روشهای ساخت در دنیای نانو

تعریف

فناوری نانو، تولید کارامد مواد و دستگاه ها به همراه کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو گسترش یافته اند و این امکان پذیر نیست مگر با تعامل بیش از پیش تمام شاخه های دانش بشری.

تفاوت اصلی فناوری نانو با دیگر فناوری ها، در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری بکار می روند. بلوک های سازنده پایه ای در مواد و ساختارهایی است که در این فناوری بکار می روند. بلوک های سازنده پایه ای در مواد در مقیاس های بزرگتر فرق می کند. مواد نانومقیاس، به موادی گفته می شود که یکی از ابعاد آنها از 100 نانومتر کوچکتر باشد. افزایش نسبت سطح به حجم مواد و تاثیرات چیره کوآنتمی، دو ویژگی نمایان نانومواد هستند. این دو عامل اساسی بر بسیاری از ویژگی های ماکروسکوپی اندازه پذیر تاثیر نمایانی می گذارد.

پیدایش خواص ویژه ای مانند تاثیر در واکنش ها، مقاومت مکانیکی و مشخصه های ویژه الکتریکی درمواد مبتنی بر فناوری نانو، از جمله این تغییر در خصوصیات است.

روش های ساخت در مقیاس نانو

طبیعت فناوری نانو، کار با ابعاد بسیار ریز است. ابعادی که ذرات در آنها قابل رویت نیستند. در دنیای نانو، برای اینکه در مولکول ها و اتم ها تغییراتی ایجاد کنیم و از آنها در ساخت اشیا بزرگتر بهره بگیریم از راهکارهای موجود در دنیای ماکروسکوپیک دنباله روی می کنیم. برای ساخت اشیاء در مقیاس نانو از روش هایی با ایده ساده، ولی در عمل مشکل بهره می برند:

روش های ساخت پایین به بالا

در این روش، مواد از مولکول بر اساس اصول بنیادین علوم ساخته می شود. به بیان دیگر، مولکول ها(و بلوک های اصلی) به صورت تک تک کنار هم چیده می شوند تا اینکه ساختار بزرگتری پدید آید. برای تصوری از این روش، می توان ماشین اسباب بازی که از شماری لگوی بازی کودکان به وجود می آید، را یک ساختار و هر تکه لگو را یک عنصر پایه برای ساخت آن در نظر گرفت. گفتنی است که طبیعت هزاران سال است این روش را در ساخت نانوساختارهای طبیعی بکار برده است.

روش های ساخت بالا به پایین

در این روش، نانوساختارها، بدون کنترل اتمی ساخته می شوند، به این ترتیب که ساختاری در ابعاد بالا را اندک اندک به کمک ابزارهای ویژه مانند میکروسکوپ هایی در اختیار فناوری نانو به ابعاد نانومتری می رسانند.

مثال هایی از نانوساختارها

1- ساختارهای صفر بعدی، باکی بال ها هستند که معروف ترین آنها C60  است. مولکول C60 شامل 60 اتم کربن است و این اتم ها مانند یک توپ فوتبال که از 12 پنج ضلعی و 20 شش ضلعی تشکیل شده در کنار هم قرار گرفته اند. این ساختار توپی شکل در شکل 1 نمایش داده شده است. این ساختارها در هر سه بعد، نانویی بوده و مولکول C60دارای قطری در مرتبه 0.7 نانومتر است.

2- ساختار یک بعدی؛ نانولوله های کربنی که در دو راستا، دارای قطر نانومتری بوده و در راستای محور لوله، میکرونی هستند. شکل 2 یک نمونه از آنها را نشان می دهد. اتم های کربن روی بدنه نانولوله ها همگی دارای ساختار شش ضلعی بوده و بسته به آنکه ورقه مسطح شش ضلعی را چگونه بتابانیم سه گونه مختلف از این ساختارها به وجود می آیند. خصوصیات الکترونی و مکانیکی این لوله های کربنی باعث گردیده آنها به عنوان زیربنای تولیدات فناوری نانو در دو دهه گذشته عنوان شوند.

3- ساختارهای دو بعدی گرافین که در یک راستا نانومقیاس بوده و دارای ضخامت از مرتبه آنگستروم هستند. این ساختار جدید از کربن در سال 2004 در دانشگاه منچستر کشف گردید و چیزی نیست مگر یک صفحه تقریبا تخت از شش ضلعی هایی از اتم های کربن.

4- ساختارهایی سه بعدی گرافیتی که سالیان بسیار زیادی است بشر آنرا می شناسد. نوک مدادهای زغالی از جنس گرافیت هستند که ساختار سه بعدی ساخته شده از ورقه هایی از شبکه های شش ضلعی دارد. شکل زیر، ساختار هندسی گرافیت را نشانن می دهد. فاصله میان دو ورقه در حدود 3.35 آنگستروم است و شش ضلعی هایی از جنس کربن سازنده هر صفحه هستند.

5- هرچند حدود 30 سال پیش، تنها ساختر گرافیت از کربن شناخته شده بود، ولی در این چند سال گذشته با کمک فناوری نانو مشخص شد که عنصر کربن تا کنون تنها عنصری در طبیعت است که ساختار پایدار در هر سه بعد را بوجود آورده است. به همین دلیل کربن را به عنوان یک عنصر کلیدی در گسترش فناوری نانو می شناسند.

منبع: تبیان