برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۹,۰۶۲
  • بازدید این ماه ۶
  • بازدید امروز ۶
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۴۲
  • قبول شدگان ۴۷۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۲۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

خودآرایی نانوذرات

خودآرایی (Self-assembly) فرایندی خودبخودی است (Spontaneous) که در آن گونه ها برروی یکدیگر جمع شده و سیستم های منظمی ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر خودآرایی مولکولی فرایندی است که در آن مولکول ها بدون اعمال شرایط خاص و مدیریت بیرونی (به غیر از یک محیط مناسب) از طریق برهمکنش های غیر کوالانسی برهمدیگر سوار می شوند. این فرایند اکثراً برگشت پذیر است که این برگشت پذیر بودن به شرایط اعمالی مانند pH، قطبیت حلال و .. بستگی دارد. فرایند خودآرایی باعث ایجاد مولکول های بزرگتر مانند میسل (Micelle)، غشا (Membrane) و بلور های مایع (Liquid Crystals) می شود. در این مقاله برهمکنش های شیمیایی (کئوردیناسیون، پیوند هیدروژنی، برهمکنش میزبان-میهمان و برهمکنش های بیو مولکولی) استفاده شده برای خودآرایی مستقیم نانوذرات برروی سطح بحث شده است. خودآرایی در طبیعت بسیار دیده می‌شود و دانشمندان بسیاری در حال حاضر بر آن مطالعه می‌کنند. درک عمیق فرآیند خودآرایی ممکن است به درک بهتر طبیعت نیز منجر شود.
1- مقدمه
خودآرایی (Self-assembly) یا خودمونتاژ (Self-montage) فرایندی است که در آن یک سیستم بی نظم از اجزای موجود از قبل به شکل یک ساختار با الگوی سازمان یافته تبدیل می‌شود. ساختار جدید نتیجه خاص تعاملات محلی در میان اجزای اولیه بدون هیچ نیروی خارجی می باشد. هنگامی که اجزای تشکیل دهنده مولکول ها باشند، این فرایند خودآرایی مولکولی (Molecular Self-assembly) نامیده می شود.
خودآرایی را در معنای معمول می توان به عنوان سازمان‌یافتن خود به خودی و برگشت پذیر از واحدهای مولکولی دانست که توسط فعل و انفعالات غیرکوالانسی (Noncovalent) انجام می‌شود. تعریف علمی‌تر عبارت است از اینکه خودآرایی یک روش ساخت پایین به بالا (Bottom-up Method) است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها با ارتباطات فیزیکی یا شیمیایی، خود را به شکل یک نانو ساختار منظم درمی‌آورند. ایجاد بلور نمک یا دانه‌های برف، با آن ساختارهای پیچیده، مثال خوبی برای خودآرایی است.

عنوان : آشنایی با تک لایه های خودآرای

توضیحات : خودآرایی (Self-assembly) فرایندی خودبخودی است (Spontaneous)که در آن گونه ها برروی یکدیگر جمع شده و سیستمهای منظمی ایجاد می‌کند. به عبارت دیگر خودآرایی مولکولی فرایندی است که در آن مولکولها بدون اعمال شرایط خاص و مدیریت بیرونی (به غیر از یک محیط مناسب) از طریق برهمکنش های غیر کوالانسی برهمدیگر سوار می شوند.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای 1: آشنایی با تک لایه های خودآرایی

خودآرایی مولکولی یک مفهوم کلیدی در شیمی ابرمولکول (Supramolecular) است. این به آن دلیل است که خودآرایی مولکولی در چنین سیستم هایی از طریق فعل و انفعالات غیرکوالانسی (به عنوان مثال، پیوند هیدروژنی، کئوردیناسیون فلزی، نیروهای آب‌گریزی، وان دروالس، برهمکنش های π-π، الکتروستاتیک، برهمکنش های مغناطیس) استوار هستند. فرایند خودآرایی باعث تشکیل مولکول های بزرگتر مانند میسل، وزیکول، بلور مایع، تک لایه لانگمویر (Langmuir Monolayer) توسط مولکولهایی همچون سورفکتانت‌ها می شود.
خودآرایی نانوساختارها از اجزای نانوذره‌ای با اندازه 1-1000 نانومتر، به خاطر خواص منحصربه فرد نوری، الکترونیکی، مغناطیستی، کاتالیستی و دیگر خواص فیزیکی مورد توجه قرار گرفته اند. توانایی اتصال نانوذرات به سطوح شرط لازم برای ساخت ظرف های میکرو یا نانو ساختارهای مناسب جهت استفاده در زمینه نانوبیوتکنولوژیست. به طور کلی دو روش برای خودآرایی مواد نانوساختار وجود دارد: خودآرایی فیزیکی، خودآرایی شیمیایی.
خودآرایی شیمیایی، جفت شدن شیمیایی با عوامل  سطحی موجود بر یک بسترعامل دار (Functionalized Substrate) می باشد که برای کنترل موقعیت نهایی نانوذرات به‌ کار می‌رود. کنترل موقعیت نانوذرات بر سطوح عامل دار، طراحی نانوساختارهای کمپلکس شده بر سطح را برای کاربردهای خاص مانند مولکول های الکترونیکی و زیست‌حسگر ممکن می سازد. خودآرایی فیزیکی در‌کل فرآیندی ساده‌تر است و ساختارهایی غیرپیچیده ایجاد می‌کند. علاوه براین، خودآرایی فیزیکی نانوذرات فاقد ثبات بلند مدت (Long Term Stability) می باشد.
برهمکنش های شیمیایی مختلف مانند پیوند کوالانسی، نیروهای الکتروستاتیکی و برهمکنش های میزبان میهمان برای خودآرایی نانوذرات برروی سطح به کاربرده می شود. ارتباط تقاطعی (Cross-linking) میان ذرات مجاور که بر اثر نیرو‌‌های شیمیایی ایجاد می‌گردد، خودآرایی نانوذرات را بیشتر پایدار می کند. در این مقاله خودآرایی مستقیم از نانوذرات برروی سطح بر‌اثر برهمکنش های شیمیایی توضیح داده شده است. دو مسیر برای فراین خودآرایی موجود می باشد:
ساختن جداگانه ذرات و سپس گردآوری آنها و یا انجام سنتز و خودسامانی آنها در یک مرحله که در هردوروش ترکیبات نانو توسط پیش ماده که در فاز مایع، جامد و یا گازی موجود است، ساخته می شود.

2- اصول خودآرایی مولکولی
موفقیت آمیز بودن خودآرایی در یک سیستم مولکولی به پنج مشخصه مربوط می‌شود:
1- اجزای سیستم: یک سیستم خودآرا از گروههای مولکولی و یا بخشهایی از درشت مولکولها (Macromolecules) تشکیل شده است که با یکدیگر در تعاملند. این مولکولها می‌توانند یکسان و یا متفاوت باشند و تعامل بین آنها منجر به تغییر از یک حالت با سازماندهی کمتر (مانند محلول) به یک حالت منظمتر (مانند بلور) می‌‌شود.
2- تعامل بین اجزا: خودآرایی هنگامی رخ می‌دهد که مولکولها به تعادلی در بین نیروهای جاذبه و دافعه مولکولی می‌رسند که این نیروها ضعیف و از نوع غیر کووالانسی (مانند نیروهای آبگریزی) هستند.
3- بازگشت‌پذیری (یا انطباق پذیری): در خودآرایی برای اینکه ساختارهای منظم به وجود آید می‌بایست تجمع مولکولی بازگشت‌پذیر بوده و اجزا بتوانند جای خود را در ساختار ایجاد شده اولیه تغییر داده و تنظیم کنند. به همین خاطر توان مقاومتی پیوندهای بین اجزا باید در حدود نیروهایی باشد که می‌خواهد آنها را از هم جدا کند. به عنوان مثال فرآیندی که در آن مولکولها به طور بازگشت‌ناپذیر به یکدیگر می‌چسبند به جای بلور خودآرا به ما شیشه می‌دهد.
4- محیط: خودآرایی مولکولی معمولا در یک محلول و یا رابطی که امکان حرکت را به اجزا می‌دهد اتفاق می‌افتد و تعامل اجزا با محیط بر روی سرعت فرایند تا‌ثیر زیادی دارد.
5- جابجایی جرم: برای اینکه خودآرایی رخ دهد مولکول‌ها باید در حرکت باشند.

3- انواع برهم‌کنش ها برای خودآرایی نانو ذرات
برهم‌کنش‌هایی که منجر به خود‌آرایی نانوذرات می‌شوند در زیر اورده شده است:
• پیوند کووالانسی
• برهمکنش های غیرکووالانسی: این برهم‌کنش‌ها خود موارد زیر را در بر‌ می‌گیرد:
• برهمکنش های الکتروستاتیک
• لیگاند-فلز
• پیوند هیدروژنی
• برهمکنش های میزبان-میهمان
• برهم کنش های زیست‌مولکولی

3-1- پیوند کووالانسی
در این مورد معمولا یک تک‌لایه خودآرا (Self-assembled Monolayer-SAM) روی سطح بستر (Substrate) تشکیل شده که قابلیت تشکیل پیوند کوالانسی با نانوذرات عامل دار شده را دارد. سان و همکارانش پیوند کوالانسی از دی آزو-کربوکسیلات برای خود آرایی بین دی آزو رزین و نانو ذرات طلا توسعه دادند.خودآرایی لایه به لایه در ابتدا به وسیله رزین دی آزو و نانوذرات طلا انجام شد. تحت تابش نور UV، گروه دی آزونیوم به کاتیون فنیل تجزیه شد و در ادامه ازطریق واکنش با نوکلئوفیل گروه کربوکسیلات برروی نانوذرات طلا به طریق واکنش نوکلئوفیلی نوع اول متصل می شود (شکل 1).

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1-  تهیه سطح با فضای عامل دار واحد و اتصال دوباره به گروه های عاملی به طریق برهمکنش های ویژه [1]

پراچیو و همکارانش نانوذرات طلا برروی سطح به طریق واحد متیل دی متوکسی سیلان به وسیله واکنش با گروههای سطحی Si-OH خودآرایی کردند. عکس AFM اتصال نانوذرات طلا به سطح در یک غلظت چگال اما داری آرایش نامنظم را نشان می دهند. سپس نانوذرات طلا برای داشتن یک واحد عامل دار تک خارج شده و فضاها به وسیله فاصله کمینه توسط سایز نانوذرات سازماندهی می شوند.

3-2- برهمکنش های غیرکووالانسی
علی رغم پایداری بالا، فیلم های نانوذرات که از طریق پیوند کوالانسی تشکیل شده‌اند، دارای معایبی هستند. به دلیل سرعت و قدرت واکنش شیمیایی درگیر میان گروه‌های عاملی از نانوذرات و تک‌لایه خودآرا رویکرد کوالانسی می‌تواند منجر به برگشت ناپذیر بودن اتصال نانوذرات قرار گرفته برروی سطح گردد.
از مزیت های استفاده از برهمکنش های غیرکوالانسی، سنتز پذیرنده های عامل دار نانوذرات و یا تک لایه خودآرا با قابلیت شناخت مولکولی (Molecular Recognition) در سطح می باشند. همچنین مزیت دیگر برهمکنش های غیرکوالانسی بر پیوند کوالانسی، تشکیل و به دست آوردن توانایی برای تصحیح اشتباهات است (به دلیل بازگشت‌پذیر بودن). از جمله برهم کنش های غیرکوالانسی مورد استفاد برای خودآرایی سطوح، برهمکنش های الکتروستاتیک، لیگاند- فلز، پیوند هیدروژنی، برهمکنش های میزبان-میهمان و برهم کنش های زیست مولکولی می توان اشاره کرد.

3-2-1- برهمکنش های الکتروستاتیک
خودآرایی الکتروستاتیک، شامل جذب بین دوگونه با بار مخالف است (پلیمرها، نانوذرات و بستر). این روش برای خودآرایی دو و سه بعدی ساختار پشنهاد شده است. این تکنیک پایه و اساس برای جذب پلی آنیون و پلی کاتیون ها از محلول های آبی برروی بستر باردار می باشد (شکل 2).

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2-  خودآرایی لایه به لایه از فیلم پلی الکترولیت بار مخالف به طریق برهم کنش های الکتروستاتیک [1]

با توجه به سادگی، خودآرایی لایه به لایه (Layer by Layer) و تشکیل فیلم های چند لایه از طریق برهم کنش های الکتروستاتیک، این نوع خودآرایی به طور گسترده ای برای قراردادن نانو‌ذرات عامل دار شیمیایی (Functionalized Nanoparticles) بر سطح استفاده می شود. در خودآرایی لایه به لایه، چند لایه متفاوت از نانوذرات (از جنس فلزات، نیمه هادی¬ها، مواد معدنی و نانوذرات پلیمری) می ‌تواند تشکیل شود. ترکیبات با بار مخالف با استفاده از خاصیت پلی الکتریک به صورت لایه ساندویچی بین نانوذرات قرا می گیرند. در مثال زیر ساختار ساندویچی بدست آمده بر اساس خود آرایی ذرات سولفید کادمیم (CdS) با بار منفی، پلی الکترولیت (Polyelectrolyte) با بار مثبت و نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2) با بار منفی ساخته شده است. (شکل 3)

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3- خودآرایی لایه لایه بار منفی سولفید کادمیم و نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و بار مثبت پلی الکترولیت برای تشکیل فیلم کامپوزیتی-نانوذرات [1]

3-2-2- برهمکنش های لیگاند-فلز
شیمی کئوردیناسیون قادر به ترکیب لیگاند و فلز (و یا یون های فلزی) جهت نیل به خودآرایی درون ساختار ابرمولکول ها می باشد (برای اطلاع از جزئیات بیشتر در این زمینه، به مقالات مواد نانومتخلخل و مقاله مربوط به شیمی ابر مولکول‌ها مراجعه فرمایید). برای مثال، خودآرایی طلا و نقره برروی سطح از طریق پیوند کئوردیناسیون قوی بین گروه عاملی نانوذرات و سطح فلزی بررسی شده است.
شکل 4 بیانگر یک نمونه از این خودآرایی هاست که منجر به قرار گرفتن تک لایه های یون زیرکونیوم (Zr) و نانوذرات طلا با استفاده از لیگاندهای کمپلکس کننده شده است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4-  خودآرایی لایه به لایه از نانوذرات طلای عامل دار شده با بیس هیدروکسامات و یون زیرکونیوم از طریق پیوند یونی [1]

3-2-3- پیوند هیدروژنی
در شکل 5 نمونه از سوار شدن مولکولی از طریق پیوند هیدروژنی نشان داده شده است. در این شکل، پیوندهای کوالانسی (درون مولکولی) با خط تیره نشان داده شده اند و خط چین‌ها نشانگر پیوند هیدروژنی بین مونومرهای تشکیل دهنده مولکول خودآرا ست.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5-  نمونه از خود سوار شدن مولکولی از طریق پیوند هیدروژنی [1]

استفاده از پیوند هیدروژنی بین پذیرنده همیلتون و باربیتورات از طریق شش پیوند هیدروژنی برای خودآرایی نانوذرات بر روی سطح شرح داده شده است. شکل 6 خودآرایی نانوذرات متصل شده به باربیتورات از طریق پیوند هیدروژنی برروی سطح عامل دار شده با همیلتون را نشان می دهد.
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6- استفاده از پیوند هیدروژنی برای خودآرایی نانوذرات طلا بر روی سطح [1]

در شکل 7 استفاده از پیوند هیدروژنی برای سوار کردن نانوذرات سولفید کادمیم برروی سطح طلا نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7- خودآرایی نانوذرات سولفید کادمیم برروی سطح طلا [1]

3-2-4- برهمکنش های میزبان-میهمان
در شیمی ابرمولکول، معمولا یک مولکول به عنوان میزبان به مولکول دیگر به عنوان میهمان متصل شده و تشکیل کمپلکس میزبان-میهمان را می دهد (برای مطالعه کاملتر این موضوع به مقاله شیمی ابرمولکول ها مراجعه فرمایید). میزبان معمولاً یک مولکول بزرگ مانند آنزیم یا یک ترکیب حلقوی سنتزی دارای حفره مرکزی با اندازه مشخص است. میزبان می تواند یک کاتیون تک اتمی، آنیون یا مولکول خنثی باشد. به عبارت بهتر، می‌توان میزبان را یک مولکول دارای ساختار ویژه در نظر گرفت که از طریق برهکنش ویژه مانند برهمکنش آب‌گریزی، نیروهای واندروالس و پیوند هیدروژنی با مولکول میهمان تشکیل کمپلکس میزبان میهمان دهد. سیکلودکسترین ها (Cyclodextrin) مولکول هایی هستندکه قادر به کمپلکس شدن با مولکول های آلی مختلف در محیط آبی می باشند. (شکل 8).

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8- استفاده از برهمکنش های میزبان میهمان برای خودآرایی نانوذرات [1]

در شکل 8، سیکلودکسترین با نماد استوانه‌های کوچک طوسی رنگ مشخص شده است. در صورت رفع دافعه الکترواستاتیک بین گروه های عاملی موجود بر نانوذره و سیکلودکسترین (در اینجا با فرآیند احیا)، سیکلودکسترین به راحتی گروه عاملی آلی را در بر می گیرد و همین باعث اتصال نانوذره به سطح می‌شود.

3-2-5 برهمکنش های زیست‌مولکولی
در سال های اخیر تعداد زیادی تحقیقات وجود دارد که عامل دار شدن زیست‌مولکولی نانوذرات را برای تشکیل نانوساختارهای هیبریدی شرح می دهد. در حالی که تلاش های زیادی برای سیستم های محلول صورت گرفته است تعدادی محدودی مثال که از پیوند ویژه از زیست‌مولکولها مانند پروتئین ها، پپتیدها و DNA به نانوذرات خودآرایی شده برروی سطح وجود دارد.
تاتون و همکارانش از نانوذرات عامل دار شده با الیگونوکلئوتیدهای اصلاح شده تیول دار برای تشخیص توالی‌های مکمل برروی یک بستر شفاف استفاده کردند (شکل 9). این روش در تشخیص عدم تطابق در یک توالی اولیگونوکلئوتید در مقایسه با روش‌های معمول، سه بار حساس تر می باشد. علاوه بر این، تقویت سیگنال توسط کاهش یونهای نقره بر نانوذرات به شدت باعث افزایش حساسیت این سیستم شناساگر می شود.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9- خودآرایی الیگونوکلئوتیدهای-عامل دار شده با نانوذرات طلا از طریق هیبرید شدن با DNA و افزایش سیگنال توسط کاهش یون های نقره برروی نانوذرات برای شناسایی آرایش DNA از [1]

در فیلم آموزشی زیر به صورت کامل در مورد خودآرایی صحبت شده و مثالهای جالبی آورده شده است.
http://vega.org.uk/video/programme/70
4- نتیجه گیری:
خودآرایی شیمیایی روندی جهت کنترل موقعیت قرارگیری نانوذرات عامل‌دار شده با گروه‌های  های سطحی برروی یک بستر عامل دار می باشد. کنترل سطوح عامل دار از نانوذرات، طراحی نانوساختارهای کمپلکس شده برروی سطح را برای کاربردهای خاص مانند مولکول های الکترونیکی، بیوحسگر ممکن می سازد.
در این مقاله برهمکنش های شیمیایی (کئوردیناسیون، پیوند هیدروژنی، برهمکنش میزبان-میهمان و برهمکنش های بیو مولکولی) استفاده شده برای خودآرایی مستقیم نانوذرات برروی سطح بحث شده است.
خودآرایی از لحاظ علمی جذاب و از دیدگاه فناوری مهم است. چون:
1- در زندگی ما مهم است. سلولها به طرز حیرت‌آوری از مواد پیچیده‌ای نظیر بافتهای چربی، پروتئینها، ساختارهای اسیدی و بسیاری موارد دیگر که توسط خودآرایی ساخته می‌شوند تشکیل یافته‌اند.
2- خودآرایی روشی برای ساخت موادی با ساختارهای منظم نظیر کریستالهای مولکولی، کریستالهای مایع و نیمه کریستالها است و این ساختارهای منظم بسیار پر کاربردند.
3- کاربردهای بسیاری در مواد با سایزهای بزرگتر دارند و امکان استفاده از آن در مواد دیگر و همچنین کاربرد آن در مبحث مواد چگال نیز وجود دارد.
4- به نظر می‌آید این روش یکی از پرکاربردترین روشهای ساخت در مقیاس نانو است.
با توجه به این موارد می‌توان گفت که خودآرایی در زمینه‌های بسیاری نظیر شیمی، فیزیک، بیولوژی، علم مواد، نانوتکنولوژی و ساخت بسیار پرکاربرد و مهم است.

منابـــع و مراجــــع

1. Ling, X. Y., Reinhoudt, D., Huskens, J., “The Supramolecular Chemistry of Organic-Inorganic Hybrid Materials” Chapter 13,pp. 407-419.