هر ماده در فضا دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع است. اگر حداقل یکی ازابعاد یک ماده در محدوده نانومتری باشد، آن را یک ماده نانوساختار می نامند. بر اساس این طبقه بندی، نانومواد به سه دسته 0 بعدی، 1 بعدی، 2 بعدی و 3 بعدی تقسیم می شوند. این سه نوع نانوساختار نه تنها از نظر سنتز و فرآیندهای ساخت، بلکه از نظر خواص و کاربردها به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت هستند. خواص الکتریکی، نوری، مغناطیسی، سطح و غیره در این چهار دسته به طور قابل توجهی متفاوت است.
نانوساختار صفر بعدی
اگر هر سه بعد یک ماده در مقیاس نانومتری باشد، ماده در دسته نانوساختار صفر بعدی قرار می گیرد. نانومواد صفر بعدی که به آنها نانوذرات نیز میگویند، شناخته شده ترین نانوساختارها هستند. نانوذرات می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند، مانند کروی، استوانه‌ای، لوله‌ای، مکعبی، توخالی، پوسته هسته و غیره.
نانوساختار یک بعدی
اگر دو بعد از یک ماده در مقیاس نانومتری باشد، نانوساختار یک بعدی است. نانوساختارهای یک بعدی موادی هستند که یک یا دو بعد آنها در مقیاس نانومتر است و بعد دیگر در مقیاس نانومتر نیست. یا هر سه بعد در مقیاس نانومتری هستند به طوری که اندازه یک بعد چندین برابر دو بعد دیگر است.
نانوساختارهای تک بعدی با توجه به پارامترهایی مانند هندسه مقطع و نسبت ابعاد به سه دسته نانومیله ها، نانوسیم ها و نانولوله ها تقسیم می شوند. اگر نسبت ابعاد کوچک باشد، نانوساختار یک بعدی نانومیله است و اگر بزرگ باشد به آن نانوسیم می گویند. اگر کروی و توخالی باشد به آن نانولوله می گویند. نانولوله های کربنی یکی از معروف ترین و پرکاربردترین نانوساختارهای تک بعدی هستند. این نانوساختارها مانند فولرن ساختار جدیدی از کربن هستند و به دلیل ساختار کریستالوگرافیک و خواص منحصر به فردشان در بسیاری از دستگاه های نانوالکترونیک استفاده می شوند.
نانوساختار دو بعدی
اگر یک بعد در مقیاس نانومتری باشد، آن را نانوساختار دو بعدی می نامند. نانوساختارهای دوبعدی به سه دسته لایه نازک، نانو ورق و صفحه نانو تقسیم می‌شوند. لایه های نازک بیشتر از دو گروه دیگر معروف هستند و کاربرد وسیع تری دارند. معمولاً لایه های نازک بر روی بسترهای مختلف سنتز می شوند. گرافن یک صفحه دو بعدی از اتم‌های کربن در الگوی شش ضلعی یا لانه زنبوری است که در آن اتم‌ها توسط هیبریدهای sp2 به هم متصل می‌شوند. این ماده به دلیل خواص منحصر به فرد خود در ساخت بسیاری از دستگاه های ظریف نانوالکترونیک و نانوتکنولوژی استفاده می شود. از مهمترین این کاربردها می توان به کاربردهای الکترونیکی، کاربردهای تقویتی در کامپوزیت ها، کاربردهای الکترواپتیکی، مهندسی پزشکی، دارورسانی هدفمند و ذخیره انرژی اشاره کرد.
نانوساختار سه بعدی
مواد دیگری نیز وجود دارند که ساختار آنها علیرغم ظاهر شدن به صورت مواد حجیم یعنی ابعاد میکرومتر به بالا، به نوعی با نانو مرتبط است و این چیزی است که آنها را از مواد غیر نانو متمایز می کند. این مواد را مواد نانوساختار حجیم یا نانوساختار سه بعدی می نامند.
دسته ای از نانوساختارهای سه بعدی مواد حجیم متخلل هستند اما دارای منافذ در محدوده نانومتری هستند. اندازه منافذ در مواد متخلخل بسیار مهم است. طبق تعریف آیوپک، موادی که اندازه منافذ آنها بین 2 تا 50 نانومتر است، مواد مزوپور نامیده می شوند. در مواد مزوپور، ابعاد مواد اغلب بسیار بزرگتر از نانو هستند، اما دارای منافذ در مقیاس نانو هستند. این نانومواد مزایای فوق‌العاده‌ای از جمله سطح قابل دسترسی بزرگ، فضاهای خالی قابل تنظیم، ظرفیت بارگذاری بالا و پایداری مکانیکی عالی دارند. این مزایا کاربردهای متنوعی را در بسیاری از زمینه ها امکان پذیر می کند. ساختارمنحصر به فرد نانومواد سه بعدی، کنترل ساختاری، چند عملکردی، هم افزایی، پردازش پذیری و بهینه سازی عملکرد را در مقایسه با ابعاد دیگر نانومواد فراهم میکند.
خصوصیات
نانومواد 0 بعدی مانند نانوذرات دارای نسبت بالایی از اتم‌های سطحی به اتم‌های حجیم هستند، اما دسترسی به سطح محدودی دارند زیرا ذرات تمایل به تجمع دارند.
نانومواد 1 بعدی مانند نانوسیم ها به دلیل ساختار کشیده شان سطح قابل دسترسی بیشتری را فراهم می کنند. با این حال، آنها هنوز هم تمایل دارند که با هم ترکیب شوند و قرار گرفتن در معرض سطح خود را محدود می کنند.
نانومواد دو بعدی مانند گرافن سطح بسیار بالایی دارند. با این حال، ورق های دو بعدی تمایل دارند دوباره روی یکدیگر قرار بگیرند و سطح قابل دسترسی را کاهش دهند.
در مقابل، نانومواد سه بعدی دارای ساختارهایی هستند که حاوی ماکرو-مزوپورهای به هم پیوسته هستند که از تجمع و انباشتگی مجدد جلوگیری می کنند. این بالاترین سطح قابل دسترسی را در بین نانومواد فراهم می کند. کانال های ماکرو- مزوپور اجازه قرار گرفتن در معرض سطوح داخلی و دسترسی مولکول ها/یون ها به فضاهای خالی داخلی را می دهند. این امر کاربردهایی مانند کاتالیز، تحویل دارو، سنجش و غیره را امکان پذیر می کند.
مزایای نانوساختارهای سه بعدی
مساحت سطح بزرگ نانومواد سه بعدی، توانایی بیشتری را برای تطبیق شیمی سطح از طریق عامل‌سازی فراهم میکند و مکان های اتصال بیشتری برای اصلاح با مولکول های هدف در دسترس هستند.
ابعاد کنترل شده: نانومواد سه بعدی را می توان با ماکرو-مزوپوروزیت کنترل شده و اتصال متقابل منافذ برای کاربرد مورد نظر طراحی کرد.
تطبیق پذیری مورفولوژیکی: نانومواد سه بعدی را می توان در اشکال مختلف مانند کره، لوله و غیره سنتز کرد. این امکان بهینه سازی اشکال را برای کاربردهای مختلف فراهم می کند.
ساختارهای ترکیبی: شبکه متخلخل سه بعدی، ترکیب اجزای متعدد را برای ایجاد نانومواد هیبریدی امکان پذیر می کند. به عنوان مثال، ترکیب گرافن سه بعدی با نانوذرات فلزی.
اکسیدهای فلزی سه بعدی به ویژه اکسیدهای فلزات واسطه به دلیل خواص فیزیکوشیمیایی قابل توجه، سهولت، سنتز مقرون به صرفه و ماهیت غیر سمی آنها توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده اند. خواص آنها را می توان با تغییر خواص سطحی و عملکرد آنها به طور مناسب تنظیم کرد.
اثرات هم افزایی: ترکیب نانومواد سه بعدی با سایر نانومواد مانند 1D، 0D یا 2D می تواند اثرات هم افزایی را از ساختارهای مکمل ایجاد کند.
مقیاس پذیری: تکنیک هایی مانند قالب بندی امکان تولید مقیاس پذیر نانوساختارهای سه بعدی با ویژگی های ثابت مانند اندازه منافذ را فراهم می کند.
زیست سازگاری: تخلخل و سطح بالای برخی از نانومواد سه بعدی زیست سازگاری خوبی را برای کاربردهای زیستی فراهم می کند.