جنبه‌ی جدیدی از طراحی مواد

علم نانو بر روی طراحی و تولید مواد جدید با خواص فوق العاده و خاص و همچنین عملکردهای مختلف، اثرگذار خواهد بود. مشارکت این زمینه در بخش های دیگر، گسترده می باشد و موجب بهبود خواص پلاستیک ها، سرامیک ها، پوشش ها، کامپوزیت ها، الیاف و ... می شود. علم نانو همچنین یک جنبه ی جدید از طراحی مواد، را معرفی کرده است که نگرش پایین به بالا نامیده می شود. گاهی اوقات به این زمینه، خود آرایی یا مونتاژ خود به خودی نیز گفته می شود. در حقیقت، این زمینه، از طبیعت الهام گرفته شده است. درحقیقت، طبیعت بزرگترین منبع الهام برای مهندسین مواد است زیرا بسیاری از نانو مواد طبیعی، عملکرد فوق العاده ای دارند که علت این عملکرد، ساختار داخلی آنها می باشد.
این مقاله یک بررسی بر روی نانومواد، خواص و عملکردها، ارائه می دهد. سوال مطرح شده در اینجا، این است که: یک ماده ی نانوساختار چه ماده ای است؟ این سوال باید پیش از پرداختن به مثال های مختلف و عملکردهای مختلف نانومواد، پاسخ داده شود.
سوالی که در اینجا مطرح است، این است که مواد نانوساختار، چه موادی هستند؟ این سوال را باید پیش از صحبت در مورد مثال های مربوط به نانومواد مختلف، پاسخ داد. مواد نانوساختار مواد جامد و یا شبه جامدی هستند که به خاطر ساختار نانومتری داخلی، شاخص می باشند. این مواد از مواد کریستالی، میکروساختار و آمورف به دلیل وجود نظم مقیاسی متفاوت می باشند. در جامدهای کریستالی، اتم ها به صورت شبکه ای قرار گرفته اند که در حقیقت فاصله ی میان اتم های همسایه در این شبکه، معین می باشد. این نظر در حقیقت به ابعاد ماکروسکوپیک نیز گسترش یافته است. در عوض، مواد میکروساختار نه تنها دارای تغییر در مقیاس میکروسکوپیکی هستند، بلکه همچنین مواد آمورف نیز دارای نظم کوتاه برد هستند. در مواد نانوساختار، نظم فضایی در مقیاس نانومتری است. در حقیقت این مقیاس چیزی میان مقیاس میکروسکوپیکی و اتمی است.
اندازه ی نانوساختارها و نظم مقیاسی در داخل آنها، بر روی خواص یک ماده ، مؤثر می باشد. مواد نانوساختار نسبت به مواد پلی کریستالی متداول، از لحاظ اندازه ی واحدهای ساختاری، متفاوت می باشند. آنها می توانند خواصی داشته باشند که به طور قابل توجهی نسبت به مواد متداول، متفاوت است. این مسئله در حقیقت نتیجه ی مستقیمی از عملکرد قابل توجه مرزدانه ها (یعنی فضای بین نانوساختارها) در مواد بالک، می باشد. این بدین معناست که در مواد نانوساختار، بخش بزرگی از اتم های در نزدیکی سطح قرار دارند. به دلیل مساحت سطح بالا، خواص بالک بوسیله ی خواص سطحی تحت تأثیر قرار می گیرد. این سطح در واقع سطح مشترک نامیده می شود. این سطح مشترک می تواند با زمینه ، خلأ و یا هوا، بخش مشترک داشته باشد.
مثال هایی از مواد نانوساختار عبارتند از: مواد نانومتحلخل، مواد نانوکریستالی، نانوکامپوزیت ها و مواد هیبریدی. مواد نانومتخلخل دارای تخلخل هایی در سطح نانومتری هستند. یک ماده ی نانوکریستالی حاوی دمین های کریستالی نانوسایز است. در واقع یک نانوکامپوزیت نیز حاوی دو یا چند فاز با اندازه ی نانومتری می باشد. مواد هیبریدی نیز از ترکیبی از اجزای آلی و غیر آلی تشکیل شده اند که دارای ارتباط های داخلی در سطح مولکولی هستند. مواد مورد بررسی در این مقاله، بر اساس عملکرد آنها طبقه بندی شده اند. در حقیقت، یک نانوپوشش می توانند یک نانوکامپوزیت باشد اما به دلیل عملکرد خاص آن، در یک گروه مجزا مورد بررسی قرار گرفته است.
یکی از ویژگی های متمایز مربوط به مواد نانوساختار، این است که آنها می توانند خواصی داشته باشند که به طور قابل توجهی از خواص آنها در حالت بالک، متفاوت است. این بدین معناست که متخصصین این زمینه فرصت برای طراحی مواد جدید با عملکردهای ویژه را با استفاده از نانومواد، دارا می باشند. به عنوان یک نتیجه، پوشش ها، پلاستیک ها و فلزات با خواص جدید می توانند با استفاده از این عملکردهای جدید، تولید شوند. همانگونه که بعداً گفته می شود، مواد جدید مختلفی با خواص جالب توجه، در حال تولید می باشند. اگر چه بیشتر تحقیقات هنوز در مراحل اولیه می باشد، بسیاری از محصولات تجاری سازی شده، نیز هم اکنون موجود می باشند و می توان توسعه ی مواد جدیدتری را در آینده، انتظار داشت. این مواد دارای کاربردهای مختلفی هستند که حتی در بخش درمانی و بهداشتی نیز می باشند (مانند پوشش های آنتی باکتریال).

نانومواد بیومیمیک (Biomimetic nanomaterials)

اولین گروه از نانومواد مهندسی مورد بررسی در این مقاله، مواد بیومیمیک می باشند. در واقع طبیعت بهترین پلت فرم برای نانوتکنولوژی است. در طی هزاران سال تغییر، طبیعت آرایه های متعددی از مواد را توسعه داده است که بسیاری از آنها دارای ساختار سلسله مراتبی در سطح نانومتری، میکرومتری و ماکرومتری هستند مانند پوست، پر، چوب، استخوان و ... . این مواد دارای خواص جالب توجهی از جمله استحکام، سبک وزنی، نفوذ پذیری و رنگ می باشند. مواد طبیعی یک پلت فرم جالب توجه ایجاد کرده اند و الهام بخش مهندسین برای ساخت مواد پیشرفته ای هستند که دارای عملکردهای ویژه می باشند. در حقیقت، مواد ماکروسکوپیک مختلفی وجود دارد که امروزه، از مواد طبیعی الهام گرفته شده اند. یک مثال در واقع Velcro نام دارد که در سال 1948 بوسیله ی مهندس سوئیسی به نام George de Mistral ابداع شد. Velcro در حقیقت از مکانیزم استفاده می کرد که از کوکبلرها (cockleburs) الهام گرفته شده است. این گیاه با مکانیزمی خاص به موی سگ و یا پارچه، چنگ می زد. نانوساختارها در مواد طبیعی اغلب نقش حیاتی ایفا می کنند. از این رو، این ساختارها، موجب شده اند تا محققین از آنها تقلید کنند. این زمینه، نانوتکنولوژی بیومیمیک نامیده می شود. امروزه، برخی از مثال ها از نانومواد بیومیمیک موجود می باشند.

چسب های الهام گرفته شده از مارمولک

دست و پای مارمولک دارای خاصیتی هستند که موجب می شود این موجودات به خوبی بر روی سطوح عمودی و حتی در جهت مخالف جاذبه، حرکت کنند. این موجودات حتی توانایی حرکت بر روی سطوح تر را نیز دارند. علاوه بر این، یک مارمولک می تواند بر روی یک سطح کثیف حرکت کند بدون آنکه چسبندگی پاهایش کم شود. در حقیقت پاهای این حیوان، خاصیت خود تمیزشونده دارند. این ماده یک ماده ی جالب توجه است که محققین از آن الهام گرفته اند و توانسته اند چسب هایی با کاربردهای مختلف، تولید کنند. برای مثال، یک گروه از محققین در دانشگاه کالیفرنیا، چسب هایی را مشابه با سطح پاهای مارمولک توسعه داده ند که در بالا رفتن ربات ها، کمک کننده است. این چسب ها تکه هایی از آرایه های میکروفایبر تشکیل شده اند که در واقع حاوی 42 میلیون میکروفیبر پلی پروپیلن در هر سانتیمتر مربع هستند. این تکه ها می توانند تا 9 نیوتن نیرو بر واحد سانتیمتر مربع را تحمل کنند. در واقع یک مساحت 2 سانتیمتری از آنها، می توانند قطعه ی ای به جرم 400 گرم را تحمل کند. در حقیقت این میزان از تحمل بار بسیار نزدیک به میزانی است که پاهای مارمولک می تواند تحمل کند (یعنی 10 نیوتن بر سانتیمتر مربع). این چسب های شبه مارمولکلی، عملکردی بسیار مشابه با پای مارمولک دارد اما نه به خوبی پاهای مارمولک. محققین تلاش می کنند تا وابستگی به توپولوژی و همچنین خود تمیزشوندگی را در این بخش ها، ایجاد کنند. در دانشگاهی دیگر، یک نوار شبه مارمولکی با استفاده از سطوح پلیمری پوشش داده شده با نانوتیوب های کربنی تولید شده است. این نوارها دارای چسبندگی خوبی بر روی سطوح خاص مانند سطوح تفلونی هستند.

چسب های خود تمیز شونده

دی اتم ها یک نوع از جلبک ها هستند که دارای سطوح سیلیسی آمورف و نانوساختار می باشند. برخی از گونه های دی اتم ها، دارای چسب های خود ترمیم شونده ی قوی هستند. برخی از این چسب ها، خود شناور کننده هستند و برخی دیگر خواص منحصربفردی دارند. مثلا دی اتم های دریای آتلانتیک می توانند به یخ بچسبند. برخی دیگر موجب ترشح مواد چسبنده ای می شوند که موجب می شوند آنها به صورت کلنی به هم بچسبند ولی پوسته ی آنها در برابر آب محافظت شود. حلزون گونه ای دیگر از این مواد است که دارای ویژگی چسبندگی در زیر آب می باشد. هم دی اتم ها و هم حلزون ها، چسب های زیر آبی قوی دارند که می توانند در برابر تنش ها مقاومت کرده و همچنین در صورت نیاز، خود را ترمیم کنند. به همین دلیل، آنها به عنوان مدل های بیومیمیک برای مواد خود ترمیم شونده، استفاده می شوند. محققین این چسب های طبیعی را مورد بررسی قرار داده اند و متوجه شده اند که خواص خود ترمیم کننده ای آنها به دلیل خواصص پروتیئن هایی است که در آنها وجود دارد. این پروتئین ها اتصال های فداشونده ای ایجاد می کنند که به مولکول اجازه ی اتصال بازگشت پذیر را می دهد. تجزیه و تحلیل جزئی این مواد طبیعی موجب شده است تا چسب های جدیدی با خاصیت خود ترمیم کننده، تولید شود.

غشاها، کپسول ها و بیورآکتورهای بیومیمیک

برای دهه های متوالی، غشاهای بی لیپیدی به عنوان مدل های بیومیمیکی در نظر گرفته می شوند. یک مثال ساده از آنها لیپوزوم هاست که به سهولت بوسیله ی نوسان شدید روغن در آب تولید می شوند. دولایه های های صفحه ای نیز از غشاهای لیپیدی الهام گرفته شده اند و با غوطه وری یک ماده ی مناسب در داخل یک فاز آبی- آلی، تولید می شوند.

نانومواد بیومیمیکی در انرژی

بسیاری از چالش هایی که ما امروزه پیش روی مسئله ی انرژی است، می تواند از طریق استفاده از مواد نانومهندسی شده، حل شود. برخی از این مواد با الهام مستقیم از طبیعت تولید شده اند، مانند انواع جدید از سلول های فوتوولتایی خورشیدی. در حقیقت این مواد در تلاش هستند تا بتوانند از نانوماشین فوتوسنتز تقلید کنند. یکی دیگر از مثال های جالب توجه، استفاده از الکترودهای باتری است که حاوی نانوساختارهای خودآرا می باشند. این الکترودها، با استفاده از انواع ویروس های مهندسی شده ژنتیکی، تولید شده اند.

نانومواد خود آرا

مسئله ی خود آرایی از مشاهداتی مشتق شده است که در فرایندهای طبیعی و بیولوژیکی یافت می شود. در واقع مولکول ها خود آرایی کرده و موجب ایجاد ساختارهای پیچیده با دقت نانومتری می شوند. مثال هایی از این مورد، ایجاد مولکول DNA و یا تشکیل سلول غشایی از فسفولیپیدها می باشد. در خودآرایی، واحدهای سازنده به صورت آنی سازمان دهی می شوند و به صورت پایدار در می آیند. این کار موجب ایجاد ساختاری مناسب می شود که از طریق برهمکنش های غیر کوالانسی تولید شده اند. این فرایند بوسیله ی اطلاعاتی راهنمایی می شود که به صورت کدگذاری شده در ویژگی های واحدهای سازنده، ایجاد شده اند. در واقع ساختار نهایی دارای حداقل میزان انرژی می باشد. یک فاکتور خارجی مانند تغییر در دما، تغییر در pH، می تواند این سازماندهی را از بین ببرد. برای مثال، یک پروتئین می تواند خود آرایی کرده و ساختار خاص، ایجاد کند اما وقتی شرایط خاصی مانند حرارت بالا و یا محیط اسیدی وجود داشته باشد، این پروتئین می تواند عوض شود و این بدین معناست که ساختار خواص خود را از دست می دهد.
مولکول های موجود در طبیعت پیکربندی خود را تغییر می دهند و از یک ساختار خودآرا به ساختاری دیگر تغییر می کنند. علت این مسئله در واقع می تواند اتصال یون ها و یا اتم های خاص به این ماده باشد. بسیاری از مثال ها در این زمینه موجود می باشد مانند پمپ سدیم- پتاسیم، کلروفیل، هموگلوبین و ... .
استفاده از روش خودآرایی منجر به تولید مواد جدیدی می شود که در حقیقت جزء روش های پایین به بالا محسوب می شود. بنابراین، این روش ها به عنوان یک ابزار مفید در سنتز نانویی استفاده می شوند. در حقیقت در این روش به جای حکاکی نانوساختارها از مواد بزرگتر، مانند روش های میکروماشین کاری و میکرولیتوگرافی، نانوساختارها از پایین به بالا تولید می شوند، یعنی از اتم به اتم. این کار را خودآرایی یا خود مونتاژ گویند. در آزمایشگاه، محققین می توانند از این روش برای ایجاد ساختارهای جدید با عملکردهای خاص، استفاده کنند. مثال هایی از نانوساختارهای خودآرا شامل دندریمرها، نانوساختارهای DNA، سیکلودکسترین، مونولایه های خود آرا (SAMs)و کریستال مایع می باشد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff