برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۷۵۳
  • بازدید این ماه ۹۰
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۰۲
  • قبول شدگان ۳۷۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۹۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۸
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

مقدماتی

امتیاز کاربران

مطالعه نانومواد با بهره‌گیری از میکروسکوپ‌های مدرن

اتم‌های مختلف، با قرارگیری به اشکال گوناگون در کنار یکدیگر و ایجاد نیرو، مواد مختلف را تشکیل می‌دهند. نیروی جاذبه بین الکترون‌ها و پروتون‎های (هسته) اتم‌ها، نیرویی را ایجاد می‌کند که می‎تواند مولکول‎ها را در یک ماده در کنار هم حفظ کند. نوع پیوندهای بین مولکول‌ها در مواد، تعیین‌کننده بسیاری از خواص ماده مثل حالت ماده، رسانایی و ..... است و گاهی باعث تفاوت‌های عظیم در دو نوع ماده تشکیل شده از یک عنصر می‌شود. تفاوت‌های خواص فیزیکی و شیمیایی گرافیت و الماس به عنوان دگرشکل‌های عنصر کربن از این جمله‌اند. در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پایه و اجزای ساختاری ماده خواهیم داشت و سپس سراغ لوازم، ابزار و وسایلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رویم که دنیایی را که در پایین وجود دارد، برای ما نمایان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. 
1- مقدمه
بخشی از فناوری نانو دنیایی را که هر روز در جریان است، مطالعه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، فقط کمی عمیق‌تر و کمی پایین‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر، از جاهایی که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایمان نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانیم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فیزیک و شیمی برویم و مفاهیم اولیه را مرور کنیم؛ در این نوشتار ابتدا در مورد مفاهیم پایه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد؛ سپس سراغ لوازم، ابزار و وسایلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رویم که دنیایی را که در پایین وجود دارد، برای ما نمایان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. 
 
2- اجزای سازنده مواد و نیروی بین آن‌ها
برای درک اجزای طبیعت باید به این نکته توجه کرد که اتم‌ها، بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌های سازنده مواد هستند و هر ماده از اتم‌های خاصی تشکیل شده که وقتی در کنار یکدیگر قرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند مولکول‌ها را شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند، تعداد این اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بیش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار می‌گیرند، صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.
چیزی که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در یک مولکول و مولکول‌ها را در یک ماده در کنار هم حفظ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، نیروهایی است که مانند جاذبه و دافعه دو آهن‌ربا عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این نیروها بین الکترون‌ها و هسته اتم‌ها وجود دارند و در نوع خود بسیار قوی هستند. شنیده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اید که یک مورچه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آیا شما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانید دو برابر وزن خود را حمل کنید؟ با این حساب مورچه قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است یا شما؟ این که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوییم پیوند بین اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خیلی قوی و مستحکم است، دقیقاً مانند همین مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.
گفتیم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، ماده ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پیوند بین مولکولی و نیروی بین مولکول‌ها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مایع، جامد یا گاز باشد. البته نوع پیوندها نیز در رفتار ماده تأثیر زیادی دارند، برای مثال بعضی پیوندها که به پیوند یونی معروف هستند، باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رسانای جریان برق باشد. تعداد و جهت و زاویه متفاوت یک نوع پیوند نیز سبب بروز خواص متفاوتی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. برای مثال، الماس و گرافیت هر دو از اتم‌های یک عنصر یعنی کربن تشکیل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولی از آن جایی که تعداد و نحوه قرارگیری پیوندها بین اتم‌هایِ آن متفاوت است، الماس بسیار مستحکم است و گرافیت بسیار نرم.
 
3- مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از میکروسکوپ
میکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنید تا سلول‌های موجودات زنده را مشاهده کنید بسیار ساده است و برای مشاهده دنیای نانو کارآمد نیست. امروزه انواع گوناگونی از میکروسکوپ‌ها وجود دارد که قادر است اطلاعات مفیدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از این دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پیچیدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند تا از ابعاد ریز و در حد و اندازه مولکول‌ها به ما اطلاعات بدهند.
علاوه بر پیچیدگی و پر رمز و راز بودن این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، تفاوت اصلی آن‌ها با میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ساده و نوری مدرسه این است که آن‌ها به‌صورت غیرمستقیم از دنیای نانو به کسب اطلاعات می‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقیانوس‌شناسان که بدون رفتن به زیر آب اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کف اقیانوس را ترسیم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، یا فضانوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سیاره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای، ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن سیاره را شناسایی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.
شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از پردازش داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود. اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند، وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند. این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند. اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند. آن‌ها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصله کف با منبع گسیل‌کننده، ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌کنند.
ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناخته فضا بفرستند و با محاسبه زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.
اساس کار میکروسکوپ‌های پیشرفته نیز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غیرمستقیم است.
 
4- میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) 
میکروسکوپ نیروی اتمی شباهت زیادی به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناس‌‌‌‌‌‌‌‌‌های قدیمی و کهنه‌کار دارد. یک جورهایی نیز شبیه دستگاه گرامافون است که از یک سوزن بسیار نوک تیز تشکیل شده که این سوزن روی سطح لوح و در شیار‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستی – بلندی‌های سطح را به صدا تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.
 
و اما، وظیفه میکروسکوپ نیروی اتمی چیست؟ 
می‌دانیم که تمامی اجسام هر اندازه هم که به ظاهر صاف و صیقلی باشند، باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی‌هایی هستند. به عنوان مثال، سطح شیشه بسیار بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسد، اما اگر در مقیاس خیلی کوچک به آن نگاه کنیم، خواهیم دید که سطح شیشه پر از ناصافی‌ها یا به عبارتی "دست‌انداز" است. کار میکروسکوپ نیروی اتمی نشان ‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آن‌هاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یک سطح خاص از ماده را "توپوگرافی" می‌نامند.
همان‌طور که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانید نیروهای بسیار کوچکی به صورت جاذبه و دافعه بین اتم‌های باردار وجود دارند (درست مثل دو سر ناهم‌نام آهن‌ربا که باعث دفع و جذب می‌شوند)، چنین نیروهایی بین نوک میکروسکوپ و اتم‌های سطح ایجاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. با اندازه‌گیری نیروی بین اتم‌ها در نقاط مختلف سطح، می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتم‌ها را روی آن مشخص کرد.
 
5- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
در میکروسکوپ نیروی اتمی یک انبرک با نوک بسیار حساس روی سطح حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و اطلاعات مورد نیاز را از ابعاد نانومتری به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنیم، میکروسکوپ الکترونی روبشی ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ایم.
این دسته میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پرتویی از الکترون‌ها را به هر آن چه که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسی و مطالعه کنند، شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، به این ترتیب انرژی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شلیک شده به سطح نمونه مورد مطالعه منتقل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترون‌های پرتو (که الکترون‌های اولیه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند)، الکترون‌های نمونه را جدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این الکترون‌های جدا شده (که الکترون‌های ثانویه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که دارای بار مثبت است کشیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آن جا تبدیل به "سیگنال" می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. این سیگنال‌ها توسط رایانه به تصاویر قابل مشاهده تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.
میکروسکوپ الکترونی روبشی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی؛ شکل، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است، به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. انواع پیشرفته‌تر این دستگاه قادر هستند که ترکیب اجزایی که نمونه را می‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد، نیز مشخص کنند.
این میکروسکوپ برای مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که از خود بخار آزاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نیست، چرا که بخارات تولید شده با الکترون‌های شلیک شده به نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پیدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. برای رفع این عیب، میکروسکوپ‌هایی به بازار آمده که قادر هستند در دمای بسیار پایین و از نمونه منجمد تصویربرداری کنند.
 
6- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
در میکروسکوپ SEM الکترون اولیه پس از شلیک، به سطح نمونه برخورد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و الکترون ثانویه از همان سطح نمونه خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و به سمت صفحه مثبت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رود و تبدیل به سیگنال می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در واقع در آن، نمونه مانند یک آینه عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ثانویه از همان سطحی خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اولیه وارد شده‌اند (فقط با زاویه متفاوت).
میکروسکوپ‌های TEM نیز همانند SEM از تکنیک شلیک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند، با این تفاوت که در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) پرتوی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که به نمونه شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا یک طرح از ساختار نمونه به ما ارائه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر، TEM یک نوع پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است.
وضوح و دقت تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری از پیمایشگر الکترونی بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنین سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده‌سازی نمونه برای قرار گرفتن در زیر میکروسکوپ الکترونی عبوری، بیشتر از SEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردی که ساختار بلوری (نحوه قرارگیری اتم‌ها در شبکه بلور) مهم باشد، از میکروسکوپ TEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.
 
7- میکروسکوپ پیمایشگر روبشی (STM)
اگر بخواهید از سطح صلبی تصویربرداری کنید که الکتریسیته را عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد، لازم است تا از میکروسکوپ پیمایشگر روبشی استفاده کنید. این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زیادی به میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نیروی اتمی (AFM) دارند. در این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعی جریان الکتریسته استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک سوزن در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در این زمان جریان شروع به انتقال از سطح به نوک سوزن می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشید که بین نوک سوزن و سطح فاصله وجود دارد و الکترون‌ها از یک سد انرژی عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به این فرآیند اصطلاحاً تونل‌زنی گفته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود). در حین تونل‌زنی اگر جریان ثابت باشد، تغییرات فاصله نوک سوزن تا نمونه، اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر فاصله نوک سوزن و نمونه را ثابت نگه داریم، تغییرات جریان تونل‌زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. این که از کدام مد یا حالت استفاده کنیم به شرایط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ما ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد، از مد جریان ثابت استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمان بیشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.
 
filereader.php?p1=main_5338f35375997c7c3
 
8- میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جایزه نوبل
نخستین میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در سال 1942 میلادی عرضه شد و شکل امروزی آن اولین بار در سال 1965 میلادی وارد بازار شد. میکروسکوپ پیمایشگر روبشی نیز در سال 1981 در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی میکروسکوپ‌های الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد، برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن زمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ریز و مقیاس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان یک فناوری مهم و تأثیرگذار مورد توجه قرار گیرد.
 

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو