مونولایه‌های خودآرا

 

مونولایه های خودآرا (SAMs)

برخی از مولکول های آلی در زمان برخورد با زیرلایه های مناسب، خودآرایی می کنند و بدین صورت لایه های متراکمی با ضخامت یک تک مولکول ایجاد می کنند. این مولکول های آلی دارای زنجیره های طولانی هستند که دارای دو گروه انتهایی مختلف می باشند. مونولایه زمانی تشکیل می شود که یکی از دو انتهای مولکول آلی با سطح خاصی واکنش داده و یک پیوند شیمیایی با آن ایجاد کنند. خواص سطحی زیرلایه سپس بوسیله ی کروه های عاملی موجود در مونولایه، تعریف می شود. برای مثال، مولکول های الکیل- سیلان ها و یا اکلان تیول وقتی به سطح فلزی و یا سیلیسی برخورد می کنند، به صورت لایه های خودآرا، تشکیل می شوند. مواد تشکیل دهنده ی SAM ممکن است لایه های جذب شده به صورت فیزیکی باشند مانند فیلم های Langmuir-Blodgett. این لایه ها همچنین می توانند به صورت شیمیایی تشکیل شوند مانند ارگانوسیلان هایی که به سیلیس می چسبند و یا ارگانوتیول هایی که به طلا می چسبند. فیلم های حاوی SAM های مخلوط نیز می توانند بوسیله ی مخلوط کردن دو یا چند پیش ماده، تولید شوند. Whitesides و همکارانش از دانشگاه هاروارد استفاده از SAM های از جنس الکان تیول ها را بر روی صفحات طلا، معرفی کردند. با این کار می توان اتصال پروتئین ها و چسب های سلولی را کنترل کرد. SAM های الکان تیولی بر روی طلا موقعی تشکیل می شود که یک سطح طلایی در معرض برخورد با محلولی از بخاز الکان تیول قرار گیرد. اتم های گوگرد مربوط به آلکانتیول سطح طلا را پوشانده در حالی که زنجیره های آلکیلی به سختی متراکم می شوند و به اندازه ی 30 درجه نسبت به نرمال سطح، می چرخند. گروه انتهایی الکان تیول تعیین کننده ی خواص سطحی مونولایه می باشد (شکل 1). سطوح با SAM میکرویی و نانویی، بسیار مورد توجه هستند، زیرا آنها اجازه ی ایجاد مدارهای هیبریدی فلزی را می دهند. در این بخش ها، بیومولکول ها می توانند به صورت انتخابی اتصال پیدا کنند و در زمان مورد نیاز، رهایش پیدا کنند. روش های مختلفی برای ایجاد الگوهای میکرویی و نانومتری در SAMها وجود دارد مانند روش چاپ میکروکانتکت (μCP)، چاپ نانوکانتکت (nCP)، لیتوگرافی معمولی و نانولیتوگرافی Dip Pen.

کریستال های مایع

یک کریستال مایع در واقع حالت چهارم ماده است. ویژگی های این حالت، چیزی بین مایع های معمولی و کریستال های جامد می باشد. مشابه مایع ها، این ماده جریان و میابد و مشابه کریستال های جامد، می تواند نظم مولکولی دوربرد داشته باشد (شکل 2). از لحاظ طبقه بندی، کریستال های مایع اغلب به عنوان مواد نرم (شکل 3) طبقه بندی می شوند و تحت یکی از شاخه های شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می گیرد که بر روی مواد متراکم شده، کار می کنند. ویژگی جالب توجه مربوط به سیستم های کریستال مایع، این است که این مواد سازماندهی مولکولی و ابر مولکولی خود را به طور قابل توجهی و بواسطه ی نتیجه ای از یک اختلال خارجی بسیار کوچک، از دست می دهند. مولکول های کریستال مایع با اعمال یک میدان الکتریکی ضعیف، دوباره جهت گیری خود را بدست می آورند. اگر یک میزان اندک از مولکول های کایرال در داخل فاز میزبان کریستال مایع کایرال حل شود، اثرات کایرالی ماکروسکوپیک قابل توجهی بوقوع می پیوندد. این مسئله از ایجاد ابرساختارهای مارپیچی گرفته تا فروالکتریسیته می باشد.

خود آرایی کریستال های مایع

کریستال های مایع مواد با نظم نسبی هستند. چیزی بین مایع و جامد. این بدین معناست که کریستال های مایع سیالیت اولیه ی مایع ها را با خواص الکتریکی و نوری جامدهای کریستالی، ترکیب کرده اند.
مولکول های کریستال های مایع اغلب به صورت میله ای و یا صفحه ای هستند. البته سایر اشکال نیز وجود دارد (شکل 4). کریستال های مایع مواد حساس به دما می باشند زیرا این مواد در صورتی که بسیار سرد شوند، به صورت جامد در می آیند. این مواد در صورتی که بسیار گرم شوند نیز به صورت مایع در می آیند. این پدیده می تواند بر روی صفحات لپ تاپ و زمانی مشاهده شود که این صفحات بسیار گرم و یا بسیار سرد شوند.

فاز کریستال مایع و خواص آنها

یک کریستال مایع بوسیله ی خودآرایی مولکول ها و ایجاد ساختار منظم، تولید می شود. یک آشفتگی خارجی مانند تغییر در دما و یا اعمال میدان مغناطیسی، می تواند منجر به ایجاد یک فاز متفاوت در کریستال مایع شود. فازهای مختلف می تواند بوسیله ی خواص نوری مختلف آنها متمایز باشند (شکل 5). کریستال های مایع به سه گروه طبقه بندی می شوند:
کریستال های مایع ترموتروپیک که حاوی مولکول های آلی است، به طور نمونه وار این مواد دارای پیوندهای دوگانه ی جفت شده هستند و وقتی دما تغییر می کند، تغییر فازی در آنها رخ می دهد.
کریستال های مایع لیوتروپیک حاوی مولکول های آلی هستند (به طور نمونه وار آمفی فیلیک ها (آب دوست ها)) و با تغییر دما و غلظت مولکول کریستال مایع در حلال، تغییر می کنند (شکل 5 و 6). کریستال های مایع متالوتروپیک حاوی مولکول های آلی و غیر آلی می باشند و تبدیل کریستال مایع آنها نه تنها به دما و غلظت وابسته می باشد بلکه همچنین به نسبت تریب آلی به غیر آلی نیز وابسته می باشد.
فازهای کریستال مایع لیوتروپیکی، سیستم های متداولی در بخش های زنده مانند غشاهای بیولوژیکی، غشاهای سلولی، پروتئین ها و ویروس موزاییکی تنباکو، هستند. صابون یکی دیگر از مواد شناخته شده است که در حقیقت یک کریستال مایع لیوتروپیک است. ضخامت حباب های صابون تعیین کننده ی رنگ نور انعکاس یافته از آن است.

کاربردهای کریستال های مایع

نظم کریستال های مایع می تواند بوسیله ی نیروهای مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی، دستکاری شود. چیز جالب توجه، این است که تغییر در نظم بدست آمده، تنها با تغییر اندک در این نیروها، قابل حصول می باشد. خواص کریستال های مایع در بسیاری از کاربردها مفید می باشد. رنگ برخی از کریستال های مایع به جهت گیری مولکول های آنها وابسته می باشد. بنابراین هر اثری که موجب برهم زدن جهت گیری شود، می تواند بوسیله ی یک تغییر رنگ، شناسایی شود.
کریستال های مایع به طور متداول در تولید صفحات نمایش مورد استفاده در گوشی های تلفن همراه، دوربین ها، صفحات نمایش کامپیوترها و سایر قطعات الکترونیک، کاربرد، دارند. در این صفحات نمایش، یک میدان الکتریکی موجب تغییر در جهت گیری مولکول ها در کریستال مایع می شود. این مسئله در حقیقت بر روی پلاریزاسیون نور عبوری از آنها نیز اثرگذار است. به دلیل حساسیت آنها نسبت به دما، و خواص تغییر رنگ آنها، آنها همچنین در ساخت دماسنج نیز استفاده می شوند. در سنسورهای کوچک سازی شده، کریستال های مایع می توانند مواد شیمیایی، میدان الکتریکی و تغییرات دمایی را تشخیص دهند.
در آینده، کریستال های مایع ممکن است کاربردهای جالب توجه دیگری داشته باشند. اخیراً این فهمیده شده است که وجود برخی از مولکول ها خاص در کریستال های مایع، که در واقع اغلب در ابعاد نانومتری هستند، می تواند موجب القای عملکردهای فوتونیکی جدید شود که در واقع از آنها می توان در کاربرد ذخیره سازی نوری (در زمینه ی ICT) استفاده شود. یکی دیگر از گروه های کریستال مایع که در حال توسعه می باشند، کریستال های مایع فوتورسانا هستند. از این مواد در تولید سلول های فوتوولتایی و دیود ها استفاده می شود. یکی دیگر از زمینه های مطالعه، اصلاح کریستال های مایع به شیوه ای است که آنها بتوانند در برابر تحریک های خارحی پاسخ دهند و بدین شیوه، در کاربردهای نانوپزشکی، استفاده شوند.

فلزات و آلیاژهای نانوساختار

این بخش به بررسی نانوذرات فلزی می پردازد. مواد نانوکریستالی شامل فلزات و یا آلیاژهای منفردی هستند که از دو یا چند فلز تشکیل شده اند و دارای سطوح فلزی نانوساختار می باشند.

نانوذرات فلزی

نانوذرات فلزی مثال های واضحی از نحوه ی تغییر در خواص مواد در مقیاس نانومتری می باشند. برای مثال، طلای فلزی در حقیقت زرد رنگ است. این ماده به طور فراوان در تولید زیورآلات، استفاده می شود. به عنوان یکی از گران بهاترین فلزات، طلا بسیار پایدار است (این ماده با اکسیژن و گوگرد واکنش نمی دهد). به هر حال، اگر طلا به صورت نانوذره در آید، رنگ آن عوض می شود و به رنگ قرمز در می آید (شکل 7). رنگ کلوئید طلا در صورتی که ساختارهای نانومتری حلقه ای تشکیل شود، بی رنگ می شود. به هر حال، نانوذرات طلا بسیار واکنش پذیر هستند و می توانند به عنوان کریستال های جدید، مورد استفاده قرار گیرند.

ساختارهای پلاسمونی

نانوذرات فلزی گران بها، یعنی طلا، نقره، پلاتین و پالادیم، دارای پاسخ پلاسمونی متمرکز (LSPR) هستند. انرژی LSPR به شکل ذرات، اندازه، ترکیب، فاصله ی داخلی ذرات و محیط دی الکتریک، وابسته می باشد. سطح نانوذرات می تواند با انواع مواد شیمیایی و یا مولکول ها عامل دار شود و این مسئله موجب می شود تا این نانوذرات به آسانی به مواد آلی دیگر بچسبند. از این رو، از این مواد می توان در کاربردهای سنسوری، استفاده شود.
به همین دلیل، آنها یکی از زمینه های مورد علاقه در تشخیص نوری و تولید حسگرها در شیمی تحلیلی و بیولوژی می باشند. اندیس شکست می تواند به عنوان پارامتر تشخیصی مورد استفاده قرار گیرد. در حقیقت تغییر در محیط دی الکتریک محلی که بواسطه ی فرایند تشخیص القا می شود، برای اتصال دهی مولکول ها در محیط نانوذرات، استفاده می شود. تغییر در حالت تجمعی میان نانوذرات به عنوان نتیجه ای از اتصال انالیتی، منجر به اثرگذاری بر روی انرژی LSPR می شود. بنابراین، این اثر می تواند برای تولید سنسورهای کوچک سازی شده، استفاده شود. شکل 8 نشاندهنده ی دو روش تشخیص بر پایه ی LSPR می باشد. پلاسمون های سطحی متمرکز در گستره ی اشکال مختلف نانوذرات مانند دیسک ها، مثلث ها، کره و ستاره، مورد بررسی قرار گرفته است. ساختارهای پیچیده تر مانند حفرات موجود در لایه های فلزی نازک، نانوشل ها و نانو حلقه ها نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند. بر اساس سطوح فلزی نانوساختار، یک سری از کاربردهای مختلف ایجاد شده است. یک ویژگی مهم مربوط به ساختارهای پلاسمونی، این است که آنها اجازه ی تشخیص بدون لیبل را مقدور می سازند. هم اکنون، اجزای پلاسمونیک در درمان سرطان، سلول های خورشیدی، موج برها، اتصال دهای نوری، LED مربوط به دوربین ها و OLES ها، مورد بررسی قرار می گیرند.

تقویت

نانوذرات فلزی به عنوان تقویت کننده در آلیاژهای سبک، استفاده می شوند. این آلیاژها در کاربردهای هوافضا و بخش خودرو، مورد توجه هستند. برای مثال، یکی از این مواد، فولادهای سخت کاری شده می باشد. برای مثال، نانوذرات تیتانیم به عنوان اجزای آلیاژی در فولادها استفاده می شود و استفاده از آن منجر به بهبود قابل توجه در خواص فولاد از جمله انعطاف پذیری، مقاومت به خوردگی و مقاومت به دما، می شود. ذرات کاربید آهن نیز در فولاد رسوب دهی می شوند و این کار منجر به افزایش سختی فولاد می شود. نانوذرات موجب جلوگیری از حرکت نابجایی ها در مواد کریستالی می شود. این مسئله موجب افزایش سختی ماده می شود. سبک سنگین کردن در مورد استحکام و انعطاف پذیری یک مسئله ی بسیار مهم می باشد زیرا ساختارهای مدرن، نیازمند استحکام بالا هستند، در حالی که توزیع تنش و ایمنی نیز در گرو وجود انعطاف پذیری مناسب در ماده است. وجود نانوذرات سخت در زمینه ی فولادی می تواند منجر به ترکیب این خواص شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff