نانو علم نوظهور
عصری که هم اکنون در آن به سر می بریم عصر ریز ساختارهاست قرنی که همه ی متفکران در صدد پی بردن به چگونگی رفتارمواد در واکنش های فیزیکی و شیمیائی در ابعاد بسیار ریز و کوچک می باشد این مباحث همه در حیطه علم نانو مطرح می شود . در تکنولوژی نانو دانشمندان در صدد بررسی مکانیزم های ساختارهای پیچیده ولی ریز هستند . برای پی بردن به اینکه در ابعاد نانو ملکولها و یا اتمها چه رفتارهائی در محیط های مختلف از خود نشان می دهند و یا اصلا برای تصحیح تصوری که ما قبلا از مولکولها و اتمها داشتیم ابزارها و د ستگاههائی وجود دارند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت .
قبل از هر چیزی به انواع نانو می پردازیم ، نانو چون یک علم و دانش نو ظهور است در نتیجه هر روز قسمتی به آن افزوده می شود ولی بطور کلی نانو به سه گروه عمده : نانومواد ، نانو الکترونیک و نانوپزشکی تقسیم می شود که بعضی دانشمندان نانو مکانیک را هم جزءاین طبقه بندی قرار می دهند . ولی چون این قسمت را می توان زیر مجموعه ای از نانوالکترونیک در نظر گرفت ما هم به بررسی سه گروه اصلی می پردازیم .
در این میان نانو مواد تسبت به دو نوع دیگر پیشرفت های فوق العاده چشم گیری کرده است . همه ی نانو مواد از دانه های ریزی تشکیل شده است که آنها را بسته به نوع ساختار و جنس و یا اندازه می توان با چشم غیر مسلح ید و یا ندید . مواد رایج حاوی دانه هائی هستند که اندازه آنها در هر عمقی و در هر جائی از نمونه ماده ، از چند میکرون تا چند سانتی متر تغییر میکند، نانو مواد را گاهی اوقات ، وقتی که متراکم و فشرده نشده باشند نانو پودر می نامند . که اندازه دانه های آن حداقل در یک بعد و با معمولا در سه بعد در محدوده ی nm (100-1) قرار میگیرد .
برای مثال یکی از نانو موادی که ما تا حالا با ان برخورد داشتیم،کربن سیاه می باشد که برای بالا بردن عمر تایرهای اتومبیل بکارمیرود . این ماده در سال 1900 کشف شد ولی چون در آن روز هیچ شناختی از نانو نبوده نمی دانسته اند که چه نوع ساختاری دارد . بهرحال نانو مواد زیادی تا به حال کشف شده و از انها استفاده می شود که روزانه به تعداد آنها افزوده خواهد شد .
روش های ساخت نانو مواد گسترده هستند شش شیوه پر کاربرد آنها عبارتند از :
قوس پلاسما – رسوب گذاری شیمیائی فاز بخار – رسوب گذاری الکتریکی – سنتز ار طریق سل – ژل – آسیاب کردن و سا یس با حرکت گلوله ها ( آسیای گلوله ای ) و در نهایت استفاده از نانو ذرات طبیعی . در روش اول ، مولکولها و اتمها از طریق تبخیر از هم جدا سازی می شوند و سپس این مکان فراهم می شود که تحت کنترل دقیق و در یک آرامش منظم نانو ذرات را پدید آورند و بر روی یک سطح مشخص ته نشین شوند . در روش سوم فرایندی مشابه رخ می دهد چرا که نمونه های منفرد از محلول جدا شده و بر روی سطح می نشینند . در فرایند سنتز سل – ژل قبل از رسوب گذاری بر روی سطح ، منظم شدن قبلی انجام می شود .
در استفاده از آسیاهای گلوله ای معلوم شده که ساختارهای درشت بلوری به ساختارهای نانو بلوری شکسته و خرد می شوند ولی ماهیت اصلی و اولیه ماده تغییری نمی کند ، و در آخر می توان چنین گفت که موادی نظیر خاک رسهای فیلو سیلیکاتی لایه ای شده نانو مواد نیستند چرا که انها مواد طبیعی می باشند ولی واقعیت نشان میدهد که فیو سیلیکاتهای لایه ای شده نانو ساختارهای طبیعی هستند اگر چه آنها معمولا طوری کشیده شده و جهت گیری شده اند که از نانو ساختارشان نمی توان استفاده کرد .
در اینده به بررسی جزبه جزتک تک روشهای بالا می پردازیم .
از بحث نانو مواد خارج می شویم و به بررسی کربن می پردازیم که خود انقلابی در نانو تکنولوژی است . اگر چه تمامی فرآیندها و ساختارها و روشهای تولید در این زمینه زیر مجموعه ای از نانو مواد است ولی چون کربن خود به تنهائی تحولی عجیب در تمامی رشته ها بوجود آورده است ما هم جداگانه به آن میپردازیم .
دورانی که ما در آن به سر می بریم دوران کربن است کربن دارای سه نوع است : الما س -گرافیت و کربن های غیر بلوری در ساختارهای کربن می توانیم به فولرن 60C اشاره کرد که باکی بال نام دارد،
که ساختاری شبیه توپ فوتبال دارد و در این ساختار 60 اتم کربن وجود دارد . ساختارهای دیگری چون 70 C ، 80C ... ،120C و فراتر از این مقدار وجود دارد.
مسئله مهم این است که در علم نانو تکنولوژی اتمها را می توان درون توپ فولرن جا داد . با ورود اتمها به ساختار 60C نمک های از آن پدید می اید به شرطی که فولرن فولرن بتواند الکترونها را بدست آورد و به یون منفی تبد یل شود . بنابراین ساختاری از فولرن به صورت
C60xn- و Mxxn+ در می اید که n تعداد الکترونی که اتم فلز از دست می دهد و x تعداد اتمهای فلزی است . توده یا لایه های نازکی از 60C خالص ، فقط نیمه هائی هستند و مقاومت دمائی آنها در برابر درجهحرارت اتاق 108 wcm است . این مقاومت الکتریکی را می توان تا چندین مرتبه بزرگی ، از طریق افزودن فلزات و تشکیل نمک ها کاهش داد . اگر که 60C و Mxxn- افزایش یابد مقاومت کاهش می یابد که این نیزمحدود به یک مقدار معین است ، که از این مقدار بیشتر مقاومت افزایش می یابد و فولرن تبدیل به یک عایق الکتریکی می شود . برای فولرن تا سه اتم را می توان به دام انداخت . برای ساختارهای بزرگتر این مقدار بیشتر می شود.
از بحث فولرن ها بگذریم نوبت به نانو تیوبها می رسد(MWNT- SWNT ) لایه های گرافیتی شش وجهی را در نظر بگیرید که روی یکدیگر قرار گرفته اند،فکر کنید یکی از این لایه ها ی گرافیتی را برداشته باشیم
و دو سر آن را عرض لایه ها به هم وصل کنیم که تشکیل یک لوله میدهد که جداره آن را اتمهای کربن تشکیل می دهد . به این محصول نانو تیوب ( نانو لوله کربنی ) گفته می شود . خود این نانو تیوبها بسته به طول آنها و یا روش شکل گیری آنها انواع مختلف دارند . حتما فکر می کنید که ابتدا و انتهای یک نانو تیوب به کجا ختم می شود اصولا در اکثر موارد دو نیم کره در ابتدا و انتها قرار می گیرند . نانو تیوبها میتوانند از یک جداره و یا چندین جداره تشکیل شوند . منظور این که می توان چند نانو لوله با قطرهای متفاوت را درون هم جا داد در اصل در حین تولید ، این نانو لوله ها درون هم قرار می گیرند ولی باید به این نکته توجه کرد که محور این نانو تیوبها همگی یکی است .
انواع مختلفی از نانو لوله های تک دیواره وجود دارند چرا که ورقه ی گرافیتی را می توان به روشهای مختلفی لوله کرد . روش متداول برای توصیف این فرآیند ، عبارت است از نگاه کردن به ورقه ی لوله نشده و میان فرآیند نورد ( لوله ای شدن ) از طریق بردارهای ( a1 a2) می باشد که n و m اعداد صحیح در معادله ی بردار R=na1+ ma2 می باشند .
انواع نانو لوله های کربنی در شکل نشان داده شده است در قسمت های بعدی ( معرفی هایی که در آینده مطرح می شود به بررسی طرز ساخت نانو لوله ها و خاصیت های آنها می پردازیم ) .
در رشته نانو ابزارهای فوق العاده ریادی کاربرد دارند از جمله مهم ترین این وسایل می توان به انواع میکروسکوپها اشاره کرد . این میکروسکوپها اطلاعاتی درباره ی شکل شناسی
( مورفولوژی ) ، وضوع نگاری ( توپوگرافی ) و بلورشناسی ( کریستالوگرافی ) می دهند .
شکل شناسی عبارتند از ریخت و اندازه ای که جسم دارد . در موضوع نگاری ما به بررسی تصاویر ، مهره ها و یا شکل های سطحی از یک جسم که شامل بافت و یا سختس جسم نیز می شود می پردازد . و در نهایت بلورشناسی به چگونگی مرتب شدن اتم ها در یک جسم و آرایش آنها می پردازد . در هر یک از این علوم میکروسکوپهای مخصوصی بکار می رود که ازر کاربرد ترین آنها می توان به میکروسکوپ الکترونی پیمایشی یا پویشی ( SEM) ، میکروسکوپ الکترونی عبوری ( TEM ) ، میکروسکوپ پروب پویشی ( SPM ) ، میکروسکوپ نفوذ اتمی ( AFM) ، میکروسکوپ تونل زنی پویشی ( STM ) و
میکروسکوپ نیروی شیمیائی ( CFM ) اشاره کرد . که اصولا در کارهای نانو بیشترین استفاده ی ما با TEM است و برای این که یک آشنائی قبلی با مکانیزم کار این میکروسکوپ داشته باشیم ما مختصرا توضیحی درباره این میکروسکوپ میدهیم .
میکروسکوپ الکترونی عبوری جدید Transmission Electron Microscopy
اگر چه میکروسکوپ های الکترونی TEM زودتر از میکروسکوپهای SEM ساخته شده ولی بخاطر پیشرفتهای فوق العاده زیادی که درون ساختار این میکروسکوپ ها روی داده و نیز کاربرد فراوان آنها در قسمت نانو در نتیجه کانیزم کار این میکروسکوپ را بررسی میکنیم . بزرگنمائی TEM ها در حدود 400000 برابر است ولی می توان برای اتمهای ریز با بزرگنمائی10×15 از آنها تصاویری تهیه کرد . روش کار TEM بسیار شبیه به پروژکتور اسلایداست ،در این پروژکتورها یک پرتو نور توسط دستگاه از میان اسلاید به بیرون تابانده می شود و همان طور که نور از میان آن عبور می کند بر روی ساختارها و اشیای روی اسلاید تغیراتی را پدید می آورد این تاثیرات فقط در نتیجه عبور بعضی از از قسمتهای پرتو های نورانی از میان بعضی قسمتهای اسلاید به وجود می آید . این پرتو عبور نوده ، شپش روی یک صفحه نمایش برخورد می کند و تصویری بزرگ شده از اسلاید را بر روی صفحه نمایش پدید می آورد . ولی در میکروسکوپ TEM بجای پرتوی نور عبوری از پرتوئی از الکترونها استفاده می شود و بجای صفحه نمایش از آشکار کننده ی فسفری استفاده می شود .
در میکروسکوپ TEM ، نمونه ای که تحت آنالیز قرار می گیرد باید قبل از استفاده به روش های ویژه ای آماده شده باشد. منظور سنگ زنی یا پولیش کاری نیست ، بلکه ایجاد ضخامتی از قطعه است که الکترونها بتوانند ازمیان نمونه عبور کنند و این مرحله کلیدی ترین مرحله است،
تا تصویری واضح ایجاد گردد که یکی از دلایلی که از میکروسکوپهای TEM استفاده میشود سختی در تهیه نمونه است. قسمت های مهمی که در این میکروسکوپ بکار میرود عبارتند از :
1- یک تفنگ الکترونی که جریانی از الکترونها را تولید می کند ( منبع الکترونی )
2- جریان الکترونی تولیدی با استفاده از عدسی های کوچک کننده به صورت یک
پرتو کوچک ، باریک و هم رأس تمرکز می یابد . نخستین عدسی تا حد زیادی ( spot size )
اندازه لکه نورانی را تعیین می کند ، که عبارت است از دامنه ی اندازه ی کلی ، از لکه ی نوری نهائی که به نمونه می تابد یا یرخورد می کند . عدسی دوم ، اندازه لکه نورانی را بر روی نمونه تغییر می دهد که از یک لکه عریض ، پراکنده تا یک پرتو نقطه ای از نور قابل تغییر است . اندازه پرتو نورانی به وسیله ی روزنه ی کوجک کننده محدود شده است .
3- پرتوی نورانی به نمونه برخورد می کند وبخشی از ان از داخل نمونه عبور می کند بخش عبور کرده از نمونه توشط یک عدسی شی داخل یک تصویر متمرکز می شود .
یک روزنه سطحی انتخاب شده ف کاربر را قادر می سازد تا آرایش منظمی از اتمها را در نمونه ها بیازماید از آنجا که پرتوی الکترونها تمرکز یافته اند اغلب انرژی زیادی در حین تجزیه بر روی نمونه متمرکز کرده است . مراحل خنک سازی ویژه ای در بسیاری ازدستگاهها به کار رفته است.
4- تصویر از میان عدسی ها عبور نموده و بزرگ می شود .
5- و درنهایت تصویر به صفحه نمایش فسفری برخورد می کند و نوری را پدید می اورد
که به کاربر اجازه می دهد تا تصویر را ببیند . نواحی تیره تر تصویر ، سطحی از نمونه را تشلت می دهد که الکترونهای کمی از آنجا عبور کرده اند ( قسمت هائی از نمونه که ضخیم تر یا چگال ترند ) نواحی روشن تر تصویر ف سطوحی از نمونه را نشان می دهند که الکترونهای بیشتری از آنجا عبور کرده اند ( قسمت هائی که نازک ترند یا چگالی کمتری دارند ) . این دستگاه دارای معایب و مزایای زیادی است از جمله معایب وقت گیر بودن ان است و محدود بودن آن برای استفاده از قطعات آماده شده ی مخصوص که در این میکروسکوپ استفاده می شود . و نیز چون قطعه تحت بمباران الکترونی ( پرتوی الکترونی ) قرار می گیرد دچار تخریب می شود . از مزایای خوب این میکروسکوپ بزرگنمائی بسیار عالی و نمایش تصاویر از اتم های نسبتا ریز است .
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)