نانوتکنولوژی: اصول و کاربردها (2)

نانوذرات فلزی
برای فلزات، طول پویش آزاد الکترون ها (MFP) تعیین کننده ی رسانایی گرمایی، الکتریکی و رنگ فلز می باشد. برای بیشتر فلزات، طول پویش آزاد در حد 5 تا 50 نانومتر است. کاهش این آستانه، موجب می شود تا الکترون ها، از سطح کریستال پراکنده شوند و مقومت در برابر ذرات افزایش یابد. برای ذرات فلزی بسیار کوچک، باندهای رسانش و ظرفیت به سطوح گسسته تقسیم می شوند. برای ذرات طلا، این مسئله موجب یک تغییر در رنگ از قرمز به نارنجی می شود. این مسئله در اندازه ی ذراتی در حدود 1.5 نانومتر رخ می دهد.
کوانتم دات ها
در نیمه رسانای بالک، الکترون ها می توانند به صورت آزاد در داخل یک ناحیه ی چند نانومتری تا چند صد نانومتری حرکت کنند. این ناحیه به شعاع بور وابسته می باشد. بنابراین، باندهای انرژی رسانس و ظرفیت پیوسته ای وجود خواهد داشت که بوسیله ی گاف انرژی از هم جدا می شوند. به طور عکس، در یک کوانتوم دات، که یک چنین اکسیتون هایی (excitons) نمی توانند به آسانی حرکت کنند، حالت های شبه اتمی گسسته ای در داخل انرژی ها ایجاد می شود که نمی تواند بوسیله ی شعاع کوانتم دات، تعیین شود.
اثر محدود شدن کوانتمی دارای جنبه های تکنولوژیکی مختلفی در صنایع نیمه رسانا و اپتوالکترونیک و حتی کاربردهای بیولوژیکی است. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، با تغییر در اندازه ی ذرات، رنگ ساتع شده از کوانتم دات می تواند تنظیم شود. کوانتم دات های کوتاه تر موجب تابش طول موج های کوتاه تر از نور می شوند و کوانتم دات های بزرگتر، طول موج های بلندتر از خود ساتع می کنند. گاف انرژی E_g با اندازه به صورت زیر در ارتباط است. در حقیقت با کاهش اندازه ی ذره، این انرژی افزایش می یابد.
که در اینجا، و به ترتیب گاف انرژی در حالت بالک و کوانتوم دات می باشد. R شعاع کوانتم دات، m_e جرم مؤثر الکترون ها در جامد، e بار الکتریکی الکترون و h ثابت پلانک می باشد. همچنین m_h جرم مؤثر حفره در جامد می باشد. همچنین ε ثابت دی الکتریک جامد می باشد. عبارت وسطی در سمت راست معادله ی بالا، عبارتی است که " ذره ی در داخل یک باکس" نامیده می شود. عبارت سوم سمت راست عبارت نیز بیان کننده ی برهمکنش کلمبی جفت الکترون- حفره می باشد که بوسیله ی جامد ایجاد می شود. برخی از کاربردهای جدید مربوط به کوانتوم دات ها عبارتند از حافظه ها، ترانزیستورها، دتکتورها، لیزرها و کامپیوترهای کوانتومی می باشد.
نانوتکنولوژی از طبیعت تقلید می کند
وقتی یک قطره از آب بر روی برگ نیلوفر آبی قرار می گیرد، به صورت گلوله در آمده و از روی سطح برگ سر می خورد، بدون آنکه رد آب برروی سطح برگ، بماند. این حرکت موجب می شود تا کثیفی روی این برگ، شسته شود. این خاصیت خود تمیزشوندگی، در حقیقت موجب مجذوب شدن محققیت برای مدت های زمان طولانی شده بود. در واقع اخیراً محققین متوجه شده اند که این رفتار خاص به دلیل نانوساختارهایی ایجاد می شود که بر روی سطح برگ نیلوفر آبی، وجود دارد. این پدیده، ابر آب گریزی نامیده می شود. این مسئله می تواند در تولید قطعات مختلف ساختمان ها، مورد استفاده قرار گیرد. سطوح نانوساختاری که اخیر توسعه یافته اند، مشابه برگ نیلوفر آبی عمل می کنند و در زمان عبور آب از روی آنها، خشک باقی می مانند. این میزان قابل توجه از دفع آب، حتی از شناخته ترین ماده ی آب گریز مورد استفاده یعنی پلی تترافلئورواتیلن (PTFE) یا تفلن نیز بیشتر است.
تکنولوژی ذاتی موجود در موهای پای مارمولک های خانگی موجب شده است تا چسب های مؤثری تولید شوند. از آنجایی که گرانش نقش اندکی در نانومقیاس دارد، نیروهای واندروالسی بسیار مهم می باشد. در حقیقت انرژی واندروالسی بر واحد مساحت (E⁄a) میان دو سطح موازی به صورت زیر بیان می شود:

که در اینجا، A ثابت Hamaker است که در حقیقت به خواص ماده وابسته می باشد و D فاصله ی میان دو سطح است. پای یک مارمولک حاوی یک میلیون بادکش است که می تواند مساحت سطح بزرگی را در تماس با زیرلایه ایجاد کند و موجب تشکیل یک چسبندگی مؤثر بر اساس نیروهای واندروالسی می شود (شکل 2). روش های مختلف برای سنتز مواد و وسایل نانومهندسی شده، می تواند در فاز جامد، مایع و یا گاز انجام شود. عموماٌ بیشتر روش های سنتز می تواند به دو گروه اصلی طبقه بندی شوند: روش های "بالا به پایین" و روش های" پایین به بالا" (شکل 3). روش های بالا به پایین (مانند فوتولیتوگرافی و چاپ میکروکنتاکت ها) با مواد ماکروسکوپیک شروع می شوند در حالی که روش های پایین به بالا (مانند سنتز- آلی، خودآرایی) از مولکلول ها و اتم ها برای تولید ساختارها، بهره می برد. روش پایین به بالا کمک می کند تا اتم ها و اجزای مولکولی از طریق سیستم های خاص به ساختارهای سطحی سازماندهی شده، تبدیل شوند. یک مثال از روش پایین به بالا روش خود آرایی یا خود مونتاژ (self-assembly) می باشد. این روش در واقع یک روش اساسی برای تولید بخش های سازماندهی شده در تمام مقیاس ها (از مولکول تا کهکشان ها) می باشد. این روش، یک روش تجمیع است که در آن، اجزا به صورت ناگهانی، مونتاژ می شوند. این کار تا زمانی ادامه می یابد که ساختار پایدار با حداقل انرژی، تشکیل شود. علاوه بر این، خود آرایی محدود به مقیاس نانویی نیست بلکه می توان از آن برای مونتاژ در هر مقیاسی، بهره برد. این روش، روشی مؤثر از گروه روش های پایین به بالا در نانوتکنولوژی است. یک مثال دیگر از روش های پایین به بالا، استفاده از میکروسکوپ های پروبی- روبشی برای قراردهی مولکول ها در موقعیت های مناسب موجود در سطح، می باشد.
یکی از متدول ترین روش های آماده سازی مونولایه های خود آرا (SAMs) ایجاد مونولایه های آلکان تیول ها بر روی طلا می باشد که ابتدا در سال 1983 بوسیله ی Nuzzo و Allara پیشنهاده شده اند. آماده سازی SAMs، به طور نمونه وار شامل غوطه وری زیرلایه های پوشش داده شده با طلا در یک محلول رقیق از الکان تیول ها در اتانول می باشد (شکل 4). در این حالت در زمان یک تا 24 ساعت، یک مونولایه بر روی سطح زیرلایه ایجاد می شود. در اصل، در طی چند ثانیه تا چند دقیقه، یک مونولایه ی بی نظم بر روی سطح تشکیل می شود. در این زمان اولیه، ضخامت به 80 تا 90 % مقدار نهایی می رسد. وقتی زمان بیشتری می گذرد، نیروهای واندروالسی میان زنجیره های هیدروکربنی موجب می شود تا مولکول ها به صورت منظم بر روی سطح تشکیل شوند و یک لایه ی کریستالی بر روی سطح ایجاد شود. در طی این فاز نظم بخشی، آلودگی ها نیز جایگزین می شوند (مثلا هیدروکربن های مجزا بر روی طلا می نشینند). سپس حلال از مونولایه خارج می شود و عیوب ساختاری کاهش می یابد. این در حالی است که میزان متراکم شوندگی آلکان تیول ها، افزایش می یابد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nanostractured Materials and Their Applications / S. Logothetidis