تمت دراسة الخواص المعتمدة على الحجم والمتعلقة بالجسيمات النانوية والمواد النانوية على نطاق واسع ولكن لا يزال يتعين توضيح الخصائص التحفيزية المعتمدة على الشكل بطريقة أكثر شمولاً بشكل عام تزداد تفاعلية الجسيمات النانوية وتتغير بسبب التناقص في حجمها، كما أن نقطة انصهار الأطوار النانوية المعنية تصبح أقل بشكل ملحوظ مقارنة بنظيراتها الكبيرة، كما أن لونها يخضع لتغيير بسبب تناقص حجمها. يقيد الحجم المحدد للجسيم التوزيع البعدي للإلكترونات، مما يؤدي إلى تكوين مستويات طاقة كمية بسبب تأثير الحجم. هذا التأثير للحبس الكمومي له تطبيقات عدة في حالة البصريات غير الخطية وأشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية. تُظهر هذه الجسيمات النانوية بعض الظواهر الفريدة التي تمت مناقشتها بإيجاز أدناه .

الخصائص البصرية Optical properties: اكتسب المختصون في الكيمياء الضوئية معرفة جيدة بهذه التقنية للكشف عن آلية عملياتهم الكيميائية الضوئية. تستند هذه التوصيفات إلى قانون بير لامبرت الشهير ومبادئ الإضاءة الأساسي. عندما يتم تقليل حجم المادة إلى حجم النانو ، تتغير الخاصية البصرية للمادة بطريقتين مختلفتين: الأولى هي الحبس الكمي والثانية هي رنين) البلازمون السطحي) . إذا تم تقليل حجم المادة إلى ما دون الطول الموجي deroglie يحدث الحبس الكمي للشحنات، وتبدو مستويات الطاقة منفصلة. يوضح الشكل (17.1) أدناه كيف تصبح مستويات الطاقة أكثر تميزًا عندما يتم تقليل المواد الكتلية إلى ثنائية الأبعاد ثم إلى أحادية البعد وأخيراً إلى أبعاد صفرية (أي النقاط الكمومية). يجعل حصر مستويات الطاقة مظهر المادة مختلفًا لأنه يؤدي إلى تغيير لون المادة. أقل من 10 نانومتر من الحجم، يصبح التباعد بين مستويات الطاقة بارزًا جدًا بحيث يمكن رؤية التغيير الحاد في لون النقطة الكمومية مع 102 نانومتر , لذلك يمكن تصنيع مادة نانوية لخاصية معينة لتطبيق محدد عن طريق اختيار طريقة التركيب الصحيحة.

تعتمد الخصائص البصرية مثل الانعكاس، والنقل والامتصاص، وانبعاث الضوء للمواد النانوية اعتمادا كليا على بنيتها الإلكترونية التي تختلف اختلافًا كبيرًا في الأشكال المختلفة نظرا لأن البنية الإلكترونية للمواد النانوية تعتمد إلى حد كبير على ذرات السطح. هناك عاملان، وهما زيادة تباعد مستوى الطاقة التأثير) الكمي) ورنين البلازمون السطحي، يساهمان بشكل كبير في الخصائص البصرية المعتمدة على الحجم للمواد النانوية. يتم ملاحظة تأثيرات الحجم على الخصائص البصرية عندما يتم تقليل حجم الجسيمات إلى 10 نانومتر على المستوى النانوي، تكون الجسيمات النانوية صغيرة جدًا بحيث لا تكون الإلكترونات الموجودة فيها حرة الحركة كما في حالة المواد السائبة. بسبب هذا الحصر الكمي للإلكترونات، تتفاعل الجسيمات النانوية بشكل مختلف مع الضوء مقارنةً بالمادة السائبة. الأبعاد المخفضة في التركيب الإلكتروني للمواد النانوية لها التأثير الأكثر أهمية على طاقات المدار الجزيئي الأعلى المشغول، وهو نطاق التكافؤ، والمدار الجزيئي الأدنى غير المشغول، وهو في الأساس نطاق التوصيل. تحدث الخصائص البصرية مثل الانبعاث والامتصاص عندما يحدث انتقال الإلكترون بين هذين النطاقين تزداد فجوة الحزمة الضوئية مع انخفاض حجم الجسيمات خاصة بالنسبة للمواد النانوية شبه الموصلة عندما ينخفض إلكترون من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل، فإن كما من الضوء (فوتون) بطول موجة hc/ ΔE 4⅟ ʎسينبعث حيث، ΔE، h.C هي ثابت بلانك، وسرعة الضوء, وفرق الطاقة بين مستويات طاقة الإلكترون المسموح بها ، على التوالي كلما زاد حجم AE كلما كان الطول الموجي أقصر إزاحة اللون الأزرق وهكذا تمتص المواد النانوية شبه الموصلة وتنبعث منها الضوء عند أطوال موجية معينة تعتمد بشدة على كل من حجم وشكل الجسيمات بسبب تأثيرات الحبس الكمومي من خلال تغيير حجم وتكوين المواد النانوية، يمكن ضبط أطوال موجات انبعاثها من الأشعة فوق البنفسجية عبر المنطقة المرئية إلى مناطق الأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف. على سبيل المثال، من خلال ضبط حجم الجسيمات النانوية القشرة CdSe-CdS الغروية التي يتراوح قطرها من 2 إلى 6 نانومتر، يمكن إزاحة الطول الموجي للانبعاث عبر الطيف المرئي، حيث تنبعث الجسيمات الأصغر باللون الأزرق وتنبعث الجسيمات الأكبر حجمًا من الضوء الأحمر كما في (الشكل 18.1) عندما يصبح حجم الجسيم أقل من الطول الموجي للإشعاع الساقط، تصبح ظاهرة رنين البلازمون السطحية مهيمنة للتحكم في الخصائص البصرية للمواد النانوية رنين البلازمون السطحي هو نتائج الإثارة المتماسكة للإلكترونات الحرة للمواد النانوية، الموجودة في نطاق التوصيل وتذبذبات الرنين في الطور مع الطاقة الضوئية المطبقة. وبالتالي يمكن أن تنتج المواد النانوية رنينا للطعام السطحي، على عكس المواد السائبة. تتناسب شدة رنين المأكل بالسطح بشكل مباشر مع عدد هذه الإلكترونات المثارة وثابت العزل الكهربائي للوسط المستخدم يمكن للمعادن مثل الذهب والفضة والألمنيوم أن تدعم أنماط الطحين السطحي حيث يتردد صدى الإلكترونات الحرة في المادة بشكل طبيعي بتردد يعتمد على تكوين الجسيمات وحجمها وشكلها. كما هو مبين في الشكل (19.1)، تنتج جزيئات الذهب أو الفضة النانوية ألوانًا مختلفة لأحجام وأشكال مختلفة.

الشكل (18.1) (أ) الجسيمات النانوية ذات القشرة الأساسية CdSeCds بقطر 1.7 نانومتر (أزرق) حتى 6 نانومتر (أحمر)، مما يدل على تحجيم فجوة النطاق لأشباه الموصلات مع حجم الجسيمات. (ب) تمثيل تخطيطي لتأثير الحجم على الفجوة بين نطاق التكافؤ (VB)، وفرقة التوصيل (CB)، والامتصاص (السهم لأعلى والفلورة (السهم لأسفل). الجسيمات الأصغر لها فجوة نطاق أوسع

الشكل (19.1) الخصائص البصرية للذهب الغرواني أو جزيئات الفضة النانوية

تمتلك أشباه الموصلات والمواد النانوية المعدنية والمركبات النانوية امتصاصا خطيًا مثيرًا للاهتمام، وانبعاث التلألؤ الضوئي، وخصائص بصرية غير خطية. تُظهر المواد النانوية ذات الأحجام الصغيرة للجسيمات انبعاثا بصريًا معززا بالإضافة إلى خصائص بصرية غير خطية بسبب تأثير الحبس الكمومي. كما لفت التوليف والتوصيف والقياس للخصائص البصرية للمواد النانوية ذات الأشكال المختلفة الخواص اهتمامًا كبيرًا في الآونة الأخيرة، تم إعطاء الكثير من التركيز البحثي على تحضير أشباه الموصلات البوليمرية وغيرها من المواد المركبة النانوية التي لها تطبيقات محتملة في مختلف الإلكترونيات الضوئية وأجهزة الضوئيات تشمل الموضوعات تقنيات التوليف والتوصيف والخصائص الضوئية للمواد النانوية شبه الموصلة، والمركبات النانوية للبوليمرات شبه الموصلية والجسيمات النانوية المعدنية الجرافين، والخصائص البلازمية للجسيمات النانوية المعدنية والبنى النانوية. استعرضت التطورات الحديثة والمزايا والقيود المفروضة على أجهزة الاستشعار البصرية القائمة على السيليكا المسامية للكشف عن المعادن الثقيلة. في الورقة البحثية التي تحمل عنوان "توصيف الخصائص البصرية لجسيمات نانوية هجينة من الجرافينX=Ag) X Au , Cu ) " أبلغ المؤلفون عن نتائجهم حول التحقيق في التوليف ، والتوصيفات الهيكلية النانوية ، والخصائص البصرية ، بما في ذلك تعديلات رنين البلازمون السطحي (SPR) ومركبات الجرافين المعدنية النانوية مع دمج الجسيمات النانوية في صفائح الجرافين النانوية. أبلغوا عن تقنية تخليق سهلة من وعاء واحد لإعداد بلورات نانوية ثلاثية من ZnxCd1 - xSe والتي تظهر انبعاث ضوئي مضيء قابل للضبط في منطقة الطول الموجي الأخضر التي لها عائد كمي من 45-89 وأيضا أبلغ عن تخليق الهياكل النانوية ZnO مع أشكال مختلفة، مثل nanopyramids، وnanosheets، وnanoparticles بواسطة طريقة solvothermal تأثير المعالجة المسبقة للمحلول " لقد استخدموا مطياف رامان والتلألؤ الضوئي لفحص التبلور والخصائص البصرية للعينات. الخصائص البصرية والدراسات البيولوجية في المختبر للنقاط الكمومية المعدلة قليل النوكليوتيد أبلغ عن توليف وتوصيف سلسلة من النقاط الكمومية الجديدة المعدلة قليلة النوكليوتيد (QDs) تمكن مراجعة للتطورات الأخيرة في تحسين خصائص اللمعان للجسيمات النانوية المخدرة بناءً على بنية الغلاف الأساسي. جذبت معالجة المياه باستخدام المحفزات الضوئية وأشباه الموصلات غير المتجانسة الانتباه في الآونة الأخيرة نلاحظ تقدم البحث في تقنيات التوليف والتوصيف والخصائص البصرية للمواد ذات البنية النانوية. كما يحدونا أمل كبير في أن يقدم هذا العدد الخاص الأفكار للمبتدئين وسيكون مفيدًا للباحثين المحتملين لبدء العمل البحثي في مجال تطوير الجسيمات النانوية والمواد المركبة النانوية المطلوبة للأجهزة الإلكترونية الضوئية المستقبلية.