طبقه‌بندی نانو مواد

مقدمه‌ای بر طبقه‌بندی نانو مواد

نانو مواد به موادی اطلاق می‌شوند که حداقل یکی از ابعادشان در مقیاس نانو، یعنی کوچکتر از 100 نانومتر باشد. نانو مواد را می توان بر اساس ماهیت ساختاری، ابعاد ساختاری، آرایش ساختاری، اندازه ی منافذ و میزان سمیت به پنج گروه مختلف تقسیم بندی کرد که در شکل زیر به صورت شماتیک نمایش داده شده است.

نانومواد بر اساس ماهیت ساختاری شان به دو دسته تقسیم می شوند:

• نانومواد طبیعی (Natural Nanomaterials)
• نانو مواد غیر طبیعی (َArtificial Nanomaterials)

1. نانومواد طبیعی (Natural Nanomaterials):

نانو مواد طبیعی را می توان به صورت اشکال مختلف از جمله ویروس ها، مولکول های پروتئینی، مواد معدنی طبیعی (خاک رس)، کلوئیدهای طبیعی (شیر، خون) و غیره مشاهده کرد.

2. نانو مواد غیر طبیعی (َArtificial Nanomaterials):

نانو مواد غیر طبیعی شامل نانوساختارهایی می شوند که با استفاده از روش های دقیق شیمیایی و فیزیکی سنتز می شوند. از جمله مواد غیر طبیعی می توان به نقاط کوانتومی، نانو لوله های کربنی و نانوذرات نیمه هادی و غیره اشاره کرد.

براساس ابعاد ساختاری، نانومواد در چهار گروه مختلف طبقه بندی می شوند که عبارت است از:

• نانومواد صفربعدیZero-Dimensional Nanomaterials) )
• نانومواد یک بعدی (One-Dimensional Nanomaterials)
• نانو مواد دو بعدی (Two-Dimensional Nanomaterials)
• نانومواد سه بعدی (Three-Dimensional Nanomaterials)

1. نانومواد صفربعدی (Zero-Dimensional Nanomaterials):

در این دسته از نانوساختارها، هر سه بُعد نانوماده (x, y, and z) در محدوده و مقیاس نانو قرار دارد. نانومواد صفر بعدی در اشکال و ساختارهای مختلف می توانند به صورت آمورف (بی شکل) و کریستالی (تک کریستال و یا چند کریستالی) باشند. نقاط کوانتومی، فولرن‌ها و نانوذرات شامل این دسته از نانوساختارها می باشند.

2. نانومواد یک بعدی (One-Dimensional Nanomaterials):

در این دسته از نانوساختارها، دو بعد نانو ماده در مقیاس نانو (x, y) و یک بعد آن خارج از محدوده ی غیر متریک (بیشتر از ده نانومتر) قرار دارد. نانومواد دو بعدی می توانند به صورت آمورف و یا کریستالی باشند. نانو ساختارهایی همانند نانولوله ها، نانو فیبرها، نانو میله ها و نانو سیم ها شامل این دسته از طبقه بندی می باشند.

3. نانو مواد دو بعدی (Two-Dimensional Nanomaterials):

در این دسته از نانوساختارها، یک بعد در مقیاس نانو (x, between 1 and 100 nm) و دو بعد خارج از مقیاس نانو قرار دارد. نانو ساختارهایی همانند نانو ورقه ها، نانو فیلم ها و نانو لایه ها شامل این دسته از طبقه بندی می باشند.   

4. نانومواد سه بعدی (Three-Dimensional Nanomaterials):

نانو مواد سه بعدی یا نانومواد توده ای دسته ی دیگری از مواد هستند که ابعادشان در هیچ بعدی از مقیاس نانو محدود نمی شود (بزرگ تر از 100 نانومتر). پودرهای توده ای، پراکندگی نانوذرات و آرایه هایی از نانوسیم ها و نانو لوله ها در این طبقه بندی قرار دارند.

در کنار طبقه بندی نانومواد از لحاظ ماهیت و ابعاد ساختاری، نانو مواد می توانند از نظر آرایش ساختاری در چهارگروه مختلف طبقه بندی شوند. این چهار گروه طبقه بندی عبارت است از:

• نانو مواد آلی (Organic Nanomaterials)
• نانو مواد معدنی (Inorganic Nanomaterials)
• نانو مواد کربنی (Carbon-based Nanomaterials)
• نانومواد کامپوزیتی (Composites Nanomaterials)

1. نانومواد آلی (Organic Nanomaterials):

 در مقیاس نانو، برخی از ترکیبات آلی توانایی بالقوه ای در تبدیل شدن به نانو مواد آلی را دارا می باشند. این دسته از نانو مواد می توانند بر پایه ی پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، لیپیدها، پلیمرها و یا هر ترکیب آلی دیگری باشند. از شناخته ترین نانومواد آلی غیر سمی و زیست تخریب پذیر می توان به دندیریمرها، لیپوزوم ها، مایسل ها و کمپلس های پروتئینی مانند فریتین اشاره کرد. در برخی موارد، نانوذرات آلی به تابش های حرارتی و امواج الکترومغناطیس حساس هستند.

نانو مواد آلی اغلب توسط برهمکنش های بین مولکولی غیر کووالانسی شکل می گیرند. در مقایسه با برهمکنش های کووالانسی، این شکل گیری از نظر ماهیتی ناپایدارتر بوده و شرایط سهل تری را به جهت تخریب در بدن فراهم می سازد. با توجه به پارامترهای گوناگون از جمله ترکیب ساختاری، مورفولوژی سطح، پایداری و ظرفیت حمل ساختارهای گوناگون، نانوذرات آلی در زمینه های پزشکی بازساختی، دارورسانی هدفمند و درمان سرطان بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.

2. نانومواد معدنی (Inorganic Nanomaterials):

نانومواد معدنی به نانوساختارهایی اطلاق می شوند که فاقد اتم های کربن باشند. این دسته از نانوساختارها می توانند از نانو موادی بر پایه ی فلز، اکسید فلز، نیمه رسانا ها و سرامیک ها تشکیل شوند.

1-2. نانو ذرات فلزی (Metal-based Nanoparticles):

 نانوذرات فلزی صرفاً از پیش سازهای فلزی ساخته می شوند؛ به عبارت دیگر می توانند به صورت تک فلز، دو فلز و یا چند فلزی سنتز شوند. فلزاتی مانند آلومینیوم (Al)، کادمیوم (Cd)، کبالت (Co)، مس (Cu)، طلا (Au)، آهن (Fe)، سرب (Pb)، نقره (Ag) و روی (Zn) مواد فلزی هستند که اغلب در سنتز نانوذرات مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این دسته از نانو ساختارها به دلیل داشتن ویژگی هایی مانند رزونانس پلاسمون سطحی موضعی، اثرات کوانتومی، و نسبت سطح به حجم بسیار بالا خواص نوری، حرارتی، الکتریکی، و مغناطیسی منحصر به فردی از خود نشان دهند. داشتن این خصوصیات منحصر به فرد نه تنها به طور فزآینده ای منجر به توسعه ی این دسته از ساختارها شده است، بلکه آن ها را به نانوابزارهای کارآمدی در زمینه های پزشکی بازساختی و فارموکولوژی تبدیل کرده است.

2-2. نانوذرات اکسید فلزی (Metal Oxide Nanoparticles):

 نانوذرات اکسید فلزی (MOx) دسته ای قابل توجه از نانو ساختارها هستند که در علوم مختلف کاربرد بسیار فراوانی دارند. بسیاری از عناصر فلزی تمایل دارند تحت شرایط مختلف با اکسیژن واکنش دهند و اکسیدهای فلزی با اشکال ساختاری مختف را تشکیل دهند. اندازه و شکل نانو ساختارهای اکسید فلزی عمدتاً بر خواص نانو مواد وابسته به سطح مانند اپتیک، مکانیک، الکتریسیته، مغناطیس و کاتالیست تاثیرگذار است. نانوذرات اکسید فلزی که اغلب سنتز می شوند شامل سیلیکون دی اکسید (SiO₂)، تیتانیوم اکسید (TiO₂)، زینک اکسید (ZnO) و آلومینیوم اکسید (Al₂O₃) می باشند. این نانوذرات در مقایسه با آنالوگ های فلزی خواص شیمیایی، فیزیکی و زیستی قابل توجهی از خود نشان می دهند.

3-2. نانومواد نیمه رسانا (Semiconductor Nanomaterials):

 نانو مواد نیمه رسانا دسته ی دیگری از نانوساختارهای معدنی هستند که ترکبیبی از خواص فلزات و عایق ها را دارا می باشند. این دسته از نانوساختارها در سه گروه طبقه بندی می شوند که عبارت است از:

• نانومواد نیمه رسانای مغناطیسی متمرکز (Concentrated Magnetic Semiconductor Nanomaterials):

 این دسته از نانوساختارها نظم و خواص مغناطیسی خود به خود دارند و از نظر ساختاری می توانند به صورت ترکیبات دو عنصری (Binary Compounds) همانند EuTe باشند.  

• نانومواد نیمه رسانای غیر مغناطیسی (Non-Magnetic Semiconductor Nanomaterials): این دسته از نانوساختارها حاوی یون های مغناطیسی نیستند و به دلیل انجام فرآیند انتقال الکترون بیشتر برای پردازش اطلاعات و ارتباطات مورد استفاده قرار می گیرند و برای ذخیره سازی اطلاعات کارایی منحصر به فردی ندارد. از جمله نانومواد نیمه رسانای غیر مغناطیسی می توان به ZnO، TiO_2، GaAs و CdSe اشاره کرد.
• نانومواد نیمه رسانای مغناطیسی غیر متمرکز (Diluted Magnetic Semiconductor Nanomaterials):

 در این دسته از نانوساختارها با اضافه شدن چند ناخالصی مغناطیسی (کاتیون های مغناطیسی) به ماتریس میزبان (کاتیون های میزبان دیامغناطیس) نه تنها خواص نیمه رسانایی حفظ می گردد، بلکه خواص مغناطیسی نیز مشاهده می گردد. از جمله نانومواد نیمه رسانای مغناطیسی غیر متمرکز می توان به Ga₁₋ₓMnₓAs اشاره کرد.

4-2. نانومواد سرامیکی (Ceramic Nanomaterials):

 نانومواد سرامیکی، جامدات معدنی هستند که می توانند از کاربیدها، کربنات ها ، اکسیدها و فسفات ها تشکیل شوند. نانوذرات سرامیکی را می توان در سیستم های دارورسانی به ویژه هدف قرار دادن تومورها، گلوکوم و برخی از عفونتهای باکتریایی مورد استفاده قرار داد.

3. نانومواد کربنی (Carbon-based Nanomaterials):

 نانو مواد بر پایه ی کربن صرفاً از اتم های کربن ساخته شده اند. از معروف ترین نانو ساختارها بر پایه ی کربن می توان به فولرن ها، نانوذرات کربن سیاه و نقاط کوانتومی کربنی اشاره کرد.

نانوذرات بر پایه ی کربن به دلیل رسانایی الکتریکی، استحکام بالا، الکترون خواهی و خواص نوری و حرارتی منحصر به فرد در طیف وسیعی از زمینه ها از جمله دارورسانی، ذخیره سازی انرژی، تصویربرداری زیستی، دستگاه های فوتوولتایی و حسگرهای محیطی به جهت تشخیص عوامل بیماری زا مورد استفاده قرار می گیرند. نانوالماس ها و نانو پیازهای کربنی نانوساختارهای پیچیده تری هستند که به دلیل سمیت کم تر و زیست سازگاری بیشتر در زمینه دارورسانی هدفمند و مهندسی بافت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

4. نانومواد کامپوزیتی (Composites Nanomaterials):

نانو مواد کامپوزیتی در اثر ترکیب شدن نانوذرات مختلف با یکدیگر و یا ترکیب شدن نانوذرات با مواد در مقیاس بزرگ تر تشکیل می شوند. با توجه به بهبود خواص مکانیکی، خواص حرارتی و ضد شعله در این دسته از نانوساختارها، نانومواد کامپوزیتی علاوه بر  کاربرد گسترده در پزشکی بازساختی و مهندسی بافت، در محصولات قطعات خودرو تا مواد بسته بندی می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

در کنار طبقه بندی بر اساس ماهیت، ابعاد و آرایش ساختاری، نانومواد بر اساس ابعاد و قطر حفرات به سه دسته تقسیم می شوند:

• مواد میکرو متخلخل (Micro Porous Materials)
• مواد مزو متخلخل (Mesoporous Materials)
• مواد ماکرو متخلخل (Macro porous Materials)

قطر حفرات اندازه ی مولکول ها را مشخص می کند و می تواند اطلاعات جامعی در مورد خصوصیات انتشار و برهمکنش های مربوط به ساختار در دسترس قرار دهد. اگر مولکول های مهمان کوچک تر از اندازه ی حفرات باشند، برهمکنش میان مولکول و دیواره ی ساختار کم تر  و برهمکنش های بین مولکولی در طول فرآِیند انتشار بیشتر صورت خواهد گرفت. اندازه ی قطر حفرات پارامتری مهم در کاربردهای جذب و انتشار است.

1. مواد میکرو متخلخل (Micro Porous Materials):

مواد میکرو متخلخل موادی هستند که دارای منافذ بسیار باریکی با قطر کم تر از دو نانو متر می باشند. این دسته از ساختارها فقط می توانند مولکول های کوچک مانند مولکول های گازی و خطی را پذیرا باشند. سینتک انشار مواد میکرو متخلخل آهسته است اما از لحاظ خصوصیات برهمکنشی توان بالایی دارند. از جمله مواد میکرو متخلخل می توان به مواد Na-Y و خاک های رس طبیعی اشاره کرد. این دسته از ساختارها برای سیستم های خالص سازی و ذخیره ی گاز و همچنین فیلترهای غشایی بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.

2. مواد مزو متخلخل (Mesoporous materials):

مواد مزو متخلخل موادی هستند که دارای منافذ با قطر بزرگ می باشند و می توانند برخی از مولکول های بزرگ تر از دو نانو متر و کوچک تز از 50 نانو متر را در خود جای دهند. از جمله مواد مزو متخلخل می توان به MCM-41، MCM-48  ، SBA-15 و مواد مزو متخلخل کربنی اشاره کرد که به عنوان نانو راکتور برای پلیمریزاسیون یا سیستم های جذب مایعات یا بخارات استفاده می شوند.

3. مواد ماکرو متخلخل (Macro porous Materials):

مواد ماکرومتخلخل موادی هستند که دارای منافذی با قطر بزرگ تر از 50 نانومتر می باشند و می توانند مولکول های بزرگی مانند سیستم های پلی آروماتیک و سایر مولکول های زیستی کوچک را در خود جای دهند. از جمله مواد ماکرو متخلخل می توان به میکرولوله های کربنی، ژل های متخلخل و شیشه های متخلخل اشاره کرد. این دسته از مواد عمدتاٌ به عنوان داربست به جهت ذخیره سازی مولکول های دارویی و آلی، کاتالیزرو و سنسور مورد استفاده قرار می گیرند.

علاوه بر طبقه بندی های شرح داده شده، نانومواد می توانند بر اساس سمیت بالقوه در سه دسته طبقه بندی شوند:

• نانوذرات فیبر مانند (Fiber-like Nanoparticles)
• نانوذرات گرانولی زیست پایدار (Bio Persistent Granular Nanoparticles)
• نانوذرات سرطان زا، جهش زا، آسم زا و تولید کننده ی سم

(CMAR (Carcinogenic, Mutagenic, Asma genic, Reproductive toxin) Nanoparticles)

1. نانوذرات فیبر مانند (Fiber-like Nanoparticles):

نانو ذرات فیبر مانند  از لحاظ سختی همانند نانو لوله های کربنی زیست پایدار و اکسیدهای فلزی فیبرمانند می باشند؛ اما این دسته از ساختارها خواص شبه آزبست ندارند. محدودیت استفاده و مواجهه با نانو لوله های کربنی زیست پایدار و نانو مواد سخت از 10000 الی 100000 فبیر بر مترمکعب متغیر است.

2. نانوذرات گرانولی زیست پایدار (Bio Persistent Granular Nanoparticles):

استفاده و مواجهه با نانوذرات گرانولی زیست پایدار برابر با تعداد ذرات در هر متر مکعب است. این محدودیت به جهت استفاده از فلزاتی همانند طلا، نقره، کبالت، لانتانیوم، آهن، اکسید آهن، اکسید سریم، اکسید آنتیموان و اکسید قلع در نظر گرفته می شود. برای نانوذرات نامحلول محدودیت استفاده مقدار 0.3 میلی گرم بر متر مکعب پیشنهاد می شود.  

3. نانوذرات سرطان زا، جهش زا، آسم زا و تولید کننده ی سم:

نانو ذرات نیکل، نقاط کوانتومی حاوی کادمیوم، کروم، بریلیوم، آرسنیک و کرومات روی نمونه هایی از نانوذرات سرطان زا، جهش زا، آسم زا و سمی می باشند. استفاده و مواجهه با این دسته از نانو ذرات برابر با20000000 تا 40000000 ذره بر متر مکعب می باشد. برای نانوذرات نامحلول محدودیت استفاده مقدار 0.03 میلی گرم بر متر مکعب پیشنهاد می شود. همچنین برای نانو ذرات محلول  محدودیت استفاده به 1.5 میلی گرم بر مترمکعب کاهش می یابد.    

همچنین از صفحه یر دیدن فرمایید:

• دوره مهارت آموزی نانوذره

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر می توانید به مراجع زیر مراجعه داشته باشید.

References:

1. Nanotechnology in healthcare, and its safety and environmental risks. Journal of Nanobiotechnology, 2024, 20, 715. 22.
2. Nanomaterials: an overview of synthesis, classification, characterization, and applications. Nano Select, 2023, 4, 486-501.
3. A review on nanoparticles: characteristics, synthesis, applications, and challenges. Frontiers in Microbiology, 2023, 14, 1155622.
4. Nanoparticle classification, physicochemical properties, characterization, and applications: a comprehensive review for biologists. Journal of Nanobiotechnology, 2022, 20, 262.
5. A Review on low-dimensional nanomaterials: nanofabrication, characterization and applications. Nanomaterials, 2022, 13, 160.
6. Nanomaterials: a review of synthesis methods, properties, recent progress, and challenges. Materials Advances, 2021, 2, 1821-1871.