فصل ششم:بحث و نتيجهگيري
بحث و نتيجهگيري57
فهرست شکل ها

عنوان صفحه
شکل (1-1): مقايسه گرماي ويژه مولي گاز فرميوني با گاز بوزوني و گاز کلاسيکي. منقار (Cusp) مشخصهي چگالش بوز- انيشتيني و ناحيه خطي (Linear) گاز فرمي- ديراک تبهگن
است ……………..7
شکل (1-2): نتايج تجربي گرماي ويژه مايع بر حسب دما …………………………………………………..10
شکل (1-3): منحني چسبندگي بر حسب دما ……………11
شکل (1-4): رسانندگي گرمايي بر حسب دما در فشار پايين در مقياس لگاريتمي…………..12
شکل (1-5): تابع بر حسب دماي کاهيده براي فشارهاي صفر
تا 2.75 MPa…………..14
شکل (2-1): دياگرام فاز فيلم جذب شده روي ورقه گرافيت بر حسب دما …………..25
شکل (2-2): نتايج محاسبات مونت- کارلو براي انرژي کل بر ذره برحسب
چگالي ……..27
شکل (2-3): نتايج تجربي اندازهگيري C?T بر حسب ضخامت در
دماي T=100 mK………….28
شکل (2-4): ظرفيت گرمايي بصورت تابعي از ضخامت و مقايسه آن با نتايج
مرجع [39]………….29
شکل (2-5): نتايج تجربي اندازهگيري پذيرفتازي مغناطيسي بر حسب دما براي فيلمهاي
جذب شده روي گرافيت در چندين ضخامت بعد از يک تک لايه کامل…………..30
شکل (6-1): تابع همبستگي بر حسب فاصله با پتانسيل لنارد- جونز (خط چين) و عزيز (خط پر) و پتانسيل برهمکنش بين ذرات برحسب فاصله………….58
شکل (6-2): انرژي جنبشي سيستم هليم-III دوبعدي بر حسب چگالي………….59
شکل (6-3): انرژي خوشهي دوجسمي بر حسب چگالي با پتانسيلهاي لنارد- جونز (lj)
و عزيز………….60
شکل (6-4): نتايج محاسبات انرژي کل بر ذره سيستم مايع دوبعدي بر حسب چگالي با
پتانسيلهاي لنارد – جونز(LJ) و عزيز…………..62
شکل (6-5): معادله حالت سيستم دوبعدي با پتانسيلهاي لنارد – جونز (LJ) و عزيز…………..63
فصل اول
مقدمه
توليد هليم
هليم بصورت يکي از سه ازوتوپ ، ، وجود دارد. نيمه عمري در حدود 0.82 ثانيه دارد و به اين دليل از اهميت کمتري برخوردار است. دو ايزوتوپ پايدار (فرميون) و (بوزون) به اندازهي يک نوترون در هسته با يکديگر تفاوت دارند.گاز هليم-IV در طبيعت کمياب است و اولين بار توسط رمزي1 در سال 1895 کشف شد. هليم-III هنوز کميابتر است و به ازاي هر 104 اتم گاز هليم، يک اتم هليم-III وجود دارد [1و2]. يکي از فوايد راکتورهاي هستهاي توانايي آنها براي تبديل ليتيم-VI به هليم-III است که بوسيلهي بمباران نوتروني انجام ميشود. ابتدا ليتيم به تريتيم و هليم-IV تبديل ميشود،
(1-1)
اگر مخلوط آنها در يک تيوپ پالاديم که براي تريتيم متخلخل است گرم شود، گاز تريتيم از گاز هليم جدا ميشود. در نهايت تريتيم با يک واپاشي خود بخودي بتا با نيمه عمر 12.5 سال به تبديل ميشود،
(1-2)
از آنجا که گاز بوسيلهي بمباران نوتروني توليد ميشود، فقط بوسيلهي تعداد بسيار کمي از منابع در دسترس قرار ميگيرد و قيمت بسيار گراني دارد.
پس از مدت کوتاهي از در دسترس قرار گرفتن گاز در سال 1948 کارهاي تجربي روي کپهاي آغاز شد. در اين رابطه سيدورياک و همکارانش2 [3]، اسبرن و همکارانش3 [4] پيشگام بودهاند و تحقيقاتي بر روي مايع و جامد انجام دادهاند.
جامدات و مايعات کوانتومي
مولکول هليم، تک اتمي بوده و از مولکول ساير عناصر کوچکتر است. گاز هليم سبکترين گاز بياثر است و نيروي بين اتمي واندروالس4 ضعيف با تقارن کروي مشخصهي اتمهاي آن است. بهترين تقريب براي برهمکنش بين اتمها، پتانسيل لنارد- جونز5 است [5]،
(1-3)
که قطر کره سخت اتمها و انرژي بستگي در صفر مطلق است. اتمهاي گازي بياثر سنگينتر از قبيل آرگون بلورهاي تنگچين مکعبي با حجم مولي نزديک به 24 ?cm?^3 تشکيل ميدهند. اين حجم مولي به کمک رابطهي فوق محاسبه ميشود و پارامترهاي اين رابطه بوسيلهي ميزان انحراف از قانون بويل6 براي گاز آرگون بدست ميآيد. وقتي چنين محاسباتي براي ايزوتوپهاي هليم انجام شود يک بلور کلاسيکي تنگچين7 با حجم مولي12 ?cm?^3 پيشبيني ميشود که اين مقدار به دليل سبک بودن اتمهاي هليم، کمتر از مقدار حجم مولي محاسبه شده براي آرگون است.
به عنوان نتيجهاي از اندازههاي کوچک اتمهاي هليم، نيروهاي جاذبه واندروالس که حالتهاي جامد و مايع را به يکديگر مقيد ميکنند، در مولکول هليم نسبت به ساير مواد ضعيفتر است. به اين ترتيب ايزوتوپهاي هليم، مايعاتي با کمترين نقطههاي جوش و بحراني هستند (جدول (1-1)).
جدول (1-1): نقاط جوش و بحراني هليم
5.203.32TC(K)4.213.19TB(K)
هر دو مايع داراي چگالي پاييني نيز هستند. و . هليم مايع از اين لحاظ منحصر بفرد است که به هيچ وجه تحت فشار بخار اشباعش جامد نميشود. اين مايعات تنها تحت فشارهاي و جامد ميشوند. حجمهاي مولي اين جامدات و است که خيلي بيشتر از مقادير پيشبيني شده ميباشند. اين در صورتي است که فشار لازم براي متراکم کردن اين مايعات تا حجم مولي برابر و ميباشد.
حال ميخواهيم ببينيم منشأ اين انرژي که اتمهاي هليم را در فاصلهي دور از يکديگر نگه ميدارد و مانع تبديل اين مايعات به يک جامد کلاسيکي شبيه آرگون ميشود، چيست. تقريباً در تمامي مواد، نقطهي انجماد با برقراري تعادل بين نيروهاي واندروالس و انرژي گرمايي تعيين ميشود. نيروهاي جاذبه تمايل دارند که مولکولها را به هم فشرده کرده و يک شبکه بلورين منظم تشکيل دهند. اما همانطور که اشاره شد، نيروهاي جاذبه بين اتمهاي هليم به شدت ضعيف هستند. بنابراين به اين نتيجه ميرسيم که توزيع ديگري از توازن نيروها که معمولاً ناديده گرفته ميشوند را بايد مد نظر قرار داده و به حساب بياوريم. اين توزيع بهنام انرژي نقطه صفر8 معروف است. در مکانيک کلاسيک هر اتم جامد در دماي معين با نوسانهاي معيني حول مکان خود در شبکه ارتعاش ميکند، اما در صفر مطلق انرژي گرمايي اين ارتعاشات از بين ميرود و اتمها در مکانهاي خود در شبکه ساکن ميشوند. در نظريه کوانتومي، انرژي حالت پايه يک نوسانگر هماهنگ ساده از معادله شرودينگر9 برابر بدست ميآيد که بسامد پايه و ثابت پلانک10 است. از آنجا که متناسب با ميباشد که m جرم يک اتم است، انرژي حالت پايه يا انرژي نقطه صفر براي سبکترين اتمها بيشترين مقدار را دارد و فقط در تعيين حجم مولي چنين جامداتي که انرژي بستگي آنها (مانند انرژي واندروالس) خيلي ضعيف است، مهم ميباشد. به شکل ديگر ميتوانيم يک اتم را در يک مايع به عنوان يک ذره آزاد درون يک جعبه کوچک از اتمهاي مجاور در نظر بگيريم، به اين ترتيب انرژي پايينترين حالت برابر است با که m جرم اتم و v حجم جعبه است. در هر دو حالت با افزايش حجم مولي، انرژي کاهش مييابد. از اينرو انرژي حالت پايه يا انرژي نقطهي صفر باعث افزايش حجم مولي ميشود. در واقع مايع داراي حجم تعادلي در حدود سه برابر بزرگتر از حالتي است که فضاي اتمها عمدتاً بواسطهي نيروهاي بين اتمي تعيين ميگردند؛ در حاليکه حجمي در حدود چهار برابر بزرگتر از اين حالت دارد. حجمهاي مولي بزرگ مايع و مايعمنجر به دوري اتمها از يکديگر شده و به اين ترتيب فاز جامد تشکيل نميگردد. روش ديگر بررسي انبساط کوانتومي گازهاي سبک بياثر بوسيلهي ديبوئر11 و لانبک12 ارائه شد [6]. آنها با استفاده از پارامترهاي پتانسيل لنارد- جونز و تعريف طول موج دوبروي ذرهي متحرک، توانستند قبل از اندازهگيري مقدار 27 ?cm?^3 را براي حجم مولي جامد پيشبيني کنند که اين به مقدار تجربي آن (25 ?cm?^3) خيلي نزديک است. در واقع بلورهاي هليم به دليل انرژي نقطه صفر تا دو برابر مقدار کلاسيکي خود منبسط ميشوند. بنابراين جامدات هليم، جامدات کوانتومي و مايعات هليم، مايعات کوانتومي ناميده ميشوند.
گاز فرمي و مايع فرمي
طبيعت کوانتومي دو ايزوتوپ هليم متفاوت است و مطالعهي جداگانهاي در تئوري کوانتومي ماده چگال دارند. اسپين ذاتي مضرب صحيحي از است و اين مشخصه بوزونها ميباشد. در صورتيکه، اسپين ذاتي مضرب نيمصحيحي از ميباشد و اين مشخصه فرميونها است. درنتيجه صرف نظر از نيروهاي بين اتمي کوچک، اتمهاي شبيه يک گاز بوزوني رفتار ميکنند که خواص آنها بوسيلهي آمار بوز – انيشتين تشريح ميشود، اما اتمهاي شبيه يک گاز فرمي رفتار ميکنند و خواص آنها بوسيلهي آمار فرمي- ديراک تعيين ميشود. بنابراين انتظار ميرود که اگر اين دو مايع کوانتومي تا دماهاي خيلي پايين سرد شوند رفتار کاملاً متفاوتي از خود نشان دهند. انيشتين نشان داد که در دماهاي به اندازهي کافي پايين، گاز بوزوني در حالت پايهي کوانتوم مکانيکي خود قرار ميگيرد که اصطلاحاً چگالش بوز- انيشتين ناميده ميشود. لندن13 براي بوزونهاي با استفاده از جرم اتمها و چگالي آنها در حالت مايع، دماي گذار به اين حالت جديد را که به صورت يک منقار14 در وابستگي دمايي گرماي ويژه ظاهر ميشود، 3.1 کلوين محاسبه کرد [7]. از طرف ديگر گاز فرمي بطور پيوسته به حالت پايهي خود چگاليده ميشود که يک کرهي فرمي در فضاي تکانه است. در اين حالت به دليل اصل طرد پائولي15، فقط دو فرميون يکي با اسپين بالا و ديگري با اسپين پايين در هر نقطه از فضاي تکانه وجود دارد. براي گازدماي مشخصهي اين حالت پايه يعني دماي فرمي ( )، آن است که لندن از روي جرم اتمها و چگالي آنها در حالت مايع برابر 4.9 کلوين محاسبه کرده است [7]. همانطور که در شکل (1-1) نشان داده شده است در دماي پايينتر از با کاهش دما گرماي ويژه کاهش مييابد تا به صفر برسد و در دماي زير 0.5 کلوين اين کاهش بصورت خطي است. اين رفتار خطي اولين بار بوسيله سامرفلد16 و براي گاز فرمي- ديراک الکترونهاي رسانش بدست آمده است [8].
شکل (1-1): مقايسه گرماي ويژه مولي گاز فرميوني با گاز بوزوني و گاز کلاسيکي. منقار (Cusp) مشخصهي چگالش بوز- انيشتيني و ناحيه خطي (Linear) گاز فرمي- ديراک تبهگن است [8].
در سال 1911، کامرلينگ اونس17، پيشگام فيزيک دماهاي پايين، نشان داد که مايع چگالي بيشينهاي در دماي 2.3 کلوين دارد. کيسوم18 و کلاسيوس19 ناهنجاري بزرگي در گرماي ويژهي اين مايع در دماي 2.17 کلوين کشف کردند که معروف به نقطهي لامبدا است [9]. در مقابل اندازهگيريهاي اندرسون20 و همکارانش در دماهاي بين 3 ميلي کلوين و 3 کلوين نشان داد که براي گرماي ويژهي مايع گذار لامبدا وجود ندارد، اما وابستگي خطي دمايي در زير دماهاي 50 ميلي کلوين مشاهده ميشود [10].
تفاوت مهم ديگر اين دو مايع از طبيعت مغناطيسي اتمهاي آن ناشي ميشود.بوزوني با اسپين صفر مادهي مغناطيسي نيست در صورتيکه فرميوني با اسپين هستهي جفت نشده مادهي مغناطيسي ضعيفي است. بطور مثال، اندازهگيريهاي تامسون و همکارانش براي پذيرفتاري مغناطيسي() مايع نشان داد که از قانون کوري تبعيت ميکند و در دماهاي بالاتر از 0.8 ثابت ميماند، اما بعد از آن بطور سريع افت ميکند تا اينکه در دماهاي زير 100 ميلي کلوين بطور کامل مستقل از دما ميشود [11]. اين رفتار مستقل از دما در دماهاي پايين دقيقاً شبيه رفتار پذيرفتاري اسپيني پائولي الکترونهاي رسانش (فرميونها) در فلزات است.
عليرغم اين توافق کيفي، دماي فرمي براي جهتگيريهاي پادموازي قابل ملاحظه اسپينهاي هستهاي 0.8 کلوين بدست ميآيد و اين دما کمتر از دماي 4.9 کلوين است که لندن براي گاز فرمي غير برهمکنشي محاسبه کرده بود. بطور مشابه گرماي ويژه مايع در ناحيه خطي شکل (1-1) در حدود سه برابر گرماي ويژهي مورد انتظار براي ذرات غير برهمکنشي است. بديهي است که يک تئوري ذرات برهمکنشي نياز است که به بررسي اين خواص در دماهاي خيلي پايين بپردازد و اين تئوري مايع فرمي بجاي تئوري گاز فرمي است.
مروري بر برخي از اندازهگيريهاي انجام شده روي
مايع هليم-III داراي رفتار بسيار متفاوت با مايع هليم-IV است. بهنظر ميرسد اغلب تمايزات از اين مسئله ناشي ميشود که اين دو مايع از آمارهاي متفاوتي تبعيت ميکنند. در اين بخش برخي از کارهاي تجربي انجام شده براي تعيين خواص ترموديناميکي مايع هليم-III را مرور و آنها را با نتايج نظري مورد انتظار براي گاز فرميوني مقايسه ميکنيم.
1-4-1- خواص گرمايي
اگر فرض کنيم در زير 50 ميلي کلوين گاز فرمي تبهگن شود، محاسبه ويژگيهاي آن بسيار سرراست ميشود. در بررسي گرماي ويژه، درست مانند يک گاز الکتروني، تنها حالتهاي با مقدار از انرژي فرمي ميتوانند در ويژگيهاي گرمايي گاز فرمي تبهگن سهم داشته باشند. تعداد اتمها در اين ناحيه متناسب با است که چگالي حالتها در يک انرژي نزديک انرژي فرمي و برابر است. بنابراين اگر انرژي به هر اتم هليم نسبت دهيم انرژي گرمايي در حدود خواهيم داشت که محاسبات دقيق مقدار را نشان ميدهد. بنابراين با توجه به رابطهي قبل براي گرماي ويژه داريم،
رابطهي بالا وابستگي خطي گرماي ويژه با دما را نشان ميدهد، آزمايشات نيز اين وابستگي خطي را براي مايع هليم-III نشان ميدهند [10و12-14]. در سال 1986، گريوال گرماي ويژهي مايع هليم-III را در دماهاي بين تا و در فشارهاي صفر تا با دقت زيادي اندازهگيري کرده است [15]. نتايج اندازهگيريهاي او در شکل (1-2) آمده است. همانطور که ميبينيم در دماهاي زير گرماي ويژه به صورت خطي با دما تغيير ميکند. اندرسون، ريتس و ويتلي [10] اندازهگيريهايشان را در دماهاي زير با منحني به شکل زير فيت کردند،
که R ثابت گازها، T دماي مطلق و ثابتهاي مثبت هستند. براي حالتي که T به سمت صفر ميل ميکند يک مقدار حدي براي گرماي ويژه به اندازهي (2.89 ±0.12)RT در فشار تخمين زدند. که البته اين مقدار با آنچه که توسط شيب ميانگين در بازهي صفر تا 10.1کلوين بدست آمد بطور محسوسي اختلاف دارد.
شکل (1-2): نتايج تجربي گرماي ويژه مايع بر حسب دما [15].
1-4-2- رسانندگي گرمايي
رسانندگي گرمايي يک گاز کلاسيکي در نظريه جنبشي متناسب با چسبندگي و گرماي ويژه است. چسبندگي يک گاز طبق نظريه جنبشي برابر است با:
که چگالي، سرعت متوسط مولکولي و زمان ميانگين21 پراکندگي است. در مورد يک سيستم فرمي تبهگن که سرعت فرمي و مستقل از دماست. ميزان پراکندگي، ، متناسب است با احتمال اينکه دو اتم که در حالتهاي با انرژي قرار دارند با يکديگر برخورد کرده و به حالتهاي جديد پراکنده شوند؛ بنابراين، سرعت پراکندگي به احتمال يافتن دو تراز خالي در محدوده KT از انرژي فرمي بستگي دارد. اين احتمال متناسب با است و در نتيجه ، که با اندازهگيريهاي تجربي براي مايع هليم-III در توافق است. آبل و همکارانش چسبندگي در دماي چند ميلي کلوين را بطور غير مستقيم اندازهگيري کردند و براي اولين بار نشان دادند که در دماي ميلي کلوين چسبندگي وابستگي دمايي دارد [16]. بتس و همکارانش چسبندگي را در زير دماي 300 mk بصورت مستقيم اندازهگيري کردند و همانطور که در شکل (1-3) ميبينيم، نشان دادند که چسبندگي در زير دماي 0.5 mk سريعاً افزايش مييابد و با نتايج آبل و همکارانش در توافق است [17].
شکل (1-3): منحني چسبندگي بر حسب دما [17].
رسانندگي گرمايي طبق تئوري انرژي جنبشي بصورت است و از آنجا که ظرفيت گرمايي متناسب با T است، ، بنابراين ميباشد. در بالاي نقطهي لامبدا چنين رفتاري دارد. لي و فيربانک رسانندگي گرمايي هليم-III را بين 0.24 k و 2.7 k اندازهگيري کردند و نشان دادند که مايع هليم-III در دماهاي بالاي 1 k نيز چنين رفتاري را نشان ميدهد [18]. اندرسون و همکارانش نشان دادند که رسانندگي گرمايي در دماهاي پايينتر کاهش مييابد و کمينهاي در 0.2 k دارد [19]. آنها اندازهگيريهاي خود را تا دماي 26 mk ادامه دادند و دريافتند که در زير دماي 40 mk وابستگي رسانندگي گرمايي به دما بصورت است که اين براي گاز فرمي تبهگن پيشبيني شده بود که نتايج آنها در شکل (1-4) نشان داده شده است.
شکل (1-4): رسانندگي گرمايي بر حسب دما در فشار پايين در مقياس لگاريتمي [19].
1-4-3- پذيرفتاري مغناطيسي
هر اتم هليم-III ممان دوقطبي مغناطيسي کوچکي دارد که در غياب ميدان مغناطيسي به علت حرکتهاي گرمايي بصورت تصادفي جهتگيري ميکند. بنابراين ترازهاي انرژي متناظر با دو مقدار ممکن عدد کوانتومي هسته (ترازهايي که داراي اسپينهاي موازي و پادموازي هستند) بطور مساوي اشغال ميشوند (داراي انرژي مساويند) اما در حضور ميدان مغناطيسي تمام دوقطبيها به خط ميشوند و ترازهاي انرژي متناظر با اسپينهايي که موازي با ميدان قرار گرفتهاند به اندازه ( مگنتون هسته) به سمت پايين و ترازهاي انرژي متناظر با اسپينهاي پادموازي با ميدان به همان اندازه به سمت بالا شيفت پيدا ميکنند. حال اتمهاي هليم-III بين ترازها به گونهاي توزيع ميشوند که انرژي فرمي بدون تغيير باقي بماند. در اين حالت يک پذيرفتاري پارامغناطيسي کوچک بوجود ميآيد. از نظر کلاسيکي به مرتبه مغناطش انرژيهاي گرمايي، ، بستگي دارد. بنابراين و اين بياني از قانون کوري است. فيربانک و همکارانش [20] و نيز تامسون و همکارانش [11] نشان دادند که در دماهاي بالا قانون معروف کوري براي پارامغناطيسها، ، که C ثابت کوري است براي مايع هليم-III نيز برقرار است، و در دماهاي پايينتر به سرعت کاهش مييابد تا اينکه مقدار ثابت ميشود. اگر انرژي مغناطيسي خيلي کوچکتر از انرژي فرمي باشد (که در ميدانهاي مغناطيسي خيلي قوي اين موضوع صادق است) تعداد اسپينهاي در حال انتقال از حالت پادموازي به موازي مساوي با تعداد حالتهاي اشغال شده است که با حضور ميدان مغناطيسي به انرژيهاي بالاي سطح فرمي شيفت پيدا ميکنند. در دماهاي پايين ، ميشود که چگالي حالتها در انرژي فرمي است، و مغناطش بر واحد حجم بصورت زير بدست ميآيد،
با توجه به رابطهي بالا و رابطهي پذيرفتاري پارامغناطيسي بر واحد حجم مشاهده ميشود که پذيرفتاري مغناطيسي براي يک گاز فرمي تبهگن به وضوح مستقل از دماست.
بيل22 و هاتون23 پذيرفتاري مغناطيسي را در گستره دمايي 0.07 کلوين تا 4.2 کلوين براي فشارهاي مختلف اندازهگيري کردند و نشان دادند که قانون کوري فقط در دماهاي بالاتر از 2 کلوين صادق است. آنها نشان دادند که پذيرفتاري مغناطيسي در تمامي فشارها را ميتوان در يک منحني کلي بصورت بر حسب دماي کاهيده که دماي تبهگني مغناطيسي ناميده ميشود، رسم کرد [21] (شکل (1-5)). نتايج آنها نشان ميدهد که وقتي فشار از صفر تا 2.75 MPa افزايش يابد، مقدار از 0.55 کلوين به 0.32 کلوين ميرسد.
شکل (1-5): تابع بر حسب دماي کاهيده براي فشارهاي صفر تا 2.75 MPa [21].
اهداف رساله
در سالهاي اخير با بکار بردن روش وردشي مقيد به بررسي خواص ترموديناميکي مايع هليم-III پرداخته شده است [22-25]. در اين رساله هدف ما بکارگيري روش وردشي مقيد براي محاسبهي خصوصيات ترموديناميکي نانولايه هليم-III در دماي صفر است. به همين منظور، ابتدا در فصل دوم به بررسي نانوساختارها، نانولايه هليم و در نهايت برخي کارهاي تجربي و نظري انجام شده روي نانولايه هليم- III ميپردازيم. سپس در فصل سوم برخي از روشهاي وردشي که براي محاسبهي خصوصيات بسذرهاي مناسب هستند را شرح ميدهيم. در فصل چهارم روش وردشي مقيد را بيان ميکنيم. در فصل پنجم مقدار چشمداشتي انرژي از طريق بسط خوشهاي براي يک سيستم متشکل از N اتم هليم-III برهمکنش کننده، را با محاسبهي انرژيهاي خوشهي تک جسمي و دوجسمي بدست ميآوريم ودر فصل آخر نتايج محاسبات را مورد بحث و بررسي قرار ميدهيم.
فصل دوم
نانولايه هليم- III
2-1- مقدمه
از نگاه لغوي، کلمه نانو به معناي يک ميلياردم (9-10) است و در اصل از واژهاي يوناني به معناي کوتوله گرفته شده است.
نانوتکنولوژي مجموعهاي است از فناوريهايي که به صورت انفرادي يا با هم در جهت بکارگيري و يا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار ميگيرند. موضوع اصلي آن نيز مهار ماده يا دستگاههاي در ابعاد کمتر از يک ميکرومتر، معمولا حدود 1 تا 100 نانومتر است. در واقع فناوري نانو فهم و بکارگيري خواص جديدي از مواد و سيستمهايي در اين ابعاد است که اثرات فيزيکي جديدي- عمدتاً متاًثر از غلبه خواص کوانتومي بر خواص کلاسيکي- ازخود نشان ميدهند [26] .هدف اين رساله محاسبات خصوصيات ترموديناميکي نانولايه هليم-III با استفاده از محاسبات بس ذرهاي است. به اين منظور در ادامه اين فصل مروري بر فناوري نانو، روند آن و کاربردش در زندگي روزمره خواهيم داشت و در ادامه به بررسي نانولايه هليم- III و برخي خواص آن ميپردازيم.
2-2- تاريخچه نانو
در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و بخصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند که مواد را ميتوان آنقدر به اجزاء کوچک تقسيم کرد تا به ذراتي رسيد که خرد ناشدني هستند و اين ذرات بنياد مواد را تشکيل ميدهند. شايد بتوان دموکريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از ميلاد مسيح او اولين کسي بود که واژهي اتم را که به معناي تقسيم نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد بکار برد. با تحقيقات و آزمايشهاي بسيار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ کشف کرده اند. آنها همچنين پي برده اند که اتمها از ذرات کوچکتري مانند کوارکها و لپتونها تشکيل شدهاند. با اينحال اين کشفها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده اهميت زيادي ندارد.
نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو بطور دقيق مشخص نيست، شايد بتوان گفت که اولين نانوتکنولوژيستها شيشهگران قرون وسطايي بودهاند که از قالبهاي قديمي (Mediea Forges ) براي شکل دادن شيشههايشان استفاده ميکردهاند البته اين شيشهگران نميدانستند که چرا با اضافه کردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير ميکند. در آن زمان براي ساخت شيشههاي کليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده ميشده است و با اين کار شيشه هاي رنگي بسيار جذابي بدست ميآمده است.
اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد [27]. در اين سال ريچارد فاينمن طي يک سخنراني با عنوان “فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد” ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد که در آيندهاي نزديک ميتوانيم مولکولها و اتمها را دستکاري کنيم.
واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توکيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد [28]. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي که تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر ميباشد، بکار برد. در سال 1986 اين واژه توسط کياريکدرکسلر در کتابي تحت عنوان “موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري نانو” بازآفريني و تعريف مجدد شد [29]. وي اين واژه را به شکل عميقتري در رساله دکتراي خود با عنوان “نانوسيستمها ماشينهاي مولکولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها” توسعه داد.
2-3- اصول بنيادي نانو
يک نانومتر يکميليارديم متر است. براي سنجش طول پيوندهاي کربن-کربن، يا فاصلهي ميان دو اتم بازهي 12 تا 15 نانومتر بکار ميرود؛ همچنين طول يک جفت ديانآ نزديک به 2 نانومتر است. و از سوي ديگر کوچکترين باکتري سلولدار200 نانومتر است.اگر بخواهيم براي دريافتن مفهوم اندازهي يک نانومتر نسبت به متر سنجشي انجام دهيم ميتوانيم اندازهي آنرا مانند اندازهي يک تيله به کرهي زمين بدانيم. براي احساس اندازههاي فوق ريز، قطر موي سر انسان را که يک دهم ميليمتر است در نظر بگيريد، يک نانومتر صدهزار بار کوچکتر است. تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوريهاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است که در اين فناوري مورد استفاده قرار ميگيرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلکه زماني که اندازه مواد در اين مقياس قرار ميگيرد، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگي و… تغيير مييابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوريهاي ديگر بهصورت قابل ارزيابي بيان نماييم، ميتوان وجود عناصر پايه را به عنوان معيار ذکر کنيم. عناصر پايه درحقيقت همان عناصر نانو مقياسي هستند که خواص آنها در حالت نانومقياس با خواصشان در مقياس بزرگتر فرق ميکند.
اولين و مهمترين عنصر پايه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتي با ابعاد نانومتري در هر سه بعد ميباشد. نانوذرات ميتوانند از مواد مختلفي تشکيل شوند مانند نانوذرات فلزي، سراميکي و…
دومين عنصر پايه نانوکپسول است. نانوکپسولها کپسولهايي هستند که قطر نانومتري دارند و ميتوان مواد مورد نظر را درون آن قرار داد و کپسوله کرد.
عنصر پايه بعدي نانولوله کربني است. اين عنصر پايه در سال 1991 کشف شد و در حقيقت لولههايي از جنس گرافيت ميباشند. اگر صفحات گرافيت را پيجيده و به شکل لوله درآوريم به نانولولههاي کربني ميرسيم. اين نانولولهها داري اشکال و اندازههاي مختلفي هستند و ميتوانند تک ديواره يا چند ديواره باشند.
2-4- تقسيم بندي نانومواد

2-4-1- نانومواد صفر بعدي
درصورتيکه تمام ابعاد يک نانوماده اندازهي کمتر از 100 نانومتر داشته باشند، آنرا نانوماده صفر بعدي ميناميم. اين نانومواد به شکلهاي مختلفي همچون کروي، خوشهاي نامنظم و کپسولي وجود دارند. از نانومواد صفربعدي ميتوان فولرنها، نانوپودرها، درختسانها و نانونقاط کوانتومي نام برد.
2-4-2- نانومواد يک بعدي
ابعاد برخي از نانوموادها بهگونهاي است که تنها در يک راستا اندازهاي بزرگتر از 100 نانومتر دارندکه آنها را با عنوان نانومواد يک بعدي ميشناسيم مانند نانوسيمها و نانولولهها.
2-4-3- نانومواد دوبعدي
صفحاتي گسترده با ضخامت حدود چند نانومتر هستند و در دو راستا اندازههاي بزرگتر از 100 نانومتر دارند که آنها را در دسته نانومواد دوبعدي قرار ميدهيم. نانوروکشها، نانولايهها و صفحات گرافن در اين دسته قرار دارند.
2-4-4- نانومواد سه بعدي
اين دسته از نانومواد در هر سه بعد اندازههايي بيش از 100 نانومتر دارند مانند نانوکامپوزيتها و نانوحفرهها.
2-5- خواص نانومواد
با گذار از مقياس ميکرو به نانو، با تغيير برخي خواص فيزيکي و شيميايي روبرو ميشويم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه به قلمرو اثرات کوانتومي.
افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم که به تدريج با کاهش اندازه ذره رخ ميدهد، باعث غلبه يافتن رفتارهاي اتم واقع در سطح ذره به رفتار اتمهاي دروني ميشود. اين پديده بر خصوصيات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر ميگذارد. افزايش سطح، واکنشپذيري نانومواد را به شدت افزايش ميدهد زيرا تعداد مولکولها يا اتمهاي موجود در سطح در مقايسه با تعداد اتمها يا مولکولهاي موجود در تودهي نمونه بسيار زياد است، بهگونهاي که اين ذرات به شدت تمايل به آگلومره يا کلوخهاي شدن دارند. بهعنوان مثال در نانوذرات فلزي، بهمحض قرارگيري در هوا به سرعت اکسيد ميشوند. در بعضي مواقع براي حفظ خواص مطلوب نانومواد، جهت پيشگيري از واکنش بيشتر يک پايدارکننده را بايستي به آنها اضافه کرد که آنها را قادر ميسازد تا در برابر سايش، خوردگي و فرسودگي مقاوم باشند.
البته اين خاصيت مزايايي هم دربر دارد. مساحت سطحي زياد، عامل کليدي در کارکرد کاتاليزورها و ساختارهايي همچون الکترودها ميباشد. بهعنوان مثال با استفاده از اين خاصيت ميتوان کارايي کاتاليزورهاي شيميايي را به نحو موثري بهبود بخشيد و يا در توليد نانوکامپوزيتها با استفاده از اين مواد، پيوندهاي شيميايي مستحکمتري بين ماده زمينه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزايش مييابد. علاوه براين، افزايش سطح ذرات فشار سطحي را کاهش داده و منجر به تغيير فاصله بين ذرات يا فاصله بين اتمهاي ذرات ميشود. تغيير در فاصلهي بين اتمهاي ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تاثير متقابلي در خواص ماده دارد. تغيير در انرژي آزاد سطح، پتانسيل شيميايي را تغيير ميدهد. اين امر در خواص ترموديناميکي ماده تاثيرگذار است.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

به محض آنکه ذرات به اندازه کافي کوچک ميشوند، شروع به رفتار مکانيک کوانتومي ميکنند. خواص نقاط کوانتومي رفتاري از اين دست است. نقاط کوانتومي کريستالهايي در اندازه نانو ميباشند که از خود نور ساطع ميکنند. انتشار نور توسط اين نقاط در تشخيص پزشکي کاربردهاي فراواني دارد. اين نقاط گاهي اتمهاي مصنوعي ناميده ميشوند؛ چون الکترونهاي آزاد آنها مشابه الکترونهاي محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال ميکنند.
علاوه براين، کوچکتر بودن اندازه نانوذرات ازطول موج بحراني نور آنها را نامرئي و شفاف مينمايد. اين خاصيت باعث شده است تا نانومواد براي مصارفي چون بسته بندي، مواد آرايشي و روکشها مناسب باشند.
مواد در مقياس نانو رفتار کاملا متفاوت، نامنظم و کنترل نشدهاي را از خود بروز ميدهند. مثلاً فلزات سختتر و سراميک نرمتر ميشود. برخي از ويژگيهاي نانومواد در زير بطور خلاصه آمده است:
کاتاليستي: اثر کاتاليستي بهتر، به دليل نسبت سطح به حجم بالاتر
الکتريکي: افزايش هدايت الکتريکي در سراميکها و نانوکامپوزيتهاي مغناطيسي و افزايش مقاومت الکتريکي در فلزات
مغناطيسي: افزايش مغناطيسيته با اندازه بحراني دانهها و رفتار سوپرپارامغناطيسيته ذرات
نوري: خصوصيات فلوئورسنتي و افزايش اثر کوانتومي و کريستالهاي نيمههادي


دیدگاهتان را بنویسید