چگونه نانوساختارها را تولید می‌کنیم؟

[_DENIZ._.SH_]

چگونه نانوساختارها را تولید می‌کنیم؟


نویسنده: بهنام غفاری



مقدمه


حالا که به اهمیت مواد در مقیاس نانو پی بـرده‌اید، احتمالا این سوال برایتان پیش آمده است که با کدامین ابزار می‌توان مواد را در این مقیاس کوچک تولید کرد؟ تا به امروز روشهای گوناگونی برای ساخت نانومواد وجود دارد که بعضی شیمیایی و بعضی فیزیکی هستند. این روش ها را می توان در دو گروه کلی روش های از بالا به پائین و از پایین به بالا تقسیم بندی کرد. منظور از بالا و پایین در اینجا، مقیاس است، بالا به معنی مقیاس های بزرگ تر از نانو می باشد، بنابراین روش های از بالا به پایین شامل روش هایی است که در آنها، نانوساختارها مستقیما از مواد معمولی و درشت مقیاس تهیه می شوند. به عبارت دیگر با استفاده از این روش ها مواد را خرد و آنها را به ابعاد نانو تبدیل می کنند. روش های از پایین به بالا به معنی شروع کردن از مقیاس های زیر نانو و رسیدن به ابعاد نانو است. در این بخش اساس این دسته‌بندی را توضیح داده و در بخش‌های بعدی روش‌های اصلی تولید نانومواد می‌پردازیم.



ساختن از بالا به پایین و از پایین به بالا

از اهداف مهم فناوری نانو ـ و شاید مهمترین آنها ــبه وجود آوردن ساختارهایی از مواد است که در آنها آرایش مولکولها از پیش طراحی شده باشد. روشهای مرسوم تولید، مثل روش ذوب فلزات و سرد کردن آنها در قالب، چنین امکانی را فراهم نمیکنند. پس چگونه میتوان چنین ساختارهایی را به وجود آورد؟

در این بخش به این سوال پاسخ داده می‌شود. فرض کنید تعدادی آجر خانه‌سازی دارید و میخواهید با آن چیزی ــ بهتر است بگوییم «ساختاری» ــ مانند شکل 1 بسازید.

شکل1: ساختاری از آجرهای خانه سازی



چگونه این کار را انجام میدهید؟ احتمالا روش شما هم با ما یکی است: چهار آجر دو در دو را کنار هم میگذارید و بعد چهار آجر دو در دوی دیگر را به صورت عمودی به آنها متصل میکنید تا ساختار مورد نظر شکل بگیرد.

بسیار خوب، حالا فرض کنید که وقتی آجرهای خانه سازی را از فروشگاه میخرید، آنها به شکل یک مکعب بزرگِ پیشساخته مثل شکل2 باشند.

شکل2: مکعب پیش ساخته از آجرهای خانه سازی



حالا اگر بخواهید به شکل 1 برسید چه می‌کنید؟ آجرهای اضافیِ مکعب بزرگ را حذف کنید تا شکل 1 کمکم خودش را نشان بدهد. (مثل شکل3)

شکل3- ساختار به دست آمده با حذف تعدادی از آجرها



در روش اول با استفاده از قطعات کوچک یک قطعة بزرگتر ساخته شد. به این روش، «ساختن از پایین به بالا» گفته می‌شود.

در روش دوم قطعات زائدِ یک قطعه بزرگ حذف شد تا ساختار مورد نظر حاصل شود. این روش، «ساختن از بالا به پایین» گفته می‌شود. حالا فرض کنید یک ساختار جدید برای ساختن پیشنهاد شود، مثل شکل4.

شکل 4:ساختاری جدید


سؤال: از کدام روش برای ساختن این ساختار باید استفاده شود؟ نظر شما چیست؟

این بخش برای ساده کردن همین پیچیدگی نوشته شده است. یکی از عوامل تعیینکننده‌ی جواب، این است که ماده اولیه بخش به چه شکل است؟ اگر ماده در دسترس تعدادی قطعهی کوچک و ریز باشد، از روش پایین به بالا استفاده میشود؛ اگر ماده اولیه یک قطعهی بزرگ باشد، از روش بالا به پایین استفاده میشود. در عین حال، ممکن است هر دو روش نیز به کار رود. مثلا اگر ماده اولیه برای ساختن شکل 5 به صورت مکعب بزرگی با آجرهای دو در چهار، یعنی همان شکل 2 باشد، نمیتوان با حذف بعضی آجرها مستقیما به ساختار نهایی رسید. در این حالت، میتوان آجرهای بالا و پایین ساختار شکل 4 را برداشت (ساختن از بالا به پایین) و بعد دو آجر با ابعاد 2×2 به جای آنها متصل کرد. (‌ساختن از پایین به بالا)

شکل5: ساختار جدید


در صنعت از هر دو روش با هم استفاده میشود. به مثالهای زیر توجه کنید:

• یک نجار میخواهد مجسمهای چوبی بسازد. او یک قطعهی بزرگ چوب را برمیدارد و با رنده و سوهان آن را میتراشد و پرداخت میکند تا مجسمه ساخته شود. این کدام روش است؟

• نجار میخواهد یک صندلی بسازد. او پایههای میز و قطعات مربوط به تکیهگاه صندلی را جداگانه میسازد و بعد آنها را به هم متصل میکند. این کدام روش است؟



حالا به فناوری نانو فکر کنید: به نظر شما کدام روش ساختن در این فناوری کاربرد دارد؟

تا چند سال پیش، راه دستکاری و جابهجا کردن تکمولکولها و ساختارهای نانویی یکطرفه بود. یعنی برای ساختن چیزها در مقیاس کوچک، میبایست یک قطعهی بزرگتر را با تراشیدن و خرد کردن یا حل کردن بخشهای اضافی با اسید و... آنقدر کوچک میکردیم تا به قطعهی نهایی برسیم. به عبارت دیگر، روش تولید ساختارهای کوچک، از نوع بالا به پایین بود.

در چند سال اخیر روش‌هایی ابداع شدهاند که اجازه میدهند مولکولها یا ذرات نانویی را جابهجا و آنها را به هم متصل کنیم. مثل جابهجا کردن ذرات نانویی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یا روش‌های ساختن نانولولههای کربنی. این روش‌ها در مجموع روش ساختن از پایین به بالا هستند.

روش‌های گفتهشده در بالا، برای ساختن محصولاتی که بسیار کوچکاند مناسب هستند. اما اگر بخواهیم یک دیوار چندسانتیمتریِ یکدست را به این روش بسازیم، چند ده سال طول میکشد تا مولکولها را تکتک کنار هم بچینیم و دیوار مورد نظر را بسازیم. در عین حال، اگر بخواهیم دیوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگهای ساختمانی، بسازییم، دیوار یکدست و منظم نخواهد بود. پس چه کار کنیم؟

پیدا کردن روش‌های تولید مناسب در فناوری نانو موضوعی است که در چند سال اخیر بهشدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در فناوری نانو هم از روش ساختن از بالا به پایین استفاده میشود و هم از روش ساختن از پایین به بالا.