رایت اتم به اتم

یکی از ویژگی های خاص مربوط به یک STM، این است که این وسایل می توانند برای بررسی اتمی مورد استفاده قرار گیرند. 20 سال قبل، محققین IBM قادر به نشان دادن این موضوع شدند که آنها می توانند از STM برای حرکت اتم ها بر روی سطح و رایت اتم به اتم، استفاده کنند (شکل 1). اگر کسی بتواند اتم ها را رایت کند، هر حرف در حدود 1 نانومتر اندازه دارد. با حروفی با این اندازه، کل دانشنامه ی بریتانیکا را می توان در ناحیه ای به کوچکی سر موی انسان (〖10〗^(-4) m^2) جای داد. در حقیقت، با حروفی به این اندازه، تمام کتاب های جهان را می توان در یک صفحه ی A4 جای داد اما زمان رایت به طور باور نکردنی طولانی است. البته تنها می توان با STM این خطوط را مطالعه کرد.
با وجود این، قابلیت حرکت اتم های منفرد با استفاده از STM پتانسیل خوبی برای نسل های آینده‌ی وسایل ذخیره سازی اطلاعات دارد. امروزه، داده ها با CD-RoM ها و در بیت هایی نیمه رسانا با اندازه ی 0.1 میکرون، رایت می شوند. اگر این بیت ها بوسیله ی اتم ها رایت شوند، ظرفیت داده ها به طور قابل توجهی افزایش می یابد. یکی از این CD های نانومتری با بیت های اتمی قابلیت نگهداری اطلاعاتی معادل یک میلیون CD با تکنولوژی کنونی را دارد.
STM به مواد اجازه می دهد تا صرفنظر از شیمی و فیزیک ماده، اتم به اتم کار رایت را انجام دهند (شکل 2). این مسئله موجب می شود تا مواد جدیدی مورد استفاده قرار گیرند که دارای خواص کاملاً جدید می باشند. البته فرایند هنوز خیلی آهسته است زیرا اتم ها می توانند تنها به صورت دستی جابجا شوند و در یک زمان، تنها یک اتم قابلیت جابجایی دارد. تولید انبوه مواد نانویی جدید با این روش، هم اکنون مقدور نمی باشد.

روش های پایین به بالا

روش های پایین به بالا می تواند به روش های فاز گازی و فرایندهای فاز مایع، تقسیم بندی شوند. در هر در مورد، نانوماده از طریق تولید کنترل شده ای تولید می شود که در واقع با قرارگیری اتم ها یا مولکول های منفرد، ایجاد می شوند:
روش های فاز گازی: این روش ها شامل روش های رسوب دهی قوسی و رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار می باشد.
روش های فاز مایع: متداول ترین این روش ها روش سنتز سل- ژل است. روش خودآرایی مولکولی نیز به عنوان یک روش جدیدتر در این زمینه، مطرح می شود.

قوس پلاسمایی

این روش متداول ترین روش برای تولید نانوتیوب های کربنی است. در این روش، از یک پلاسما استفاده می شود که در حقیقت یک گاز یونیزه می باشد. یک پتانسیل بالقوه میان دو الکترود ایجاد می شود و یک قوس از یک الکترود به سمت الکترود دیگر، ایجاد می شود. اولین الکترون تبخیر می شود و موجب تولید نانوتیوب های کربنی می شود. این الکترود در طی تولید، مصرف می شود و تولید کاتیوب کربنی می کند. این یون های با بار مثبت به الکترود دیگر میرسند و با گرفتن الکترود، بر روی آن به صورت نانوتیوب، رسوب می کنند.
قوس پلاسما همچنین برای رسوب دهی نانولایه ها بر روی سطوح نیز استفاده می شوند. این رسوب دهی می تواند در حد چند اتم ایجاد شود. در این زمینه، قوس پلاسما مکمل رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می باشد.

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار

در این روش، ماده ابتدا حرارت داده می شود و به صورت گازی در می آید و سپس به بخار اجازه داده می شود تا بر روی سطح نمونه رسوب کند. این روش به صورت نرمال تحت خلأ انجام می شود. رسوب دهی در این روش می تواند به صورت مستقیم انجام شود و یا بعد از انجام یک واکنش شیمیایی فرایند رسوب دهی کامل شود. این فرایند به صورت متداول برای تولید نانوپودر اکسیدها و کاربیدهای فلزی مورد استفاده قرار می گیرد اگر، کربن یا اکسیژن در فلز موجود باشد. این روش می تواند همچنین برای تولید نانوپودرهای فلزات خالص نیز مورد استفاده قرار گیرد (البته کار آسانی نیست).
رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار اغلب برای رسوب دهی یک فلز بر روی یک سطح مسطح، استفاده می شود. وقتی یک سطح با بخارات برخورد می کند، ابتدا لایه از اتم ها و یا مولکول ها بر روی سطح رسوب می کنند که می تواند به عنوان الگو برای رشد مواد، عمل کند. ساختار این مواد اغلب تطبیق پذیرند. در طی رسوب دهی، یک مکان برای کریستالیزاسیون ممکن است در محور رسوب دهی، تشکیل شود. به عنوان یک نتیجه، ساختارهای بر هم منطبق شدهف شروع به رشد عمودی می کنند. این مسئله مثالی از خودآرایی است.

اپیتاکسی باریکه ی مولکولی

این فرایند ضرورتاً یک روش تبخیر پیچیده است که در آن، باریکه ی مولکولی با مواد کریستالی حرارت دیده، واکنش می دهد. این کار تحت خلأهای بالا (UHV) انجام می شود و موجب تولید فیلم های تک کریستال می شود. اپیتاکسی باریکه ی مولکولی (MEB) امکان تولید کریستال های با یک لایه ی اتمی را فراهم می آورد. فرایند رشد به خوبی کنترل می شوند تا بدین صورت، از ورود آلودگی در طی رشد کریستالی، جلوگیری شود. یک گستره از روش های آنالیز سطحی برای ارزیابی فرایند رشد و اطمینان حاصل کردن از خلوص کریستال، ضروری می باشد. MBE هم اکنون در صنعت نیمه رسانا، مورد استفاده قرار می گیرد. MBE برای تولید وسایل مهمی مانند دیودهای تابش نوری، دیودهای لیزری، ترانزیستورهای اثر میدانی، سری های رید و رایت برای وسایل کامپیوتری و ... استفاده می شوند.

سنتز سل- ژل

این روش در فاز مایع انجام می شود. این روش یک فرایند خودآرایی مفید برای تولید نانوذرات و سایر سطوح ناوساختار و همچنین مواد نانوساختار سه بعدی مانند ایروژل، می باشد.
یک ژل در واقع نوعی کلوئید است که در ان یک فاز جامد پراکنده سازی شده با یک مایع مخلوط شده است. یک مثال از سل های طبیعی، خون بدن می باشد. همانگونه که از نامش پیداست، فرایند سل- ژل شامل ایجاد یک چارچوب از طریق تشکیل یک سوسپانسیون کلوئیدی (سل) و ژله ای شدن این سل برای تشکیل یک چارچوب در فاز مایع پیوسته (ژل) می باشد.
مرحله ی اول در فرایند سل- ژل ایجاد یک کلوئید است. پیش ماده ها در حقیقت یون های فلزی هستند. الکوکسیدهای فلزی و الکوکسی سیلان ها متداول ترین پیش ماده های مورد استفاده در این فرایند می باشند زیرا آنها به سهولت با آب واکنش می دهند و هیدرولیز می شوند. متداول ترین الکوسیلان های مورد استفاده عبارتند از تترا متوکسی سیلان (TMOS) و تترااتوکسی سیلان ها (TEOS). این مواد موجب تشکیل ژل سیلیسی می شوند. الکوکسیدهایی مانند آلومینات ها، تیتانات ها و بورات ها، نیز اغلب در حالت ترکیب با TMOS یا TEOS مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، از آنجایی که الکوکسیدها و آب در هم امتزاج ناپذیر هستند، یک حلال دوگانه مانند الکل نیز باید استفاده شود.
فرایند سل- ژل دارای 4 مرحله است. مرحله اول، واکنش هیدرولیز که در آن گروه OR با گروه های OH جایگزین می شود. واکنش هیدرولیز می تواند بدون یک کاتالیست انجام شود اما استفاده از کاتالیست، موجب افزایش سرعت و کامل شدن فرایند می شود. مشابه هر واکنش هیدرولیزی، کاتالیست می تواند یک باز (NaOH یا NH_3) یا یک اسید (HF یا CH_3 COOH) باشد.
بعد از هیدرولیز، سل شروع به متراکم شدن و پلیمریزه شدن، می کند. این مسئله منجر به رشد ذراتی می شود که بسته به شرایط محیط مانند pH، به ابعاد چند نانومتر می رسند. واکنش تراکمی/ پلیمریزاسیون یک واکنش بسیار پیچیده است و شامل محصولات میانجی مختلفی مانند ساختارهای دوره ای می باشد. ذرات سپس آگلومره می شوند و یک شبکه را در داخل فاز مایع ایجاد می کنند. این فرایند ژله ای شدن می باشد.
تمام 4 مرحله ی توصیف شده بوسیله ی شرایط داخلی مربوط به واکنش هیدرولیز و شرایط متراکم شدن و یا پلیمریزاسیون، تحت تأثیر قرار می گیرند. این شرایط عبارتند از pH، دما، زمان واکنش و طبیعت کاتالیست و ... .
فرایند سل- ژل به طور عمده برای تولید ژل های سیلسی استفاده می شوند. سایر انواع ژل ها می تواند با این روش تولید شوند. ژل های آلومینوسیلیکاتی نیز ژل های خاصی هستند زیرا آنها دارای ساختاری لوله ای شکل هستند. یک چنین محصولی، در حقیقت ایموگولیت نامیده می شود و دارای ابعاد داخلی 2.5 نانومتر می باشد. قطر داخلی لوله ها در این ساختارها، 1.5 نانومتر است. این نوع از نانوساختارها جاذب های آنیونی خوبی برای یون هایی مانند کلریدها، کلرات ها، سولفات ها و فسفات ها می باشد. این ساختارهای ایموگولیتی می تونند با اسید هیدروفلئوریک (HF) حل شوند. بنابراین، این نانوساختارها می توانند به عنوان تمپلیت مورد استفاده قرار گیرند. در واقع اتم ها می توانند در داخل ساختارهای لوله ای شکل و توخالی قرار گیرند و بعد از شستشوی تمپلیت، ستونی از اتم ها تشکیل شود.

فرایند سل- ژل موجب ایجاد سطوحی نانوساختار می شود

شکل 3 خلاصه از فرایند سل- ژل را نشان می دهد. برای تولید مساحت های سطحی بزرگ از نانوذرات، ژل می تواند بر روی سطح قرار داده شود. در این حالت، یک نسبت بالک به سطح بالاتر ایجاد می شود. روش دیگر، ایجاد یک ایروژل است. این ایروژل در حقیقت یک چارچوب پیوسته ی سه بعدی از ذرات به همراه هوا می باشد. ایروژل به خاطر ساختار متخلخل و قابلیت سبک بودن، مشهور می باشد. یک روش ساده برای ایجاد نانوساختارهای سطحی منظم، سنتز سل- ژل در یک مایع است که در حقیقت قابلیت خودآرایی دارد. کریستال های مایع در حقیقت از جمله ی این کریستال ها مواد محسوب می شوند. سیلیس نانوساختار با اندازه ی تخلخل های کنترل شده، می تواند با این روش تولید شوند.
روش ریخته گری کریستالی مایع که در بالا به آن اشاره شد، می تواند همچنین برای تولید فلزات نانوساختار، استفاده شود. این روش برای تولید سطوح کاتالیستی نانوساختار مانند سطوح پلاتینی و یا پالادیومی، مهم می باشد. از آنجایی که این مواد بسیار کمیاب و گران بها هستند، تولید لایه هایی از این مواد با روش سل- ژل بسیار مفید می باشد. بیشتر مولکول های آلی و غیر آلی نمی توانند در داخل شیشه وارد شوند زیرا فرایند تولید این شیشه ها، در دماهای بالا انجام می شود. فرایند سل- ژل در دماهای به نسبت پایین انجام می شود و بنابراین، این مولکول ها را می تواند به آسانی و بدون آسیب دیدن وارد فاز مورد نظر کرد. برای مثال، این ممکن است که از مولکول هایی مانند آنزیم ها در داخل شیشه ی سیلیسی، استفاده کرد. نتیجه ی حاصله ماده ای است که دارای مزیت های پلاستیک هاست و همچنین دارای خواص بهبود یافته ی مختلفی است. در واقع شیشه ها خنثی هستند، پایداری آنها در برابر حرارت و حملات شیمیایی بالاتر است. همچنین مولکول های به دام افتاده در این مواد از آن خارج نمی شوند و فعالیت آنها حفظ می شود. همچنین شیشه ها، مواد شفاف نیز می باشند.

خودآرایی مولکولی

خود آرایی یک ابزار تولید طبیعت است. تمام مواد طبیعی (آلی و معدنی) از طریق روش خودآرایی تولید می شوند. در فرایندهای بیولوژیکی طبیعی، خودآرایی مولکول ها برای ایجاد ساختارهای پیچیده و دقیق در مقیاس نانومتری، استفاده می شود. مثال هایی از این مورد، تشکیل رشته ی DNA و یا تشکیل غشای سلولی از فسفولیپیدها، می باشد. در خودآرایی، واحدهای جزئی به صورت آنی سازماندهی شده و در یک ساختار پایدار و تعریف شدهف قرار می گیرند. این کار از طریق واکنش های غیر کوالانسی انجام می شود. این فرایند بوسیله ی اطلاعاتی راهنمایی می شود که در داخل واحدهای جزئی کدگذاری شده اند و در نهایت، ساختاری تشکیل می شود که دارای پایین ترین میزان از انرژی آزاد می باشد.
تا به امروز، وسایلی که در مقیاس نانومتری ساخته می شوند، بیشتر از روش های بالا به پایین تولید شده اند. امروزه، دانشمندان در حال بررسی و توجه به راه هایی هستند که بتوانند مواد واقعی را از روش های پایین به بالا تولید کنند. این کار بر اساس استراتژی های تقلیدی از طبیعت انجام می شود. به جای خرد کردن مواد و تولید وسایل نانویی از قطعات بزرگتر، نانوساختارها می توانند از روش پایین به بالا تولید شوند. در واقع از قرارگیری بلوک های ساختاری اتمی و ایجاد خودآرایی و تولید ساختارهای بزرگتر.
محققین در آزمایشگاه، می توانند از خود آرایی مواد به عنوان راهی برای برنامه ریزی در مورد ساختارهای جدید استفاده کنند و بتوانند عملکردهای جدیدی را از این ساختارها، بدست آورند. بنابراین، فرایند تولید یک فرایند سازماندهی خود به خود و با تشخیص مولکول می باشد. برای انجام روش پایین به بالا، الگوهای خاصی وارد مولکول ها می شود تا بتوانند ابرمولکول های دارای سازماندهی تولید کنند. این مسئله می تواند به عنوان یک فرایند قفل شدن و باز بودن برای خودآرایی یک ماده تلقی شود. محققین می توانند یک کلید در مولکول ایجاد کنند که می تواند با قفلی در مولکول بعدی، چفت شود (و برعکس). وقتی این دو مولکول در کنار هم قرار می گیرند، با همدیگر مونتاژ می شوند و مکانیزم قفل و کلید می تواند برای اتصال دهی آنها در طی فرایند خودآرایی مفید باشد. این مولکول ها می توانند از طریق کوئوردیناسیون فلز- یون، اتصال دهی هیدروژنی، برهمکنش های گیرنده- پذیرنده، نیروهای واندروالسی و اثرات محیط واسط (مانند حلال ها) به هم متصل شوند. ساختارهای میانجی شده با فلزات واسطه، یک نوع از ساختارهای ابر مولکولی است. در این ساختارها، کاتیون های فلزی به گونه ای تثبیت شده اند که مولکول ها را در کنار هم حفظ می کنند. برهمکنش ایجاد شده در ساختارهای ابرمولکولی از این حقیقت مشتق شده است که آنها می توانند ویژگی های متفاوت نسبت به اجزای خود، داشته باشند. یکی دیگر از روش ها، استفاده از موتیف های ساختاری و یا خواص خود تشخیصی DNA به منظور خود آرایی در نانوساختارهای پیش طراحی شده، می باشد. این زمینه را نانوتکنولوژی DNA می نامند.
دو نوع مهم دیگر از ساختارهای ابر مولکولی که از طریق فرایند خود آرایی تولید شده اند، عبارتند از دندریمرها و سیکلودکسترین ها (شکل 4 و 5).

نانوتکنولوژی DNA

نانوتکنولوژی DNA در واقع به بررسی موتیف های ساختاری و خواص خودآرایی DNA و ایجاد نانوساختارها با استفاده از خودآرایی می پردازد. ساختارهای دو و سه بعدی با استفاده از روش خود آرایی، تولید می شوند. اخیراً روش اوریگامی DNA برای ساخت ساختارهای دو بعدی و با قابلیت آدرس دهی با DNA توسعه یافته است. در این روش ها، قابلیت تولید اشکال دلخواه وجود دارد و از این روش می توان در تولید پلتفرم هایی از نانومواد با دقت و عملکرد خاص، استفاده شود. محققین در مرکز تحقیقات نانوتکنولوژی DNA در دانشگاه Aarhus نرم افزاری را برای تشهیل طراحی ساختارهای با DNA توسعه داده اند و از آن برای طراحی آرم دانشگاه نیز استفاده کرده اند (شکل 6). برنامه ی طراحی در تولید جعبه های DNA سه بعدی با ابعاد 42 در 36 در 36 نانومتر، استفاده شد. این باکس ها می توانند با سیگنال های کلیدی خاص باز شوند (شکل 7). دسترسی کنترل شده به اجزای داخلی محفظه ی DNA راه های خوبی را برای برخی از کاربردهای مربوط به جعبه ی DNA باز می کند. برای مثال در زمینه ی سنسورهای منطقی برای سیگنال های متوالی و چندگانه و رهایش کنترل شده ی نانو- کارگوس ها (nano-cargos) با کاربردهای بالقوه در زمینه ی نانوپزشکی. نانوتکنولوژی DNA بیان کننده ی یکی از آخرین توسعه ها در زمینه ی نانوتکنولوژی است. این تکنولوژی کاربردهایی در زمینه ی تولید هدایتگرهای نانویی (nano-guides)، سنسورها (برای تشخیص و عکس برداری) ، گیت های منطقی، رهایش دارو، نانوموتورها و الکترونیک (سیم ها و ترانزیستور) دارد. این روش الکترونیک را با محاسبات DNA ترکیب کند و منجر به توسعه ی قابل توجه در آینده ی محاسبات شود.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff