صفحه اصلي > پارسی > شاخه‌های آموزشی > نانوفناوری       
شنبه ٢٧ مهر ١٣٩٨
 

نانوفناوری

مقدمه

طی چند سال گذشته، ابداعات و نوآوری­های بی­شمار در زمینه نانوفناوری به پیشرفت­های روزافزون در سایر فناوری­های رایج شامل تولید و ذخیره انرژی، صنایع هوا-فضا، خودروسازی، محیط زیست، صنایع مرتبط با نفت و پتروشیمی، پزشکی، الکترونیک و کامپیوتر و ... کمک شایانی نموده است. برای نمونه می­توان از موارد جالبی مانند افزودنی­های سوخت موشک با قابلیت اشتعال بالا، روش­های درمانی نوین برای سرطان، آشکارسازهای بسیار دقیق سموم بیولوژیکی همچون سیاه­زخم، کرم­های پوست، توپ­های تنیس اصلاح شده نانویی که توانایی جهندگی بیشتری دارند، ... نام برد. یکی از چالش­های اساسی در زندگی امروزی تامین و استفاده صحیح از انرژی است. نانوفناوری می­تواند راه­حل­های مناسبی برای تولید، ذخیره و مصرف انرژی از جنبه­های گوناگون شامل تولید انرژی پاک و سازگار با محیط زیست، افزایش بازدهی و مصرف بهینه در اختیار بشر قرار دهد.
در این درس دانش­پژوهان با مفاهیم انرژی­های نو، بهره­گیری از نانوفناوری در تولید انرژی و افزایش بهره، ساخت و اندازه­گیری در ابعاد نانو و کاربرد نانوفناوری در سایر شاخه­های علمی آشنا می­شوند. در ادامه بخشی از سرفصل مرتبط با این موضوعات معرفی می­گردند.


سلول خورشیدی نانوساختار
در این بخش دانش­پژوهان ضمن ساخت سلول خورشیدی نسل سوم، تحت عنوان سلول خورشیدی نانوساختار، با پدیده­های گوناگون فیزیکی، شیمیایی و زیست­فناوری شامل فوتوسنتز، جذب فوتون و یونیزاسیون، الکتروشیمی، گاف انرژی در نیم­رساناها و ساخت رنگدانه آشنا می­شوند.

با وجود اهمیت سلول­های خورشیدی نانوساختار، این انرژی هنوز جایگاه خود را جهت جایگزینی با سایر انرژی­ها پیدا نکرده است. سعی بر آن شده است تا با ساخت کیت آموزشی با حداقل امکانات و ابزارهای معمولی (پیپت، انبرک، چسب، گیره، مولتی­متر و ...) که در آزمایشگاه­های مدارس و دانشگاه­ها موجود می­باشد، سطح علمی دانش­پژوهان را گسترش دهیم. کیت سلول خورشیدی نانوساختار به گونه­ای طراحی شده است که ضمن پرداختن به هر دو مقوله آموزش و پژوهش، طیف گسترده­ای از مخاطبین را در برمی­گیرد و قابل ساخت در منزل نیز می­باشد. به­عنوان نمونه می­توان از رنگدانه­های طبیعی موجود در گیاهان و آبمیوه، و از گرافیت مداد به­جای پوشش پلاتین استفاده کرد.

ساخت در ابعاد نانو

برای رسیدن به موادی در ابعاد نانو هم اکنون روش­های ساخت گوناگونی مورد استفاده قرار می­گیرد. در اینجا می­خواهیم بدانیم به طور کلی ساخت اجزای نانومتری و دستکاری اتم­ها از چه راه­هایی امکان­پذیر است . 
در مورد این دسته از نانوساختارها به طور كلي دو روش جهت ساخت اشکالی با یک، دو یا سه بعد در مقياس نانو (1 تا 100 نانومتر) وجود دارد. روش كاهش ابعاد یک ماده از ابعاد میکرومتری به نانومتری یا بالا به پايين (Top Down) و دیگری افزايش ابعاد از پايين به بالا(Bottom-Up) با چیدن و جابجایی اتمها و مولکولها در کنار هم، از روش­های ساخت نانوذرات است.

رویکردهای پایین به بالا و بالا به پایین در ساخت در مقایسه کلی، روش­‌های بالا به پایین ساده و قدیمی­تر از روش­‌های پایین به بالا و ادامه روش­‌های ساخت میکرومتری­‌اند. روش­‌های پایین به بالا از دهه 90 توسعه یافته­‌اند


سنتز نانوذرات
برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساسا به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب كردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلا با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.

روش‌های شیمیایی

عمدتا استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یك واسطة مایع، حاوی انواع واكنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط كوانتومی نیز استفاده می‌شود. به طور كلی برای كنترل شكل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیایی، اندازة نهایی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی كه اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشكیل‌دهندة ذرات پایدار، و یا توقف رشد در یك اندازة ‌خاص، كنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ كم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یك مشكل باشد و می‌تواند یكی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آن­ها برای ایجاد روكش‌های سطحی، را دچار مشكل نماید.

روش‌های فیزیکی

روش لیزری

با استفاده از لیزر می­توان نانو ذرات را از سطح ماده جدا کرد. نانو ذرات جدا شده با لیزر دارای خلوص بسیار بالایی هستند. نانو ذرات تولید شده با لیزر به طور مستقیم وارد یک مایع مناسب مثل روغن، آب و یا حلال دیگری می­شوند. در این مایع نانو ذرات پایدار می­شوند و خلوص بسیار بالایی به دست می­آید . یکی دیگر از ویژگی­های این فرآیند این است که هر ماده جامدی را از این طریق می­شود تکه تکه کرد و در نهایت مخلوطی از مواد گوناگون را تولید نمود . این فرایند که تولید سریع نانو مواد نامیده می‌شود، امکان تولید نانو ذرات پایدار و وارد کردن آن­ها را در مواد پلاستیکی دلخواه بدون ایجاد هرگونه اتلافی فراهم می‌کند . نانو ذرات بسیار خالص و پایدار برای کاربردهای پیچیده مانند پلاستیک‌ها یا کاربردهای پزشکی مورد نیاز هستند . به علاوه، مصرف‌کنندگان معمولا به نانوذرات مواد یا آلیاژهای جدید و همچنین مخلوطی از نانوذرات نیاز دارند تا بتوانند ترکیبی از ویژگی‌های نانو مقیاس را مورد استفاده قرار دهند.

جرقه الکتریکی

این روش یکی از جدیدترین روش­ها برای تولید نانو کلوئیدهای فلزی است. در این روش با استفاده از ولتاژ و جریان نسبتا بالا سیم نازک فلزی (یا سیم رسانا) در محیط مایع منفجر شده و به ذرات معلق در محیط با ابعاد نانومتر تبدیل می­شود. در واقع با استفاده از این فن‌آوری هر سیم نازک رسانا با هر جنسی را می‌توان به نانوذرات تبدیل نمود.

اندازه­‌گیری در ابعاد نانو

نانومتر واحد بسيار بسيار کوچکي براي اندازه‌گيري طول است، كه در ابعاد اتمي و مولكولي كاربرد دارد. براي درك ميزان كوچكي اين واحد طول، خوب است بدانيم كه تار موي انسان حدودا 80 هزار نانومتر قطر دارد. بنابراين براي مشاهده پديده‌ها و درك اثراتي كه در اين اندازه بسيار كوچك وجود دارد، نه ‌تنها به چشم غيرمسلح نمي‌توان تكيه كرد، بلكه حتي از ميكروسكوپ‌هاي معمولي كه در آزمايشگاه‌ها وجود دارند نيز، نمي‌توان استفاده کرد. چرا که بزرگنمايي اين ميکروسکوپ‌ها فقط تا ابعاد "ميکرو" را نشان می­دهد . 
به همين دليل دانشمندان با پيشرفت علم و فنون به فكر ساختن وسايلي افتادند كه بتوانند ابعاد اتمي را هم اندازه‌گيري كنند. وسايل زيادي با روش‌هاي مختلف براي اين منظور ساخته شده است كه خيلي از آنها كامل شده نمونه‌هاي قبلي است.


روش­‌های میکروسکوپی پروبی پویشی  (SPM)
در روش­های میکروسکوپی پروبی پویشی، مفهوم اسکن را همه به طور مشترک دارند. آنها همه یک سر نوک تیز (با انحنای3 تا 50 نانومتری) دارند که روی سطح حرکت می­کند. سر نوک تیز روی یک اهرم انعطاف­پذیر سوار شده است که امکان حرکت آن روی سطح را فراهم می­کند.


برای نابینایان خواندن از طریق لمس سطح خط بریل با نوک انگشت است. این کار به شیوه کار میکروسکوپ­های پروبی مشابه است


اساس کار برخی میکروسکوپ­‌های پروبی پویشی بر اساس تماس یا لمس است


وقتی که نوک تیغه روی نمونه حرکت می­کند نیروهای موثر بر نوک تیغه حرکت اهرم را کنترل می­کنند. این حرکت­ها با سنسورهای ویژه ای شناسایی می­شوند. 
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM ) نیروهای بین نمونه و سوزن را اندازه گیری می­کند. تیغه ممکن است روی سطح کشیده شده یا در هنگام حرکت ارتعاش داشته باشد. نیروهای موجود به جنس نمونه، جنس پروب (آشکارساز) و فاصله بین آنها بستگی دارند. میکروسکوپ تونلی پویشی  (STM)یک جریان الکتریکی ضعیف را که بین سر سوزن و نمونه در یک فاصله نزدیک جریان دارد اندازه گیری می­کند. 
میکروسکوپ نوری پویشی میدان نزدیک (SNOM) یک منبع نوری بسیار کوچک خیلی نزدیک به نمونه را اسکن می­کند. تشخیص این انرژی تصویر را می­سازد. این میکروسکوپ می­تواند وضوحی پایین­تر از ابعاد میکروسکوپهای نوری سابق ایجاد کند. میکروسکوپ STMبر اساس رسانایی نمونه کار می­کند. بنابراین حداقل اجزایی از سطح نمونه باید تا حدی رسانای الکتریسیته باشند. AFM برای مطالعه نمونه­های عایق مناسب­تر است .


میکروسکوپ تونل­زنی پویشی  (STM)
میکروسکوپ تونل زنی پویشی در سال 1981 به وسیله بینیگ و روهرر در شرکت IBM زوریخ اختراع شد. پنج سال بعد، به خاطر اختراع میکروسکوپ تونل­زنی پویشی همزمان با توسعه میکروسکوپ الکترونی به آنها جایزه نوبل اعطاء گردید . 
میکروسکوپ تونل زنی پویشی نخستین دستگاهی بود که تصاویر واقعی با وضوح بالا را با قدرت تفکیک اتمی تولید می­کرد. میکروسکوپ تونل زنی پویشی بسیار شبیه AFM ها هستند. با این استثنا که آنها از یک نوک هادی تیز و موثر همراه با ولتاژ مستقیم اعمال شده بین نوک و نمونه، کمک می­گیرند. سر تیغه میکروسکوپ تونلی یک رسانای الکتریسیته است و تا آنجا که ممکن است تیز می­شود تا یک تک اتم ایده­آل و خالص در نوک تیغه حضور داشته باشد. نتیجه حرکت این تیغه روی سطح به شکل سطحی ناهموار در کامپیوتر است.
وقتی که نوک تیز به فاصله یک نانومتری نمونه می­رسد، الکترون­های نمونه شروع به عبور از فاصله یک نانومتری به درون نوک می­نمایند و برعکس، که این دو فرآیند بستگی به علامت ولتاژ دارد . برای اینکه تونل زنی به وقوع بپیوندد، هم نمونه و هم نوک تیرک بایستی هادی باشند. برخلاف AFM ، STM نمی­تواند از مواد عایق تصویری ایجاد کند.


معرفی کلی میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) از خانواده میکروسکوپ­های پروب روبشی (SPM) است و به مانند نسخه­های دیگر میکروسکوپ­های پروب روبشی (SPM) با اندازه­گیری خواص قابل لمس از طریق یک کاوشگر (پروب) یا یک سر سوزن بسیار نزدیک به نمونه کار می­کند. میکروسکوپ نیروی اتمی دارای سر نوک تیزی (با انحنای3 تا 50 نانومتری) می­باشد که روی سطح حرکت می­کند. سر نوک تیز روی یک اهرم انعطاف­پذیر سوار شده است که امکان حرکت آن روی سطح را فراهم می­کند.


اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی بر اساس تماس یا لمس است

وقتی که نوک تیغه روی نمونه حرکت می­کند نیروهای موثر بر نوک تیغه حرکت اهرم را کنترل می­کنند. این حرکت­ها با سنسورهای ویژه­ای شناسایی می­شوند و نیروهای بین نمونه و سوزن را اندازه­گیری می­کند. تیغه ممکن است روی سطح کشیده شده یا در هنگام حرکت ارتعاش داشته باشد. نیروهای موجود به جنس نمونه، جنس پروب (آشکار ساز) و فاصله بین آن­ها بستگی دارند. به بیان دقیق، AFM با اندازه گیری نیرو­های میان سر سوزن و نمونه کار می­کند. این نیروها برایند نیروهای جاذبه و دافعه بین اتم­ها، هستند. میکروسکوپ نیروی اتمی می تواند به روشهای مختلفی عمل کند، مانند: حالت یکسره تماسی، حالت یکسره غیر تماسی.

  حالت تماسی 
در روش تماسي كه براي بيشتر سطوح كارايي دارد، نوك انبرك در فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا بلندي به دليل جابجايي كه در انبرك ايجاد مي‌شود، امکان نمايش براي رايانه فراهم مي‌­گردد. در واقع نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزديك ‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، كم مي‌شود، اين مسئله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتم‌ها مي‌گردد.
حالت غیر­تماسی 
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح حساس مورد استفاده قرار مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرك را با نوساني دقيق به تحرك درمي­‌آوريم و آن را روي سطح هدايت مي­‌كنيم. انبرك خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي در عرض بالا و پايين مي‌­شود. در اين حالت نيرويي كه بين سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح مشخص مي‌شود.


حالت تماسی میکروسکوپ نیروی اتمی

در میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یک کاوشگر (پروب) شامل یک سوزن تیز از روی سطح نمونه به طور رفت و برگشت از تمام نقاط سطح گذر می کند، در حالی که نیروهای جاذبه و دافعه حاکم بین سوزن و سطح اندازه­گیری می­شوند .


ميكروسكوپ نوری پویشی ميدان نزديك (SNOM)
اولین بار اصول ميكروسكوپي نيروي ميدان نزديك پویشی ابتدا در سال 1928 توسط سينژه بیان شد. نظر او این بود که می­توان به نور اجازه داد که از داخل يك روزنه نانومتري عبور کرده تا قدرت تفكيك ميكروسكوپ نوري را افزایش دهد . 
روش ميكروسكوپی نوری پویشی ميدان نزديك یک روش قدرتمند میکروسکوپی است که بر محدودیت­های موجود در مشاهده ابعاد ریز را که تقریباً 200 نانومتر است غلبه کرده است. ميكروسكوپ نوری پویشی ميدان نزديك یکی از میکروسکوپ­های خانواده میکروسکوپ­هایپروبی روبشی است که از یک پروب کوچک برای عبور از سطح استفاده می­کند و تصویری از حرکت ردیف به ردیف خود روی نمونه تهیه می­کند. تفاوت بین SNOM و سایر میکروسکوپهای پروب دار آن است که در اینجا اطلاعات نوری است که بین پروب و نمونه رد و بدل می­شود. در هر دور چشمه نور تنها جزء کوچکی از سطح نمونه را آشکار می­کند.


اصول کاری ميكروسكوپ نوری پویشی ميدان نزديك

میکروسکوپ الكترونی روبشی
میکروسکوپ الکترونی به دسته‌ای از میکروسکوپ­ها گفته می­‌شود که از اشعه الکترونی برای تصویرسازی استفاده می­‌کنند. میکروسکوپ­های معمول نوری نمی­توانند ابعاد نانومتری را به تصویر بکشند. علت این امر محدوده طول موج امواج نور مریی است که بالاتر از 400 نانومتر است. بنابراین از امواجی استفاده می­کنیم که طول موجی کمتر داشته باشد . 
امواج پر انرژی الکترونی طول موج بسیار کمتری از امواج نوری دارند و برای این هدف مناسبند . میکروسکوپ الكترونی روبشی (SEM)  يك پرتو الکترونی پرانرژی متمرکز با انرژی بالا دارد که سطح نمونه را اسکن می­کند و انواع زیادی از علائم را که می­توانند اطلاعات مربوط به توپوگرافی سطح را داشته باشند تولید می­کنند. 
نخستین میکروسکوپ الکترونی روبشی در سال 1942 میلادی بسط و توسعه داده شد و نخستین دستگاه­های آن در حدود سال 1965 وارد بازار شدند.

 


 

کل بازديدهاي سايت: 71660 | بازدیدهاي امروز سايت: 29 | کل بازدیدهاي این صفحه: 2052 | بازديدکنندگان آنلاين: 12 | زمان بارگذاري صفحه: 0.15
آدرس: بوشهر، خیابان خلیج فارس (ساحلی)، بعد از مجتمع فرهنگی هنری، پارک علمی کودک و نوجوان تلفن: 33333560 (077)
  نمابر: 33330136 (077)
همه حقوق متعلق به پارك علم و فناوری خليج فارس و شرکت پژوه‌ افزار لیان است. Copyright © Persian Gulf Science and Technology Park and Lianware Co. Ltd. All rights reserved.