چرا خواص مواد در مقیاس نانو تغییر می کند؟

دو عامل اصلی باعث می شود که مواد نانوساختار رفتاری متفاوت از مواد در ابعاد معمولی از خود بروز دهند: اثرات سطحی و اثرات کوانتومی.این دو عامل واکنش پذیری شیمیایی مواد، خواص مکانیکی ، نوری، الکتریکی، مغناطیسی و به طور کلی همه خواص فیزیکی و شیمیایی که در قسمت قبل نمونه هایی از آنها را دیدید ، تغییر می دهند.

اثرات سطحی: مکعب شکل زیر به ضلع یک سانتی متر را در نظر بگیرید. مساحت این مکعب برابر است با 6 cm2 و حجم مکعب هم برابر است با 1cm3 . حالا فرض کنید که تمامی اضلاع این مکعب را از وسط به دو نیم می کنیم.وبه این صورت 8 مکعب جدید خواهیم داشت. حالا به نظر شما چه اتفاقی می افتد؟

ما حالا 8 مکعب جدید با ضلع 2/1 سانتی متر داریم. که مساحت همه این مکعب ها با هم برابر است با 12cm2 . اما حجم مکعب ها همچنان همان 1cm3 باقی می ماند. پس همان طور که متوجه شدید با ریز کردن مکعب مساحت افزایش پیدا کرد اما حجم ثابت ماند.

افزایش نسبت سطح به حجم با ریز شدن مواد

این تمرین ساده نشان می دهد که با کوچک کردن ذرات، سطح آن ها افزایش می یابد. میزان این افزایش در مقیاس نانو بسیار زیاد است.یعنی اگر ذرات با ابعاد بزرگ را به ذراتی با ابعاد چند نانومتر تقسیم کنیم، با اینکه جرم و حجم آنها ثابت می ماند، سطح شان چند میلیون برابر می شود .

زمانی که توده های بزرگ مواد به ذراتی با اندازه ی کوچک تبدیل می شوند، تعداد اتم ها و مولکول هایی که روی سطح خارجی قرار می گیرند، افزایش می یابد. اتم های سطحی برای ما اتم های مهمی هستند. زیرا این اتم های سطحی هستند که در واکنش ها شرکت می کنند و با اتم ها و مولکول های دیگر پیوند برقرار می کنند.

بنابراین با  افزایش اتم های سطحی در نانو مواد، آنها زودتر ذوب می شوند، به راحتی مشتعل می شوند، واکنش پذیری بیشتری پیدا می کنند و کاتالیزوهای بهتری هستند. داروهایی که اندازه آنها نانومتری است، اثربخشی بیشتری دارند و برای درمان بیماری ها به میزان کمتری از آن ها احتیاج داریم.رنگ هایی که از نانو ذرات تشکیل شده اند، هم پوشش دهی بهتری دارند.

همچنین با افزایش بسیار زیاد سطح و ایجاد پیوندهای شکسته روی سطح ، خواص مغناطیسی مواد نیز تغییر می کند.و عناصری که در مقیاس معمولی خواص مغناطیسی ندارند ، با ریز شدن و رسیدن به اندازه های نانو متری خواص مغناطیسی از خود نشان می دهند. علت ایجاد  خاصیت مغناطیسی در ابعاد نانو تشکیل تک حوزه های مغناظیسی در ذرات نانومتری و همراستا شدن آسان تر اسپین های الکترون می باشد.

در هر حوزه مغناطیسی یک اسپین وجود دارد

اثرات کوانتومی:کوانتوم یعنی گسسته . در فیزیک بعضی از کمیت ها مثل تعداد افراد یک کلاس، قد و وزن افراد کمیت هایی گسسته هستند . مثلا 3 نفر دانش آموز. اما بعضی از کمیت ها مثل نیرو ، سرعت، اصطکاک و... پیوسته هستند.

بسیاری از خواص مواد تابع ساختار انرژی آنهاست. شکل زیر  ساختار انرژی در مواد با اندازه های مختلف را نشان میدهد.هر چه که ذرات ریزتر می شوند ساختار انرژی آن ها  گسسته تر شده  و به صورت ترازهای انرژی در می آید.  اما ساختار انرژی مواد معمولی پیوسته و به صورت نوارهای انرژی است.

گسسته شدن ساختار انرژی با تغییر اندازه مواد

علت تغییر خواص نوری در نانوذرات نیز به گسسته بودن ترازهای انرژی آن ها مربوط می شود.با کوچک شدن اندازه نانوذرات فاصله ترازهای انرژی بیشتر می شود و هر چه اندازه ذره بزرگتر باشد، فاصله بین ترازهای انرژی کمتر می شود.این نکته باعث می شود که به طور مثال  نانوذرات نقره یا طلا با اندازه های مختلف به رنگ های متفاوتی دیده شوند.

همچنین با تغییر اندازه نانوذرات می توان فاصله بین ترازهای انرژی آن ها را طوری تنظیم کرد که امواج با فرکانس خاصی را جذب کنند. که از این خاصیت در صنایع نظامی و الکترونیک و پزشکی استفاده های زیادی می شود.