نقش فیزیک در پیش‌بینی رفتار جمعیت‌ها

تحقیقات جدید نشان داده اند که می‌توان رفتار جمعیت انسان‌ها و دیگر موجودات زنده را با استفاده از نظریه تابعی چگالی(DFT) پیش‌بینی کرد. نظریه‌ای که در اصل برای پیش‌بینی رفتار الکترون‌ها بنیان نهاد شده بود؛ اما به نظر می‌رسد انسان‌ها هم تا حدودی شبیه الکترون‌ها رفتار می‌کنند! نتایج این پژوهش سال گذشته(1397) در مجله Nature Communications منتشر شد.

تظاهرات میلیونی جنبش روشنایی در کابل(1395)، در اعتراض به تغییر مسیر لین برق توتاپ(500kv) از مسیر بامیان - میدان وردک به مسیر سالنگ توسط حکومت. اعتبار عکس: شفقنا افغانستان

به نظر می‌رسد چرخیدن الکترون‌ها به‌دور یکدیگر و جمع شدن انسان‌ها در یک تجمع سیاسی، وجه اشتراکی با هم نداشته باشند، اما محققان دانشگاه کرنل، این نقاط را به هم وصل می‌کنند. آنها روش ریاضی بسیار دقیقی برای پیش‌بینی رفتار جمعیت موجودات زنده توسعه داده‌اند. آن‌ها در این راه از روشی به نام نظریه تابعی چگالی که اساسا برای مطالعه‌‌‌‌‌‌‌ی مجموعه‌‌ی بزرگی از الکترون‌های به‌طور کوانتومی برهم‌کنش ‌کننده، طراحی شده و حتی برنده‌ی جایزه نوبل شده بود، استفاده کردند. مثلا این روش با استفاده از فیلم‌های ویدیویی جمعیت در مکان‌های عمومی می‌تواند پیش‌بینی کند که مردم چگونه در یک اغتشاش پراکنده‌ خواهند شد. این روش با اندازه‌گیری افت و خیزهای چگالی قادر است رفتار فعلی یا حالت یک جمعیت را شرح دهد و یک سیستم هشدار اولیه برای جمعیت‌هایی‌که به سمت رفتارهای خطرناک می‌روند، ایجاد کند.

تعاملات بین اشخاص در یک جمعیت، بسیار پیچیده بوده و تعیین آن‌ها با ریاضیات مشکل است، چرا که تعداد بسیار زیاد افراد در جمعیت منجر‌ به یک مسئله پیچیده ریاضی می‌شود. محققان به‌دنبال پیش‌بینی رفتار جمعیت‌ها با اندازه‌گیری‌های ساده چگالی هستند تا از این طریق، تعاملات اصلی را حدس بزنند و از آن‌ها برای پیش‌بینی رفتارهای جدید استفاده کنند. آن‌ها برای رسیدن به‌این هدف، از مفاهیم ریاضی و دیدگاه‌های نظریه تابعی چگالی(DFT) در زمینه رفتار جمعیت‌ها بهره جستند. DFT شاخه‌ای از فیزیک بس‌ذره‌ای(many-body) است در سیستم‌های کوانتومی گسترش یافته است. دانشمندان می‌گویند: «این یکی از موارد بسیار نادری است (به‌ویژه وقتی سیستم‌های زنده در گیرند) که نظریه فراتر از آزمایش‌هاست و آزمایش‌ها با جزئیات دقیق ریاضی، نظریه را کاملا تایید می‌کنند.»

محققان برای آزمایش نظریه، سیستمی با استفاده از مگس‌هایی‌که روی میوه‌ها راه می‌روند، خلق کردند. در ابتدا آن‌ها با استفاده از روشی ریاضی، توابعی را استخراج کردند که این توابع تعیین می‌کنند مگس‌ها چقدر به‌مکان‌های مختلف در محیط اطرافشان تمایل دارند(تابع  vexation) و چه مقدار به جمع شدن در کنار هم اهمیت می‌دهند (تابع  frustration) سپس دانشمندان براساس جزییات چگونگی تغییر چگالی جمعیت‌ و با ادغام و تطابق این داده‌ها و  مشاهده‌ی یک مگس تنها در یک محیط جدید، دقیقا می‌توانند پیش‌بینی کنند جمعیت بزرگی از مگس‌ها چگونه در این محیط پراکنده خواهند شد. آن‌ها همچنین این تغییرات را در رفتار کلی جمعیت با دنبال کردن سیر تکاملی تابع frustration پیدا کردند.

در حالی‌که مگس‌های میوه، یک سیستم آزمایشگاهی مناسب هستند، اما رفتار جمعیت در یک تظاهرات سیاسی، مثالی انسانی از نظریه‌ تابعی چگالی را فراهم می‌آورد. اشخاص سعی در پیدا کردن بهترین مکان برای ایستادن دارند(معمولا نزدیک به صحنه) در حالی‌که از مناطق بیش از حد شلوغ هم اجتناب می‌کنند. زمانی‌که مکان‌های جدید و بهتری در دسترس قرار می‌گیرد، اشخاص به‌سمت آن‌ها حرکت می‌کنند.

برای توسعه یک نظریه پیش‌بینی کننده‌ی ریاضی، محققان به مطلوبیت هر جایگاه، شماره‌ای به توابع vexation اختصاص می‌دهند، مقادیر کمتر، جایگاه ایده‌آل‌تری خواهند بود؛ نزدیک به صحنه. تابع frustration اثرات نامطلوب جمع بودن را محاسبه می‌کند و قوانین اخلاقی تمایل اشخاصی‌که به دنبال جایگاه بهتر هستند را به حساب می‌آورد. دانشمندان علاوه می‌کنند که: «یک کشف ریاضی قابل توجه آن است که با مشاهده تغییرات جمعیت بتواند مقادیر دقیق توابع vexation و frustration را فوری و خودکار به‌دست بیاورد؛ بدون نیاز به هرگونه نظرسنجی که بخواهد از مردم بپرسد چه احساسی درباره جایگاه‌های بهتر در جمعیت یا جمع شدن با هم دارند.»

دانشمندان با تغییر موقعیت‌های اجتماعی در آزمایش مگس‌ها نشان دادند که به کمک مقادیر تابع frustration جمعیت می‌توان تغییرات حالت یک جمعیت را شناسایی کرد. بنابراین روش مبتنی بر نظریه تابعی چگالی نه تنها رفتارهای جمعیت را در موقعیت جدید پیش‌بینی می‌کند، بلکه می‌تواند برای شناسایی سریع و خودکار تغییرات رفتارهای اجتماعی نیز به‌کار رود.

این روش همچنین می‌تواند رهبران سیاسی یا اقتصادی را راهنمایی کرده و فشارهای جمعیتی را تجزیه و ‌تحلیل نماید، به‌گونه‌ای که جریان‌های جمعیتی در مقیاس‌های بزرگ مانند مهاجرت‌های بزرگ را توصیف و پیش‌بینی کند. محققان می‌گویند: «پیش‌بینی‌های منطقی مهاجرت طی اتفاق‌های حاد، طراحی‌های بهتری را برای تمام سطوح حکومتی با پتانسیل حفظ جان میلیون‌ها انسان امکان‌پذیر خواهد کرد، از شهرداری گرفته تا سازمان‌های بین‌المللی.»

نظریه تابعی چگالی را اینجا مطالعه کنید

منبع: sciencedaily

لینک دانلود مقاله اصلی Barkhia

نظریه تابعی چگالی Density Functional Theory

نظریه تابعی چگالی یک روش مدل‌سازی مکانیکی کوانتومی محاسباتی است که در علم فیزیک، کیمیا و علوم مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد تا ساختار الکترونیکی(یا ساختار هسته‌ای) (اصولاً حالت اولیه) بادی(body) – سیستم‌های بسیاری از اجسام، به‌ویژه اتم‌ها، مولکول‌ها و مراحل تغلیذشده مواد را در تحقیقات بررسی کند. در این نظریه، با معرفی تابعی جهان شمول انرژی و وردش گیری از آن، ویژگی‌های الکترونی ماده (در اینجا چگالی الکترون) بدست می‌آید.

با استفاده از این تئوری، می‌توان با استفاده از تابعی(تابعیت)، یعنی توابع یک تابع دیگر، خصوصیات یک سیستم الکترون را تعیین کرد، که در این حالت مکانی الکترون به چگالی الکترون وابسته است. از این رو، تئوری تابعی چگالی نام ناشی از استفاده‌ای تابعی یا چگالی الکترون‌ها است. این نظریه، از جمله رایج‌ترین و محبوب‌ترین روش‌های موجود در فیزیک ماده چگال، فیزیک محاسباتی و کیمیای محاسباتی است.

این نظریه ریشه در مدل توماس – فرمی دارد، و برپایه دو قضیه هوهنبرگ – کوهن بنا شده‌است. توضیح پدیده‌هایی مانند نیروهای بین‌مولکولی، به ویژه نیروی واندروالسی، نوار ممنوعه در نیمه‌رساناها، انتقال بار در حالت برانگیخته و... با این روش بطور کامل امکان‌پذیر نیست و پژوهش برای ایجاد تغییراتی که این محدودیت‌ها را از بین ببرند ادامه دارد.

نظریه تابعی چگالی از سال ۱۹۷۰ یکی از محبوب‌ترین روش‌ها فیزیک حالت جامد بوده‌است. با این حال تا سال ۱۹۹۰ که تقریبهای در نظر گرفته شده در تئوری آن مورد تجدید نظر قرار گرفت و مدل بهتری برای برهمکنشهای تبادلی ارائه شد، به عنوان یک روش دقیق در شیمی کوانتومی در نظر گرفته نشد. هزینه‌های محاسباتی در مقایسه با روش‌های سنتی، مانند تبادل، فقط تئوری هارتری – فوک و فرزندان آن که همبستگی الکترونی را شامل می‌شوند، نسبتاً کم هستند.

با وجود پیشرفت‌های اخیر، هنوز هم در استفاده از نظریه تابعی چگالی برای توصیف صحیح، مشکلاتی وجود دارد. تعامل بین مولکولی (از اهمیت اساسی در درک واکنش های شیمیایی)، به‌ویژه نیروهای واندروالس(پراکندگی)؛ حالت برانگیخته انتقال چارج؛ حالت گذار، سطوح انرژی پتانسیل جهانی، تعامل ناگهانی و برخی از سیستم‌های به‌شدت همبسته؛ و در محاسبات گاف انرژی و فرومقناطیس در نیمه‌هادی‌ها این مشکلات قابل مشاهده است. درمان ناقص پراکندگی می‌تواند بر دقت DFT (حداقل در صورت استفاده به تنهایی و اصلاح نشده)، در درمان سیستم‌هایی‌که تحت تأثیر پراکندگی قرار دارند (به عنوان مثال در تعامل اتم‌های گاز نجیب) یا جایی‌که پراکندگی با سایر اثرات (به‌عنوان مثال در مولکول‌های زیستی) تحت تأثیر قرار می‌گیرد، تأثیر منفی بگذارد. توسعه روش‌های جدید DFT که برای رفع این مشکل ایجاد شده است، با تغییراتی در عملکردها یا با درج اصطلاحات افزودنی، یک موضوع تحقیقاتی کنونی است.

مرور کلی روش

در زمینه علم مواد محاسباتی، محاسبات اولیه ab initio (از اصول اول) محاسبه DFT اجازه می‌دهد پیش‌بینی و محاسبه رفتار مواد بر اساس ملاحظات مکانیکی کوانتومی، بدون نیاز به پارامترهای مرتبه بالاتر مانند خصوصیات اساسی ماده صورت گیرد. در تکنیک‌های DFT معاصر ساختار الکترونیکی با استفاده از تابع پتانسیلی بر روی الکترون‌های سیستم ارزیابی می‌شود. این پتانسیل DFT به‌عنوان مجموع پتانسیل‌های خارجی Vext ساخته می‌شود، که فقط با ساختار و ترکیب عنصری سیستم و یک پتانسیل موثر Veff که نمایانگر تعاملات بین الکترونیکی است، تعیین می‌شود. بنابراین، یک مشکل برای یک سوپرسل یک ماده با n الکترون می‌تواند به‌عنوان مجموعه‌ای از n معادله یک الکترونی شرودینگر، که به‌عنوان معادلات کوهن – شم نیز شناخته می شوند، مطالعه شود.

سرچشمه‌های نظریه تابعی چگالی

اگرچه نظریه تابعی چگالی ریشه در مدل توماس – فرمی برای ساختار الکترونیکی مواد دارد، اما DFT برای اولین‌بار توسط والتر کوهن و پیر هوهنبرگ در چارچوب دو قضیه هوهنبرگ – کوهن(H-K) در یک پایه تئوریک محکم قرار گرفت. قضایای اصلی H-K فقط در صورت عدم‌وجود میدان مقناطیسی فقط برای حالت‌های غیر انحطاطی در سطح زمین برگزار می‌شود، اگرچه از آن زمان برای این موارد تعمیم یافته اند.

قضیه H-K اول نشان می‌دهد که خصوصیات حالت پایه یک سیستم چندالکترونی بسیار خاص توسط یک چگالی الکترونی‌که تنها به سه مختصات مکانی بستگی دارد، تعیین می‌شوند. این کار زمینه را برای کاهش مشکل چندجسمی N الکترون با مختصات مکانی N3 به سه مختصات مکانی از طریق استفاده از نظریه تابعی چگالی الکترون فراهم کرد. این قضیه از آن زمان به دامنه وابسته به زمان گسترش یافته است تا نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان (TDDFT) توسعه یابد، که می‌تواند برای توصیف حالات برانگیخته استفاده شود.

قضیه H-K دوم یک انرژی تابعی برای سیستم تعریف می‌کند و اثبات می‌کند که چگالی الکترونی صحیح حالت پایه این انرژی تابعی را به حداقل می رساند.

در کارهایی‌که بعدا آن‌ها جایزه نوبل کیمیا را به‌دست آورد، قضیه H-K توسط والتر کوهن و لو جیو شم برای تولید  Kohn-Sham DFT (KS DFT)  ساخته شد. در این چارچوب، مشکل غیرقابل تحمل چند جسمی الکترون‌های متقابل در پتانسیل خارجی استاتیک، به یک مشکل قابل انتقال الکترون‌های غیر متقابل در حال حرکت در یک پتانسیل مؤثر کاهش می‌یابد. پتانسیل مؤثر شامل پتانسیل خارجی و اثرات متقابل کولومب بین الکترون‌ها، به عنوان مثال، تعامل تبادلی و همبستگی(exchange – correlation reactions) است. مدل‌سازی دو تعامل اخیر در KSDFT به مشکل مواجه می‌شود. ساده‌ترین تقریب، تقریب چگالی موضعی(LDA) است، که بر اساس مبادله انرژی دقیق برای یک گاز الکترونی یکنواخت است، که می‌تواند از مدل توماس – فرمی، و از متناسب کردن با انرژی همبستگی برای یک‌گاز الکترونی یکنواخت به‌دست می‌آید. حل سیستم‌های غیرتعاملی نسبتا آسان هستند زیرا عملکرد موج می‌تواند به‌عنوان تعیین‌کننده Slater از مدارها نمایان شود. علاوه براین، انرژی جنبشی تابعی چنین سیستمی دقیقاً شناخته شده است. بخش تبادلی – همبستگی از کل تابعی انرژی ناشناخته است و باید تقریب یابد.

یک رویکرد دیگر، که کمتر از KSDFT محبوبیت دارد اما احتمالاً از نزدیک با روح قضایای اصلی H-K ارتباط دارد، نظریه تابعی چگالی بدون اربیتال(OFDFT) است، که در آن از تابعیت‌های تقریبی نیز برای انرژی جنبشی سیستم غیرتعاملی استفاده می‌شود.

برنامه‌های کاربردی برای DFT

به‌طور کلی، نظریه تابعی چگالی کاربردهای فزاینده‌ای در کیمیا و علوم مواد برای تفسیر و پیش‌بینی رفتار سیستم پیچیده در مقیاس اتمی پیدا می‌کند. به‌طور خاص، روش‌های محاسباتی DFT برای سیستم‌های مرتبط با سنتز و پارامترهای پردازش استفاده می‌شود. در چنین سیستم‌هایی، مطالعات تجربی غالباً با نتایج متناقض و شرایط غیر تعادل اشتباه می‌شوند. نمونه‌هایی از کاربردهای DFT معاصر شامل مطالعه تأثیر دوپانت‌ها(dopants) بررفتار تحول فاز در اکسایدها، رفتار مقناطیسی در مواد نیمه‌هادی مقناطیسی رقیق و مطالعه رفتار مقناطیسی و الکترونیکی در فروالکتریک‌ها و نیمه‌هادی‌های مقناطیسی رقیق است. همچنین نشان داده شده است که DFT در پیش‌بینی حساسیت برخی از نانوساختارها به آلاینده‌های محیطی مانند دای اکساید گوگرد یا اکولولین و همچنین پیش‌بینی خواص مکانیکی نتایج خوبی می‌دهد.

در عمل، تئوری کوهن – شم بسته به‌آنچه‌که مورد بررسی قرار می‌گیرد، می‌تواند از چند طریق‌های متفاوت استفاده شود. در محاسبات حالت جامد، تقریب چگالی موضعی معمولاً به همراه مجموعه‌های پایه‌موج تخت مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا یک رویکرد گاز الکترونی برای الکترون‌هایی‌که از طریق جامد بی‌نهایت جابجایی می‌شوند مناسب‌تر است. در محاسبات مولکولی، تابعیت‌هایی پیشرفته تر مورد نیاز است، و تنوع عظیمی از تابعیت همبستگی تبادل شده برای کاربردهای کیمیایی توسعه یافته است. برخی از این‌ها با تقریب گاز یکنواخت الکترون مغایر است. با این‌حال، آن‌ها باید به LDA در حد گاز الکترون کاهش یابند. در بین فیزیکدانان، یکی از تابعیت‌های پرکاربرد، مدل تبادل شده Perdew-Burke-Ernzerhof است(یک پارامترسازی شیب مستقیم تعمیم‌یافته از گاز الکترونی آزاد و بدون پارامترهای آزاد). با اینحال، این برای محاسبات مولکولی فاز گاز به اندازه کافی از نظر کالریکی دقیق نیست. در جامعه کیمیا، یکی از کارکردهای محبوب با عنوان BLYP (از نام Becke برای بخش مبادله و لی، یانگ و پار برای بخش همبستگی) شناخته شده است. حتی بیشتر مورد استفاده B3LYP است، که یک تابعیت هیبریدی است که در آن انرژی مبادله، از عملکرد تبادلی بک(Becke)، با انرژی دقیق از نظریه هارتری – فوک ترکیب می‌شود. همراه با تبادل مؤلفه‌ها و تابعیت همبستگی، سه پارامتر تابعیت هیبریدی(ترکیبی) را مشخص می‌کنند، و مشخص می‌کنند که مبادله دقیق چه مقدار در آن مخلوط شده است. اگرچه نتایج به‌دست آمده با این تابعیت‌ها(Functional) برای اکثر برنامه‌ها معمولاً به‌اندازه کافی دقیق است، اما هیچ روش منظمی برای بهبود آن‌ها وجود ندارد(برخلاف برخی از روش‌های سنتی مبتنی بر تابع موج، مانند تعامل پیکربندی یا نظریه خوشه همراه). در رویکرد فعلی DFT نمی‌توان خطای محاسبات را بدون مقایسه آن‌ها با سایر روش‌ها یا آزمایشات تخمین زد.

شبه پتانسیل‌ها Pseudo-potentials

اگر الکترون‌ها به‌دو گروه تقسیم شوند، الکترون ولانسی و الکترون‌های مغزی، معادله الکترون شرودینگر می‌تواند بسیار ساده شود. الکترون‌های موجود در پوسته‌های داخلی کاملاً محدود بوده و نقش مهمی در اتصال کیمیایی اتم‌ها ندارند. آن‌ها همچنین تا حدودی هسته را پوشش غربالی می‌دهند، بنابراین یک هسته تقریبا بی‌اثر شکل می‌گیرد. خواص اتصال تقریبی کاملا ناشی از الکترون‌های ظرفیتی(ولانسی) است، خصوصا در فلزات و نیمه هادی‌ها. این جدایی نشان می‌دهد که الکترون‌های داخلی را می‌توان در تعداد زیادی از موارد نادیده گرفت و از این طریق اتم را به‌یک هسته یونی کاهش داد که با الکترون‌های ولانسی در تعامل است. استفاده از یک تعامل مؤثر، یک شبه پتانسیل، که تقریباً پتانسیل احساس شده توسط الکترون های والانس را تقریب می‌کند، برای اولین بار توسط فرمی در سال 1934 و هلمن در سال 1935 پیش‌نهاد شد.

پاشش الکترونی Electron Smearing

الکترون‌های یک سیستم کمترین حالت‌های خاص کوهن – شم را تا یک سطح انرژی معین با توجه به اصل اُف‌باو Aufbau  اشغال خواهند کرد. این مربوط به توزیع مرحله مانند فرمی – دیراک در صفر مطلق است. اگر چندین حالت تخریب شده یا نزدیک به ویژه‌حالت‌های تخریب شده در سطح فرمی وجود داشته باشد، می‌توان مشکلات همگرایی را پیدا کرد، زیرا آشفتگیهای بسیار کوچک ممکن است اشغال الکترون را تغییر دهد.

یکی از راه های میرایی این نوسانات، لکه‌دار کردن الکترون هاست، یعنی اجازه اشغال کسری. یک روش برای انجام این کار، اختصاص درجه حرارت محدود به توزیع الکترومی فرمی – دیراک است. روش‌های دیگر مختص به توزیع گاوسی تجمعی الکترون‌ها یا استفاده از روش Methfessel-Paxton است.

ترجمه:  آصف برخیا - آ بی کلاس

پلاسما چیست(فیزیک پلاسما)؟

پلاسما (از یونان باستان πλάσμα ، به معنی «ماده قابل قالب سازی») یکی از چهار حالت اساسی ماده است و اولین‌بار در سال‌های 1920 توسط کیمیادان ایروینگ لانگمویر توصیف شد. این گاز از یون‌های اتم‌هایی تشکیل شده است که بعضی از الکترون‌های مداری آن‌ها و الکترون‌های آزاد آن‌ها برداشته شده است. پلاسما را می‌توان با گرم کردن یا قرار دادن یک گاز خنثی به‌یک میدان الکترومقناطیسی قوی به‌طور مصنوعی تولید کرد تا جایی‌که یک ماده گازی یونیزه(آیونایز) شده به‌طور فزاینده‌ای هادی الکتریکی می‌شود و میدان‌های الکترومقناطیسی با برد طولانی بر رفتار ماده مسلط می‌شوند.

گازهای پلاسما و یونیزه شده برخلاف حالت‌های دیگر دارای خواص و رفتارهای نمایشی هستند و انتقال بین آن‌ها بیشتر از لحاظ نامگذاری مورد تفسیر است. بر اساس دما و چگالی محیط اطراف، ممکن است اشکال آیونایز شده یا کاملاً یونیزه پلاسما تولید شود. علائم نئون و رعد و برق نمونه‌هایی از پلاسمای یونیزه شده جزئی هستند. یونوسفر زمین پلاسما است و مگنتوسفر حاوی پلاسما در محیط فضایی اطراف زمین است. فضای داخلی خورشید نمونه‌ای از پلاسمای کاملاً یونیزه شده و همراه با تاج خورشیدی و تاج بقیه ستاره ها است.

بارهای مثبت در یون‌ها با جدا کردن الکترونها در مدارهای نزدیک هسته، جایی‌که تعداد کل الکترون‌های برداشته شده مربوط به افزایش دما یا تراکم موضعی سایر مواد یونیزه شده است، حاصل می‌شود. این همچنین می‌تواند با تفکیک پیوندهای مولکولی همراه باشد، اگرچه این فرایند کاملاً متفاوت از فرآیندهای کیمیایی تعاملات یون در مایعات یا رفتار یون‌های مشترک در فلزات است. پاسخ پلاسما به‌میدان‌های الکترومقناطیسی در بسیاری از دستگاه‌های فن‌آوری مدرن مانند تلویزیون‌های پلاسما یا قلم‌زنی پلاسما استفاده می‌شود.

پلاسما ممکن است فراوان‌ترین شکل ماده معمولی در جهان باشد، اگرچه این فرضیه در حال حاضر براساس وجود و خصوصیات ناشناخته ماده تاریکِ آزمایشی است. پلاسما بیشتر با ستاره‌ها در ارتباط است، و به‌محیط داخل خوشه‌ای کمیاب و احتمالاً در نواحی بین‌قاره‌ای گسترش می‌یابد.

تاریخچه

کلمه پلاسما از یونان باستان πλάσμα گرفته شده است، به معنی «ماده قابل قالب» یا «ژله مانند» است و رفتار هسته‌های اتمی آیونایز شده و الکترون‌های موجود در ناحیه اطراف پلاسما را توصیف می‌کند. خیلی ساده، هر یک از این هسته‌ها در دریای متحرک الکترون‌ها معلق می‌شوند. پلاسما برای اولین‌بار در یک لوله کروک شناسایی شد، و به‌همین ترتیب توسط سر ویلیام کرووک در سال 1879 توصیف شد (وی آن را «ماده تابشی» نامید). ماهیت این ماده «اشعه کاتدی» متعاقباً توسط فیزیکدان انگلیسی سر جی‌جی تامسون در سال 1897 مشخص شد..

اصطلاح پلاسما توسط ایروینگ لانگمویر در سال 1928 ابداع شده است. لوئی تونکس و هارولد مت اسمیت، که هر دو در دهه 1920 با ایروینگ لانگمویر کار می‌کردند، به‌یاد می‌آورند که لانگمویر برای اولین‌بار از کلمه «پلاسما» در قیاس با خون استفاده کرد. مت اسمیت به ویژه یادآوری می‌کند که انتقال الکترون‌ها از رشته‌های ترمیونی به لانگمیر را یادآوری می‌کند: «نحوه حمل پلاسمای خون بدن و میکروب‌های قرمز و سفید.»

لانگمویر پلاسمائی را که مشاهده کرد به‌این شرح است: «به‌جز در نزدیکی الکترودها، که در آن غلاف‌ها حاوی الکترون‌های بسیار کمی هستند، گاز آیونایز شده حاوی یون‌ها و الکترون‌ها در تعداد تقریباً یکسان است به‌طوری‌که بار فضایی حاصل بسیار اندک باشد. ما برای توصیف این منطقه حاوی بارهای متعادل از نام پلاسمای یون و الکترون استفاده خواهیم کرد.»

خصوصیات و پارامترها

نمایش هنرمندانه‌ای از چشمه پلاسمای زمین، نشانگر یون‌های اکسیجن، هلیوم و هایدروجن که از مناطق نزدیک به قطب‌های زمین به درون فضا می‌ریزند. منطقه زرد کم‌رنگ که در بالای قطب شمال نشان داده شده است، گازی است که از زمین به‌فضا گم می‌شود. منطقه سبز شفق شمالی است، جاییکه انرژی پلاسما دوباره به‌جو می‌ریزد.

تعریف پلاسما

پلاسما حالت ماده‌ای است که در آن یک ماده گاز آیونایز شده به‌شدت رسانا می‌شود تا جایی‌که میدان‌های الکتریکی و مقناطیسی با برد طولانی بر رفتار ماده مسلط می‌شوند. حالت پلاسما را می‌توان با حالت‌های دیگر مقایسه کرد، مانند جامد، مایع و گاز.

پلاسما یک ماده الکتریکی خنثی از ذرات مثبت و منفی نامحدود است(یعنی بار کلی یک پلاسما تقریبا صفر است). اگرچه این ذرات محدود نیستند، اما به‌معنای عدم تجربه نیروهای «آزاد» نیستند. ذرات باردار(چارجدار) در حال حرکت، یک جریان الکتریکی را درون یک میدان مقناطیسی ایجاد می‌کنند و هرگونه حرکت یک ذره پلاسمایی باردار، تحت تأثیر میدان‌هایی است که توسط بارهای دیگر ایجاد می‌شود. این به‌نوبه خود حاکم بر رفتار جمعی و درجات مختلف است. سه عامل یک پلاسما را تعریف می‌کنند:

تقریب پلاسما: تقریب پلاسما هنگامی اعمال می‌شود که پارامتر پلاسما، Λ ، نمایانگر تعداد حامل‌های بار(چارج) در یک کره (به‌نام کره Debye باشد که شعاع آن طول غربالگری دِبِی است) در اطراف یک ذره باردار معین، به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند از آن محافظت کند. تأثیر الکترواستاتیک ذرات در خارج از کره.

فعل و انفعالات فله: طول غربالگری دبی که  در بالا تعریف شده است، در مقایسه با اندازه بدنی پلاسما کوتاه است. این معیار بدان معنی است که فعل و انفعالات در بخش عمده پلاسما نسبت به لبه‌های آن، جایی‌که ممکن است اثرات مرزی رخ دهد، از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. وقتی این معیار راضی شود، پلاسما شبه‌خنثی است.

فرکانس پلاسما: فرکانس پلاسمای الکترونی(اندازه گیری نوسانات پلاسمای الکترون‌ها) در مقایسه با فرکانس برخورد الکترون خنثی (اندازه گیری فرکانس برخورد بین الکترون‌ها و ذرات خنثی) بزرگ است. وقتی این شرط معتبر باشد، برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک بر فرایندهای سینتیک گازی معمولی حاکم است.

درجه حرارت پلاسما

درجه حرارت پلاسما معمولاً در ولتاژهای کلوین یا الکترون ولت اندازه‌گیری می‌شود و به‌طور غیررسمی، اندازه‌گیری انرژی جنبشی حرارتی در هر ذره است. درجه حرارت بالا معمولاً برای پایدارسازی یونیزاسیون(آیونایزیشن) مورد نیاز است، که این یک ویژگی تعیین کننده پلاسما است. درجه آیونایزیشن پلاسما توسط دمای الکترون نسبت به انرژی آیونایزیشن (و از نظر چگالی ضعیف تر) در رابطه‌ای به‌نام معادله ساها تعیین می‌شود. در دماهای پایین، یون‌ها و الکترون‌ها تمایل دارند که در حالت‌های محدود - اتم ها - قرار گیرند و پلاسما در نهایت تبدیل به گاز شود.

در بیشتر موارد، الکترون‌ها به‌اندازه کافی به‌تعادل حرارتی نزدیک هستند که دمای آن‌ها نسبتاً خوب تعریف شده باشد. این حتی در شرایطی که انحراف قابل توجهی از عملکرد توزیع انرژی ماکسول وجود دارد، به‌عنوان مثال، به دلیل تابش اشعه ماوراء بنفش‌، ذرات پرانرژی یا میدان‌های الکتریکی قوی وجود دارد. به‌دلیل اختلاف زیاد در جرم‌، الکترون‌ها خیلی سریعتر از آنچه که در تعادل با یون‌ها یا اتم‌های خنثی قرار بگیرند، در بین ترمودینامیک قرار می‌گیرند. به‌همین دلیل ممکن است دمای آیون با (معمولاً پایین تر از) دمای الکترون متفاوت باشد. این امر به‌ویژه در پلاسماهای ضعیف یونیزه شده، که یون‌ها اغلب در نزدیکی دمای محیط قرار دارند، معمول است.

ادامه دارد ...

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

نانومواد؛ برنامه‌های کاربردی و موارد مربوط به‌صحت و حفاظت - بخش دوم - موضوعات مشترک بین فیزیک و ...

برنامه های کاربردی

مواد نانو در انواع مختلفی از فرایندهای تولید، محصولات و مراقبت‌های بهداشتی از جمله رنگ‌، فیلتر‌، عایق و مواد افزودنی روان‌کننده استفاده می‌شود. در مراقبت‌های بهداشتی، نانوزیم‌ها نانومواد با خصوصیات آنزایمی مانند هستند. آن‌ها نوعی آنزایم مصنوعی در حال ظهور هستند‌، که برای کاربردهای وسیعی از جمله بیوسنسینگ، تجویز زیستی، تشخیص تومور، آنتی بیوتیک و سایر موارد مورد استفاده قرار گرفته اند. در رنگ‌ها از نانومواد برای بهبود محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و بهبود سهولت نظافت استفاده می‌شود. فیلترهای با کیفیت بالا ممکن است با استفاده از نانوساختارها تولید شوند‌، این فیلترها قادر به‌حذف ذرات به اندازه ویروس هستند همانطور که در فیلتر آب ایجاد شده توسط سلدان تکنولوژی( Seldon Technologies) مشاهده می‌شود. در زمینه تصفیه هوا‌، از فناوری نانو برای مقابله با گسترش MERS در بیمارستان‌های عربستان سعودی در سال 2012 استفاده شد. مواد نانو در فن‌آوری‌های عایق مدرن و ایمنی انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند، در گذشته در عایق‌های آزبست یافت می‌شدند. به عنوان یک ماده افزودنی روان کننده، مواد نانو توانایی کاهش اصطکاک در قسمت‌های متحرک را دارند. نانومواد همچنین می‌توانند در برنامه‌های کاتالیزور سه‌طرفه (TWC) استفاده شوند. مبدل‌های   TWC  از این مزیت برخوردار هستند که می‌توانند انتشار اکسیدهای نایتروژن (NOx) را کنترل کنند، که پیشرو در باران اسیدی و دود هستند. در ساختار پوسته – هسته‌ای، نانومواد مواد محافظتی برای محافظت از فلزات نجیب مانند پالادیوم و رادیوم از پوسته تشکیل می‌دهند. عملکرد اصلی این است که از تکیه‌گاه‌ها می‌توان برای حمل مؤلفه‌های فعال‌کننده کاتالیزور، ساختن آن‌ها به‌شدت پراکنده، کاهش استفاده از فلزات نجیب، افزایش فعالیت کاتالیزورها و بهبود قدرت مکانیکی استفاده کرد.

صحت و حفاظت

سازمان بهداشت جهانی (WHO) یک راهنما در مورد محافظت از کارگران در معرض خطر احتمالی نانومواد تولیدی در پایان سال 2017 منتشر کرد. از رویکردهای احتیاطی به‌عنوان یکی از اصول راهنمایی خود استفاده کرده است. این بدان معناست که باید علیرغم عدم اطمینان درباره عوارض جانبی سلامتی، در صورت وجود نشانه های معقول، میزان مواجهه کاهش یابد. این امر توسط مطالعات علمی اخیر مشخص شده است که توانایی نانوذرات را برای عبور از موانع سلولی و تعامل با ساختارهای سلولی نشان می‌دهد. علاوه بر این، سلسله مراتب کنترل‌ها یک اصل مهم راهنمایی بود. معنی اش این است که وقتی بین اقدامات کنترلی انتخاب وجود دارد، باید از آن دسته از اقدامات که به ریشه مشکل نزدیکتر هستند همیشه نسبت به اقداماتی که بار بیشتری را بر کارگران وارد می کند، مانند استفاده از تجهیزات محافظ شخصی (PPE) ترجیح داده شود. WHO بررسی های منظم را برای همه مسائل مهم برای ارزیابی وضعیت فعلی علم و اطلاع‌رسانی به‌توصیه‌ها طبق فرایند مندرج در دفترچه راهنمایی WHO برای توسعه راهنمایی انجام داده است. این توصیه‌ها بسته به کیفیت شواهد علمی‌، ارزش‌ها و ترجیحات و هزینه‌های مربوط به توصیه، با ‌عنوان «قوی» یا «مشروط» ارزیابی شده است.

راهنمایی‌های دیگر

از آنجا که فناوری نانو تحولات اخیر است، اثرات بهداشتی و ایمنی قرار گرفتن در معرض مواد نانو و این‌که چه میزان از قرار گرفتن در معرض ممکن است قابل قبول باشد، موضوع تحقیقات مداوم است. از خطرات احتمالی، به‌نظر می‌رسد که قرار گرفتن در معرض استنشاق بیشترین نگرانی را نشان می‌دهد. مطالعات حیوانی نشان می‌دهد که نانولوله‌های کاربنی و نانوالیاف کاربن می‌توانند باعث ایجاد اثرات ریوی از جمله التهاب، گرانولوم و فیبروز ریوی شوند که در مقایسه با سایر مواد فیبروژنیک شناخته شده مانند سیلیس‌، آزبست و کاربن سیاه از قدرت مشابه یا بیشتر برخوردار هستند. اگرچه تا چه حد ممکن است داده‌های حیوانات اثرات بالینی قابل توجهی از نظر بالینی را در کارگران پیش‌بینی کنند، اما سمی که در مطالعات کوتاه مدت حیوانات مشاهده می‌شود، حاکی از نیاز به اقدامات محافظتی برای کارگران در معرض این نانومواد است، اگرچه هیچ گزارشی از اثرات منفی بهداشتی در دست نیست. این خطرات احتمالی در کارگرانی‌که از این نانومواد استفاده می‌کنند یا تولید می‌کنند از سال 2013 شناخته شده بودند. نگرانی‌های اضافی شامل تماس با پوست، قرار گرفتن در معرض احتراق و خطر انفجار گرد و غبار است.

حذف و تعویض مطلوب‌ترین رویکردها برای کنترل خطر است. در حالی‌که خود نانومواد غالباً نمی‌توانند با مواد معمولی از بین بروند یا جایگزین شوند، ممکن است امکان انتخاب خاصیت نانوذرات مانند اندازه، شکل، عملکردی‌شدن، بارگیری سطح، حلالیت، جمع شدن و حالت تجمع برای بهبود خصوصیات سم شناسی آن‌ها در حین حفظ عملکرد مورد نظر، وجود داشته باشد. روش‌های جابجایی همچنین می‌تواند بهبود یابد، به‌عنوان مثال، استفاده از دوغاب نانومواد یا سیستم تعلیق در یک حلال مایع به‌جای پودر خشک، میزان قرار گرفتن در معرض گرد و غبار را کاهش می‌دهد. کنترل‌های مهندسی تغییرات فیزیکی در محیط کار است که کارگران را از خطرات جدا می‌کند، عمدتا سیستم‌های تهویه مانند هودهای بخاری، دستکش، کابینت ایمنی، و محفظه‌های موجود در هوا. کنترل‌های اداری تغییراتی در رفتار کارگران برای کاهش خطر است، از جمله آموزش بهترین روش‌ها برای استفاده ایمن، ذخیره و دفع مواد نانومواد، آگاهی صحیح از خطرات از طریق برچسب زدن و علائم هشدار دهنده و تشویق یک فرهنگ عمومی ایمنی. تجهیزات محافظ شخصی باید روی بدن کارگر پوشیده شده و کمترین گزینه برای کنترل خطرات باشد. تجهیزات محافظ شخصی که به‌طور معمول برای مواد شیمیایی معمولی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، نیز برای نانومواد از جمله شلوار بلند، پیراهن آستین‌بلند و کفش بسته و استفاده از دستکش ایمنی، عینک و کت آزمایشگاهی غیرمجاز مناسب هستند. در برخی شرایط ممکن است از دستگاه تنفس استفاده شود.

ارزیابی قرار گرفتن در معرض مجموعه‌ای از روش‌های مورد استفاده برای نظارت بر انتشار آلاینده‌ها و قرار گرفتن در معرض کارگران است. این روش‌ها شامل نمونه‌گیری شخصی است، جایی‌که نمونه بردارها در ناحیه تنفس شخصی کارگر قرار دارند، که اغلب به یقه پیراهن وصل شده اند تا حد ممکن به بینی و دهان نزدیک باشند. و نمونه برداری از منطقه / پس زمینه، جایی‌که در مکان‌های ایستا قرار می‌گیرند. ارزیابی باید از شمارنده ذرات استفاده کند، که مقدار واقعی نانومواد و سایر ذرات پس زمینه را رصد می‌کنند. و نمونه‌های مبتنی بر فیلتر، که می‌توانند برای شناسایی نانومواد استفاده شوند، معمولاً با استفاده از میکروسکوپ الکترونی و آنالیز عنصری استفاده می‌شود. از سال 2016، میزان قرار گرفتن در معرض شغلی کمی برای اکثر نانومواد مشخص نشده است. انستیتوی ملی ایمنی و بهداشت کار در ایالات متحده محدوده قرار گرفتن در معرض توصیه نشده برای نانولوله‌های کاربن، نانو فیبرهای کاربن و تیتانیوم دای‌اکساید فوق‌العاده را تعیین کرده است. آژانس‌ها و سازمان‌های دیگر کشورها از جمله انستیتوت استاندارد انگلیس و انستیتوت ایمنی و بهداشت کار در آلمان، OEL  هایی را برای برخی از مواد نانومواد ایجاد کرده اند و برخی از شرکت ها OEL را برای محصولات خود تهیه کرده اند.

بخش اول اینجا

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس

نانومواد؛ تعریف، انواع و منابع آن در بخش اول - سلسله موضوعات مشترک بین فیزیک و کیمیا

در اصل، نانومواد مواد توضیح  می‌دهد که واحد اندازه‌گیری آن‌ها (حداقل در یک بعد) بین 1 تا 1000 نانومتر ( 9-10متر) است، اما تعریف معمول نانو از 1 تا 100 نانومتر است. تحقیقات نانومواد از روش علمی مبتنی بر فناوری نانو استفاده می‌کند و باعث پیشرفت در اندازه‌گیری مواد و سنتز مواد می‌شود که در حمایت از تحقیقات میکروسکوپی توسعه یافته اند. مواد با ساختارِ در مقیاس نانو اغلب دارای خواص نوری، الکترونیکی یا مکانیکی منحصر به‌فرد هستند. نانومواد به‌آرامی در حال تجاری شدن هستند و به‌عنوان کالا شروع به‌ظهور می‌کنند.

تعریف نانومواد

درمورد تعریف نانومواد تفاوتهای چشمگیری بین آژانسها وجود دارد. در ISO/TS80004، نانومواد به عنوان «ماده‌ای با هر ابعاد خارجی در مقیاس نانو یا داشتن ساختار داخلی یا ساختار سطحی در مقیاس نانو» تعریف شده است، با نانو‌مقیاسِ در «محدوده طول تقریبی از 1 نانومتر تا 100 نانومتر» تعریف شده است. این شامل هردو نانو - ابجکت است که قطعات گسسته‌ای از مواد و مواد نانوساختار هستند که دارای ساختار داخلی یا سطحی در مقیاس نانو هستند. نانومواد ممکن است عضو هر دو گروه باشد. در 18 اکتبر 2011، کمیسیون اروپا تعریف زیر از یک ماده نانو را تصویب کرد: «یک ماده طبیعی، تصادفی و مصنوعی ساخته شده که حاوی ذرات است، در حالت نامحدود یا به صورت جمع و یا به عنوان آگلومره(توده‌ای کتله‌ای) و برای 50 درصد یا بیشتر از ذرات موجود در آن‌، توزیع اندازه از یک یا چند بعد بیرونی در محدوده‌ای 1 نانومتر - 100 نانومتر است. در موارد خاص و در مواردی‌که مورد نگرانی محیط زیست، سلامتی، ایمنی یا رقابت باشد، در آستانه توزیع اندازه، ممکن است آستانه 1 تا 50 درصد جایگزین 50 درصد شود.»

منابع نانومواد

نانومواد مهندسی شده: نانومواد مهندسی‌شده به‌منظور ایجاد خاصیت‌های خاص مورد نیاز توسط انسان‌ها ساخته شده اند. نانومواد میراث آن‌هایی هستند که قبل از توسعه فناوری نانو به‌عنوان پیشرفت‌های افزایشی نسبت به سایر مواد کلوئیدی یا ذره‌ای، به‌صورت تجاری تولید شده اند. آن‌ها شامل نانوذرات کاربن سیاه و تیتانیوم دای‌اکساید هستند.

تولیدات تصادفی: نانومواد ممکن است بعضاً به‌عنوان محصول جانبی فرایندهای مکانیکی یا صنعتی تولید شود. منابع نانوذرات حادثه‌ای شامل اگزوز موتور خودرو(موترها)، بخار جوشکاری، فرآیندهای احتراق از گرمای سوخت جامد داخلی و پخت و پز است. به‌عنوان مثال، یک کلاسِ نانومواد به‌نام فولرن‌ها با سوزاندن گاز، زیست‌توده و شمع تولید می‌شوند. همچنین می‌تواند یک محصول جانبی فرسوده و فرسایش باشد. نانوذرات اتمی اتفاقی غالباً به‌عنوان ذره‌های بسیار ریز شناخته می‌شوند که به‌طور غیر عمد طی یک عمل عمدی تولید می‌شوند و می‌توانند در آلودگی هوا نقش داشته باشند.

نانومواد طبیعی: سیستم‌های بیولوژیکی غالباً دارای نانومواد طبیعی و کاربردی هستند. ساختار foraminifera (به‌طور عمده گچ) و ویروس‌ها (پروتئین، کپسید)، کریستال‌های موم که برگ نیلوفر آبی یا نسترتیوم را پوشانده اند‌، ابریشم عنکبوتی، کنه عنکبوتی، رنگ آبی تارنتولاها ، «اسپاتول ها» در کف پاهای ژکو ، برخی از مقیاس‌های بال‌پروانه‌ای، کلوئیدهای طبیعی (شیر، خون) ، مواد شاخی(پوست، پنجه، منقار، پرها، شاخ، مو)، کاغذ، پنبه، مرجان ها و حتی ماتریس استخوان خود ما همگی نانومواد طبیعی آلی(عضوی) هستند.

نانومواد معدنی طبیعی از طریق رشد کریستال در شرایط کیمیایی متنوع پوسته زمین رخ می‌دهد. به‌عنوان مثال، خشت‌ها به‌دلیل ناهمسانگردی در ساختار کریستال زیرین خود‌، نانوساختارهای پیچیده‌ای را به‌نمایش می‌گذارند، و فعالیت آتشفشانی می‌تواند باعث اپال‌ها شود که نمونه‌ای از بلورهای فوتونیک طبیعی است که به‌دلیل ساختار نانوذرات آن‌ها وجود دارد. آتش سوزی‌ها واکنش‌های پیچیده‌ای را نشان می‌دهند و می‌توانند رنگدانه، سیمان، سیلیس دفع شده و غیره تولید کنند.

منابع طبیعی نانوذرات شامل محصولات احتراق آتش‌سوزی جنگل، خاکستر آتشفشانی، اسپری اقیانوس و پوسیدگی رادیواکتیو گاز رادون است. نانومواد طبیعی نیز می‌تواند از طریق فرآیندهای هوازدگی سنگ‌های حاوی فلز یا آنیون و همچنین در مکان‌های تخلیه معدن اسید تشکیل شود.

انواع نانومواد

اشیای نانو غالباً طبقه بندی می شوند که چه تعداد از ابعاد آن‌ها در مقیاس نانو قرار می‌گیرد. یک ماده نانو با هر سه بعد خارجی در مقیاس نانو تعریف شده است که طولانی‌ترین و کوتاه‌ترین محورها تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند. یک نانوالیاف دارای دو بعد خارجی در مقیاس نانو است که نانولوله‌ها دارای نانوالیاف توخالی و نانوالیاف جامد هستند. یک نانوپلات در مقیاس نانو دارای یک بعد بیرونی است و اگر دو بعد بزرگتر با هم تفاوت زیادی داشته باشند به‌آن نانوریبون گفته می‌شود. برای نانوالیاف و نانوپلات‌ها، ابعاد دیگر ممکن است در مقیاس نانو باشد، اما باید به طور قابل توجهی بزرگتر باشد. تفاوت قابل توجهی در همه موارد ذکر شده است که معمولاً حداقل یکی از سه عامل است.

مواد نانوساختار‌شده اغلب با توجه به‌این‌که در چه فاز ماده‌ای قرار می‌گیرند طبقه بندی می شوند. نانوکامپوزیت یک جامد است که حداقل دارای یک منطقه از نظر فیزیکی یا کیمیایی مجزا باشد، یا مجموعه‌ای از مناطق، دارای حداقل یک بعد در مقیاس نانو باشد. فازها دارای ابعادی در مقیاس نانو هستند. یک ماده نانو ماده‌ای جامد است که حاوی حفره هایی با ابعادی در مقیاس نانو است. یک ماده نانو کریستالی بخش قابل توجهی از دانه‌های بلوری را در مقیاس نانو تشکیل می‌دهد.

در منابع دیگر‌، مواد نانوذره و نانوفوم بعضی اوقات در جمع نانوساختارها محسوب می‌شوند اما نانومواد نیستند زیرا فقط حفره‌ها و نه خود مواد آن‌ها نانو مقیاس هستند. اگرچه تعریف ISO فقط نانو اشیای گرد را نانوذرات می‌داند‌، منابع دیگر از اصطلاح نانوذرات برای همه اشکال استفاده می‌کنند.

نانوذرات: نانوذرات هرسه‌بعد را در مقیاس نانو دارند. نانوذرات همچنین می‌توانند در یک ماده جامد جاسازی شوند تا یک نانوکامپوزیت تشکیل شود.

فولرن‌ها: فولرن‌ها دسته‌ای از آلوتروپ‌های کاربن هستند و از نظر مفهومی ورق‌های گرافنی هستند که درون لوله‌ها یا کره‌ها قرار می‌گیرند. این‌ها شامل نانولوله‌های کاربنی(یا نانولوله‌های سیلیکانی) است که به‌دلیل استحکام مکانیکی و همچنین به دلیل خواص الکتریکی مورد توجه دانشمندان هستند.

اولین مولکول فولرن که کشف شد، با نام خانوادگی باکمینستر فولرن (C60) در سال 1985 توسط ریچارد اسمالی، رابرت کورل، جیمز هیت، شان اوبراین و هارولد کروتو در دانشگاه رایس تهیه شد. این نام ادای احترام به باکمینستر فولر بود که گنبدهای ژئودزیکی آن به‌آن شباهت دارد. از آن‌زمان مشخص شده است که فولرن‌ها در طبیعت رخ‌ می‌دهند. اخیراً، فولرن‌ها در فضای بیرونی مشاهده شده اند.

برای یک دهه گذشته‌، خصوصیات کیمیایی و فیزیکی فولرن‌ها موضوعی داغ در زمینه تحقیق و توسعه بوده و احتمالاً همچنان برای مدت طولانی ادامه خواهد داشت. در اپریل 2003، فولرن‌ها برای استفاده بالقوه دارویی تحت مطالعه قرار گرفتند: اتصال آنتی بیوتیک‌های خاص به‌ساختار باکتری‌های مقاوم و حتی انواع خاصی از سلول‌های سرطانی مانند ملانوم را هدف قرار داد. تعدادی از کیمیادان‌ها و زیست شناسان در اکتبر 2005 مقاله‌ای نوشتند که استفاده از فولرن‌ها را به‌عنوان مواد ضد میکروبی با نور فعال توصیف می‌کند. در زمینه فناوری نانو، مقاومت در برابر گرما و ابررسانایی از جمله خصوصیاتی است که تحقیقات شدید را به‌خود جلب می‌کند.

نانوذرات معدنی: نانومواد معدنی، به‌عنوان مثال نقاط کوانتومی‌، نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها به‌دلیل خاصیت نوری و الکتریکی جالب توجه‌، می‌توانند در اپتوالکترونیک مورد استفاده قرار گیرند. علاوه براین، خصوصیات نوری و الکترونیکی نانومواد که به‌اندازه و شکل آن‌ها بستگی دارد می‌تواند از طریق تکنیک‌های مصنوعی تنظیم شود. امکان استفاده از این مواد در دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مبتنی بر مواد آلی مانند سلولهای خورشیدی آلی‌، OLED ها و غیره وجود دارد.

نانوذرات یا نانو‌کریستال‌های ساخته شده از فلزات‌، نیمه‌هادی‌ها یا اکسیدها به‌دلیل خاصیت مکانیکی‌، الکتریکی‌، مقناطیسی‌، نوری‌، کیمیایی و سایر موارد مورد توجه ویژه قرار گرفته اند. از نانوذرات به‌عنوان نقاط کوانتومی و نیز به‌عنوان کاتالیزور کیمیایی و کاتالیزورهای مبتنی بر نانومواد استفاده شده است. اخیراً‌، طیف وسیعی از نانوذرات برای کاربردهای پزشکی از جمله مهندسی بافت‌، تحویل دارو‌، بیوسنسور به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است.

نانوذرات از نظر علمی بسیار مورد توجه هستند زیرا به‌طور موقت پلی بین مواد فله(بالک) و ساختارهای اتمی یا مولکولی هستند. یک ماده فله‌ای بدون در نظر گرفتن اندازه آن باید از خصوصیات بدنی ثابت برخوردار باشد‌، اما در مقیاس نانو اغلب اینگونه نیست. خواص وابسته به‌اندازه از قبیل محدودیت کوانتومی در ذرات نیمه‌هادی‌، رزونانس پلاسمون‌ سطح در برخی ذرات فلزی و ابرپاراامقناطیس در مواد مقناطیسی مشاهده می‌شود.

نانومواد به دسته‌های مثل نانومواد یک‌بعدی، دو بعدی و بالک تقسیم می‌شوند. نانولوله‌ها و نانوریبون‌ها نانومواد یک‌بعدی هستند و همچنان نانوشت‌ها و نانولایه‌ها در مجموع دوبعدی قرار می‌گیرند.

ادامه دارد ...

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس