعی در صنایع مختلف از جمله هسته‌ای، الکترونیک، هوا و فضا و خودروسازی می‌باشد و به صورت‌های گوناگون از جمله فرم پودری، قطعات شکل یافته و فیلم‌های نازک تولید و عرضه می‌گردد. شناخته شده‌ترین روش برای تولید کاربیدسیلیسیم روش اچسون است که براساس احیاء حرارتی سیلیس توسط کربن گسترش یافته است. در این روش مخلوطی از سنگ سیلیس و کک در کوره‌های الکتریکی تا دماهای بالا (حدود K2900) حرارت داده می‌شوند که محصول واکنش کریستال‌های درشت α–SiC خواهد بود. کریستال‌های α–SiC دارای ساختمان شش وجهی شبیه ورتزیت بوده واز خصوصیات آن این است که از استحکام خوبی در دماهای بالا برخوردارمی‌باشد. در صورتیکه بتوان دما را در محدوده K 2100 – 1800 تنظیم کرد با استفاده از روش اچسون می‌توان β – SiC تولید نمود. این ماده دارای ساختمان کریستالی شبیه زینک بلند بوده و از سختی بالایی برخوردار می‌باشد.به غیر از روش اچسون روش‌های دیگری از جمله سل- ژل، پلاسمای حرارتی، احیاء کربوترمی، ریزموج و رسوب شیمیایی بخار نیز گسترش یافته‌اند. روش انتخابی به ساختار ماده مورد نظر، فرم و شکل محصول نهایی و کاربرد آن بستگی دارد. با این حال بیشتر روش‌های بالا ازنظر زمان، مواد و انرژی مصرفی روش‌های گرانی هستند.از طرفی در اکثر فرآیندهای تولید به دلیل بالابودن دما و زمان، اندازه دانه‌ محصول نهایی درشت خواهد بود. همانگونه که می‌دانیم ریز شدن ساختار مواد باعث ایجاد خواص مطلوب از جمله افزایش استحکام، چقرمگی، مقاومت سایش و مقاومت خستگی بدون تغییر در خواص ظاهری فیزیکی خواهد شد. بنابراین تولید کاربید سیلیسیم با اندازه ذرات نانو از دیگر چالش‌های مطرح می‌باشد. کاربید سیلیسیم نانو پودر به صورت بالقوه دارای کاربرد ویژه‌ای در نانوالکترونیک، تجهیزات گسیل میدانی و نانوکامپوزیت‌ها است. اخیرا روش سنتز احتراقی برای تولید برخی نانو مواد‌ها و در مقیاس وسیع مطرح شده است] 23و24و25[
1-11 -ضرورت انجام تحقیق
صــنــعـــت داروســـازی از نــقـطــه نـظــر دارورسـانـی ، تـاکـنـون از طـریـق فـنـاوری نانو به دسـتــاوردهــای چـشـمـگـیــری رسـیـده اسـت. در سیستم دارویی قدیم به علت غیرواقعی بودن دز دارویی ، از لحاظ مقدار نیاز برای درمان ، بسیاری از آن در دســتــگــــاه گــــوارش ، گـــردش خـــون و بافت‌های واسط به هدر می‌رفت تا مقدار مورد نظر به سلول‌های هدف برسد که می‌تواند این داروهـــای جـــذب شــده در طــول مـسـیــر ایـجــاد عـوارض جانبی کند که در بیماری‌های دیابتی و سـرطان ، باعث ریزش مو و عوارض بسیاری خواهد شد یا تزریق مکرر باعث دردناک شدن بافت‌ها می‌شود که برای بیمار غیر قابل تحمل اســت و همچنین بسیاری از داروها نه تنها خواص درمانی مناسبی ندارند بلکه عوارض جانبی نیز از خود نشان میدهند زیرا علاوه بر نقطه اثر ویژه خودشان در نواحی دیگر بدن نیز اثر گذار هستند .برای اینکه یک دارو از لحاظ درمانی موثر بماند لازم است تا رسیدن به محل اثر محافظت شود و ویژگی های زیستی و شیمیایی آن حفظ شود که فــنــاوری نــانـو در دارورسـانـی  راه حل‌هایی اندیشیده است که یکی ازاین راهها استفاده از نانوتکنولوژی در جهت کاهش اثرات جانبی داروهای ضد سرطان (فلورو یوراسیل) مبتنی بر استفاده از نانوذره سیلیکون کربید،اهمیت تحقیق حاضر محسوب می شود.
1-12- اهداف تحقیق
هدف اصلی در این تحقیق مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانو ذره سیلیکون کربید، توسعه مرزهای دانش در حوزه های استفاده های دارویی از نانوذره ی سیلیکون کربید وپیدا کردن کاربرد نانوذرات سیلیکون کربید در نگهداری داروی فلورویوراسیل با استفاده از روش های نظری و بدون انجام آزمایش است. (هرچند در برخی از روش ها از نتایج آزمایش های تجربی استفاده می شود). با استفاده ازشیمی محاسباتی شاخه‌ای از دانش شیمی است که از روش های شیمی و محاسباتی برای حل مسائل شیمی استفاده میکند اغلب محاسبات در این رشته پیچیده و سنگین هستند و انجام آنها بدون کمک رایانه امکان پذیر نیست. از این رشته به‌گستردگی در تمامی شاخه های شیمی، بیو شیمی و داروسازی استفاده می‌شود.
1-13-متغیرهای تحقیق
در این تحقیق سعی بر آن است که با استفاده از نرم افزارهای هایپرکم، گوسین وگووس ویوکه از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی هستند به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست آوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد ونیزبارمولیکن در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید-فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل بررسی شودوپایدارترین ساختارممکن معرفی گردد..
1-14- فرضیه های تحقیق
الف) فلورویوراسیل روی نانوذره ی سیلیکون کربید جذب می شود.
ب) هیبرید فلورویوراسیل-نانوذره ی سیلیکون کربید پایدار است.
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1-مقدمه
همانطورکه دربخش قبلی نیزاشاره شددر این تحقیق هدف مطالعه کوانتمی جذب داروی ضد سرطان فلورویوراسیل روی نانوذره سیلیکون کربیدی است بطوریکه بتوان از نانو ساختار های سیلیکون کربیدی در نگه داری داروی فلورو یوراسیل وپیدا کردن کاربرد های نانو ساختار سیلیکون کربید در نگه داری داروها با استفاده از روش های نظری استفاده کرد. سعی بر آن است با استفاده از نرم افزار گوسین که یکی از نرم افزار های مهم در شیمی محاسباتی است به مدلسازی و شبیه سازی و پیشگویی و رسم ساختار بهینه و بدست اوردن انرژی پیوند و حالت گذار اوربیتال مولکولی و ممان دوقطبی،گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانوذره سیلیکون کربید–فلورویوراسیل ورسیدن به ساختار های بهینه متناسب با انرژی کمینه دست یافت.ازهمین رواولین قدم مدلسازی ساختارها و سپس محاسبات خصوصیات الکترونی ساختار های بهینه شده از جمله پارامتر های NMR وانجام مراحل بعدی برای پاسخ به سوال تحقیق حاضراست.دراین بخش مروری به پژوهش های صورت گرفته درزمینه داروی ضدسرطان فلورویوراسیل و نانوذره سیلیکون کربید ونیزدارورسانی بااستفاده ازنانوساختارها براساس مطالعات کوانتمی وهمچنین آزمایش های تجربی ارائه می شود.
2-2-مطالعه محاسباتی وتجربی برروی یوراسیل و5-فلورویوراسیل
درسال 2002میلادی ،بلیچارسکا وکوپکا مطالعه ای را به صورت تجربی ومحاسبات نظریه تابع چگالی بر روی یوراسیل و 5-فلورویوراسیل انجام دادند در این مطالعه پارامترهای NMR به صورت تجربی و محاسباتی جمع آوری گردید.آنها به منظور استخراج نتایج NMRحاصل از محاسبات از روش B3PW91استفاده نمودند.واین نتایج را با اطلاعات NMR حاصل از روش آغازین محاسبات،که با روش هارتری فاک انجام شده بود مقایسه کردند آنها همچنین از دو سری پایه 6-31G*و 6-31++Gکه یک سری با کیفیت و قدرتمند است استفاده نمودند بعد از مقایسه ی نتایج بدست آمده از روشهای محاسباتی و تجربی یک همبستگی خطی بین پوشش پروتون وکربن در یوراسیل و5-فلورویوراسیل با نتایج تجربی دیده شد.علاوه بر آن دراین تحقیق مشخص شد طول پیوند ها ،گشتاور دو قطبی وارتعاشات کشش هارمونیک پیش بینی شده یک هماهنگی عالی با نتایج تجربی قابل دسترسی را نشان می دهند. چنین محاسباتی باید ویژگی های طیف سنجی این مولکول ها را در محلول با اطمینان بالاتر حوزه حلالپوشی اولیه مواد و با شمول بیشتر مدل دی الکتریک محلول پیشگویی نموده و بتواند نگرشی بیشتر را در مورد ویژگی های درون تن بیان کند.]27[
2-3- بررسی بر همکنش 5-فلورویوراسیل با مونت موریلونیت و ساپونیت در طیف سنجی FT-IR
آکالین وهمکارانش درتحقیقی جذب سطحی 5-فلورویوراسیل در مونت موریلونیت و ساپونیت با استفاده از طیف سنجی FT-IR را بررسی کردند. پوشش 5-فلورویوراسیل را در مونت موریلونیت یا ساپونیت با انتشار اشعه ی ایکس برای افزایش فاصله ی لایه ی داخلی موردتحقیق قراردادند.به منظور بررسی برهمکنش5-فلورویوراسیل با رس، تعداد امواج ارتعاشی هارمونیک وغیر هارمونیک 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید بامحاسبات نظریه تابع چگالی به روش B3LYP با سری پایه 6-31++G(d.p) با استفاده از برنامه گوسین98 محاسبه شد.نتایج آزمایشی و محاسباتی نشان داد که 5-فلورویوراسیل با کوئوردینه شدن مستقیم و غیر مستقیم از طریق مولکول های آب در وسط اسید لویس در تعامل و ارتباط با رس قرار می گیرد. آنهاباتفسیر تغییرات طیفی IR مواد جذب شده روی رس ، اطلاعاتی را در مورد ماهیت و ویژگی های ترکیبات آلی رس بدست آوردند.برهمکنش یا پوشش 5-فلورویوراسیل در موریلونیت و ساپونیت با انتشار اشعه ایکس نشان داده شد تا فاصله های بین لایه های داخلی را افزایش دهند.بامحاسبه حرکت امواج ارتعاشی 5-فلورویوراسیل آزاد و 5-فلورویوراسیل پیوندی باآلومینیوم هیدروکسید توانستندمختصات را از طریق حالت های ارتعاشی =O10 C4 تعیین کنند. ]28[
2-4-مطالعه نظریه تابع چگالی برای بررسی اثرات نانوتیوب های کربن بر خواص داروی ضد سرطان فلورویوراسیل
درسال 2012میلادی درمطالعه ای که توسط میرزایی صورت گرفت اثرات اتصال داروی 5-فلورویوراسیل برروی نانولوله های کربنی ومطالعه خصوصیات آن بامطالعات محاسباتی تئوری تابع چگالی برروی ترکیب متشکل از5-فلورویوراسیل ونانولوله کربنی مورد بررسی قرارگرفت.دراین تحقیق DFT به روش B3LYPو باسری پایه ی 6-31G* توسط نرم افزار محاسباتی گوسین98 انجام شد.درابتدا ساختاربهینه شده ی ترکیب نانولوله کربنی –فلورویوراسیل بدست آمد.سپس ازمدل بدست آمده خصوصیات پوشش شیمیایی با استفاده از کلید واژه NMR درهمان نرم افزارانجام شد.خصوصیات بهینه شده وخصوصیات پوشش شیمیایی ساختاراستخراج گردید.درنهایت مشخص شدکه تمام خصوصیات بهینه شده شامل انرژی بهینه،گشتاوردوقطبی،انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده وانرژِی پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده، گپ انرژی وخصوصیات پوشش شیمیایی همسانگردوناهمسانگرد در حالت اتصالی نانولوله های کربنی – فلورویوراسیل نسبت به حالت فلورویوراسیل به صورت منفردتغییراتی رانشان می دهدکه کاربردهای جدیدی رابرای این دارو متصورمی شود. ]29[
2-5- مطالعه نظری برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن
درسال2013ساندوال وسه تن ازهکارانش به بررسی نظری دارورسانی داروی فلورویوراسیل به وسیله سه نانوساختارطلا ،گرافن وتیتانیوم اکسید پرداختندکه درزیراین تحقیق آنها توضیح داده شده است.
داروی ضد سرطان فلورویوراسیل ممکل است دارای عوارض جانبی شدیدی باشد که به سلول های سرطانی و سالم آسیب میزند به منظور به حداقل رساندن این عوارض جانبی محققان در تلاش برای ارسال دارو در نواحی مورد هدف با شیوه ای مدرن از طریق نانو حامل های داروی هستند.در این مطالعه برهمکنش داروی ضد سرطان فلورویوراسل را با سه نانو حامل طلا،تیتانیوم اکسیدو ورقه های گرافن بررسی شد. همه ملکول ها در گوسین09 بهینه شد و همه محاسبات در DFT به روش B3LYP باسری پایه LAN2DZ صورت گرفت. نتایج نشان میدهد که این سطوح میتوانند در پیوند با عناصر مختلف فلورویوراسیل باشند.اما پایداریشان به خاطر تشکیل این کمپکلس ها یکسان است.مطالعه نظری برهمکنش فلورویوراسیل با ورقه های تیتانیوم اکسیدوطلا و گرافن نشان می دهد که طلا-فلورویوراسیل دارای انرژی کمتری است و بیشترین پایداری به کمپلکس فلورو یوراسیل-تیتانیوم اکسید است. ]30[
2-6-گرافن به عنوان پایه ی نانوساختاری جهت سیستم رسانش دارو
گوئنکا وهمکارانش در سال 2014 به بررسی نانوذرات، خواص بیولوژیکی وفیزیکوشیمیایی جالبی که برای طرح ریزی های پزشکی (دارورسانی)فراهم میکنندپرداختند.آنها دلیل این امر را اندازه کوچک وسطح زیاد آنها وتوانایی میانجی گری (عملکردمقابل)آنها باسلولها یابافت ها توجیه نمودند.درادامه تحقیق بیان کردندنانوذرات برمبنای گرافن به سرعت به صورت مواد دوبعدی شگفت انگیزی ظاهرگشتندواین به علت ساختارسطح یگانه آنها وخواص مکانیکی عالی،خواص نوری والکتریکی واستفاده شدن این مواد درالکترونیک وسایرزمینه ها می باشد.تمایلات ظاهری نشان می دهد که خواص استثنایی آنهامی تواندبرای برنامه های پزشکی به خصوص برای دارورسانی ومهندسی بافت مورداستفاده قرارگیرد.دراین پروژه - ریسرچاطلاعات جامعی درمورد نانوذرات گرافن ارایه شده است.ماکه درزیرآن دسته ازخواص راکه می تواند برای مهندسی بافت ودارورسانی مورداستفاده گردد آورده شده است.
چگالی:سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر 0/052 نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن 0/77 میلیگرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و 0/77 میلی گرم وزن دارد.
شفافیت نوری:گرافن تقریباً شفاف است. فقط 3/2درصد از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند.
مقاومت مکانیکی:مقاومت شکست گرافن 42 نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای 3/35 آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود 0/42- 0/084 نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن 100 برابر فولاد است.
رسانایی الکتریکی:مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، 31 اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.
رسانایی گرمایی:رسانایی گرمایی گرافن تقریباً 5000 وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق 401 وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن 10 برابر بهتر از مس است. ] 31[
2-7-بررسی کاربردگرافن وگرافن اکسیدبه عنوان نانوحامل هایی برای رسانش دارو
درهمان سال لیو ودوتن ازهمکارانش تحقیق خودراروی گرافن وگرافن اکسید به عنوان نانوحامل های جدید متمرکزساختند وگزارش خودرابیان نمودندکه خلاصه آن به شرح زیرمی باشد:
برنامه های دارویی برمبنای موادپایه ی گرافن شامل دارورسانی به سرعت دراین چندسال اخیررشدکرده اند.گرافن وگرافن اکسید برای برنامه های دارویی به عنوان یکی از عناصرامیدبخش دراین شاخه موردبررسی قرارگرفته اندکه این به دلیل خواص خاص آن ازجمله ساختارمسطح دوبعدی،مساحت سطحی گسترده،پایداری شیمیایی ودارویی،رسانش بسیار عالی وساختار زیست سازگارپذیرمی باشد.دراین تحقیق به خواص امیدبخش آنها برای طراحی سیستم های پیشرفته دارورسانی ورسانش طیف وسیعی از داروها می پردازد.به طورخلاصه روش های معمول برای اصلاح سطح نانوذرات برپایه گرافن وزیست سازگاری وسمیت آنها بادنبال کردن خلاصه ای ازنمونه های اجراشده واثبات شده برای رسانش ژنها وداروهای ضدسرطان موردبررسی قرارگرفته است.مواردی از جمله زیست سازگار انها با بدن و سمیت مواد نانو مواد حامل دارو مبتنی بر گرافن تا حدی نگران کننده بود.تعامل گرافن در مکانیسم جذب سلولی که با عامل دار کردن نانو حامل گرافن. تا حد زیادی نگرانی ها بهبود پیدا کرد .و با مطالعات سمیت انها با استفاده از مدل در داخل بدن حیوانات در تحقیقات بالینی نتایج امیدوار کننده ای در مورد پیشرفت آنها درنانو پزشکی حاصل شده است.به علاوه نگرش جدید رسانش دارمبنی بررسانش کنترل شده شامل هدفمندوتحریک شونده باpH،آزمایش های شیمیایی،گرمایی-نور-میدان مغناطیسی نیز نتایج امیدوارکننده رانمایان نموده اند. گرافن، ساختاری دوبعدی از یک لایه‌ی منفرد شبکه‌ای لانه زنبوری کربنی می‌باشد. این کشف ،نقطه‌ی عطفى در فناورى نانو از آغاز تاکنون بود که مفهوم اجزاى تک‌اتمى را به واقعیت نزدیک‌تر کرد.]32[
2-8-رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیر
درسال 2012جان سیک سون وهمکارانش درکره درپژوهشی یک مدل ساده وبسیارموثربرای رسانش دارو به وسیله ی سطح تیتانیوم با استفاده از نانوساختارهای زیست تخریب پذیرتوسعه دادند..واسط قالب گیری جذب شونده اعمال شده به سطح تیتانیوم توسط قطعات قابل بازجذب هیدروکسی آپاتایت که به صورت یک امپلنت فلزی کاشته شده به همراه یک ساختاررسانش دارو جداسازی شده درآن قالبگیری می شود.نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان که باونکومایسین لودشده است به عنوان یک مدل داروکه به وسیله روش حل کردن ساخته شده است.نانوذرات وانکومایسین لودشده با آلبومین سرم خونی انسان باپلی اتیلن ایمین باشارژ مثبت پیش پوشش می شود وبرروی سطح دیسک تیتانیوم باردارمنفی بابرهمکنش الکتریکی تثبیت می گردد.نتایج نشان می دهد که نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان پیش پوشیده شده باپلی اتیلن ایمین ولودشده با نانوذرات وانکومایسین باموفقیت تشکیل شده است وبه خوبی برروی سطح تیتانیوم پراکنده می شوندزبری سطح تیتانیوم باتثبیت نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان تغییرپیدانمیکند واجازه جایگیری سیستم رسانش داروبرروی سطح دیسک رامی دهد.به علاوه نتایج مطالعات قبلی نشان می دهندکه داروهای ارتقادهنده پاسخ بافت ها می توانند به طورموثری توسط نانوذرات آلبومین سرم خونی انسان برروی سطح دیسک تیتانیوم تثبیت شوند].33[
2-9-توسعه فرمولاسیون نانوذره لیپوزومی برای 5-فلورویوراسیل،بررسی طراحی فرمولاسیون،فارماکوکینتیک واثربخشی
درسال 2010توماس وهمکارانش فرمولاسیون جدیدی برمنای حمل دارو بانانوساختارلیپوزومی برای داروی 5-فلورویوراسیل به سرانجام رساندندکه پژوهش آنهادرچندبنددرادامه توضیح داده شده است.
5-فلورو یوراسیل یک داروی کوچک وبسیار نفوز پذیر از غشای سلولی میباشد که به مقدار بسیار کم در داخل مایعات نانو ذرات لیپوزوم نگه داشته میشود به منظور نشان دادن راهی نوین برای این مشکل یک روش نوین براساس فرمولاسیون کمپلکس سه گانه شامل مس و پلی اتیلن ایمین کم وزن و5-فلورویوراسیل گسترش یافت.به طورخاص درحضورمس به دام انداخته شده و پلی اتیلن ایمین و5-فلورویوراسیل که به صورت خارجی اضافه می شودمی تواند به نحومؤثری درداخل لیپوزوم های DSP/Chol کپسوله شود)بالای 95%).

–266

1-4-5- نانوساختارها
اگر تنها یکی از ابعاد نانوساختارسه بعدی در محدوده ی نانو باشد، آن را“Quantum well“ می نامند. “ Quantum wire “ ساختاری است که دو بعد آن در محدوده ی نانو است، در حالی که “Quantum dot“ دارای سه بعد نانو متری است.
مثال هایی از نانوساختارها
1)ساختارهای صفر بعدی، باکی بال ها هستند که معروف ترین آنها C60 است. مولکول C60 شامل 60 اتم کربن است و این اتم ها مانند یک توپ فوتبال که از 12 پنج ضلعی و 20 شش ضلعی تشکیل شده در کنار هم قرار گرفته اند. این ساختار توپی شکل در شکل 1-1 نمایش داده شده است. این ساختارها در هر سه بعد، نانویی بوده و مولکول C60 دارای قطری در مرتبه 7/0 نانومتر است.

شکل(1-1) انواع فولرین ها
2)ساختاریک بعدی، نانولوله های کربنی که در دو راستا، دارای قطر نانومتری بوده و در راستای محور لوله، میکرونی هستند و نسبت طول به قطر نانولوله ها در حدود 1000 بوده و نانولوله ها تماماً از پیوند sp2 تشکیل شده اند (شکل 1-2).

شکل(1-2) نانولوله های کربنی
3)ساختارهای دو بعدی گرافن که در یک راستا نانومقیاس بوده و دارای ضخامت از مرتبه آنگستروم هستند. گرافن (به انگلیسی: Graphene) نام یکی از آلوتروپ‌های کربن است. و برای نخستین بار در سال 1947 فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین-واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین-واگنر نمی‌تواند کاملاً درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت (شکل 1-3).

شکل(1-3) گرافن
4) ساختارهایی سه بعدی گرافیتی که سالیان بسیار زیادی است بشر آن را می شناسد. گرافیت یکی از آلوتروپ های کربن است که ساختار لایه-لایه داشته و به رنگ سیاه است واز قرار گرفتن ۶ اتم کربن به صورت ۶ ضلعی منظم پدید آمده است. هیبریداسیون اتمهای آن از نوع sp2 است و این اتم‌ها با پیوند کووالانسی به هم متصلند و نمی توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کوالانسی دهند بنابراین یک لایه گرافیت از طریق پیوند واندر والس -که پیوند ضعیفی است- به لایه‌های زیرین متصل است این خاصیت سبب می‌شود لایه‌های گرافیت به راحتی به روی هم بلغزند. به همین دلیل از این ترکیب برای «روان کاری» و «روغن کاری» استفاده می شود. از گرافیت به عنوان الکترودهای کوره، روان کننده، ماده نسوز، قطعات الکتریکی، رنگ‌ها، فولادهای پرکربن، چدن‌ها، مداد گرافیتی و … استفاده می‌شود. نوک مدادهای زغالی از جنس گرافیت هستند که ساختار سه بعدی ساخته شده از ورقه هایی از شبکه های شش ضلعی دارد (شکل1-4).

شکل(1-4) گرافیت
5)آلوتروپ دیگر کربن الماس است که برعکس گرافیت هیبریداسیون sp3 داشته و رسانای جریان الکتریکی نیست و سختی بالایی دارد (شکل 1-5).

شکل(1-5) الماس
1-4-6- کاربردهای فناوری نانو
بکارگیری نانوفناوری در علوم مختلف باعث پیشرفت شگرفی در آنها شده و بسیاری از علوم مختلف را تحت تأثیر قرار داده است. در اینجا بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوفناوری در علوم مختلف را بیان می کنیم.
1-4-6-1-کاربرد فناوری نانو در صنعت
نانوفناوری در زمینه های پیچیده تر و صنعتی تری نیز ایفای نقش می کند. صنایع رباتیک، هوافضا و نظامی از این دست هستند که هریک به نوبه خود با زندگی مردم در ارتباط هستند.
1)صنایع رباتیک
مهمترین تأثیری که فناوری نانو در رباتیک می تواند بگذارد ساخت نانوربات هاست.
این نانوربات ها می توانند با توجه به اندازه بسیار بسیار کوچک خود، خود را به مناطق آسیب دیده رسانده و پس از تزریق مستقیم دارو به محل و بررسی هایی که انجام می دهند بیماری را درمان کنند.
2)صنایع نظامی
به کارگیری فناوری نانو در صنایع نظامی به خصوص در زمینه امنیتی – دفاعی در دهه اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از این فناوری در تجهیزات دفاعی راه هایی به سوی بهبود اسلحه ها، ابتکار در ساخت مواد با وزن سبک و مقاوم به دمای بالا برای هواپیماها، راکت ها و ایستگاه های فضایی را هموار نموده است. تسلط اطلاعاتی از طریق نانو الکترونیک پیشرفته، به عنوان یک توانایی مهم نظامی، کارایی بالاتر در تجهیزات نظامی و استفاده از ربات های پیشرفته به جای استفاده از نیروی انسانی نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت از عوامل شیمیایی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارایی خودروهای نظامی از دیگر قابلیت های این فناوری نوین در حوزه نظامی – دفاعی و امنیتی است.
3)صنایع هوافضا
با پیشرفت فناوری و ورود آن به عرصه فضا، سفرهای فضایی، ساخت کاوشگرها، مدارگردها و سفینه های فضایی ساده تر و مقرون به صرفه تر خواهد شد. ربات های فضانورد با قیمتی ارزان تولید و به منظور شناسایی و انجام آزمایشات روی کرات دیگر به فضا و سایر کرات فرستاده خواهند شد.
اندازه ماهواره های ارسالی به فضا کاهش خواهد یافت و دیگر نیازی به استفاده از موشک های غول پیکر جهت فرستادن ماهواره ای چند تنی به فضا و قرار دادن آنها در مدار نخواهد بود و به این ترتیب از هزینه های گزاف پرتاب موشک های غول پیکر کاسته خواهد شد.
نانو حسگرها، یا سامانه های پیشران بسیار کارآمد، نمونه های دیگری از کاربرد فناوری نانو هستند. حفاظت در برابر تابش های کیهانی از کاربردهای دیگر و اساسی نانوفناوری در سفرهای فضایی است. به گفته دانشمندان، خطر قرار گرفتن در معرض تابش های فضایی مهمترین عامل محدودکننده طول مدت سفرهای فضایی و اقامت انسان در فضا است و لذا هم اکنون تحقیقات فراوانی به طور خاص در این زمینه در حال انجام است.
طراحان سفینه های فضایی به این منظور و نیز به منظور رفع مشکلاتی مانند دوام ساختار روکش حفاظتی سفینه های فضایی، درجستجوی موادی هستند که قادر باشد به آنها در توسعه و ساخت روکش چند کاره بدنه سفینه های فضایی کمک نماید. منظور نانوحسگری است که بتواند حفاظت مؤثری در برابر تابشهای فضایی ایجاد کند و در عین حال ذخیره انرژی خوبی هم داشته باشد و همچنین قادر باشد در صورت صدمه دیدن بخشی از پوشش حفاظتی فضاپیما و نیاز به انجام تعمیرات خود به ترمیم خود بپردازد.
از نانو همچنین در ساخت لباس فضانوردان استفاده خواهد شد. لباس فضانوردان در عین داشتن مقاومت بالا در مقابل پرتوهای پرانرژی کیهانی باید سبک و راحت باشد به گونه ای که در حرکات فیزیکی فضانوردان اختلال و یا محدودیتی ایجاد نکند و فضانوردان قادر باشند با آرامش و آزادی عمل بیشتری به انجام تحقیقات در فضا و یا روی سطح کرات دیگر بپردازند.
1-4-6-2- کاربردهای فن‌آوری نانو در صنایع غذایی
حوزه‌های کاربردی فن‌آوری نانو درصنایع غذایی را می‌توان به صورت شکل زیر خلاصه کرد.
حوزه‌های مختلف کاربردی فن‌آوری نانو در غذا و صنایع غذایی به شش دسته نگهداری غذا، بهبود طعم و رنگ، سلامت غذا، بسته‌بندی، تولید غذا و فرآیندهای غذایی تقسیم‌بندی می‌شوند. شکل زیر این تقسیم‌بندی همراه با زیرگروه‌های هریک را نشان می‌دهد. در ادامه به تشریح هر قسمت و نمونه‌های کاربردی مربوطه که تا به حال وجود داشته است، پرداخته می‌شود.
1)نگهداری
فن‌آوری نانو از سه طریق می‌تواند در نگهداری موادغذایی مؤثر واقع شود:
ضدعفونی و ضد میکروب کردن سطوح: فن‌آوری نانو با جابه‌جا کردن سطح پوشش مواد می‌تواند تقریباً از ورود هر میکروارگانزیم یا میکروب به غذا جلوگیری کند. میکروب‌کش‌ها با نانو ذرات و نانو قطراتی مانند روغن‌های گیاهی و الک‌ها، دوستدار محیط زیست بوده و برای سلامت انسان بی‌ضرر هستند.
حفاظت آنتی‌اکسیدان‌ها: نگهداری آنتی‌اکسیدان‌های حساس مانند ویتامین‌های K/E/D/A ، اسید چرب امگا 3 و ر -کاروتن همواره یک عامل کلیدی در حفظ غذا بوده است. استفاده از نانو حفره‌ها می‌تواند از خراب شدن چنین مواد بی‌ثباتی در طول فرآیند و در زمان انبارداری جلوگیری کند.
دست‌ورزی و کنترل فعالیت آنزیم‌ها: فن‌آوری نانو در شناسایی و طراحی ساختمان آنزیم‌ها کاربرد مهمی دارد. فن‌آوری نانو توانایی کنترل متابولیسم آنزیم‌ها توسط تغییر در ساختمان و افزودن دیگر ذرات فعال را دارد. بنابراین می‌توان فعالیت‌های آنزیم‌ها را از این طریق تحت کنترل درآورد.
2)تولید
کاربرد فن‌آوری نانو در زمینه تولید غذا می‌تواند از یک سو در صنعت کشاورزی و از سوی دیگر در ابداع راه‌های جدید برای تولید غذاهای غیروابسته به شرایط طبیعی، مورد اهمیت قرار گیرد. عمده این کاربردها عبارتند از:
آنالیز و شناسایی محصولات کشاورزی: چیپ‌ها یا نانوسنسورها می‌توانند آفت، آنتی‌بیوتیک‌ها و ژن‌های مختلف را دقیقاً تشخیص دهند.
تولید غذاهای GM : باکی‌بال‌های قالب‌ریزی شده با اطلاعات ژنتیکی می‌توانند ژن‌ها و عناصر را به نقاط مطلوب حمل کنند.
تولید آفت‌کش/دارو و حمل آن‌ها: مانند زمینه دارویی در انسان، ‌نانو ذرات و نانوکپسول‌ها در بهبود اثر دارو کمک خواهند کرد و اثرات جانبی را کاهش می‌دهند.
سنتز و تولید غذا: آرایش بسیار ریز افزودنی‌های غذایی می‌تواند گروه‌های جدید غذایی را با سنتز مواد تغذیه‌ای مورد نیاز، طعم دهی ترکیبات و پیوند آنزیم‌ها با هم تولید کند. این روش باعث کاهش زیاد وابستگی صنایع غذایی به محیط زیست طبیعی شده و به عنوان یک ایده متفاوت در این زمینه ‌بدون نیاز به ملزومات غذای طبیعی استفاده می‌شود.
3)بسته‌بندی و سلامت موادغذایی
چشم‌اندازهای مالی فن‌آوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود 1/1 میلیارد دلار است و پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال 2010 به 3/7 میلیارد دلار آمریکا برسد.
در این قسمت به منظور اطلاع از محصولات تجاری و تحقیقاتی که در این حوزه صورت گرفته مثال‌هایی آورده می‌شود :
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک‌تر و محکم‌تر است، همچنین مقاومت بیش‌تری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی موادغذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آن‌ها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد موادغذایی را به تأخیر ‌می‌اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فن‌آوری ‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد موادغذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron ، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتیین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده و از خود نوری ساطع می‌کند و در نتیجه فساد موادغذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت در نظر دارد محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌هایی با روش‌‌های جدید است تا بتواند از آن‌ها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت موادغذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در موادغذایی استفاده می‌کنند.
با این عمل، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های موادغذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست‌تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشته‌ا‌ی، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
1-4-6-3- کاربرد فناوری نانو در صنعت پزشکی
درمان و پیشگیری بیماری‌ها از قابلیت‌های خوب فناوری نانو به شمار می‌رود. این فناوری با استفاده از نانوابزارها و نانوساختارهای مهندسی‌شده، اعمال ساخت، کنترل، دیدن و ترمیم سیستم زیستی انسان در مقیاس مولکولی را انجام می‌دهد.
مثال‌هایی از کاربرد نانوفناوری در پزشکی
1- هدف‌گیری و ارسال دارو به نقاط غیر قابل دسترس بدن با تجهیزات نانومتری
2- تولید بافت‌های مصنوعی سازگار با بدن
3- تولید سیستم‌های هوشمند برای شناسایی بیماری‌های در حال ایجاد در بدن
4- درمان برخی از بیماری‌های صعب‌العلاج مانند سرطان، ایدز و هپاتیت
5- مراقبت بهداشتی بهتر با استفاده از تجهیزات نانومتری در داخل بدن
1-4-6-4- کاربرد فناوری نانو در مخابرات
یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو در مخابرات، بهبود اتصالات فیبرهای نوری است تا انتقال اطلاعات بهتر انجام گیرد]3[ و ]4[.
فصل دوم
مروری بر متون
2-1- نانو کامپوزیت ها
نانو کامپوزیت ها مواد مرکبی هستند که حداقل یکی از اجزای تشکیل دهنده آن ها دارای ایجاد محدوده 1 تا 100 نانومتر می باشد در واقع ترکیبات متشکل از ذراتی در مقیاس نانو بوده که در یک فاز زمینه پراکنده شده اند نانو کامپوزیت ها را می توان ساختارهای جامدی در نظر گرفت که در ابعاد نانومتری دارای فواصل تکراری بین فازهای مختلف به وجود آورنده ترکیب خود می باشد .
علت اینکه این مواد نسبت به کامپوزیت های متداول خواص ویژه و مطلوب تری را از خود نشان می دهند این است که نیروهای بین سطح مشترک تقویت کننده در یک کامپوزیت معمولی قوی تر می باشد.
کامپوزیت ها دو فاز دارند : اصلی زمینه و تقویت کننده های نانو متری
انواع تقویت کننده ها:
1)نانو ذرات
2)نانو لوله ها
3)نانو صفحات
4)نانو الیاف
کامپوزیت های اصلی زمینه:
1)نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری :
خواص بی نظیر (مکانیکی ، شیمیایی ، فیزیکی) , خاصیت نفوذ پذیری , پایداری حرارتی بالا , استحکام بالا , وزن کم .
با افزودن درصد کمی از مواد نانو به یک پلیمر خالص , استحکام تنشی و کششی افزایش چشم گیری می یابد.
2)نانو کامپوزیت های زمینه فلزی :
کم وزن و سبک و استحکام بالا مقامومت و پایداری حرارتی مناسب.
3)نانو کامپوزیت های زمینه سرامیکی :
به مواد جامدی که بخش عمده تشکیل دهنده آن ها غیر آلی و غیر فلزی باشد.
ساختمان به شکلی است که معمولا یک فاز نسبت به فاز دیگر دارای دانه بندی کوچکتری است و معمولا یک فاز در ابعاد نانو متری و فاز دیگر در ابعاد میکرونی.
سرامیکهای مهندسی به دو گروه اکسیدی و غیر اکسیدی تقسیم می شوند.
اکسیدی : TiO2تیتانیا ،AL2O3آلومینا ، ZrO2 زیرکومینا
غیر اکسیدی: SiC ,TiN
سختی بالا و مقاومت فشاری و پیچشی بالاتر ، مقاومت حرارتی عالی ، رسانایی الکتریکی و حرارتی پایین ، مقاومت سایشی بالاتر و چگالی پایین تر.
مهمترین مشکل شکنندگی بالای آنها به دلیل پیوندهای یونی و کوالانسی و برای حل آن اضافه کردن و جاسازی الیاف و ذرات با ابعاد نانومتری]5[.
2-1-1-خاصیت فتوکاتالیستی :


اگر یک نیمه رسانا در معرض تابش قرار گیرد به صورت یک کاتالیست عمل می کند.
براساس شتابدهی واکنش های نوری در حضور کاتالیست.
فرایند فوتو کاتالیکی به جفت شدن نور فرابنفش با انرژی کم با ذرات کاتالیستی.
این فرایند شبیه فوتوسنتز است و فوتو کاتالیست به مانند کلروفیل نور خورشید را به دام می اندازد و باعث تبدیل ترکیب به CO₂ و آب می شود.
فرایند سل_ژل شدن عبارت است از:
1)مخلوط پیش ماده 2)شکل دهی 3)ژل شدن 4)پیر شدن 5)خشک شدن 6)آب زدایی یا تثبیت شیمیایی 7)متراکم کردن و سنتز شدن]6[.
2-1-2-مکانیسم فتو کاتالیست (فرآیند) :
فعالسازی توسط تابش با طول موج لازم برای تشکیل جفت حفره الکترون.
TiO₂ e⁻ + h⁺
جذب سطحی آب ، ترکیب آلی و رادیکال هیدرواکسیل بر روی سطح کاتالیست.
O⁻² + Ti⁺⁴ +H₂O H⁻ + Ti⁺⁴ - OH
ترکیب مجدد حفره و الکترون.
Ti⁺⁴ +H₂O Ti⁺⁴ - H₂O
Site+R(i) R(I,ads)
OH +Ti⁺⁴ Ti⁺⁴ /OH
ترکیب مجدد حفره و الکترون و تولید انرژی حرارتی.
e⁻ + h⁺ heat
Ti⁺⁴ -OH⁻ +h⁺, TI⁺⁴ / OH°
به دام افتادن الکترون و حفره.
R(I,ads) +h⁺ R⁺(A,ads)
Ti⁺⁴ +e⁻ Ti⁺³
Ti⁺³ +O₂ Ti⁺⁴ - O⁻₂
حمله رادیکال هیدروکسیل تحت شرایط مختلف.
Ti⁺⁴ /OH° + R° (I,ads) Ti⁺⁴+ R (J,ads)
OH°+ R (I,ads) R (J,ads)
Ti⁺⁴ /OH° +R(i) Ti⁺⁴ + R(j)
OH° +R(i) R(j)
2-1-3-اثر O₂ و H₂O₂ :
در حضور این عوامل سرعت و بازده تجزیه نوری افزایش می یابد , نقش اصلی اکسیژن مولکولی جلوگیری از ترکیب مجدد الکترون-حفره است ، زیرا به عنوان دام الکترونهای نوار رسانش عمل می کند در اثر این عمل یون رادیکال سوپراکسید تشکیل می شود که شدیداّ فعال است و به ترتیب خنثی ، رادیکال و یون-رادیکال جذب شده بر سطح کاتالیزور حمله می کند. علاوه بر این کار O₂ باعث تولید H₂O₂ می شود که خود این عامل به عنوان الکترون پذیر با الکترون های رسانا وارد عمل شده و رادیکالهای هیدروکسیل تولید می کنند]7[.
H₂O₂ + e⁻ OH° + OH⁻
2-2- نانو کاتالیست‌ و نانوذرات کاتالیستی
کاتالیست، گونه‌ای است که سرعت واکنش را افزایش می دهد. هدف شیمی دانان، تولید کاتالیستی با فعالیت و بازده بالا، گزینش پذیری کامل، قابلیت جداسازی و بازیابی از مخلوط واکنش، مصرف انرژی کم و عمر بالا است. عملکرد کاتالیست با کنترل متغییرهایی همچون اندازه، ساختار، توزیع فضایی و الکترونی، ترکیب سطح، پایداری گرمایی و شیمیایی می تواند تعیین شود. بازده  بالا، صرفه ی اقتصادی، هدر رفت کم مواد شیمیایی ، مصرف گرما و انرژی پایین، ایمنی بالا و استفاده ی بهینه از مواد شیمیایی اولیه، از مزایای نانوکاتالیست است. برای صرفه جویی اقتصادی و استفاده ی بهینه از نانوکاتالیست، معمولا آن را به صورت کامپوزیت می سازند و سطح آن را مورد اصلاح شیمیایی قرار می دهند. تحقیقات در حوزه ی نانوکاتالیست، همواره یکی از بحث های جذاب در نانوشیمی و شیمی سبز بوده است. شیمی سبز به واکنش های شیمیایی سالم با محصولات بی خطر و با حداکثر بازده (حداقل مصرف ماده و انرژی) می‌پردازد و نانوکاتالیست می‌تواند ما را به سوی این آرمان  سوق  دهد.
کاتالیست، گونه‌ای است که انرژی فعال سازی واکنش (انرژی اولیه برای انجام واکنش) را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می دهد. فلزات واسطه‌ی جدول تناوبی عناصر، رایج ترین کاتالیست ها هستند.کاتالیست ها به دو دسته ی همگن (Homogeneous) و ناهمگن (Heterogeneous) تقسیم می شوند. کاتالیست همگن، تک اتم، یون یا مولکول است و با واکنش دهنده ها هم فاز می باشد. به بیان دیگر، ذرات کاتالیست همگن می توانند به راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا تولید و بازیابی می‌شود. فعالیت بسیار بالا، گزینش پذیری و بازده خوب ، از محاسن این گونه از کاتالیست می باشد. بهبود در عملکرد کاتالیست های همگن می تواند با اتصال گروه های متفاوت آلی و معدنی به ذره اصلی فراهم شود. مشکل اصلی در فناوری کاتالیست های همگن در آنجاست که پس از اتمام واکنش، جداسازی کاتالیست حل شده از مخلوط نهایی کار ساده ای نیست. این مشکل به ویژه در زمانی که کاتالیست در مقادیر کم مصرف می شود، خود یک چالش بزرگ است]8[ و ]9[.
کاتالیست ناهمگن، با واکنش دهنده ها در یک فاز نیست. اندازه و خصوصیت ذرات کاتالیست ناهمگن به صورتی است که به راحتی در محیط واکنش حل نمی شود؛ از این رو فعالیت آن محدود می گردد (بازده کل واکنش کاهش می یابد). برخلاف کاتالیست های همگن، کاتالیست های ناهمگن به راحتی (با صرف هزینه، زمان و مواد کمتر) از مخلوط واکنش جدا می شوند و موجب ناخالصی محصولات نمی گردند. برای آنکه کمبود سطح فعال در این گونه ترکیبات جبران شود، استفاده از یک بستر در نقش تکیه گاه کاتالیست، ضروری است. بستر معمولا یک ساختار متخلخل با سطح فعال بالاست.
کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیاد داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آنکه سطح فعال نانوکاتالیست ها بسیار بالاتر از کاتالیست های معمولی است، سطح فعال یک نانوکاتالیست همواره از یک کاتالیزور همگن پایین تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگ تر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیست ها پلی میان کاتالیست های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست ها هزینه بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می دهد، این مورد قابل چشم پوشی است]10[.

شکل(2-1) نانوکاتالیست همگن و ناهمگن

شکل(2-2) ویژگیهای اصلی نانوکاتالیست
2-2-1- انواع نانوکاتالیست
دسته بندی نانوکاتالیست ها را براساس نوع نانوماده ی به کار رفته در جدول زیر می بینید:
جدول(2-1) دسته بندی نانوکاتالیست‌ها

نانوذرات و خصوصا نانوذرات فلزی و اکسید فلزی از اصلی ترین و پرکاربردترین کاتالیست های نانوساختار هستند. لذا این ترکیبات محور این پروژه - ریسرچرا تشکیل می دهند و بحث بیش تر بر آن ها متمرکز است]11[.

شکل(2-3) برخی از نانوذرات اکسید فلزی به عنوان نانوکاتالیست
نوع دیگر دسته بندی نانوکاتالیست ها، براساس رفتار آن ها است که بر این اسا به دو دسته-ی همگن و ناهمگن تقسیم می شوند:
نانوکاتالیست با رفتار همگن:
در رویکرد نانوکاتالیست همگن، نانوذرات تهیه شده از فلزات واسطه را به صورت کلوئید (ذرات معلق) در مخلوط واکنش پخش می کنند. معمولا برای پیشگیری از تجمع نانوذرات، از یک ماده پایدارکننده استفاده می شود. یک پایدار کننده خوب، نه تنها نانوکاتالیست را در فرایند کاتالیتیکی (واکنش کاتالیستی) حفظ کرده، در عین حال فعالیت آن را کاهش نمی دهد. در پایان نیز می توان نانوذرات را از محصول نهایی واکنش جداسازی نمود. روش کاهش یا همان احیاء فلزات - یعنی الکترون گرفتن کاتیون فلزی و تبدیل آن به اتم فلز خنثی - روشی معمول برای سنتز کنترل شده ی نانوذرات به صورت کلویید در محلول است. فرآیند کاهش به دو صورت شیمیایی و الکتروشیمیایی اجرا می‌شود:
1) کاهش شیمیایی: معمول ترین روش کاهش است که در آن، نمک فلز مورد نظر در محلول با عوامل کاهنده مثل الکل ها و سدیم بوروهیدرید به اتم فلزی کاهش یافته و تبدیل به نانوذره ی فلزی می شود.2) کاهش الکتروشیمیایی: در این روش در ازای یک عامل کاهنده شیمیایی، از الکترون های انباشته شده بر سطح الکترود استفاده می شود. در فرآیند کاهش الکتروشیمیایی از یک پیل متشکل از آند (محل اکسایش)، کاتد (محل کاهش) و الکترولیت (محلول نمکی دارای هدایت الکتریکی) استفاده می شود.
نانوکاتالیست با رفتار ناهمگن:
کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیست ها، بستر و کاتالیست، با هم تشکیل یک نانوکامپوزیت می دهند که برای رسیدن به بهترین عملکرد مناسب است. به عنوان مثال می توان به قرار گرفتن کاتالیست طلا بر سطح بستر دی اکسید تیتانیوم یا اکسید آهن اشاره کرد. این نانوکاتالیست ها به ترتیب به صورت Au/TiO2 و Au/Fe2O3 نشان داده می شوند. این ها کاتالیست های بسیار خوبی برای اکسایش منوکسید کربن (آلاینده‌ای بسیار مضر و خطرناک) به دی اکسید کربن هستند. از آنجا که دی اکسید کربن خطر کم تری دارد، استفاده از این نانوکاتالیست می تواند خطرات زیست محیطی مونواکسید کربن را کاهش می دهد]12[.
2-2-2- ویژگی های نانوکاتالیست
1)حداکثر سطح فعال به ازای واحد جرم و حجم: هر چه سطح فعال (سطح در دسترس برای انجام واکنش) به خصوص برای یک کاتالیست ناهمگن بیشتر باشد، جایگاه های فعال واکنش پذیر افزایش یافته و بازده  کاتالیست بالا می‌رود. با فراهم آوردن سطح بیشتر برای یک ساختار کاتالیستی، در مقدار مصرفی نانوکاتالیست صرفه جویی  شده و با افزایش واکنش دهنده های درگیرشونده در واکنش، سرعت واکنش نیز بیش تر می شود.

شکل(2-4) بیشینه  فعالیت شیمیایی کاتالیست ناهمگن، در ابعاد نانو است
2)شکل و اندازه ی قابل کنترل: برای رسیدن به بیشینه ی ماکزیمم فعالیت، باید بهترین و مناسب ترین اندازه ی نانوذره مشخص شود؛ در روش های تولید نانوذرات، راه های زیادی برای کنترل ابعاد وجود دارد. براساس محاسبات رایانه ای و شبیه سازی می‌توان به اندازه  مناسب برای یک نانوذره  با بیش ترین فعالیت و در عین حال بیشترین پایداری دست یافت. بهترین کاتالیست ها از فلزات گران بها مثل پلاتین (Pt)، طلا (Au) و پالادیوم (Pd) تشکیل یافته اند. تخمین دقیق تر بهترین اندازه ی این نانوذرات در جهت دستیابی به بالاترین فعالیت کاتالیستی، به صرفه‌جویی در مصرف این ترکیبات کمک زیادی می کند.
3)قابلیت جداسازی از مخلوط واکنش: نانوکاتالیست ها، چه همگن و چه ناهمگن، می‌توانند به راحتی از محصولات و باقی مانده‌ی اضافی واکنش گرها جدا شوند. همان گونه که ذکر شد، به دلیل بزرگی نانوذرات در مقایسه با اتم ها و مولکول ها، این ترکیبات در محیط واکنش قابل حل نبوده و معلق می مانند. به عنوان مثال، نانوذرات مغناطیسی کاربرد بسیار زیادی در حوزه‌ی کاتالیست دارند. زمانی که نانوذرات مغناطیسی به عنوان کاتالیست در واکنش به کار می روند، در پایان می توانند توسط اعمال یک میدان مغناطیسی مناسب از محیط جداسازی و بازیابی شوند.
4)گزینش پذیری و بازده ی بالا: یک نانوکاتالیست، واکنش را در یک مسیر خاص و با گزینش مواد اولیه پیش می برد. این به آن معنی است که ترکیبات ناخواسته کمتر واکنش های فرعی را باعث می شوند و از تولید محصولات جانبی در طول فرایند جلوگیری می شود. همچنین نانوکاتالیست با سطح فعال بسیار بالای خود، بازده واکنش را در مسیر اصلی خود افزایش می دهد. به عبارت دیگر می توان گفت که حجم بالاتری از مواد اولیه به محصول نهایی تبدیل می شوند. مخلوط نهایی واکنش در این حالت بیشتر متشکل از محصول اصلی است و در صد کمی از محصولات جانبی و واکنشگرهای باقی مانده (آن هایی که در واکنش شرکت نکرده اند) وجود دارد. این فرآیند، روند خالص سازی و استخراج محصول (برای مثال یک دارو) را آسان و کم هزینه می کند.
5) استعداد کلوخه ای شدن: نانوذرات در پایدارترین حالت ساختاری خود نیستند، فعالیت سطحی بسیار بالا داشته و از این رو مستعد به هم چسبیدن، کلوخه ای شدن و در نتیجه از دست دادن ابعاد نانو می باشند. اگر فرآیند کلوخه ای شدن برای یک نانوکاتالیست اتفاق بیفتد، فعالیت آن کاهش چشم گیری پیدا می کند و به اصطلاح، غیرفعال می‌شود.
6) تنوع بالا و قابلیت اصلاح شیمیایی: به علت فعالیت سطحی بالا، گروه های مختلف آلی می توانند به سطح نانوکاتالیست ها متصل شوند. ازجهتی فعالیت سطحی بالا باعث می شود تا نانوکاتالیست ها با مواد معدنی نیز کامپوزیت تشکیل دهند. اصلاح شیمیایی نانوکاتالیست ها با اتصال گروه های مختلف تنوع زیادی را در عملکرد آن ها به وجود می آورد.
7) منبع تهیه: نانوکاتالیست های طبیعی در طبیعت وجود دارند و در دسترس هستند. از این دسته می توان به نانوذرات خاک رس و نانوزئولیت ها اشاره کرد. دسته دیگر نانوکاتالیست های سنتزی هستند که توسط بشر تولید می شوند و تنوع زیادی دارند؛ برای مثال نانوذرات اکسید فلزی از این دست هستند]13[.
جدول(2-2) مزایا و معایب نانوکاتالیست
2-2-3- روش های استفاده از نانوکاتالیست فلزی
همانگونه که در بالا ذکر شد، مواد فعال کاتالیستی معمولا ترکیبات نادر و گران بهایی هستند. فلزات گروه پلاتین که به PGM معروفند، شش فلز اوسمیوم (Os)، ایریدیوم (Ir)، رودیوم (Rh)، روتنیوم (Ru)، پالادیوم (Pd) و پلاتین (Pt) را شامل می شود. فلزات PGM گران بها بوده و معروفترین عناصر کاتالیستی هستند. از این رو ارائه روش هایی برای صرفه جویی اقتصادی مناسب همراه با بهبود عملکرد برای چنین کاتالیست هایی ضروری است. روش های زیر در برگیرنده چنین رویکردهایی هستند:
1)ساختارهای پوسته-هسته: در یک نانوساختار، این اتم ها ی سطح هستند که نقش اصلی را بازی می کنند. معمولا اتم هایی که در مرکز یک نانوتوده قرار می گیرند، نقش عملکردی خاصی ندارند. در طراحی یک نانوساختار پوسته-هسته، فلز کاتالیستی گران بها نقش پوسته را بازی کرده و از یک ماده ارزان همچون سیلیکا در هسته استفاده می شود. همچنین می توان از نانوذرات مغناطیسی به عنوان هسته استفاده نمود. در روش پوسته-هسته نه تنها فعالیت کاتالیست تا حد زیادی حفظ می شود، بلکه در مصرف فلزات پرقیمت نیز تا حد زیادی صرفه جویی می‌گردد.
2)استفاده از مواد متخلخل به عنوان بستر: از مواد متخلخلی مثل سیلیکا یا سیلیکاژل (آیروژل سیلیکا که از روش سل ژل به دست می آید)، آلومینا (Alumina) و زئولیت (Zeolite) به عنوان بستر کاتالیست ها استفاده می‌شود. نانوذرات فلزی به صورت یکنواخت روی بستر متخلخل نشانده می شوند تا سطح فعال افزایش یابد. کاتالیست Pt/SiO2 از این دسته است.
3)نانوذرات دوفلزی: در این رویکرد، نانوکاتالیست به صورت آلیاژی از فلز گران  به همراه فلز ارزان قیمت مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از موارد پرکاربرد در این زمینه نانوذرات PtFe آلیاژ آهن و پلاتین است.
4)نانوخوشه های دوفلزی: در نانوخوشه هایی دوفلزی، فلز ارزان در مرکز و فلز گران قیمت کاتالیستی بر سطح وجود دارد. برای مثال نانوخوشه  با مرکز Ni و سطح Pt یه عنوان یک نانوخوشه دوفلزی مطرح است.
5) استفاده از بستر اکسید فلزی: یکی از معمول تر ین اکسید های فلزی که به عنوان بستر برای کاتالیست های گران بها مورد استفاده قرار می گیرد دی اکسید تیتانیوم است. کاتالیست Au/TiO2 نمونه ای از این دست است. اگر اکسیدهایی از فلزات با ساختاری شبکه ای فلوریت مثل CeO2، ZrO2 و ThO2 با ناخالصی هایی از جنس اکسید فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی بهبود یابند، به عنوان بستر کاتالیست مورد استفاده قرار می گیرند. در ساختار فلوریت، آنیون ها در گوشه های یک مکعب کوچک داخل یک مکعب بزرگ از کاتیون ها هستند که کاتیون ها در گوشه ها و وسط وجه های مکعب بزرگ قرار دارند.
6) استفاده از گروه های آلی: ترکیبات آلی می توانند همچون پل، یک نانوذره ی مغناطیسی را به یک نانوذره کاتالیست نادر متصل کنند. این ساختار ترکیبی (کاتالیست مغناطیسی) می تواند پس از انجام واکنش به راحتی با اعمال میدان مغناطیسی خارجی جداسازی شود. برای مثال ترکیب آلی دوپامین که یک ماده شیمیایی طبیعی در سامانه عصبی است، اتم های پالادیوم (کاتالیست) را به نانوذره ی مگنتیت (Fe3O4) متصل می کند.
7)استفاده از ترکیبات کمپلکس: بسیاری از فلزات در یک عدد اکسایش خاص (به صورت یون) دارای فعالیت کاتالیستی می باشند. از آن جهت که یون ها به تنهایی در محیط واکنش ناپایدار می باشند، برای ایجاد پایداری ویا حفظ عملکرد، آن ها را به یک ترکیب کمپلکس تبدیل می کنند. ترکیب کمپلکس، یک ترکیب شیمیایی است که در آن ترکیبات آلی الکترون دهنده به نام لیگاند به مراکز فلزی (دارای کمبود و پذیرنده الکترون) الکترون می‌دهند. لیگاندها معمولا حاوی اتم های الکترون دهنده و یا اتم های دارای زوج الکترون تنها (غیر‌پیوندی) هستند و از این رو می توانند الکترون های خود را در اختیار یون یا اتم های فلزی (که دارای کمبود الکترون هستند) قرار دهند و آن ها را پایدار نمایند. ترکیبات کمپلکس نیز معمولا همچون یون فلزی در محیط واکنش محلول بوده و بسیاری از کاتالیست های همگن ساختار کمپلکسی دارند.از جهت دیگر نانوذرات مغناطیسی می توانند به اتم های آزاد لیگاند متصل شوند. از این رو ترکیبات کمپلکس از یک یون فلزی کاتالیستی می توانند بر سطح یک نانوذره مغناطیسی قرار گیرند. در این صورت کاتالیست کمپلکس شده می‌تواند با اعمال یک میدان مغناطیسی همچون یک کاتالیست ناهمگن در انتهای واکنش جداسازی شود. برای مثال اتصال کمپلکسی از فلز کاتالیستی و گران بهای روتنیوم (Ru) توسط اکسیژن های لیگاند آن به نانوذره‌ی فریت (Fe2O3).
8)جایگزینی فلزات کم بها: مطالعات متعدد در زمینه جایگزینی فلزات گران بها (PGM) با ترکیباتی ارزان تر مثل نانوذرات دی سولفید مولیبدن (MoS2) یا نانوذراتی با زمینه ی آهن در این راستا صورت گرفته است.
9)استفاده از درخت سان: درخت سان ها، ترکیباتی شبه پلیمری هستند که از یک مرکز منشعب شده و ساختار شاخه  ای دارند. پرکاربردترین آن‌ها، پلی-آمیدوآمین (PAMAM) است. نانوذرات کاتالیستی می توانند در داخل حفره های یک درختسان جای گیرند. این کار معمولا برای حفظ فعالیت و به صورت همزمان پایداری نانوذرات کاتالیستی در شرایط واکنش صورت می پذیرد.
10)استفاده از نانوساختارهای متفاوت: برای دستیابی به کاتالیست فعال تر می توان از اشکال مختلف نانوساختاری دیگر مثل نانومیله ها، نانولوله هاو ... نیز استفاده نمود. نانومیله های Co3O4 که سطح فعال بالا و پایداری گرمایی و شیمیایی خوبی دارند به عنوان مثال معرفی می شوند]14[.
2-3- دی اکسید تیتانیوم
تیتانیوم‌دی‌اکسید به عنوان یک فوتوکاتالیزور هتروژن به دلیل ارزانی و فعال بودن از نظر شیمیایی و تولید حفرات اکسنده و همچنین پایداری نسبتا بک فوتوکاتالیزور ایده آل محسوب می شود و ضمن آنکه غیر سمی است و به وسیله سانتریفیوژ یا صاف کردن بازیافت می شود و پس از انجام تصفیه ، آلاینده دیگری بر جای نمی گذارد . اما به هر حال کاربردهای آن در فاز آبی به علت اینکه تیتانیوم اکساید سطح قطبی دارد و در نتیجه جاذب خوبی جهت مولکولهای آلی غیر قطبی نمیباشد محدود می شود . یک راه حل جهت حذف این محدودیت نشاندن آن بر روی بسترهای مناسب است که موجب بهبود خواص کاتالیزوری آن میشود . علاوه بر آن هنگامی که بر روی یک بستر تثبیت شود فعالیت خود را برای مدت طولانی حفظ می کند . از طرف دیگر در سالهای اخیر مطالعات گسترده ای بر روی کاربرد مواد در حالیکه با فوتوکاتالیزور تیتانیم اکساید مخلوط یا پوشش داده شده اند متمرکز شده است. این پوشش ها گاه به عنوان حذف آلاینده های گوناگون موجود در هوا و گاه جهت فوتوکاتایز آلاینده های آلی موجود در آب و فاضلاب به کار می روند]15[.
با گذر از میکروذرات به نانو ذرات ، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می شویم که دو مورد مهم آنها عبارت از : افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ میدهد باعث غلبه یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود این پدیده بر خصوصیات ذره به صورت جدا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد . کوچکتر شدن ابعاد نانو ذرات از طول موج بحرانی نور آن را نامرئی و شفاف می کند . این خاصیت باعث شده است تا نانو ذرات برای مصارف بسته بندی ، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند.
نانو ذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند معمول‌ترین آن ها نانو ذرات سرامیکی نظیر دی‌اکسید‌تیتانیوم ، اکسید‌روی و اکسید‌آهن می باشد.
دی‌اکسید‌تیتانیوم (TiO₂) یک محصول شیمیایی است که در حجم بالا به طور صنعتی تولید و یکی از مواد معدنی است که سالانه بیش از 3.5 میلیون تن در سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد.
دی اکسید تیتانیوم در گروه نیمه رسانا می باشد و خاصیت فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی دارد.
TiO2 در فیلترها ، در پیل های خورشیدی ، به عنوان پایه کاتالیست ، در تولید غشا های غیر آلی ، به عنوان پرکن ها در کاغذ و پلاستیک ، در مواد آرایشی جهت جذب نور خورشید ، به عنوان رنگدانه در رنگها جهت براق کردن آن ها کارایی دارد]16[.
2-3-1-کاربردهای دی اکسید تیتانیوم
در صنایع پوششی، رنگ، پلاستیک، کاغذ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کاربردهای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم از جمله آنها در زمینه حذف آلاینده ها از محیط زیست می‌باشد.
کاربرد دیگر(TiO₂) استفاده از آن در حس گرهای گاز است.
کاربرد حسگرهای گاز، برای اصلاح کنترل ایمنی و محیطی گازها می باشد و همچنین برای بهینه کردن واکنش های سوخت در کاربردهای صنعتی نیاز به این نوع حسگرها است.
حسگرهای گازی از نوع نیمه رسانا نظیر (TiO₂)(SnO₂)(ZnO) مزایای زیادی نسبت به سایر حسگرها دارند چون کاربرد ساده و هزینه کم و قابل اعتماد می‌باشند.
از دیگر کاربردهای TiO₂ استفاده از آن در حسگرهای اکسیژن است.
برای تهیه نانو ذرات TiO₂ از روشهای سل-ژل ، میکروامولسیون ، هیدروترمال , هیدرولیز، شعله، احتراق، چگالش بخارات شیمیایی استفاده می‌شود.
نانو ذرات به دست آمده با استفاده از روشهای مختلف با توجه به شرایط تهیه آنها دارای ویژگی هایی چون اندازه ذرات ، تبلورو دانه بندی می‌باشند.
دی‌اکسید‌تیتانیوم (TiO₂) یک اکسید فلزی نیمه رسانا از نوع (n-type) با باند انرژی حدوداّ سه الکترون ولت می‌باشد.
دی‌اکسید‌تیتانیوم دارای سه فاز کریستالی Anatase، Rutile ،Brookite می باشد که آناتایز و روتایل چهار وجهی و بروکیت هشت وجهی می‌باشد.
آنالیز (TiO₂) نیمه پایدار است به طوری که در دمای بالا به فاز روتایل که پایدار است تبدیل می‌شود .فاز برکیت فقط در دمای خیلی پایین پایدار است.
دی‌اکسید‌تیتانیوم نیمه رسانایی است که علاوه بر خاصیت رسانایی اش دارای خواص فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی نیز می باشد که متمایز از نیمه رساناهای دیگر است]17[ و ]18[.
2-3-2-روشهای سنتز دی اکسید تیتانیوم
تولید نانو ذرات در فاز مایع
تولید نانو ذرات در فاز بخار
روشهای تولید نانو ذرات (TiO₂) در فاز مایع :
1)روش سل-ژل
2)روش میکروامولوسیون
3)روش هیدروترمال
4)روش رسوبی
روش های سنتز نانو ذرات(TiO₂) در فاز بخار: بر پایه پیش ماده می باشد.
الف) اگر پیش ماده به کار گرفته در آن جامد باشد:
1)روش تراکم در گاز خنثی
2)روش تخیله جرقه ای
3)روش برون پاشی یونی
ب)اگر پیش ماده به کار رفته در آن مایع یا بخار باشد :
1)روش شعله
2)روش چگالی بخارات شیمیایی
در روش شعله از ایزوپروپوکساید تیتانیوم و یا از تتراکلرید تیتانیوم (TiCl4) به عنوان پیش ماده استفاده می‌شود]19[.
2-3-3-روش سل-ژل
در روش سل-ژل که در این فرآیند یک شبکه غیر آلی به صورت یک سوسپانسیون کلوئیدی (سل) تهیه شده و در نهایت طی فرآیند تشکیل ژل ، فاز مایع از آن خارج می‌شود. به طور کلی در این روش نانو ذرات درون شبکه یک ژل تشکیل و این امر مانع از رشد بلورها می‌شود در نتیجه بلورها در اندازه نانو باقی می‌مانند.
در این روش از آلکو اکسیدهای فلزی حل شده در محیط الکلی استفاده می‌شود که در مرحله اول سل حاصل طی فرآیند هیدرولیز , که سبب جانشینی گروهای OH به جای گروهای OR می شود , به صورت ژل در می‌آید.
جهت تولید نانو ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم به روش سل_ژل ابتدا واکنش هیدرولیز و پلی کندانسیون آلکواکسیدهای تیتانیوم Ti(OR)n جهت تشکیل اکسو پلیمرها انجام می شود و سپس به یک شبکه اکسیدی تبدیل می‌شود.
کندانسون در مرحله ژله ای شدن و مرحله تکلیس انجام می‌شود.
کندانسیون ذرات ژل را به سمت یکدیگر می کشاند و در نتیجه یک جرم فشرده ای را به وجود می‌آورد و بلور اکسید فلزی به این ترتیب شکل می‌گیرد.
تکلیس نیز سبب خارج کردن مولکولهای آلی از محصول و کاملتر کردن تبلور می‌شود.
تمام این مراحل و موادی که در تهیه نانو ذرات از روش سل_ژل استفاده می شوند بر روی ساختار نهایی، ماهیت کریستالی، مورفولوژی، شکل و اندازه ذرات تاثیر می گذارند.
مواد اولیه ای که جهت سنتز نانو ذرات از طریق این روش مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از : محلول پیش ماده(آلکوکسیدهای تیتانیوم) در یک الکل (ایزوپروپانول یا اتانول) به علاوه اسید یا باز جهت تغییر PH محیط (اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک) و آب دیونیزه شده جهت هیدرولیز پیش ماده.
در برخی موارد آب همراه الکل به پیش ماده اضافه و اسید به طور جداگانه در یک مرحله دیگر به بقیه مواد اضافه می شود و در بعضی مواقع دیگر محلول از آب و اسید تهیه شده و به پیش ماده اضافه می شود.
علت استفاده از اسید یا باز در هنگام سنتز این است که یون H⁺ در محیط های اسیدی و یا یون OH¯ در محیط بازی روی سطح ذرات جذب شیمیایی می‌شوند]20[.
بطور مثال:
8356602598600TiO₂+nH⁺ TiO₂ Hⁿ⁺
9158665216700TiO₂+nOH⁻ TiO₂ (OH)ⁿ⁻
همین امر باعث ایجاد یک نیروی رانش قوی بین ذرات باردار شده و در نتیجه از تجمع ذرات جلوگیری می‌شود. بنابراین سل های پایدار در محیط های اسیدی یا بازی می توانند شکل بگیرند.
طبق مشاهدات اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم در 5/3PH< و 9PH> مقادیر پایین تری نسبت به محدوده 5 الی 8 دارند.
به طوری که در این محدوده PH ، بزرگترین ذرات حاصل شده‌اند که در واقع این محدوده همان نقطه ایزوالکتریک دی‌اکسید‌تیتانیوم می‌باشد و در این محدوده سل ها به رنگ سفید شیری هستند در حالی که برای 5/3PH< و 9PH> سل ها شفاف هستند و اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم درحد نانومتر می‌باشد. عوامل تاثیر گذار روی ژل : نوع پیش ماده ، مقدار آب به کار رفته , سرعتی که آب اضافه می‌شود ، زمان دادن به محلول که همان زمان بین تشکیل ژل و حذف حلال است.
از معایب روش سل_ژل می توان به چند مرحله ای این روش اشاره کرد که مستلزم وقت و هزینه می شود.
از معایب دیگر آن تنوع زیاد مواد اولیه به کار رفته در این روش میباشد به طوری که تغییر هر کدام از این مواد تاثیر زیادی بر روی محصول نهایی می‌گذارد.
از مزایای روش سل_ژل سادگی آن نسبت به بسیاری از روشهای تولید می‌باشد و به راحتی با کنترل دقیق شرایط سنتز , می توان نانو ذراتی با اندازه زیر 10 نانومتر تولید کرد]21[.
2-3-4-پراش اشعه ایکس (XRD) :
با استفاده از XRD می توان اطلاعاتی راجع به فازهای کریستالی موجود در نمونه سنتز شده و میزان خلوص فازها به دست آورد. همچنین این روش تخمینی از اندازه ذرات را نیز به ما می‌دهد . که با استفاده از معادله شرر(scherrer) می توان این مقدار را اندازه گرفت.
بنابر این رابطه , هر چه پیک ها تیزتر باشند نشان دهنده ذرات بزرگتر می باشند.
جهت بهبود ماهیت کریستالی ذرات تولید شده عملیات حرارتی انجام می‌شود.طی این عملیات با افزایش دما ، ساختار آمورف نمونه تهیه شده به کریستال تبدیل می شود که از طریق طیف XRD به این تبدیل ساختار پی می‌بریم و متوجه می‌شویم که در چه دمایی تبدیل آمورف به کریستال رخ می‌دهد.
همچنین با استفاده از XRD می‌توان دمایی که در آن تبدیل آناتایز به روتایل رخ می‌دهد را مشخص کرد که این تبدیل فاز معمولا در محدوده دمایی °500 تا °700 که بر حسب نمونه و شرایط آن رخ می‌دهد.
با افزایش دما پیک ها تیز می‌شوند که این نشانگر افزایش اندازه ذرات می‌باشد و همچنین پیک های فاز روتایل بزرگتر از فاز آناتایز می باشد که این نشانگر آن است که اندازه ذرات روتایل بزرگتر از ذرات آناتایز می‌باشد]22[.
2-4- علف کش بنتازون
بنتارون که با نام تجاری بازاگران توسط کمپانی بی آ اس اف به فروش مى‌رسد، علف‌کشى است که به‌صورت پس از سبز شدن براى کنترل علف‌هاى هرز برگ‌پهن و جنگل‌ها در میان برگ‌باریک‌هاى مهم و حبوبات دانه‌درشت استفاده مى‌شود. این علف‌کش براى کنترل برگ‌پهن‌هاى سخت مزارع و سایر محصولات به‌کار مى‌رود. علف هرز توق حساسیت ویژه‌اى به بنتازون داشته و زمانى‌که ارتفاع آن ۳۰ الى ۴۵ سانتى‌متر باشد، به راحتى توسط آن کنترل مى‌شود. براى کنترل علف‌هاى هرز برگ‌پهن سویا و گیاهان دیگر که به سختى کنترل مى‌شوند از بنتازون استفاده مى‌شود. پس از گذشت ۲ تا ۷ روز از کاربرد بنتازون، علایم بافت‌مردگى و مرگ گیاهان مشاهده مى‌شود. علت عمده مرگ آن ممانعت از فتوسنتز است. به‌نظر مى‌رسد که حرکت علف‌کش در گیاه محدود بوده و براى اینکه گیاه کاملاً بمیرد بایستى به‌طور کامل توسط علف‌کش پوشیده شود، در غیر این‌صورت معمولاً جوانه‌هاى جدید شروع به رشد مى‌کنند. براى اینکه توسط آن بتوان طیف وسیعى از برگ‌پهن‌ها را از بین برد، آن را در مخزن با 2و4 دی آکیفلورفن مخلوط میکنند.
2-4-1-حرکت و نحوه عمل علف کش در گیاهان
بنتازون علف‌کشى است تماسى که به‌صورت پس از سبز شدن براى کنترل انتخابى بسیارى از برگ‌پهن‌ها و جنگل‌ها در غلات و حبوبات دانه‌درشت استفاده مى‌شود. کنترل مطلوب زمانى به‌دست مى‌آید که علف‌هاى هرز کوچک بوده (در مرحله دو تا ده برگی) و در حال رشد سریع باشد. به‌منظور افزایش کنترل معمولاً به آن مواد خیس‌کننده یا مواد روغنى اضافه مى‌کنند. یک تا دو هفته پس از مصرف علایم اثر آن آشکار مى‌شود. مقاومت گیاهان زراعى معمولاً بسیار بالا است. با وجود این بر روى سویا، لوبیا و بادام زمینى برگ‌سوختگى رخ مى‌دهد، اندام‌هاى جدید تولید شده پس از مصرف سم طبیعى بوده و پتانسیل تولیدى گیاهان کاهش نمى‌یابد.
2-4-2-واکنش در خاک
بنتازون در مقادیر پس از سبز شدن در خاک فعالیتى ندارد. این علف‌کش به‌وسیله میکروب‌هاى خاک تجزیه شده و ظرف ۶ هفته به میزان غیر قابل شناسائى مى‌رسد.
2-4-3-گیاهان حساس به علف‌کش
برگ‌پهن‌ها و جنگل‌ها به بنتازون حساس هستند.علف‌هاى هرز برگ‌پهن یک‌ساله که توسط بنتازون کنترل مى‌شوند عبارتند از: آنودا، دودندان، توق، تاتوره، سلمه،کنف وحشی، انواع پیچک، خردل وحشی، تاجریزى خرفه، زلف پیر، زلف پیر بزرگ، سزبانیا، کیسه کشیش، علف هفت‌بند، آفتابگردان وحشى و گاوپنبه.
علف‌هاى هرز چندساله‌اى که توسط بنتازون کنترل یا تضعیف مى‌شوند عبارتند از: تیرکمان آبی، سولیداگو، اویارسلام زرد، بارهنگ،الوکاریس و خارلته.
2-4-4-مصارف اصلی
پس از سبز شدن در سویا، ذرت مرغ، بادام زمینی، لوبیا، نخود زراعی، نعناع و پونه تثبیت شده، استفاده مى‌شود.
پس از سبز شدن در گیاهان چمنى تثبیت شده (چمن بوآ، چمن فستوک، آگروستیس، پنجه مرغی، پاسپالوم، علف چاودار، علف سنت‌آگوستین) براى کنترل اویارسلام زرد استفاده مى‌شود. براى کنترل خارلته و اویارسلام در گیاهان زراعى ذکر شده (به‌استثناء برنج)، مقدار توصیه شده را دو قسمت کرده و با فاصله زمانى ۷ تا ۱۰ روز در گیاهانى که در قسمت الف آمده استفاده مى‌کنیم.
براى کنترل توق در مراحل انتهائى رشد سویا، ذرت و بادام زمینى استفاده مى‌شود. در گیاهان بلند ساقه (تا ارتفاع ۶۰ سانتى‌متر) توق ممکن است به‌طور نسبى کنترل شود.
2-4-5-ساختمان شیمیایی

فصل سوم
مواد و روشها
3-1- دستگاه‌ها
فتورآکتور : (رآکتور طراحی شده سیستم بسته با دو لامپ UV شش وات و تنگستن بیست وات با طول موج بیش از 330 نانومتر)
هم زن مغناطیسی : JENWAY-1000
دستگاه رفلاکس
آون : MEMMERT بامحدوده دمایی 200 درجه سانتیگراد
PH متر : METROHM-744
کوره : EXCITON با محدوده دمایی 1400 درجه سانتیگراد
ترازوی دیجیتالی : SARTOUIOS با دقت 0001/0 گرم
کروزه , هاون چینی
سرنگ فیلتر نانو : Membran.2micron
دستگاه آنالیز FT-IR
دستگاه آنالیز XRD
دستگاه SEM
دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis
3-2- مواد
تمامی مواد شیمیایی مورد استفاده در این کار تحقیقاتی ساخت کارخانه مرک میباشند.
آب دو بار تقطیر دیونیزه شده
آمونیاک با جرم مولکولی g/mol 03/17 , چگالی kg/L91/0 و خلوص 99%
اسید نیتریک با جرم مولکولی g/mol01/63 , چگالی kg/L40/1 و خلوص 65%
تیتانیوم تتراکلرید با جرم مولکولی g/mol71/189 , چگالی kg/L73/1 وخلوص 99%
تترااتیل اورتوسیلیکات با جرم مولکولی g/mol33/208 , چگالی kg/L93/0 وخلوص 98%
ماده زیر ماده مورد آنالیز این کار تحقیقی میباشد که از شرکت گلسم گرگان واقع در استان گلستان تهیه شده است که شرکت گلسم این ماده را از کمپانی BASF آلمان وارد میکند .
علف کش بنتازون با خلوص 97%
3-2-1-تتراکلرید تیتانیوم
تتراکلرید تیتانیم ترکیب معدنی با فرمول TiCl4 است. مهم ترین کاربرد این ماده در تولید فلز تیتانیوم و رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم می باشد TiCl4 یک عضو غیر معمول از متال هالید است که بسیار فرار است. به محض تماس با هوای مرطوب، آن را به شکل ابرهای مات از دی اکسید تیتانیوم و کلرید هیدروژن دیده می شود.در سال حدود 7 میلیون تن فلز تیتانیم تولید می شود که 4 میلیون تن آن از طریق تتراکلرید تیتانیم تولید می شود . با تر کیب تتراکلرید تیتانیم با فلز منیزیم، فلز تیتانیوم و کلرید منیزیم تولید می شود :
2(Mg)+TiCl4 2(MgCl2)+Ti
به جای منیزیم، سدیم مایع به عنوان عامل کاهنده نیز استفاده می شود.
در حدود 90 درصد از تولید سالیانه تتراکلرید تیتانیم صرف تولید رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم می شود. واکنش حاصل از هیدرولیز کردن TiCl4 است که موجب تولید کلرید هیدروژن و دی اکسید تیتانیوم میشود:
TiCl4+2(H2O) TiO2+4(HCl)
در برخی موارد TiCl4 به طور مستقیم با اکسیژن اکسید میشود:
TiCl4+O2 TiO2+2(Cl2)
در ساخت کاتالیست پلی‌اولفین‌ها، روکش محصولات سرامیکی، آلیاژسازی آلومینیوم و ... استفاده می‌شود]23[.

3-2-2-تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS)
تترااتیل اورتوسیلیکات به انگلیسی Tetraethyl orthosilicate با فرمول شیمیایی SiC8H20O4 یک ترکیب‌شیمیایی است. که جرم مولی آن 33/208 می‌باشد. شکل ظاهری این ترکیب، مایع بی‌رنگ است]24[.

3-3- روشها
3-3-1- تهیه نانوکاتالیست TiO2/SiO2
در ابتدا محلول آمونیاک را به صورت قطره قطره به تیتانیوم تتراکلرید اضافه میکنیم تا زمانی که 7PH= شود حجم مصرفی300 میلی لیتر شده است، رسوب سفید رنگی به دست می‌آید که این رسوب را صاف میکنیم و با آب دیونیزه شستشو میدهیم، سپس سوسپانسیونی به حجم500 میلی لیترکه تشکیل شده از رسوب و آب به علاوه اسید نیتریک با نسبت مولی5/0 را در دمای 70 درجه سانتی‌گراد وتحت هم زدن شدید به مدت 24 ساعت در درون دستگاه رفلاکس قرار میدهیم . بعد از گذراندن عملیات فوق یک سل نیمه شفاف حاصل میشود، که در مرحله بعد مقدار مناسبی از تترا اتیل اورتوسیلیکات را به سل حاصل اضافه میکنیم و آن را در دمای70 درجه سانتی‌گراد تحت بهم زدن شدید قرار میدهیم و این کار را در مدت زمان یک ساعت انجام میدهیم، محلول در ابتدا کم کم به حالت ژله‌ای مایل به جامد در می‌آید، سپس ماده نیمه جامد را به درون آون منتقل کرده و در دمای60 درجه سانتی‌گراد خشک میکنیم، در نهایت پودر به دست آمده که به صورت کریستالهای شیشه ای میباشد را در دماهای 400 , 500 , 600 , 800 , 1100 درجه سانتیگراد درون کوره کلسینه میکنیم. اندازه ذرات و فعالیت فوتوکاتالیستی نانوکاتالیستهای تولید شده با استفاده از FT-IR و XRD (طیف سنجی پراش اشعه ایکس) و SEM مورد بررسی قرار دادیم . با استفاده از معادله شرر نانوکامپوزیت ساخته شده در حدود 5/9 نانومتر تخمین زده شده است.
3-3-2- تهیه و طراحی فتورآکتور
در این مرحله, مطابق با شکل (3-1) دستگاهی طراحی کرده ایم که در این فتورآکتور اساس کار سادگی و ایجاد بازدهی بالا خواهد بود.
این دستگاه با طول 50 سانتی متر، عرض 35 سانتی متر، ارتفاع 35 سانتی متر و حاوی هیتر مگنت دار و دارای اتصال حاوی لامپ UV که می تواند دارای ولت های متفاوت بوده و این دستگاه توسط لامپ های تنگستن نیز قرار خواهد گرفت که می تواند ولتاژ های متفاوتی باشد و قابل آزمایش خواهد بود. دیواره های این ظرف از شیشه ای قرارگرفته است که بازتاب نور تابیده شده در ابعاد خواهد بود.

شکل(3-1) فتورآکتور مورد استفاده برای حذف علف کش بنتازون طی فرآیند UV- TiO2/SiO2
3-3-3- حذف سم با استفاده از فتورآکتور
در این مرحله سوسپانسیونی به حجم 100 میلی لیترکه حاوی 200 میلی‌گرم بر لیتر نانوکاتالیست TiO2/SiO2 و 20 میلی‌گرم سم علف کش بنتازون است را تهیه میکنیم. نمونه تهیه شده به داخل فتورآکتور منتقل می‌شود و به مدت نیم‌ساعت به وسیله هم زن مغناطیسی بهم زده می‌شود تا به تعادل برسد . سپس لامپ UV روشن می‌گردد تا نمونه تحت تابش نور UV قرار گیرد . در زمانهای مختلف از سوسپانسیون مورد آزمایش به وسیله فیلتر سرنگی نانویی نمونه برداری کرده و برای تعیین غلظت علف کش بنتازون باقیمانده جذب آن به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 335 نانومتر اندازه‌گیری می‌شود. سپس لامپ فتورآکتور را به لامپ تنگستن تغییر می‌دهیم و سوسپانسیون دیگری به روش بالا تهیه می‌کنیم و همانند روش قبل نمونه دوم را نیز مورد آنالیز قرار می‌دهیم . در این پروژه به منظور اندازه گیری غلظت علف کش بنتازون از طیف UV-Vis این ترکیب استفاده شده است.
فصل چهارم
نتایج
4-1- بحث و نتایج سنتز کاتالیزور TiO2/SiO2 در اندازه نانو
ناحیه پرتو x در طیف الکترومغناطیس در محدوده بین پرتو γ وپرتو فرابنفش قرار دارد. با استفاده از این ناحیه طیفی می‌توان اطلاعاتی در خصوص ساختار , جنس ماده و نیز تعیین مقادیر عناصر بدست آورد. از این رو روشهای پرتو x در شیمی, کاربرد زیادی دارند.
شکل (4-1) طیف XRD نانوکاتالیست سنتز شده را نشان می‌دهد که نشانگر تشکیل فاز آناتاز دی‌اکسید‌تیتانیوم بر روی سیلیس آمورف است.
پیکهای مشاهده شده در زاویه های پراش o21/25 , o05/38 , o05/48 مربوط به فاز آناتاز دی‌اکسید‌تیتانیوم و پیک پهن مشاهده در زاویه پراش o21 مربوط به سیلیس آمورف است. (مطابقت با پیوست 1)
داده‌های XRD در جدول (4-1) آورده شده‌اند.
جدول(4-1) داده‌های XRD نمونه سنتز شده
1,2,3(o)β d(Ao) 2θ1,2,3(o)
0.7872 3.53168 25.2174
0.9446 2.36479 38.0532
0.9600 1.89173 48.0572
اندازه بلورها با استفاده رابطه Scheerer معادله(4-1) حدود 9.5 نانومتر محاسبه شده است.
(1-4) D=KλβcosθD : اندازه نانوذرات = nm 5/9
K : ثابت = 9/0
λ : طول موج اشعه ایکس = AO54/1 = nm154/0
β : پهنای پیک با بیشترین شدت در نصف ارتفاع پیک
θ : زاویه پراش
محاسبات:
β=β02+βi2i=0.001745 oβ
β1=0.013740 --
β2=0.016488 --
β3=0.016756 --
نکته: β برحسب واحد درجه میباشد که برای جایگزاری در معادله شرر باید آن را به واحد رادیان تبدیل کرد.که یک واحد رادیان برابر با 57.29 درجه میباشد.
Cosθ=Cos2θ2D1=10.336128
D2=8.891858
D3=9.056002
با توجه به معادله Scheerer (4-1) خواهیم داشت:
D=D1+D2+D33 → D=9.428 nm
شکل(4-1) طیف XRD نمونه سنتز شده TiO2/SiO2
شکل (4-2) تصویر SEM کاتالیزور TiO2/SiO2 را نشان می‌دهد. همانطور که از شکل مشاهده شده است، ذرات زاویه‌دار بوده است و در اندازه های مختلف تشکیل شده‌اند, شکل(4-3) تصویر SEM یک ذره نسبتا بزرگ و شکل(4-4) تصویر SEM سطح همین ذره را نشان میدهد. همانطور که از این تصاویر مشخص است در سطح ذرات بزرگ, ذرات کوچکتری وجود دارند. آنالیز عنصری این ذرات با استفاده از SEM انجام شده است و نشانگر این است که تمامی ذرات مخلوطی از TiO2 و SiO2 هستند. به عبارت دیگر نانوکاتالیست TiO2/SiO2 در اندازه نانو به صورت خالص تشکیل شده است و فاز ناخالصی در آن دیده نشده است. در تمامی ذرات میانگین نسبت مولی TiO2/SiO2 تقریبا 80/20 و میانگین نسبت وزنیTiO2/SiO2 تقریبا 70/30 است.

شکل(4-2) تصویر SEM نمونه TiO2/SiO2

شکل(4-3) تصویر SEM یک ذره نسبتا بزرگ

شکل(4-4) تصویر SEM سطح ذره نسبتا بزرگ
4-2- طیف FT-IR نمونه سنتزی

شکل(4-5) طیف FT-IR نمونه سنتز شده TiO2/SiO2
پیک مربوط به C-O (کششی)در cm-1 5/1082 مشاهده گردید.
پیک مربوط به C-H(خمشی خارج از صفحه ای)در cm-1 4/585 مشاهده گردید.
پیک مربوط به Si-OC2H5 (کششی) دو نوار با شدت متوسط در cm-19/1620 , 7/1639 مشاهده گردیده است.
پیک مربوط به Ti-Cl(کششی) یک نوار نسبتا قوی در cm-12/2918 مشاهده گردیده است.
4-3- نتایج حاصل از بکارگیری لامپ UV در حذف علف کش بنتازون
شکل‌های (4-6),(4-7),(4-8),(4-9) تغییرات طیفی سم بنتازون را که به مدت 10 ساعت تحت فرآیند فتوکاتالیزی ناهمگن به همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 با غلطت 1 گرم بر لیتر تحت اشعه لامپ UV قرار گرفته است, نشان می‌دهد.
پیکی که در طول موج حدود 370 نانومتر در هر چهار طیف ظاهر شده است مربوط به انتقالات الکترونی π→π* حلقه‌های آروماتیک در ساختار سم بنتازون می‌باشد و به دلیل رزونانس و مزدوج شدن با گروه کربنیل, شدت جذب افزایش پیدا کرده است.
طیف ظاهر شده در شکل (4-6) با مقدار جذب ماکزیمم) (2.00 ε مربوط به محلول مادر بنتازون با غلظت ppm 10 می‌باشد, که در این مرحله نانوکاتالیست اضافه نشده است و همچنین لامپ UV خاموش می‌باشد.
شکل(4-6) طیف UV-Vis محلول بنتازون با غلظت 1 گرم بر لیتر
پیک ظاهر شده در شکل (4-7) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.75 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 2 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-7) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 2 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
پیک ظاهر شده در شکل (4-8) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.60 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 5 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-8) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 5 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
پیک ظاهر شده در شکل (4-9) با مقدار جذب ماکزیمم) (1.10 ε مربوط به محلول بنتازون همراه نانوکاتالیست TiO2/SiO2 که به مدت 10 ساعت تابش دهی نور لامپ UV قرار گرفته است.

شکل(4-9) طیف UV-Vis محلول بنتازون پس از 10 ساعت فتوکاتالیز
با غلظت 1 گرم بر لیتر TiO2/SiO2
جدول(4-2) تغییرات صورت گرفته روی سم بنتازون
درصد مقدار کاهش جذب مقدار جذب ماکزیمم نمونه

MEC233232

معادل pe
دیواره w
فصل اول:
کلیات تحقیق
1-1 مقدمهمحیط متخلخل و پدیده انتقال حرارت و جرم در آن، موضوعی است که توجه بسیاری از محققین شاخه‌های مختلف علوم را به خود معطوف نموده است. روش‌های تجربی، بررسی‌های تئوری و شبیه‌سازی‌های عددی بسیاری که در این زمینه در مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی عمران، زمین شناسی و. . . صورت گرفته است مهر تصدیقی بر ادعای فوق می‌باشد.
به علت کاربرد وسیع و روزافزون محیط متخلخل در زمینه‌های مختلف مهندسی همواره نیاز به مطالعات اساسی درباره‌ی چگونگی انتقال جرم و حرارت در محیط متخلخل وجود داشته است، چرا که بررسی‌های دقیق، ابزاری برای بهبود بخشیدن به سیستم‌های مهندسی حاوی مواد متخلخل و بالا بردن کیفیت و کارایی آنها می‌باشد. از موارد کاربرد فوق می‌توان به عایق‌سازی حرارتی ساختمان‌ها، عملیات حرارتی در زمین، راکتور‌های کاتالیزوری شیمیایی، آلودگی آب‌های زیرزمینی، صنعت سرامیک، تکنولوژی زیست‌شناختی، واحدهای ذخیره انرژی، مبدل‌های حرارتی، خنک‌سازی، وسایل الکترونیکی، مخازن نفتی و نمونه‌های دیگر از این دست اشاره نمود. از طرفی در بسیاری از موارد، کوچک‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت از یک‌سو و افزایش شار حرارتی از سوی دیگر، نیاز به انتقال حرارت در زمان کوتاه و شدت بالا را ضروری می‌سازد. در مواردی که نیاز به انتقال شار حرارتی زیاد از محیط جامد به سیال است، روش‌‌های موجود نظیر تغییر در دینامیک سیال، هندسه جریان، شرایط مرزی و. . . به تنهایی نمی‌توانند از عهده‌ی تقاضای روز افزون کنترل انتقال حرارت در فرآیندهای موجود برآیند. لذا نیاز فوری به مفاهیم جدید و بدیع جهت کنترل انتقال حرارت احساس می‌شود. تکنولوژی نانوسیال پتانسیل بالایی را برای کنترل سیستم‌های مشمول انتقال حرارت در حجم کوچک ارائه می‌دهد. به این معنا که با اضافه نمودن مواد افزودنی به سیال پایه می‌توان در جهت بهبود خواص ترموفیزیکی آن عمل نمود. در این میان میدان‌های مغناطیسی خارجی در بسیاری از جریان‌های طبیعی و صنایع تاثیرگذار هستند. به شاخه‌ای از مطالعات که به اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و سیال هادی در حال حرکت می‌پردازد، هیدرودینامیک مغناطیسی MHD می‌گویند. بررسی این شاخه منوط به دانستن معادلات حاکم بر مغناطیس و سیالات و تاثیر هر کدام از پارامترهای این دو دانش بر یکدیگر می‌باشد. در مطالعه حاضر اثر پدیده MHD بر میدان‌های سرعت، دما و غلظت و هم‌چنین انتقال جرم و حرارت نیز منظور گردیده است.
1-2 مروری بر کارهای گذشتهدر سال 1988 ناکایاما و همکاران حل انتگرالی را برای جریان جابه‌جایی آزاد غیردارسی روی صفحه مسطح عمودی و یک مخروط عمودی در محیطی متخلخل اشباع ارائه دادند[1]. آنها نشان دادند که با افزایش عدد گراشف نرخ انتقال حرارت کاهش می‌یابد. این در حالی اتفاق می‌افتد که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با عدد گراشف رابطه مستقیم دارد و با افزایش آن افزایش می‌یابد.
در سال 1999 مورثی و سنق انتقال جرم و حرارت را روی یک صفحه مسطح عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی بررسی کردند[2]. آنها مشاهده کردند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد شده با کاهش پارامتر شار جرمی یعنی با تغییر حالت مکش به حالت دمش افزایش می‌یابد. با افزایش عدد گراشف ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و غلظت بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی سطح، کاهش عدد گراشف و همچنین با افزایش پارامتر نرخ شناوری، نرخ انتقال حرارت و انتقال جرم بی‌بعد نیز افزایش خواهد یافت.
در سال 2003 وانگ و همکاران با روش تحلیلی هموتوپی انتقال جرم و حرارت را در مجاورت دیوار عمودی واقع در محیطی متخلخل و تحت جابه‌جایی طبیعی و با فرض جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[3]. آنها نشان دادند که پروفیل دمای بی‌بعد، سرعت بی‌بعد و غلظت بی‌‌بعد با ثابت در نظر گرفتن اعداد گراشف، عدد لوئیس و نسبت شناوری با کاهش شار جرمی یعنی انتقال از حالت مکش به حالت تزریق افزایش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که انتقال حرارت بی‌بعد در حالت دمش بیشتر از موارد دیگر است.
در سال 2004 ال-امین اثر پراکندگی را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی در محیطی متخلخل و برای جریان دارسی و غیر‌دارسی بررسی کرد[4]. وی نتیجه گرفت که انتقال حرارت بی‌بعد در جریان دارسی بیشتر از جریان غیر‌دارسی است و با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی انتقال حرارت بی‌بعد کاهش می‌یابد و پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار کاهش می‌یابد و هرچه از ابتدای دیوار دورتر می‌شویم با افزایش پارامتر جریان غیر‌دارسی افزایش می‌یابد. او همچنین نتیجه گرفت که با افزایش ضریب پراکندگی، ضخامت لایه مرزی سرعت کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.
در سال 2006 پال اثر میدان مغناطیسی را بر انتقال حرارت جابه‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیطی متخلخل و با ضریب تخلخل متغییر بررسی کرد[5]. با فرض دمای دیوار ثابت و بالاتر از دمای محیط، وی گزارش داد که ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر میدان مغناطیسی و افزایش اینرسی محلی افزایش خواهد یافت. در حالی که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر میدان مغناطیسی و کاهش اینرسی محلی افزایش می‌یابد.
در سال 2009 مهدی و محمد اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی روی صفحه عمودی موج‌دار در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی بررسی کردند[6]. آنها با ثابت فرض کردن دامنه موج نشان دادند که با افزایش عدد گراشف و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد. همچنین آنها نشان دادند که با کاهش دامنه موج، کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک و کاهش عدد گراشف عدد ناسلت افزایش می‌یابد.
در سال 2009 رشیدی از روش تبدیل دیفرانسیلی برای حل معادلات لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک استفاده کرد[7]. او نشان داد که سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. او همچنین گزارش داد که روش تبدیل دیفرانسیلی برای معادلات لایه مرزی و شرط بی‌نهایت از تقریب خوبی برخوردار نیست و برای ترفیع ناکارامدی این روش از روش دی-تی-ام پده استفاده کرد و نشان داد که نتایج بدست آمده از این روش با نتایج عددی کاملا مطابقت دارد.
در سال 2010 پال به مطالعه انتقال حرارت جابه‌جایی در جریان جا‌به‌جایی ترکیبی روی یک صفحه عمودی گرم شده در محیط متخلخل پرداخت. وی برای حل معادلات از روش رانگ کوتا استفاده نمود[8]. وی با بررسی تاثیر عدد پرانتل و پارامتر اینرسی محلی روی پروفیل دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد نشان داد که با افزایش عدد پرانتل و افزایش پارامتر اینرسی محلی پروفیل‌های دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابند.
در سال 2010 رشیدی و همکاران از روش دی-تی-ام پده برای حل معادلات جابه‌جایی ترکیبی حاکم بر صفحه مسطح مورب و در محیطی متخلخل بهره گرفتند[9]. آنها نتیجه گرفتند که با افزایش شار جرمی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد و سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. همچنین نشان دادند که برای حل معادلات لایه مرزی به روش دی-تی-ام پده، انتخاب یک مرتبه مناسب برای این روش بسیار مهم و تاثیرگذار است.
در سال 2011 گیانگ سان و پاپ جابه‌جایی آزاد در یک کانال مثلثی، در محیطی متخلخل و پر شده از نانوسیال که روی دیوار آن یک فلشر گرما ساز نصب شده است را مطالعه نمودند[10]. آنها از قانون جریان دارسی در محیط متخلخل و از مدل ماکسول برای ضریب هدایت گرمایی نانوسیال‌های مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم استفاده کردند و گزارش دادند که برای عدد رایلی پایین با افزایش کسر حجمی نانوذرات، عدد ناسلت کاهش می‌یابد. از میان نانوذرات مختلف، نانوذره مس نسبت به اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم به دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی بالاتر، عدد ناسلت بالاتری هم داراست. اکسید تیتانیوم نیز به دلیل داشتن ضریب هدایت گرمایی کمتر، عدد ناسلت کمتری دارد.
در سال 2011 کیشن و همکاران انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی طبیعی روی یک سطح عمودی که از هر دو طرف در محیطی متخلخل قرار گرفته است را تحت تاثیر میدان مغناطیسی بررسی کردند. آنها نشان دادند که با افزایش شدت میدان مغناطیسی پروفیل سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد در حالیکه پروفیل دمای بی‌بعد در نزدیکی‌های دیوار افزایش می‌یابد ولی در نقاط دورتر از دیوار کاهش می‌یابد[11].
در سال 2011 حمد به مطالعه‌ی اثر نانوذرات بر جابه‌جایی طبیعی اطراف یک صفحه افقی مسطح و تحت تاثیر میدان مغناطیس پرداخت. وی از نانوذراتی مانند مس، جیوه، اکسید‌تیتانیوم و اکسید‌آلومینیم استفاده کرد[12]. برای نانوسیال آب- مس، با استفاده از مدل ماکسول نشان داد که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک، ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. او همچنین نشان داد که انتقال حرارت بی‌بعد با کسر حجمی نانوذرات و پارامتر مگنتوهیدرودینامیک رابطه عکس دارد و با افزایش این پارامترها کاهش می‌یابد.
در سال 2012 محمودی و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جابه‌جایی طبیعی نانوسیال آب- مس در یک کانال مثلثی مطالعه کردند. آنها برای تاثیر ذرات نانو در هدایت حرارتی سیال پایه از مدل پتل استفاده نمودند[13]. آنها نتیجه گرفتند که عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی و کاهش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک کاهش می‌یابد. آنها همچنین نشان دادند که پروفیل سرعت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی در نزدیکی دیوار افزایش می‌یابد ولی در فواصل دورتر از ابتدای دیوار کاهش می‌یابد. در سال 2012 جشیم یودین و همکاران انتقال جرم و حرارت را بر جریان لغزشی لایه مرزی تحت مگنتوهیدرودینامیک، روی هندسه‌ی صفحه افقی و تحت تولید حرارت مطالعه نمودند[14]. آنها نشان دادند در حالت مکش با افزایش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد و ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد کاهش می‌یابد. اما در حالت دمش رفتار متفاوتی مشاهده می‌شود بطوری که با کاهش پارامتر شار جرمی ضخامت لایه مرزی سرعت و دمای بی‌بعد افزایش می‌یابد.
در سال 2012 نعمتی و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر جریان جابه‌جایی طبیعی نانوسیال در یک محفظه مستطیلی با استفاده از مدل شبکه بولتزمن مطالعه کردند[15]. آنها برای نانوسیال آب- اکسید‌مس نشان دادند که عدد ناسلت متوسط با کاهش عدد هارتمن و افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و همچنین گزارش دادند با افزایش عدد رایلی، عدد ناسلت افزایش خواهد یافت. در نهایت هم با افزودن نانوذرات و هم با افزایش کسر حجمی عدد ناسلت متوسط افزایش می‌یابد.
در سال 2012 جشیم اودین و همکاران جریان لایه مرزی جابه‌جایی آزاد بر صفحه تخت افقی گرم شده در محیطی متخلخل و احاطه شده با نانوسیال را بررسی کردند. مدل استفاده شده برای نانوسیال شامل حرکت براونی است[16]. آنها نشان دادند با افزایش نرخ اینرسی، افزایش پارامتر شار جرمی و افزایش پارامتر حرکت براونی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد افزایش می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر حرکت براونی، افزایش شار جرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد. نرخ انتقال حرارت بی‌بعد نیز با افزایش پارامتر شارجرمی و کاهش عدد لوئیس افزایش می‌یابد.
در سال 2012 رسکا و همکاران جابه‌جایی ترکیبی غیر‌دارسی را بر صفحه افقی در محیطی متخلخل اشباع شده مطالعه کردند. آنها دمای صفحه را در راستای افقی متغیر در نظر گرفتند و از نانوذرات مس، اکسید‌آلومینیم و اکسید‌تیتانیوم با استفاده از مدل ماکسول برای مسئله خود بهره گرفتند[17]. آن‌ها نشان دادند که ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد با کاهش پارامتر جابه‌جایی مرکب، افزایش پارامتر اینرسی و همچنین افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد و ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب نه تنها افزایش می‌یابد بلکه مقدار سرعت در نواحی مجاورت دیواره نیز افزایش می‌یابد. آنها همچنان نتیجه گرفتند که پروفیل سرعت بی‌بعد در نزدیکی دیوار با افزایش کسر حجمی کاهش می‌یابد ولی در انتهای دیوار تاثیرپذیری کمتر دارد و انتقال حرارت بی‌بعد با افزایش کسر حجمی، کاهش پارامتر اینرسی و افزایش پارامتر جابه‌جایی مرکب افزایش می‌یابد.
در سال 2012 واسو و همکاران اثر مگنتوهیدرودینامیک را بر انتقال جرم و حرارت جابه‌جایی آزاد اطراف کره‌ای واقع شده در محیطی متخلخل و تحت جریان غیر‌دارسی مطالعه کردند[18]. آنها نشان دادند که با افزایش پارامتر مگنتوهیدرودینامیک از عدد صفر تا ده ضخامت لایه مرزی دمای بی‌بعد افزایش جزئی می‌یابد ولی ضخامت لایه مرزی سرعت بی‌بعد با نسبت بیشتری کاهش می‌یابد. همچنین با افزایش عدد پرانتل هم پروفیل دمای بی‌بعد و هم سرعت بی‌بعد کاهش می‌یابد. برای نرخ شار جرمی نیز نشان دادند که با افزایش آن ضخامت لایه‌های مرزی مشابه عدد پرانتل کاهش می‌یابند.
1-3 هدف و موضوع تحقیقشرح مسئله: شماتیک مسئله مورد بررسی در شکل(1-1) نمایش داده شده است. محورهای x و y به ترتیب در جهت موازی و عمود به دیواره می‌باشند. u سرعت سیال در جهت x و v سرعت در جهت y می‌باشد. دیواره در دما و غلظت ثابت Cw و Tw و در مجاورت محیطی متخلخل، محتوی نانوسیال آب- Al2O3 و با دما و غلظت C∞ و T∞ قرار گرفته شده است. دیواره می‌تواند نفوذپذیر vw≠0 یا نفوذناپذیر vw=0 باشد. حالت مکش زمانی رخ می‌دهد که مقداری از سیال از لایه‌ مرزی به داخل دیواره کشیده شود و در حالت دمش سیال از دیواره به لایه مرزی تزریق می‌شود. نیروهای حجمی موثر بر مسئله نیروهای گرانش و مغناطیس می‌باشند. اندازه میدان مغناطیسی موثر، ثابت و جهت آن عمود بر دیواره و به سمت آن است. نیروی گرانش نیز به صورت حجمی و در راستای عمودی بر جریان سیال به سمت پایین موثر است. δv، δC و δT نیز به ترتیب ضخامت لایه‌های مرزی سرعت، دما و غلظت می‌باشند. پس از بیان معادلات حاکم بر مسئله، به کمک پروفیل‌های سرعت، دما و غلظت بی‌بعد، به بررسی تغییرات عدد ناسلت و شروود پرداخته می‌شود.

شکل 1- 1 شماتیک مسئله مورد بررسیفرضیات حاکم بر مسئله: جریان آرام، تراکم ناپذیر، غیردارسی و آب و نانوذرات در تعادل گرمایی و غلظتی فرض شده‌اند و شرط عدم لغزش بین آن‌ها حاکم است. کسر حجمی نانوذرات جهت حفظ رفتار نیوتنی در محدوده‌ی φ=0 تا φ=0.06 انتخاب شده است.
می‌دانیم حضور نانوذرات سبب تغییر در خواص ترموفیزیکی سیال پایه بخصوص هدایت گرمایی و ویسکوزیته آن می‌شود. لذا به منظور تاثیر حضور نانوذرات در هدایت گرمایی سیال پایه از الگوی کوو و کلینستروئر استفاده شده است که در آن ضریب هدایت گرمایی نانوسیال به صورت تابعی از دمای نانوسیال، قطر نانوذرات و سیال‌پایه، کسر حجمی و اثرات حرکت براونی نانوذرات می‌باشد[19].
از طرفی با حضور نانوذرات، لزجت دینامیکی نانوسیال نیز طبق رابطه‌ی برینکمن با کسر حجمی متغیر است[20]. دسترسی به سایر خواص ترموفیزیکی نظیر چگالی، ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت، ضریب انبساط گرمایی و. . . . نیز با اعمال کسر حجمی مقدور است[21].
1-4 روش تحقیقپس از یافتن معادلات حاکم بر مسئله به کمک منابع و مقالات مرتبط، بیان شرایط مرزی و اعمال فرضیات، به حل معادلات حاکم بر مسئله به روش تشابهی پرداخته می‌شود. در واقع، به کمک متغیرهای تشابهی معادلات دیفرانسیل جزئی بدست آمده به معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل می‌گردند. سپس دستگاه معادلات حاصل به روش رانگ‌گوتای مرتبه‌ی چهارم و به کمک نرم‌افزار مناسب حل ‌می‌گردند. جهت اطمینان از صحت‌ عملکرد برنامه‌ی کامپیوتری نوشته شده، نتایج حاضر با کار مورثی و همکاران]2[ مقایسه می‌شود. پس از حصول اطمینان از عملکرد برنامه، به ارائه نتایج و بحث و بررسی پیرامون آن پرداخته می‌شود. بخش اولیه نتایج، اختصاص به تغییرات پروفیل‌های سرعت، دما و غلظت تحت تغییرات کسر حجمی φ، پارامتر شار جرمی fw، عدد گراشف Gr، عدد هارتمن Ha و. . . دارد. در بخش‌های بعدی اثرپذیری انتقال جرم و حرارت، تحت تغییر اعداد بی‌بعد و تغییرات شرایط مرزی مورد توجه قرار می‌گیرد.
1-5 مروری بر فصل‌هاپس از شرح مسئله به همراه بیان شرایط مرزی، اهداف کلی پروژه و مروری بر کارهای انجام شده در این فصل، در فصل دوم به معرفی نانوسیال، ویژگی‌ها و روابط حاکم بر خواص آنها پرداخته می‌شود. از آنجایی که محیط مسئله مورد بررسی، محیطی متخلخل است، لازم است فیزیک انتقال حرارت و جریان عبوری در چنین محیط‌هایی به خوبی درک شود. فعالیت‌های مهمی که در این راستا صورت گرفته است، در فصل سوم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در فصل چهارم تحت عنوان "هیدرودینامیک مغناطیسی MHD" به توصیف مختصری از این مبحث و بیان پارامترهای مهم در این حوزه پرداخته می‌شود. سپس قوانین اصلی الکترودینامیک به طور خلاصه گفته شده و در پایان کاربردهایی از هیدرودینامیک مغناطیسی بیان می‌شود.
در فصل پنجم، معادلات حاکم بر مسئله به همراه شرایط مرزی و فرضیات در نظر گرفته شده، بیان می‌شوند. سپس در فصل ششم، این معادلات، به کمک حل‌های تشابهی و با استفاده از نرم‌افزار مناسب حل ‌می‌گردند. بعد از اطمینان از صحت عملکرد برنامه‌ی کامپیوتری، در فصل هفتم به ارائه نتایج و بحث و بررسی پیرامون آن پرداخته می‌شود.
در نهایت در فصل هشتم، دست‌آوردهای این پژوهش ذکر شده و پیشنهادهایی برای پژوهشهای آینده ارائه می‌گردد.
فصل دوم:
نانو سیالات
2-1 مقدمهپیشرفت در صنایع مختلف مانند الکترونیک، خودرو، هوافضا و مانند آن منجر به تولید تجهیزات با اندازه و حجم کوچک و تولید انرژی زیاد حرارتی بر واحد سطح میگردد. با توجه به حجم بالای تولید انرژی حرارتی در اینگونه تجهیزات، خنککاری مناسب در جهت حفظ دمای کاری آنها در محدوده قابل قبول از اهمیت ویژهای برخوردار است. بهمنظور هماهنگی با پیشرفت در این صنایع لازم است که تجهیزات خنککننده با وزن کم، اندازه کوچک و توانایی انتقال حرارت بالا تولید گردند. درنتیجه، بهینهکردن سیستمهای حرارتی همواره مورد توجه محققین بوده است. با افزایش بازده سیستمهای حرارتی میتوان شار حرارتی بیشتری را در یک ابعاد مشخص منتقل کرد و در نتیجه دمای کاری را پایین آورد و یا می‌توان شار حرارتی مشخصی را با استفاده از یک مبدل حرارتی کوچکتر منتقل کرد. راههای متفاوتی برای افزایش بازدهی یک مبدل حرارتی وجود دارد. به عنوان مثال میتوان افزایش سطح، استفاده از هندسههای پیچیده، تولید اغتشاش در جریان سیال و استفاده از سیال عامل مناسب را نام برد.
تاکنون، راههای متفاوتی برای بهبود خواص سیال عامل درون سیستمهای حرارتی ارائه شده است. یکی از این راهها افزودن ذرات فلزی به سیال عامل میباشد. آزمایشها نشان داده است که ضریب هدایت حرارتی فلزات و اکسید فلزات به ترتیب میتواند 10 تا 100 برابر ضریب هدایت حرارتی سیالات مانند آب و روغن باشد. بنابراین، چنانچه ذرات فلزی به سیالات معمولی اضافه گردند، انتظار میرود که ترکیب حاصله ضریب هدایت حرارتی بسیار بالاتری نسبت به سیال پایه داشته باشد. ماکسول نخستین کسی بود که امکان افزایش هدایت حرارتی یک مخلوط جامد ـ مایع را با افزودن کسر حجمی بیشتر از ذرات جامد، نشان داد. او ذرات در ابعاد میکرو و میلیمتر را مورد بررسی قرار داد. اما آن ذرات نسبتا درشت منشأ مشکلات متعددی از قبیل خوردگی، مسدودکردن، افت فشار زیاد و پایداری کم بودند. لذا همواره نیاز به نوع جدیدی از سیال با ضریب هدایت حرارتی بهینه در حالی که از اثرات نامطلوب ناشی از حضور ذرات جامد در آن اجتناب شود، احساس میشد. این نوع جدید سیال که بتواند این نیازهای مهم را برآورده کند ایدهی نانوسیال را تشکیل داد. نانوسیالات، مایعاتی هستند که ذراتی با سایزی معمولاً کمتر از 100 نانومتر به طور یکنواخت و پایدار در آنها حل شدهاند. در سالهای اخیر گزارشهایی که به افزایش قابل توجه ضریب هدایت حرارتی سیال با استفاده از غلظتهای کم از ذرات نانو در داخل سیال اشاره داشتند، باعث شده است توجه شایانی به نانوسیالات در کاربردهای مختلفی از قبیل مبدلهای حرارتی، نیروگاهها و خنک‌کاری ماشینآلات صورت گیرد. با بهکارگیری نانوسیالات و افزایش راندمان حرارتی ناشی از بهبود خواص ترموفیزیکی سیال، امکان کوچکشدن تجهیزات انتقال حرارت فراهم شده است و این روند همواره رو به پیشرفت میباشد.
2-2 مواد مورد استفاده در نانوسیالات
با پیشرفت تکنولوژی امکان تهیه مواد در مقیاس نانومتر مهیا شده است. همهی مکانیزمهای فیزیکی دارای یک مقیاس طولی بحرانی هستند که خواص فیزیکی آنها در مقیاس کوچکتر از مقدار بحرانی، تغییر میکند. با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: 1) افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و 2) ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی. افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازه ذره رخ میدهد، باعث غلبهی رفتار اتمهای واقع در سطح ذره به رفتار اتمهای درونی میشود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر میگذارد. خواص حرارتی، مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی مواد در فاز نانو نسبت به مواد مرسوم با ساختار دانه درشت برتری دارد. همین پدیدهها باعث جلب توجه دانشمندان مواد و مهندسین به بررسی نانوذرات شده است.
نانوذرات مورد استفاده در نانوسیالات از مواد متنوعی مانند فلزات، اکسیدهای سرامیکی، نیمه رساناها، نانوتیوبهای کربنی و مواد کامپوزیتی ساخته میشوند. موادی که عمدتا به عنوان نانوذره بکار میروند، عبارتند از:
اکسیدها:اکسید مس، اکسید سیلیسیم، آلومینا، اکسید تیتانیوم
کربیدها:کربید سیلیسیم، کربید تینانیوم
نیتریدها: نیترید سیلیسیم، نیترید آلومینیوم
فلزات: طلا، نقره، مس، آلومینیوم
غیر فلزات:گرافیت، نانولوله و نانو تیوب کربن
لایه دارها:کربن + مس، آلومینیوم + آلومینیوم
مواد کامپوزیتی:A170Cu30


سیالات مورد استفاده به عنوان سیال پایه عبارتند از:
آب
اتیلن گلیکول
روغن
سیالات زیستی
محلولهای پلیمری
2-3 ویژگیهای نانوسیالاتبا در نظر گرفتن این مسئله که بازده حرارتی مبدلهای حرارتی و یا وسایل خنککاری در صنایع مختلف، برای میزان مصرف انرژی بسیار مهم و حیاتی میباشد، استفاده از تکنولوژی نانوسیالات بسیار تأثیرگذار خواهد بود. هنگامیکه نانوذرات به طور مناسب در سیال پراکنده شوند میتوانند محاسن زیادی علاوه بر افزایش قابل توجه هدایت حرارتی مؤثر داشته باشند. از جملهی این مزایا میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
بهبود پایداری و انتقال حرارت: سطح جانبی نسبتاً زیاد نانوذرات در مقایسه با میکروذرات قابلیت انتقال حرارت بسیار بهتری را فراهم میآورد. میدانیم ذرات ریزتر از 20 نانومتر، 20% از اتمهای خود را روی سطح خود حمل میکنند، همین امر باعث میشود که در تعامل حرارتی بسیار سریع عمل کنند. با این ذرات فوق العاده ریز، نانو سیالات میتوانند به نرمی در ریزترین کانالهای میلی و میکرو جریان یابند.
رفع مشکل انسداد: چون نانوذرات کوچک هستند، جاذبه در مورد آنها اهمیت کمتری می‌یابد و لذا با کاهش شانس تهنشینی آنها یک نانوسیال پایدار خواهیم داشت. ترکیب میکروکانالها و نانوسیالات، همزمان سیالات با رسانایی بالا و سطح انتقال حرارت زیاد را فراهم میآورد. این مزیتی است که در استفاده از ذرات ماکرو یا میکرو به دلیل مسدود شدن میکروکانال وجود نخواهد داشت.
سیستمهای مینیاتوری: تکنولوژی نانوسیال با فراهم نمودن قابلیت طراحی مدلهای حرارتی کوچکتر و سبکتر، از گرایش صنایع کنونی به سمت کوچککردن سیستمها حمایت می‌کند. سیستمهای کوچکشده، مخزن سیالات عامل انتقال حرارت را کاهش داده و منجر به صرفهجویی در هزینهها خواهد شد.
کاهش توان پمپ: در حالات عادی با افزایش انتقال حرارت به دو برابر توسط سیالات متداول، توان خروجی پمپ باید ده برابر افزایش یابد. نشان داده شده است که سه برابر کردن هدایت حرارتی در نانوسیالات، انتقال حرارت در همان وسیله به دو برابر افزایش خواهد یافت و تا زمانی که افزایش ناگهانی در ویسکوزیتهی سیال رخ ندهد توان افزایش یافته مصرفی توسط پمپ در حد معقول باقی خواهد ماند. پس با افزودن درصد حجمی کمی از نانوذرات در رابطه با توان مصرفی پمپ صرفه جویی زیادی رخ خواهد داد.
پایداری بهتر نانوذرات مانع از تهنشینی سریع آنها شده و کاهش احتمال انسداد و خوردگی دیوارههای تجهیزات انتقال حرارت را به دنبال خواهد داشت. رسانایی حرارتی زیاد نانوسیالات به بازده حرارتی بالاتر و هزینههای کمتر منجر میشود. تجهیزات کوچک شده نیاز به مخازن کوچکتر سیالهای عامل دارند و نهایتا سیستمهای حرارتی کوچکتر و سبکتری خواهیم داشت. اجزای کوچکتر منجر به صرفهجویی در سوخت و انرژی، آلایندگی کمتر و محیط زیستی تمیزتر خواهد شد.
2-4 روابط حاکم بر خواص نانوسیال
2-4-1 ضریب هدایت حرارتی
مطالعات مختلفی برای توجیه نمودن افزایش مشاهده شده در میزان ضرایب هدایت حرارتی نانوسیال انجام شده و بر آن اساس روابط مختلفی برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانوسیال ارائه شده است. مدلهای اولیه با فرض عدم وجود سرعت نسبی بین ذرات و سیال پایه و عمدتا برای ذرات با اندازه میکرو و میلیمتر ارائه شدهاند ولی بهتدریج مکانیزمهای مختلف مانند حرکت براونیذرات، ترمو فورسیس، لایه بین نانوذرات و سیال پایه (نانولایه)، زنجیرهای شدن نانوذرات، انتقال فوتون و. . . . جهت مدلسازی ضریب هدایت مؤثر نانوسیال درنظر گرفته شدند.
تعدادی از مدلهای ارائه شده برای محاسبه ضریب هدایت مؤثر نانوسیال در جدول (2-1) ارائه شده است.
جدول 2-1 : مدل‌های ارائه شده برای هدایت حرارتی نانوسیالهامیلتون وکراسر ]21[ knf=kp+ n-1kf-(n-1)(kp-kf)φkp+ n-1kf+ (kf- kp)φkfژوان و همکاران ]22[ knf=kp+ 2kf- 2kp-kfφkp+ 2kf+ kp- kfφkb+ ρpφCp2kT3πrclμیو و چوی ]23[ knf=kpe+ 2kf+ 2(kpe-kf)(1+β)3φkpe+ 2kf- (kpe- kf)(1+β)3φkfآوسک ]24[ knf= kfkp+n-1kf-n-1φ(kf-kp)kp+ n-1kf+φ(kf-kp)در رابطه‌ی همیلتون-کراسر و آوسک، n=3ψ و ضریب شکل تجربی است و ψ کرویت ذره می‌باشد و به صورت نسبت مساحت سطح کرههای هم حجم ذره به مساحت سطح ذره تعریف میشود. در رابطه‌ی ژوان و همکاران rcl شعاع ظاهری زنجیره است و به ساختار زنجیره بستگی دارد. در فرمول پیشنهادی توسط یو و چوی نیز β نسبت ضخامت نانولایه به شعاع ذره اصلی وkpe ضریب هدایت حرارتی معادل میباشد و به صورت زیر به دست میآید:
(2-1) kpe=21-γ+ 1+β31+2γ-1-γ+ 1+β31+2γkpو γ نسبت هدایت حرارتی نانولایه به هدایت حرارتی ذره اصلی میباشد.
در سال (2005) کوو و کلینستروئر با در نظرگیری اثر حرکت براونی ذرات، مدل دیگری را ارائه دادند]19[. هنگام بکارگیری هدایت گرمایی نانوسیال در مطالعه‌ی حاضر الگوی فوق مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر نحوه‌ی دستیابی به این مدل توضیح داده شده است.
مدل کوو و کلینستروئر: از آنجا که ذرات در هنگام حرکت براونی خود مقدار زیادی از سیال را به حرکت درمی آورند، انتظار میرود که بتوان مدل دقیقتری را بر حسب حرکت براونی ذرات ارائه داد. در این مدل تأثیر حرکت براونی که خود تابعی از دما است، مورد بررسی قرار میگیرد. آزمایشها نشان دادهاند که با افزایش دما حرکت براونی ذرات افزایش مییابند و در نتیجه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال افزایش مییابد. برای محاسبه اثر حرکت براونی، ضریب هدایت حرارتی نانوسیال شامل دو قسمت در نظر گرفته میشود. یکی با فرض اینکه تمام نانوذرات ساکن هستند (قسمت استاتیکی ضریب هدایت حرارتی kstatic) و دیگری خواصی که از حرکت براونی ناشی میشوند (kBrownian).
ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بر اساس خواص استاتیکی و براونی به صورت زیر تعریف میشوند:
(2-2) Knf=Kstatic+KBrownianخواص استاتیکی را میتوان با استفاده از روابط و تئوریهای ارائه شده برای مخلوطها بدست آورد. برای تخمین ضریب هدایت حرارتی استاتیکی از رابطه ماکسول (1873) مطابق رابطه‌ی (2-3) استفاده می‌شود:
(2-3) KstaticKf=1+3KpKf-1φKpKf+2-KpKf-1φدر رابطه فوق kf و kp به ترتیب ضریب هدایت حرارتی سیال پایه و نانوذرات میباشند و φ کسر حجمی نانوذرات میباشد.
با دستیابی به رابطه‌ای برای انتقال حرارت ناشی از حرکت براونی ذرات، می‌توان ضریب گرادیان دما را که در واقع همان ضریب هدایت حرارتی براونی (kBrownian) است، به صورت زیر بدست آورد:
(2-4) kBrownian=18πpφρpCpκTρpDlDبا توجه به مقادیر بسیار کوچک عدد رینولدز حرکت نسبی سیال در اطراف یک نانوذره، از نوع جریان استوکس می‌باشد و حجمی از سیال متحرک به شکل بیضی‌گون همراه یک ذره حرکت می‌کند. بنابراین با اعمال حجم موثر جدید به جای حجم ذرات در رابطه kf، رابطه اصلاح شده به صورت زیر خواهد بود:
(2-5) kBrownian=37.52×75×18πpφρpCpκTρpDlDبه منظور اعمال اثر حجمی از سیال عبوری از مرز، یک ضریب اصلاح β و برای تکمیل اثرات دما بر روی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال، تابع مدلسازی f به صورت ضریبی در رابطه‌ی فوق اعمال می‌گردد. بنابراین kBrownian به صورت زیر قابل تعریف است:
(2-6) kBrownian=37.52×75×18πpβφρpCpκTρpDlDf(T,φ,etc)پارامتر f میتواند تابعی از φ، T و خواص سیال باشد. این تابع با استفاده از نتایج آزمایشگاهی به صورت تجربی به دست آورده میشود وبرای نانوسیال مشخص، تابع f تنها تابعی از φ و T می‌باشد.
در محاسبه kBrownian جهت تعیین مقدار lD، باید از شبیه سازی عددی استفاده شود، اما برای سادگی مقدار آن یک فرض میشود و از آنجا که محاسبه تابع f به صورت تجربی است، اثر آن در f منظور می‌گردد. در نهایت، ضریب هدایت حرارتی به صورت رابطه‌ی (2-7) خواهد بود. باید توجه کرد که این رابطه کاملا بر اساس تئوری به دست آمده است.
(2-7) kBrownian=37.52×75×18πpβφρbCpκTρpDlDf(T,φ)در حالت کلی β میتواند تابعی از غلظت، دما، خواص سیال و ذرات باشد. اما در اینجا فرض می‌شود که β تنها تابعی از φ است و وابستگی آن به باقی پارامترها بوسیله تابع f پوشش داده می‌شود. کوو و کلینستروئر مقادیر β را برای چند نانوسیال مختلف به صورت جدول (2-2) ارائه کردند.
جدول 2-2: مقدار ضریب β برای نانوسیالهای بر پایه سیال آبجنس نانوذرات βتوضیحات
هر نوع از نانوذرات 0. 0137(100φ)-0.8229φ<1%اکسید مس 0. 0011(100φ)-0.7272φ>1%اکسید آلومینیوم 0. 0017(100φ)-0.0841φ>1%کوو و کلینستروئر با استفاده از نتایج داس و همکاران ]25[ تابع f را برای اکسید مس به صورت زیر بهدست آوردند:
(2-8) fT,φ=-6.04φ+0.4705T+(1722.3φ-134.63)این رابطه در سادهترین حالت خطی فرض شده است. رابطه فوق با توجه به شرایط آزمایشگاهی داده شده در بازه 1<φ<4 و 300K<T<325K قابل قبول میباشد. با استفاده از نتایج ژائو و همکاران ]26[، با متغیر فرض کردن این تابع بر حسب دما و کسر حجمی نانوذرات، توابع f و β به صورت زیر بدست میآیند:
(2-9) β=0.000244×100φ-0.167831(2-10) f1=4469-29.66T-3736×100φ+0.04905T2 f2=24.26×T×100φ+555.4×(100φ)2-0.03902×T2×100φf3=-3.654×T×100φ3-0.3315×(100φ)3 f4=0.005291×T×(100T)3-0.3315×(100φ)3 f=i=14fi در رابطه بهدست آمده، برخلاف مدل ارائه شده توسط کوو و کلینستروئر تغییرات به صورت خطی درنظر گرفته نشد که این امر به شدت بر دقت تخمین ضریب هدایت حرارتی نانوسیال اضافه نمود. با به دست آمدن این توابع میتوان تغییرات ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بر حسب کسر حجمی نانوذرات و دما بدست آورد.
2-4-2 ویسکوزیته نانوسیالاتتاریخ مدلسازی ویسکوزیته مخلوط آب و ذرات جامد مانند ضریب هدایت حرارتی به سالها پیش باز میگردد. انیشتین اولین فردی بود که توانست با حل معادلات هیدرودینامیکی نانوسیال، مقدار ویسکوزیته مؤثر را برای مخلوطی از آب و ذرات جامد بهدست آورد. انیشتین ]20[ در پروژه - ریسرچخود توانست ویسکوزیته مؤثر مخلوط μnf را برای یک سیال با ویسکوزیته خطی μf، که به آن ذرات ریزی با غلظت کم اضافه شدهاند، محاسبه کند. با این فرض که اثر یک ذره بر روی سیال پایه تحت تأثیر حضور ذره دیگر قرار نمیگیرد (ذرات از هم بسیار دور هستند)، انیشتین رابطه زیر را برای محاسبه ویسکوزیته مؤثر ارائه داد:
(2-11) μnfμf=1+2.5φ از زمان انیشتین تا به حال محققین بسیاری بر پایه این مدل ارائه شده، مدلهای جدیدتری ارائه دادهاند. در پایان‌نامه حاضر برای تاثیر حضور نانوذرات در ویسکوزیته سیال پایه از رابطه برینکمن ]27 [استفاده شده است. وی مدل ارائه شده توسط انیشتین را برای غلظتهای بیشتر ذرات ریز توسعه داد و مدل دیگری را به صورت رابطه زیر ارائه کرد که تا حدود φ=4% قابل استفاده بود.
(2-12) μnfμf=1(1-φ)2.52-4-3 سایر خواص نانوسیالاتبا توجه به این که نانوسیال‌ها نوعی مخلوط به شمار می‌روند، بسیاری از خواص آنها نظیر چگالی، گرمای ویژه و. . . از روابط مخلوط‌ها تبعیت می‌کند و با استفاده از کسر حجمی قابل محاسبه است]12[:
(2-13) ρ nf= ρ f1-φ+ρsφ(2-14) (ρcp) nf= (ρcp) f1-φ+(ρc)sφبا اندازه‌گیری ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه نانوسیال، نهایتا پخش حرارتی آن نیز قابل اندازه‌گیری است:
(2-15) αnf=knf(ρcp)nfفصل سوم:
محیط متخلخل
3-1 مقدمه
می‌توان اذعان داشت که بیشتر موضوعاتی که در پیرامون ما اتفاق می‌افتد، به کمک محیط‌های متخلخل قابل تحلیل و بررسی است. برای مثال در اواخر قرنی که گذشت بیشتر کشورها و سیاست مدارانشان برای بهره‌برداری از روش‌های استفاده از منابع انرژی، غیر از سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای تصمیمات تازه‌ای گرفتند. مثلا انرژی تولید شده توسط جریانات گرم زیرزمینی که می‌تواند برای بعضی کشورها به عنوان منبع انرژی ثانویه مورد استفاده واقع گردد. یک سیستم بسیار موثر برای استخراج انرژی در اینجا فقط از طریق مطالعه سیستماتیک جریان در محیط متخلخل ممکن و میسر است.
امروزه در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مواد متخلخل نقش بسیار مهمی در طراحی و توسعه فرآیندها بازی می‌کنند. به عنوان مثال در صنایع آلیاژسازی هنگام درست کردن آلیاژ، بین فازهای جامد و مایع ناحیه خمیرشکلی وجود دارد که حاوی ذرات جامد و سیال است و می‌توان آن را توسط محیط متخلخل غیرایزوتروپ همراه با نفوذپذیری متغیر در جهات مختلف مدلسازی کرد. سایر کاربردهای صنعتی، نظیر جریان گذرنده از شبکه‌های یک مبدل حرارتی، اکتشاف نفت از منابع زیرزمینی و. . . را نیز می‌توان به کمک محیط‌های متخلخل بررسی و تحلیل نمود. لازم به ذکر است که در بیشتر کاربردهای صنعتی و طبیعی، تغییرات دما و غلظت موجب تفاوت چگالی میان دو مکان شده که این به نوبه خود باعث ایجاد جریان می‌گردد. مثال آن را می‌توان در صنایع جداسازی و رسوب‌گیری، صنایع غذایی و غیره یافت. پدیده‌ای که به عنوان ترکیبی از انتقال حرارت و جرم باشد معمولا از ان به عنوان پخش دوتایی در محیط متخلخل یاد می‌شود. با توجه به اهمیت این موضوع و از طرفی کمی اطلاعات در این زمینه، در آغاز قرن گذشته برای توصیف محیط متخلخل تنها از رابطه ساده دارسی استفاده می‌شد. کم‌کم دانشمندان به سمت مدل‌های بهتر و جامع‌تری روی آورند. امروزه باب این مسئله برای بحث و تحقیق هنوز باز می‌باشد. هم‌اکنون مدل عمومی محیط‌های متخلخل دارای زمینه‌ای بسیار وسیع و گسترده می‌باشد و می‌توان آن را بسته به نوع کاربرد به زیرمجموعه‌های مختلفی تقسیم کرد که بسیاری از این شاخه‌ها نیازمند تحلیل و بررسی هستند. برای مثال، محیط همراه با تخلخل متغیر، وجود اتلاف حرارتی در محیط، ساختارهای نیمه متخلخل، محیط‌های متخلخل غیرهمگن، محیط‌های متخلخل با قابلیت انعطاف‌پذیری، ساختارهای متخلخل موجود در مباحث زمین‌شناسی و. . . . موارد فوق‌الذکر بخش کوچکی از مبحث محیط‌های متخلخل را تشکیل می‌دهد.
در این فصل با توصیف محیط‌های متخلخل، به بررسی معادلات حاکم بر این محیط‌ها پرداخته می‌شود. مطالب این بخش از مرجع ]28[ آورده شده است.
3-2 توصیف محیط‌های متخلخلبرای حل بسیاری از کاربردهایی که در قسمت قبل بیان شد، لازم است فیزیک انتقال حرارت و جریان عبوری از محیط‌های متخلخل بخوبی درک شود. در برخی از کاربردهای مهم این محیط‌ها، مثل فرآیندهای خشک کردن و غیره، محیط متخلخل در تماس با یک سیال تک فازی است. لذا سطح مشترک بین فاز جامد و سیال بسیار مهم می‌باشد که باید به خوبی و به صورت کامل تخمین زده شود. در این راستا فعالیت‌های مهمی جهت مدلسازی ریاضی جریان عبوری از محیط متخلخل صورت گرفته است که جزئیات این مدل‌ها قابل بحث است.
یک محیط متخلخل معمولا به صورت ترکیبی از یک شبکه ماتریسی جامد و حفره‌هایی که درون این شبکه قرار دارند در نظر گرفته می‌شود. این حفره‌ها میتوانند به یکدیگر راه داشته و یا نسبت به هم منفصل و جدا‌جدا باشند. اگر در محیط متخلخلی این حفره‌ها به هم راه داشته باشد و سیالی که به درون این حفره‌ها می‌رود آن‌ها را کاملا پرکند، اصطلاحا این محیط متخلخل، محیط متخلخل اشباع شده نامیده می‌شود. محیط متخلخل اشباع نشده به محیطی گفته می‌شود که سیال در حالت کلی تنها بخشی از فضای موجود در حفره‌ها را پرکرده باشد و تمام حفره‌ها به هم راه ندارند. لذا سیال نمی‌تواند همه‌جا را پرکند. نوعی از محیط متخلخل در شکل (3-1) نمایش داده شده است. همانطور که ملاحظه می‌شود، محیط متخلخل به صورت طبیعی دارای هندسه‌ی نامنظمی است. محیط‌های متخلخلی که در کاربردهای مهندسی یافت می‌شوند، از ذرات جامد مثل ساچمه‌ها یا کره‌ها تشکیل می‌شوند. شکل (3-2) محیط متخلخلی را نشان می‌دهد که از کره تشکیل یافته است.

شکل 3-1: یک نمونه محیط متخلخل طبیعی]28[
.
محیط‌های متخلخل متشکل از ذرات جامد به طور وسیع در صنایع شیمیایی یافت می‌شوند که یکی از مهمترین آن‌ها بسترهای متشکل‌ از ذرات به هم چسبیده در راکتورها و همچنین مواد فیبری شکل می‌باشند. هنگامیکه هوا در فضای حفره‌ای به دام می‌افتد، هدایت حرارتی کل محیط پایین می‌آید و از این محیط می‌توان به عنوان یک عایق حرارتی استفاده کرد که کاربردهای فراوانی دارند.

شکل 3-2: یک نمونه محیط متخلخل استفاده شده در کاربردهای صنعتی]28[3-3 روش‌های میکروسکوپی و ماکروسکوپیتعیین خواص ماکروسکوپی محیط‌های متخلخل موضوع بسیار دشواری است. در نگاه اول به نظر می‌رسد که استفاده از دو استراتژی متفاوت، برای حل مسائل پیچیده محیط‌های متخلخل اشباع شده برای ما میسر باشد. استراتژی اول که ممکن است به ذهن برسد حل دقیق مسئله است. اگرچه استراتژی فوق برای حالات خاص می‌تواند موفقیت‌آمیز باشد ولی جهت توسعه‌ی یک تئوری کلی در محیط‌های متخلخل، کاملا نامناسب است. چرا که هر دو پدیده انتقال حرارت و جریان سیال به شدت وابسته به ساختار ذره‌بینی اجسام متخلخل می‌باشند و از طرفی در حالات کلی، محیط متخلخل دارای ساختار هندسی پیچیده داخلی است. برای نشان دادن این وابستگی به ساختار میکروسوپی، نمونه‌ای از یک جسم متخلخل در شکل (3-3) قابل ملاحظه است.

شکل 3-3: حجم معیار اولیه از محیط متخخل اشباع شده]28[فرض می‌شود این نمونه به اندازه کافی بزرگ باشد تا فرض پیوستگی برای هر دو فاز جامد و مایع معتبر باشد. آنگاه فرموله کردن معادلات بقای انرژی، جرم و مومنتوم در هر دو فاز به فرم دیفرانسیل کاملا معقول به نظر می‌رسد. نتیجه این فرمولاسیون یک سری معادلات دیفرانسیل پاره‌ای کوپل شده به هم می‌باشد. مشکلات هنگام مشخص نمودن شرط مرزی داخلی مابین فاز جامد و مایع آغاز می‌شود. مثلا در مسئله انتقال حرارت هدایتی یک شرط مرزی اساسی، مطابقت شارهای حرارتی و دما در مرز مشترک برای دو فاز است و این شرط مرزی تابعی از شکل هندسی سطح مشترک دوفاز است. در شکل (3-3) پیچیدگی مرز هندسی مابین دوفاز مشخص است. درصورتی که در مواد واقعی، این هندسه بسیار پیچیده‌تر و حتی به صورت سه بعدی است. با این اوصاف می‌توان نتیجه گرفت که آنالیز فرآیندهای انتقالی در محیط‌های متخلخل به طور ذاتی سخت و انجام ناپذیر است. به ناچار باید از دیدگاه ماکروسکوپی بهره گرفت. در این دیدگاه، تمام محیط متخلخل به صورت یک محیط پیوسته که از متوسط‌گیری متغیرهای میکروسکوپی بدست آمده است، در نظر گرفته می‌شود. بنابراین عمل متوسط‌گیری مکانی روی یک حجم معیار که حجم معیار اولیه نامیده می‌شود، انجام می‌گیرد. شکل (3-4) مثالی از یک حجم معیار اولیه است. مفهوم حجم معیار اولیه به طور اساسی برای اولین بار در تکنیک متوسط‌گیری حجمی توسط ویتاکر معرفی شد که هم اکنون پایه‌ای برای کارهای بسیاری است که بر محیط‌های متخلخل صورت می‌گیرد. حجم معیار اولیه باید به گونه‌ای باشد که مقادیر متوسط‌گیری شده مورد نظر مستقل از اندازه حجم اولیه باشد. یعنی اگر مقداری ماده متخلخل به این حجم معیار اولیه اضافه گردد، تغییری در مقدار خواص محلی صورت نگیرد. به عبارتی دیگر طول مشخصه حجم معیار اولیه باید بزرگتر از مقیاس حفره‌ها و کوچکتر از ابعاد منطقه ماکروسکوپی باشد. همانطور که در شکل (3-4) نشان داده شده است.

شکل 3-4: حجم معیار اولیه در محیط متخلخل]28[استفاده از متغیرهای ماکروسکوپی، تعریف خواص موثر را موجب می‌شود که به صورت تجربی جهت اعمال اثرات ساختار ذره‌بینی، تعریف می‌شوند. بسیاری از توسعه‌های تئوری حول این محور دور می‌زند که بتوان فرآیندهای میکروسکوپی را به منظور پیش‌بینی خواص موثر ماکروسکوپی مدلسازی کرد. برای توصیف جریان گذرنده از یک محیط متخلخل در دیدگاه ماکروسکوپی، لازم است متغیرهایی تعریف شوند که توسط آن‌ها بتوان فضایی از محیط متخلخل که برای جریان سیال وجود دارد را محاسبه نمود. یکی از این خواص تخلخل نام دارد و برابر است با نسبت حجم حفره‌ها به حجم کل محیط متخلخل. برای مواد طبیعی تخلخل به صورت معمولی کمتر از 6/0 می‌باشد. برای بستر‌هایی که از ذرات کروی با قطر یکنواخت تشکیل شده‌اند تخلخل می‌تواند در محدوده‌ی 2545/0 تا 4764/0 قرار بگیرد. اگر اندازه این ذرات غیر‌یکنواخت باشد، تخلخل‌های کوچکتر از مقادیر فوق نیز قابل دسترسی است. چرا که ذره‌های کوچکتر حفره‌های بین ذرات بزرگتر را می‌توانند پرکنند. برای موادی ساخته شده توسط بشر، تخلخل می‌تواند به مقدار یک بسیار نزدیک باشد. در جدول (3-1) تخلخل و سایر خواص مواد متخلخل متداول آورده شده است.
جدول 3-1: تخلخل و نفوذپذیری چند محیط متخلخل]29[تخلخل نفوذپذیری(m2) جنس
0. 54 – 0. 43 2×10-12 - 1.4×10-11خاک
0. 37 – 0. 5 2×10-11 - 1.8×10-10شن
0. 49 – 0. 37 1.3×10-14- 5.1×10-14سیلیکات
کسر حجمی حفره‌های متصل به حجم کل محیط، تخلخل موثر نامیده می‌شود. در محیط‌های خمیری شکل ذرات به صورت کامل نسبت به هم ثابت نیستند. لذا تخلخل با تخلخل موثر برابر می‌گردد. هم چنین برای شبکه‌های ماتریسی صلب، تخلخل در اثر وجود گرادیان فشار دچار هیچ‌گونه تغییری نمی‌شود. همانطور که از شکل (3-4) پیداست عمل متوسط‌گیری بر روی حجم معیار اولیه به دو طریق میسر است. یکی متوسط‌گیری روی کل محیط و دیگری متوسط‌گیری روی حجم حفره‌ها. لذا اگر از سرعت روی حجم حفره‌ها متوسط‌گیری کنیم سرعت متوسط ذاتی، v بدست می‌آید. از طرفی اگر برروی کل محیط متوسط‌گیری کنیم سرعت دارسی، V بدست می‌آید. این دو سرعت نسبت به هم مستقل نبوده بلکه توسط رابطه‌ی زیر به هم مربوط می‌شوند.
(3-1) V=εvهم چنین سرعت متوسط بر روی مستطیلی به مساحت∆y∆z از رابطه زیر به دست می‌آید:
(3-2) u=1∆y∆z0∆z0∆yupdydzدر رابطه (3-2)، up، سرعت حفره‌ای در ماده متخلخل است. به علت اینکه ∆y و ∆zدر مقایسه با اندازه سیستم کوچک هستند لذا u را به عنوان مولفه‌ای از سرعت متوسط‌گیری شده سطحی در یک نقطه از جریان در نظر می‌گیرند. مولفه‌های دیگر را می‌توان مشابه رابطه فوق تعریف کرد:
(3-3) v=1∆x∆z0∆x0∆zvpdzdx(3-4) w=1∆x∆y0∆y0∆xwpdxdyبنابراین تحلیل‌هایی که بر روی جریان سیال در محیط متخلخل انجام می‌شود مولفه‌های همین سرعت متوسط‌گیری شده صفحه‌ای خواهد بود. این مبحث درست مشابه مبحث متوسط‌گیری زمانی از مولفه‌های سرعت در مبحث آشفتگی است. به این صورت که هنگام متوسط‌گیری مکانی ممکن است بخشی از اطلاعات از دست برود. بنابراین جواب معادلات حاکم نمی‌تواند تمام شرایط مرزی را ارضاء کند.
3-4 معادلات حاکم در محیط متخلخلمعادله پیوستگی: در ابتدا فرض می‌شود که محیط متخلخل به صورت یک محیط پیوسته بر پایه حجم معیار اولیه بنا شده است. یک سیستم مختصات ثابت بر این محیط در نظر گرفته می‌شود و احجام کنترل معیار نسبت به مقیاس حجم حفره‌ها به اندازه کافی بزرگ انتخاب می‌شود تا مقادیر متوسط وابسته به حجم المان‌ها نباشد. برای بدست آوردن معادله پیوستگی در حجم کنترل کافی است که از بقای جرم با توجه به مقدار تخلخل در محیط استفاده کرد. ابتدا یک حجم کنترل واحد از محیط در نظر گرفته می‌شود. نرخ افزایش جرم سیال درون این حجم برابر است با ∂ερf∂t. شار جرمی خالص به درون حجم کنترل نیز برابر -∇ρfv می‌باشد. با فرض عدم وابستگی تخلخل به زمان نتیجه می‌شود:
(3-5) ε∂ρf∂t+∇ρfv=0برای جریان غیرقابل تراکم، معادله پیوستگی برای یک محیط متخلخل، درست مشابه معادله پیوستگی برای جریان با سیال آزاد است.
لذا برای جریان غیرقابل تراکم:
(3-6) ∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0معادله مومنتوم: هنگامیکه جریان سیال از محیط متخلخل عبور می‌کند، ذرات جامد نیرویی بر سیال وارد می‌کنند که طبق قانون سوم نیوتن درست برابر نیروی پسای وارد بر ذرات جامد و در جهت مخالف آن می‌باشد. این نیرو باید با گرادیان فشار به تعادل برسد. بنابراین برای جریان گذرنده از یک حجم کنترل در هر جهتی خواهیم داشت:
نیروی خالص لزج وارد بر حجم کنترل = تفاوت مومنتوم سیال خروجی با ورودی
نیروی فشار خالص وارد بر حجم کنترل + نیروی پسای وارد بر ذرات حجم کنترل - (3-7) نیروی شناوری خالص + در سال 1856 که برای اولین بار مدل مشهور دارسی مطرح شد، این مدل تنها مدل قابل دسترسی برای بیش از پنجاه سال بود. اکنون نیز این مدل را برای حل بسیاری از جریانات داخل محیط‌های متخلخل استفاده می‌کنند. درحقیقت این مدل امروزه به ویژه برای کاربردهای جریانات داخلی زمین به کار می‌رود. آنچه که در مورد مدل دارسی واضح است این است که این مدل برای تمام جریانات موجود در محیط‌های متخلخل جواب مناسب را نمی‌دهد. زیرا در این مدل فرض شده که سرعت جریان پایین است که به تبع آن می‌توان از تغییرات مومنتوم و نیروهای لزجت در برابر نیروی پسای وارد بر ذرات صرفنظر کرد. لذا دانشمندان شروع به دادن پیشنهادات برای اضافه کردن جملاتی به این مدل کردند.

شکل3-5: حجم کنترل در نظر گرفته شده]27[در این مدل اگر جریان گذرنده از یک حجم کنترل مانند شکل (3-5) باشد آنگاه:
نیروی پسای وارد بر ذرات در حجم کنترل در هر جهت = نیروی فشاری خالص بر حجم کنترل
(3-8) نیروی شناوری + همانطور که مشخص است در رابطه‌ی فوق از نیروهای حجمی صرفنظر شده است. در این حالت برای جهت x، از معادله (3-2) می‌توان نوشت:
(3-9) ρdydz-p+∂p∂xdxdydz=DfxDfx در رابطه (3-9) برابر نیروی پسای خالص می‌باشد. بنابراین:
(3-10) -∂p∂x=Dfxdxdydz=DxDx: نیروی پسا بر واحد حجم در جهت x می‌باشد و با توجه به فرضیاتی که در این مدل مطرح شد سرعت سیال بر روی ذرات کم می‌باشد. بنابراین عدد رینولدز بر پایه اندازه ذره بسیار کوچک خواهد بود. لذا جریان گذرنده از ذرات از نوع جریان استوکس یا جریان لغزشی است. در این نوع جریانات، نیروی پسای وارد بر یک جسم متناسب با سرعت عبوری از جسم و لزجت سیال μf است. بنابراین Dxدر معادله (3-10) متناسب با uμf است. پس می‌توان رابطه (3-10) را به صورت زیر نوشت:
(3-11) uμf=-Kx∂p∂xدر رابطه فوق Kx ضریب تناسب است. رابطه فوق به عنوان قانون دارسی یا مدل دارسی معروف است. همچنین K نیز نفوذپذیری محیط متخلخل می‌باشد. آنچه که لازم به ذکر است این است که ضریب K مستقل از طبیعت سیال و وابسته به تعداد ذرات موجود در واحد حجم و شکل و اندازه ذرات دارد. معادله (3-11) را نیز می‌توان به صورت زیر نوشت:
(3-12) u=-Kxμf∂p∂xبرای محیط‌های متخلخل ایزوتروپ، K در هر جهتی یکسان است که در حالت کلی با توجه به اینکه ذرات تشکیل دهنده کروی نیستند و هر کدام در یک جهت قرار می‌گیرند این امر اتفاق نمی‌افتد. هنگامیکه فرضیات مربوط به مدل دارسی در نظر گرفته می‌شود و از اثرات نیروهای شناوری صرفنظر می‌شود هیچگونه ورتیسیتی در جریان نمی‌تواند تولید شود. چرا که تنها نیروهای وارد بر سطح یک حجم کنترل فقط نیروهای فشاری می‌باشند که عمود بر سطح کنترل عمل می‌کنند. بنابراین توزیع سرعت در جریان دارسی به صورت جریان غیرچرخشی خواهد بود. یعنی درست مانند آنچه که در جریان پتانسیل موجود است. بعلاوه از آنجائیکه از اثرات لزجت صرفنظر شده است، لذا شرط عدم لغزش در مرز در این مدل قابل اعمال نیست. به طور مشابه مدل دارسی در سایر جهت‌ها مولفه‌های سرعت زیر را می‌دهد:
(3-13) v=-Kyμf∂p∂y(3-14) w=-Kzμf∂p∂zبا وجود اینکه قانون دارسی بسیاری از جریانات موجود در محیط‌های متخلخل طبیعی را توصیف می‌کند، اما برای جریانات با سرعت بالا یعنی اعداد رینولدز (برپایه اندازه ذره موجود در محیط متخلخل) جوابگو نیست. با توجه به کمبودهایی که در مدل دارسی مشاهده می‌شد، دانشمندان را بر این واداشت تا یکسری جملات غیرخطی را که اعتبار آنها از آزمایش بدست آمده به معادله دارسی اضافه و آن را اصلاح کنند. اما هم‌اکنون توضیح فیزیکی موجود برای جملات غیرخطی به طور کامل درک نشده است.
بعضی از محققین بر این باورند که با متوسط‌گیری از نیروهای پسای میکروسکوپی می‌توان به تئوری غیرخطی ماکروسکوپی برای جریان دست یافت. اما متوسط‌گیری از جملات اینرسی میکروسکوپی، نوعا در شرایط محیطی قابل صرفنظر است. واضح است نیازی که سیال برای جریان یافتن دور ذرات دارد منجر به یک کاهش در چسبندگی طرح شکل مومنتوم سیال می‌شود. بنابراین از نظر مقیاس ماکروسکوپی نرخ انتقال مومنتوم در جهت عرضی بردار سرعت نفوذ، ناچیز است. از توضیح فیزیکی این محققین به طور غیرمستقیم، جملات غیرمعمولی معمولا توسط معادله معروف فورشهیمر، معرفی می‌شوند.
(3-15) ∇p=-μKV-CFK-12ρfVVدر رابطه فوق CF ثابت بی‌بعد پسای شکل می‌باشد. از طرفی با توجه به انتقال به ناحیه آشفتگی در مقیاس حفره‌ای می‌توان نتیجه گرفت که ضریب CF با سرعت تغییر می‌یابد. برای یک دامنه محدود شده می‌توان فرض کرد که رابطه CF با سرعت، خطی باشد. این به معنای آن است که پسا با توان سوم سرعت رابطه پیدا می‌کند. در سال 1947 برینکمن مدل تازه‌ای ارائه داد که از ساختار کره‌های به هم چسبیده درست شده بود. او موفق شد رابطه بین نفوذپذیری و تخلخل را بیابد. سپس او معادله‌ای برای برای رابطه خود ارائه داد که به معادله برینکمن شهرت یافت.
(3-16) ∇p=-μKu+μeε∇2uهمانطور که از رابطه فوق ملاحظه می‌شود ما دو جمله لزج داریم. اولی که همان جمله معروف دارسی است و دومی مشابه با جمله لاپلاس ظاهر شده است در معادله ناویر- استوکس است. ضریب μe یا μ در رابطه فوق همان ضریب لزجت موثر است و برینکمن آن را با لزجت معمولی برابر گرفت. که در حالت کلی این چنین نیست. آنچه که باید در معادله (3-16) مطرح شود نحوه استخراج آن است. در حقیقت این رابطه تنها برای محیط‌های با تخلخل بالا (بزرگتر از 6/0) صادق است. از طرفی مشکل دوم که در استفاده از معادله برینکمن با آن مواجه می‌شویم مربوط به مقدار لزجت موثر است. این ضریب وابسته به هندسه محیط است ولی متاسفانه به صورت آزمایشگاهی مستدل نشده است و امروزه یکی از موضوعات تحقیقی است.