برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۵۵۰
  • بازدید این ماه ۶۶
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۳۵
  • قبول شدگان ۱۲۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۵
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

خودآرایی (1)

خودآرایی فرایندی خودبخودی است که در آن گونه ها (مولکول¬ها یا اجزای دیگر) برروی یکدیگر جمع شده و سیستم های منظمی ایجاد می‌کند. در خودآرایی، سیستم بی نظم از اجزای موجود، به شکل یک ساختار با الگوی سازمان یافته تبدیل می‌شود. تعریف علمی‌تر خودآرایی عبارت است از اینکه: یک روش ساخت پایین به بالا است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها با ارتباطات فیزیکی یا شیمیایی، خود را به شکل یک نانو ساختار منظم درمی‌آورند. نیروهای متعددی برای ایجاد خودآرایی وجود دارند که عبارتند از نیروهای مویینگی، نیروی الکترواستاتیک و نیروی مغناطیسی.
1- خودآرایی چیست؟
خیلی ساده‌اش می‌شود همدیگر را گرفتن. ما می‌خواهیم در مورد مجموعه‌ای از اشیا صحبت کنیم که همدیگر را می‌گیرند و با هم یک مجموعة بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند. تعریف علمی‌تر عبارت است از اینکه خودآرایی یک روش ساخت پایین به بالا است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها با ارتباطات فیزیکی یا شیمیایی خود را به شکل یک ساختار منظم نانویی درمی‌آورند. ایجاد بلور نمک یا دانه‌های برف، با آن ساختارهای پیچیده، مثال خوبی برای خودآرایی است.

filereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9

تصور کنید یک پازل دستتان باشد و آن را به‌شدت تکان دهید و پس از به‌هم‌ریختن پازل ببینید که پازل خودبه‌خود در حال درست شدن است. می‌بینید چه تصور عجیبی است؟! اما چنین مسئله‌ای در طبیعت خیلی عجیب نیست! خیلی از سیستم‌های بیولوژیک و سیستم‌های فیزیکی غیرآلی، رفتارهای خودآرایی را به‌خوبی به نمایش می‌گذارند. دانشمندان مختلف در زمینه‌های شیمی، فیزیک، بیولوژی، مهندسی و ریاضی جذب چنین سیستم‌هایی شدند و با امیدِ دستیابی به روش‌های طراحی و کنترل رفتار سیستم‌های خودآرا شروع به تحقیق کردند. با پیشرفت‌های اخیر در زمینة دانشِ میکرو و نانو، انگیزه‌ها هم افزایش یافت. از طرف دیگر، روش‌های ساخت در مقیاس میکرو و نانو به ما اجازة «پردازش دسته‌ای» را می‌دهد. یعنی ما توانایی ساخت نمونه‌های مختلف از یک جسم در آن واحد را خواهیم داشت. سؤالی که مطرح می‌شود این است که ما چطور چنین ابزارهایی را طراحی ‌کنیم تا بتوانند طوری خود را بیارایند که یک سازة مفید و کارا ایجاد شود؟ به عبارت دیگر، روش‌های سنتی ساخت دقت محدودی داشتند و ساخت سازه‌های کوچک‌تر (در ابعاد نانو) نیازمند توسعة روش‌های جدید بودند. خودآرایی یکی از آن روش‌های جدید است که در طبیعت بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دانشمندان بسیاری در حال حاضر بر روی آن مطالعه می‌کنند و درک عمیق آن ممکن است به درک بهتر طبیعت زندگی نیز منجر شود.

2- خودآرایی در آشپزخانه (یا هرجای دیگر خانه)
سیستم‌های مختلف و بسیار ساده‌ای وجود دارند که رفتار خودآرایی را به نمایش می‌گذارند. علاوه بر اینکه بازی با آنها جالب است، این سیستم‌ها به ما کمک می‌کنند که خودآرایی را به‌سادگی مورد بررسی قرار دهیم. این سیستم‌ها را می‌توان بر اساس نیروهایی که موجب خودآرایی می‌شوند به چند دسته تقسیم کرد. بیایید به مثال‌هایی که حتی در آشپزخانة منزل هم می‌توانید انجامشان دهید نگاهی بیندازیم:

2-1- خودآرایی به وسیله نیروهای مویینگی
گروهی از محققان دانشگاه هاروارد، چند سیستم خودآرا را طراحی و بررسی کرده‌اند. بسیاری از این سیستم‌ها بر پایة اتصالات مویین عمل می‌کنند. این اتصالات از دو ویژگی مربوط به آب بهره می‌برند:
- اشیای کوچک روی آب یکدیگر را جذب می‌کنند. در این حالت، ذرات نیروی جاذبه‌ای را در بین خود احساس می‌کنند. منشأ این نیرو کجاست؟ بله، منشأ این جاذبه نیرویی است به نام «کشش سطحی» مولکول‌های آب. اگر یادتان باشد، یکی از اثرات کشش سطحی آب این بود که حشرات سبک می‌توانستند روی آب راه بروند. این جاذبه‌ای هم که ذکر شد یکی دیگر از اثرات کشش سطحی آب است که به خاطر جاذبة بین مولکول‌های آب و جسم و همچنین جاذبة بین خود مولکول‌های آب ایجاد می‌شود.
- وقتی دو سطحِ آب‌گریز با یکدیگر برخورد می‌کنند، تماس خود را حفظ می‌نمایند. علت این پدیده با نیروی بین دو سطح آب‌گریز و همچنین اثر کشش سطحی آب مرتبط است.
یک مثال خوب برای این روش، هات‌‌داگ‌های دکتر کمپبل است که در شکل زیر نشان داده شده‌اند.

filereader.php?p1=main_06b32425c4ae524b3
شکل 1. هات‌داگ‌های دکتر کمپل مثالی برای خودآرایی

مثال دیگر نیز استفاده از لِگوهای شناور روی آب است که در شکل زیر می‌بینید.

filereader.php?p1=main_7ccd528b1ff88934f
شکل 2. لگوهای شناور روی آب که خاصیت خودآرایی دارند.

2-2- خودآرایی به وسیله نیروی الکترواستاتیک (الکتریسیته ساکن)
آرایش توسط نیروهایی مویین، مرتبط با اثر متقابل بین ذرات و همچنین نیروی بین ذرات و محیط آنهاست. ذرات دارای خصوصیات سطحی ــ آب‌گریزی و آب‌دوستی ــ هستند و محیط آنها آب است و اگر محیط آنها را به روغن یا الکل تغییر دهیم آرایش متوقف می‌شود. سؤالی که با بررسی نیروهای مویین مطرح می‌شود این است که آیا انواع دیگری از اثر متقابل ذرات ـ ذرات و ذرات ـ محیط وجود دارند که منجر به خودآرایی شوند یا خیر.
یک جایگزین طبیعی، استفاده از نیروهای الکترواستاتیک برای تحریک به خودآرایی است. تقریباً همة ما با آزمایش شانه و خُرده‌کاغذ آشناییم و تشکیل زنجیره‌هایی کاغذی را در زیر شانه دیده‌ایم. یک مثال دیگر، استفاده از دانه‌های برنج و روغن نباتی در میدان الکتریکی است.
در تصاویر زیر نیز که به وسیلة ذرات مقوایی و روغن نباتی و با ولتاژ 15 کیلو ولت انجام شده است، ابتدا و انتهای آزمایش را مشاهده می‌کنید.

filereader.php?p1=main_54a7b3b5a57bc61ba
شکل 3. ذرات مقوایی در روغن نباتی تحت میدان الکتریکی خودآرایی پیدا کرده‌اند.

2-3- خودآرایی به وسیلة نیروهای مغناطیسی
یکی از سیستم‌های جالب و مورد توجه، خودآرایی به وسیلة مغناطیس است. در ساده‌ترین تصور، سیستم چیزی جز مجموعه‌ای از آهن‌رباهای دایره‌ای نیست. آهن‌رباها به طور تصادفی درون یک ظرف قرار دارند. در اینجا یک تکان ساده کافی است تا آهن‌رباها به یکدیگر بچسبند و سیستم منظم‌تری را به وجود آورند.

filereader.php?p1=main_228716ca9a4d2a6bd
شکل 4. آهنرباهای داخل ظرف خاصیت خودآرایی دارند

منظورمان از سیستم منظم‌تر چیست؟ در پویانمایی بالا نظم یافتن مشخص است. آهنرباها به طور تصادفی پخش شده بودند و در اثر تکان دادن، سازه‌ای زنجیره‌ای را تشکیل دادند. باید توجه کنیم که پس از تکمیل این خودآرایی، بی‌نظمی همچنان در سیستم وجود دارد؛ به این معنا که اولاً اگر آهنرباها را شماره‌گذاری کنیم خواهیم دید که سیستم نهایی ترتیب یکسانی از اعداد نخواهد داشت و دوم اینکه اگر بدنة هر آهنربا را با نوارهای رنگی رنگ کنیم، خواهیم دید که سیستم نهایی از لحاظ رنگ‌آمیزی متفاوت خواهد بود.

3- جمع‌بندی
در اینجا با اصول چند روش مختلف خودآرایی ــ به عنوان یک روش ساخت پایین به بالا ــ آشنا شدیم. همان‌طور که دیدید، این روش تنها در مقیاس نانو کاربرد ندارد و در مقیاس‌های بزرگی مثل هات‌داگ یا آهنرباهای دایره‌ای هم به کار می‌رود!

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو