کتاب نانو ذرات و خصوصیات عملکردی و زیست محیطی بتن آسفالتی

فصل 1 9
نانوذرات چیست؟ 9
نانوذرات و دیگر علوم 12
مهندسی ژنتیک و نانوذرات 13
نانوذرات در بیولوژی و ژنتیک 13
جابه جایی سلول‌ها توسط نانو ذرات 13
طرح شماتیک انتقال سلول‌ها توسط نانوربات‌ها 13
نانوذرات در پزشکی 14
گذار بین نوارهای انرژی 23
پلاسمون سطحی موضعی 26
برهم‌نهی امواج 29
پراکندگی نور 32
خواص مغناطیسی مواد در مقیاس نانو 33
فصل2 41
بتن آسفالت چیست 41
انواع بتن آسفالتی 41
آسفالت گرم 41
انواع آسفالت گرم 42
آسفالت حفاظتی 43
انواع آسفالت‌های حفاظتی 43
کاربرد آسفالت حفاظتی 43
انواع آسفالت سرد 44
دامنه آسفالت سرد 44
کاربرد بتن آسفالتی 45
انواع مصالح سنگی آسفالت 45
ویژگی‌های مصالح سنگی بتن آسفالتی 46
حمل و پخش آسفالت 47
پخش آسفالت 48
عمل‌آوری آسفالت 50
افزودنی‌‌ پلیمری به بتن آسفالتی 52
عوامل تاثیر گذار روی مخلوط‌های آسفالتی 53
اصلاح کننده‌های پلیمری قیر 54
پلاستیک‌ها 55
لاستیک‌ها یا الاستومرها 55
ترکیبی (الاستمر و پلاستومر) 56
ترموپلاستیک الاستومرها 56
کاربرد ذرات نانو در بتن 57
کاربرد مواد نانو در ساختمان سازی 57
فصل 3 63
رابطه فناوری نانو و معماری 63
نانو شیشه 64
شیشه‌های ضدانعکاس 64
نقش نانو در بهبود کیفیت بتن 68
بهبود خواص سیمان و بتن 70
بتن با عملکرد بالا 71
نانو سیلیس آمورف 71
سیمان‌های الیافی 72
چالش‌های نانو تکنولوژی در صنعت بتن 72
بررسی اثر افزودن نانو ذرات بر پارامترهای مقاومت و پایداری بتن خود تراکم 73
خواص بتن خود تراکم 74
انواع بتن خود تراکم 75
طرح اختلاط بتن خود تراکم 75
کاربرد بتن خودتراکم 77
پایداری بتن خود تراکم 78
کاربرد نانوتکنولوژی در بتن 80
فصل 4 81
نانو افزودنی ویژه قیر برای مقاوم سازی سطح آسفالت 82
کاربرد نانو ذرات در روسازی آسفالتی 83
نقش نانو در بهبود کیفیت بتن 85
چالش‌های نانو تکنولوژی در صنعت بتن 86
کاربرد نانو فناوری در بتن 87
نانورس 88
نانوسیلیس 88
نانوذرات اکسید آهن: 89
منابع و مآخذ 97

 

 

نانوذرات چیست؟

نانوذره، ذره کوچکی است که اندازه و امتداد آن می‌تواند در هر 3 بعد بین 1 تا 100 نانومتر باشد. این ذره توسط چشم انسان قابل‌شناسایی نیست و می‌تواندخواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به ذرات بزرگ‌تر، از خود نشان دهد.

این کلمه از دو واژه یونانی و لاتین که به معنای کوتوله و ذره تشکیل شده است.

از طرفی دیگر، نانوذرات می‌توانند از ده‌ها یا صدها اتم یا مولکول با اندازه‌ها و مورفولوژی‌های مختلف (آمورف، کریستالی، کروی شکل، سوزنی شکل و…) ساخته شده باشند. اغلب نانوذرات که به طور تجاری مورداستفاده قرار می‌گیرند، به شکل پودر خشک، مایع و یا به‌صورت ترکیب شده در یک محلول آلی یا آبی به شکل سوسپانسیون یا خمیری می‌باشند.

نانوذرات چگونه ساخته می‌شوند؟

از نظر روش ساخت به دودسته طبیعی و مصنوعی تقسیم‌بندی می‌شوند:

نانوذرات آزاد (طبیعی): از طریق شکستن ذرات بزرگ‌تر یا با فرایندهای مونتاژ کنترل شده تشکیل می‌شوند.

پدیده‌های طبیعی (فوران آتشفشان یا آتش‌سوزی جنگل‌ها) و بسیاری از فعالیت‌های صنعتی و خانگی انسان مانند پخت‌وپز، تولید یا حمل‌ونقل جاده‌ای و هوایی، نانوذرات را ایجاد و وارد جو می‌کنند.

نانوذرات طبیعی همچنین شامل دانه‌های ماسه بسیار ریز با منشأ معدنی (مانند اکسیدها، کربنات‌ها) نیز هستند.

اما لازم به ذکر است که منشأ نانوذرات صرفاً زمینی نمی‌باشد و توسط بسیاری از فرایندهای کیهانی بر روی اتمسفر زمین ریخته می‌شوند.

نانوذرات مصنوعی: این ذرات را می‌توان از هر ماده جامد یا مایع از جمله فلزات، دی‌الکتریک‌ها و نیمه‌هادی‌ها ساخت و همچنین ممکن است از نظر داخلی همگن یا ناهمگن باشند.

از جمله روش‌های تولید مصنوعی نانوذرات می‌توان به مورد زیر اشاره نمود:

تراکم گاز، ساییدگی، رسوب شیمیایی، کاشت یون، پیرولیز، رادیولیز و سنتز هیدروترمال

که به طور مختصر به 3 مورد از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

تراکم گاز بی‌اثر اغلب برای تولید نانوذرات فلزی استفاده می‌شود. این فلز در یک محفظه خلأ حاوی اتمسفر رقیق شده و یک گاز بی‌اثر تبخیر می‌شود. چگالشِ بخارِ فلزِ فوقِ اشباع، منجر به ایجاد ذراتی به‌اندازه نانومتر می‌شود که می‌توانند در جریان گاز بی‌اثر وارد شوند و روی یک بستر رسوب کنند یا در محل موردمطالعه قرار گیرند.

در روش رادیولیز، نانوذرات می‌توانند با استفاده ازشیمی تشعشع تشکیل شوند. رادیولیز از پرتوهای گاما می‌تواند رادیکال‌های آزاد بسیار فعال را در محلول ایجاد نماید.

پیرولیز روش دیگر برای ایجاد نانوذرات، تبدیل یک ماده پیش ساز مناسب، مانند گاز (مثلاً متان) یا آئروسل، به ذرات جامد با احتراق یا تجزیه در اثر حرارت است.

این تعمیم سوزاندن هیدروکربن‌ها یا سایر بخارات آلی برای تولید دوده است.

شرایط تولید و واکنش تعریف شده در به‌دست‌آوردن ویژگی‌های ذرات بسیار مهم است. اندازه ذرات، ترکیب شیمیایی، تبلور و شکل را می‌توان با دما، مقدار pH، غلظت، ترکیب شیمیایی، تغییرات سطحی و کنترل فرایند در دست گرفت.

دو استراتژی اساسی برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود که به نام‌های از بالابه‌پایین و از پایین‌به‌بالا شناخته می‌شوند به‌طورکلی، اصطلاح بالابه‌پایین به خردکردن مکانیکی ذرات بزرگ با استفاده از فرایند آسیاب اشاره دارد درحالی‌که استراتژی پایین‌به‌بالا، ساختارهای کوچک تشکیل‌دهنده را توسط فرایندهای شیمیایی به هم متصل می‌کند.

 

نانومواد را می‌توان بر اساس مواد تشکیل‌دهنده به چهار نوع دسته‌بندی کرد:

1. نانومواد بر پایه معدنی (شامل نانومواد مختلف فلزی و اکسید فلزی)
2. نانومواد مبتنی بر کربن
3. نانومواد مبتنی بر آلی
4. نانومواد مبتنی بر کامپوزیت

دقیقاً نانوذره چه مقیاسی دارد؟

برای تشخیص نانوذرات از مقیاس D استفاده می‌شود که به شرح زیر است:

نانومواد صفر بعدی (D0): این مواد دارای اندازه‌های نانومتری در سه بعد خود هستند این بدین معناست که واحد اندازه‌گیری آن‌ها از نانو بزرگ‌تر نمی‌شود (ابعادی بزرگ‌تر از 100 نانومتر ندارند.)

نانومواد تک‌بعدی (D1): یک بعد خارج از مقیاس نانو است. این دسته شامل نانولوله، نانو میله و نانوسیم‌ها می‌باشد.

نانومواد دوبعدی (D2)، دو بعد خارج از مقیاس نانو است که دارای اشکال صفحه مانند شامل گرافن، نانوفیلم، نانولایه و نانوپوشش هستند.

نانومواد سه‌بعدی (D3) موادی هستند که در هیچ ابعادی محدود به مقیاس نانو نیستند. این دسته می‌تواند حاوی پودرهای حجیم، بسته‌های نانوسیم و نانولوله‌ها و همچنین چند لایه نانو باشد.

بررسی خواص و کاربرد نانوذرات

خواص یک نانوذره به‌شدت، تحت‌تأثیر مراحل اولیه هسته‌زایی فرایند سنتز می‌باشد. برای مثال، هسته‌زایی برای اندازه نانوذره حیاتی بوده و باید به این نکته دقت شود که شعاع بحرانی در مراحل اولیه تشکیل جامد رعایت شود، در غیر این صورت ذرات دوباره به فاز مایع تبدیل می‌شوند. شکل نهایی یک نانوذره نیز با هسته‌زایی کنترل می‌شود. مورفولوژی‌های نهایی احتمالی ایجاد شده توسط هسته می‌تواند شامل ذرات کروی، مکعبی، سوزنی شکل، کرم شکل و بیشتر باشد. هسته را می‌توان عمدتاً توسط زمان و دما و محیط سنتز به‌طورکلی کنترل کرد. خواص آن‌ها اغلب به طور قابل‌توجهی با ذرات بزرگ‌تر یک ماده متفاوت است.

واکنش‌پذیری بالای آن‌ها نقطه ذوب را کاهش می‌دهد، به‌طوری‌که استفاده از مواد خامِ نانوذرات باعث، کاهش دمای پخت در مورد سرامیک‌ها می‌شود.

مهم‌تر از آن، کامپوزیت‌ها (جامدهای متشکل از مواد مختلف) در طول فرایند سخت شدن کمتر چروک می‌شوند که برای مثال یک ویژگی مهم در پروتزهای دندانی است.

ترکیب یک نانوذره خاص می‌تواند بسیار پیچیده بوده و بسته به اینکه چه رفتاری با سایر مواد شیمیایی یا ذرات داشته باشد، طول عمر آن متغیر است. فرایندهای شیمیایی در سطوح نانوذرات بسیار پیچیده و تا حد زیادی ناشناخته باقی می‌مانن.

نانوذرات روش‌های مختلفی برای تعامل با یکدیگر دارند. آنها بسته به نیروهای تعاملی جذاب یا دافعه بین آنها می‌توانند آزاد بمانند یا به هم بپیوندند. نانوذرات معلق در گاز تمایل بیشتری به چسبیدن به یکدیگر نسبت به مایعات دارند.

نانوذرات را به دلیل بازه طول موج‌هاینور مرئی (۴۰۰–۷۰۰ نانومتر) نمی‌توان با میکروسکوپ‌های نوری معمولی دید و نیاز به استفاده از میکروسکوپ الکترونی یا میکروسکوپ‌های لیزری دارند، به همین دلیل، پراکندگی نانوذرات در محیط‌های روشن می‌تواند شفاف باشد، درحالی‌که ذرات بزرگ‌تر معمولاً مقداری یا تمام نور مرئی را که بر روی آن‌ها فرود می‌آیند پراکنده می‌کنند.

نانوذرات غیر کروی (مانند منشورها، مکعب‌ها، میله‌ها و غیره) خواص وابسته به شکل و اندازه (هم شیمیایی و هم فیزیکی) را نشان می‌دهند.

(ناهمسانگردی) نانوذرات غیر کروی مانند طلا (Au)، نقره (Ag) و پلاتین (Pt) به دلیل خواص نوری شگفت‌انگیزشان کاربردهای گوناگونی دارند نانوذرات ناهمسانگرد یک رفتار جذبی خاص و جهت‌گیری ذرات تصادفی را در زیر نور غیرقطبی نشان می‌دهند.

نانوذرات و دیگر علوم

نانو بیوتکنولوژی اصطلاحی است که به تلاقی بین نانوتکنولوژی و بیولوژی اطلاق می‌شود. نانو بیوتکنولوژی به یک کاربرد خاص از نانوتکنولوژی اطلاق می‌شود که به ساخت ابزارهای جدید جهت مطالعه‌ی سیستم‌های بیولوژیک نیز گفته می‌شود.

مهندسی ژنتیک و نانوذرات

نانو وکتورها، حامل وکتورهایی نظیر ویروس‌های اصلاح شده‌اند که روی دستگاه ایمنی بدن تأثیراتی دارند، بنابراین انجام تحقیقات روی ساخت ذرات نانو که قابلیت حمل ژن‌ها را داشته باشند از ملزومات است. در حال حاضر محققان از نانو حامل‌های غیر ویروسی برای انتقال داروها و DNA به درون سلول‌های حیوانی و انتقال ژن‌ها در گیاهان استفاده می‌کنند.

چند ابزار میکروسکوپی در تشخیص پروتئین با استفاده از ذرات طلا و رنگ وجود دارد که می‌توانند به سلول‌های متخلف متصل شده و در اسکن‌ها یا دوربین‌ها ظاهر شوند.

نانوذرات در بیولوژی و ژنتیک

نانوذرات جدید با کارایی بسیار بالا تولید می‌شود که برای نشان‌دار کردن مولکول‌های زیستی مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد. پیشرفت‌های اخیر در زمینه فناوری نانوذرات طلا، باعث ایجاد کاوشگرهای جدید با ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند حساسیت بهتر و نفوذ بیشتر به داخل بافت‌ها می‌شود. از جمله کاربرد نانوذرات طلا در شناسایی جهش‌های نقطه‌ای و جداسازی و تشخیص پروتئین‌های هدف در بیماری‌های ژنتیکی می‌باشد.

به‌علاوه، در فناوری RNA تداخلی RNAiیا interference RNA )با طراحی ریز مولکول

‌های زیستی RNA به طور اختصاصی محصولات ژنی بیماری‌زا را مورد هدف قرار می‌دهد.

جابه جایی سلول‌ها توسط نانو ذرات

طرح شماتیک انتقال سلول‌ها توسط نانوربات‌ها

در بررسی ساختار DNA، کدگذاری رنگ‌ها بخش مهمی از فرایند تعیین توالی‌ها می‌باشد.

این یک نقشه بصری از ژن‌ها و پروتئین‌ها را ارائه می‌دهد که شناسایی توالی‌ها، نقص‌ها و ناهنجاری‌ها را بسیار آسان‌تر می‌کند. مشکل سیستم قدیمی رنگ‌ها این است که تعداد رنگ‌های زیادی برای استفاده در هر بار رنگ‌آمیزی وجود داشت. این سیستم جدید از یک سری نیمه‌هادی‌های مرکب برای دستکاری آزادانه‌تر و ترکیب رنگ‌ها برای ایجاد الگوها و رنگ‌های جدید استفاده می‌شود.

حتی می‌توان از فلورسنت برای رنگ‌آمیزی در این روش استفاده کرد. مطالعات اخیر طیف وسیعی از رنگ‌ها و شدت‌ها را نشان می‌دهد که بیش از یک میلیون ترکیب کدگذاری را امکان‌پذیر می‌کند. این به معنای دقت شناسایی 99.99٪ می‌باشد.

نانوذرات در پزشکی

نانو ربات برای رساندن دارو به بدن مؤثر هستند، زیرا می‌توانند سلول‌های بیمار را به‌دقت پیدا کرده و دارو را به آن‌ها انتقال دهند. این بدان معناست که می‌توان به دوز کمتر و در نتیجه عوارض جانبی کمتر بسنده کرد.

نانوذرات را می‌توان با استفاده از مواد آلی مانند پروتئین‌ها و پلی نوکلئوتیدها یا مواد معدنی مانند فلزات یا الماس تولید کرد. به علت خواص فیزیکی و شیمیایی الماس، قدرت استحکام و عملکرد این ماده معدنی بالا رفته و جهت استفاده در ساخت نانو ربات‌ها گزینه مناسبی می‌باشد.

منافذ طبیعی استخوان حدود 100 نانومتر عرض داشته و اگر منافذ ایمپلنت استخوان مصنوعی صاف باقی بماند، بدن سعی می‌کند آنها را پس بزند. نشان داده شد که با ایجاد ویژگی‌هایی در ابعاد نانو در سطح پروتز هیپ یا زانو می‌توان شانس رد شدن و همچنین تحریک تولید استئوبلاست‌ها را کاهش دهد. استئوبلاست‌ها سلول‌هایی هستند که مسئول رشد ماتریکس استخوان بوده و در منفذ استخوان درحال‌رشد یافت می‌شوند.

درمان سرطان بر مبنای روش فوتودینامیک مبتنی بر تخریب سلول‌های سرطانی توسط اکسیژن اتمی تولید شده در لیزر سیتوتوکسیک می‌باشد. این بدین معناست که مقدار قابل‌توجهی از رنگ مخصوص که برای تولید اکسیژن اتمی استفاده می‌شود در سلول‌های سرطانی جذب شده، نسبت به سلول‌های سالم بیشتر است. ازاین‌رو، در معرض اشعه لیزر قرار گرفته و تنها سلول‌های سرطانی از بین می‌روند. متأسفانه مولکول‌های رنگ باقی‌مانده به پوست و چشم‌ها مهاجرت می‌کنند و بیمار را نسبت به نور روز بسیار حساس می‌کنند. این اثر می‌تواند تا شش هفته ادامه داشته باشد. برای جلوگیری از این عارضه جانبی، نسخه آب‌گریز مولکول رنگ در داخل یک نانوذره متخلخل، محصور شده تا به سایر قسمت‌های بدن پخش نشود. درعین‌حال، توانایی تولید اکسیژن آن تحت‌تأثیر قرار نگرفته است و اندازه منافذ حدود 1 نانومتر آزادانه اجازه پخش شدن اکسیژن را می‌دهد.

 

۱- خواص جدید در ابعاد نانو

تا مدت‌ها دانشمندان بر این باور بودند که خواص شدتی مواد، همواره ثابت و مستقل از مقدار ماده است؛ اما مشاهدات اخیر از خواص مواد در ابعاد نانو (کمتر از ۱۰۰ نانومتر) حاکی از آن است که در دنیای نانو این فرضیه نقض می‌شود. محققان در نتیجه بررسی انواع ذرات نانومتری طلا با شکل‌های هندسی مختلف دریافته‌اند که این ذرات زرد رنگ نیستند؛ به‌عنوان مثال ذرات ۲۰ نانومتری طلا رنگ قرمز، ذرات ۴۰ نانومتری طلا به رنگ ارغوانی و ذرات ۶۰ نانومتری طلا به رنگ بنفش دیده می‌شوند (شکل ۱). نکته جالب‌تر این است که رنگ نانوذرات طلا علاوه بر اندازه به شکل هندسی آنها هم بستگی دارد؛ مثلاً نانوذرات ۵۰ نانومتری طلا با دو هندسۀ کروی و هرمی شکل، رنگ متفاوتی دارند.