برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۰۱۳
  • بازدید این ماه ۴۴
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۲۴
  • قبول شدگان ۱۰۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۲
  • 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

مقدماتی

امتیاز کاربران

خودآرایی (2)

در بخش‌های قبلی به طور کلی با مبحث خودآرایی آشنا شدید. در این بخش می‌خواهیم کمی بیشتر در مورد این روش ساخت صحبت کنیم. خودآرایی روش ساختی است که در آن اجزاء مختلف (چه به صورت تک به تک و چه به صورت متصل به هم) به صورت خود به خودی ساختار به هم پیوسته منظمی را تشکیل می‌دهند، اما این روش ساخت تنها در مقیاس نانو کاربرد ندارد بلکه در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر هم به کار می‌رود. در این مقاله به اهمیت های خودآرایی در فناوری اشاره می کنیم. از آنجایی که تاریخچه خودآرایی مربوط به مطالعات روی مولکول‌ها می‌شود، به مشخصه های لازم برای موفقیت آمیز بودن خودآرایی مولکولی می پردازیم؛ و درنهایت حضور خودآرایی در جلوگیری از ترک و مثال هایی از آن را بیان می کنیم.
1- از خودآرایی کمی بیشتر بدانیم 
در بخش‌های قبلی به طور کلی با مبحث خودآرایی آشنا شدید. در این بخش می‌خواهیم کمی بیشتر در مورد این روش ساخت صحبت کنیم. همان‌طور که می‌دانید، خودآرایی روش ساختی است که در آن اجزاء مختلف (چه به صورت تک به تک و چه به صورت متصل به هم) به صورت خود به خودی ساختار به هم پیوسته منظمی را تشکیل می‌دهند، اما این روش ساخت تنها در مقیاس نانو کاربرد ندارد بلکه در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر هم به کار می‌رود (مثال آهن‌رباها و سایر مثال‌های جلسه قبل که یادتان هست). شکل 1 نمونه‌های دیگری را به همراه مقیاس آنها نمایش می‌دهد.

filereader.php?p1=main_3c5825a0d4bdb85c6
شکل 1: نمونه‌هایی از خودآرایی در ابعاد میلی‌متر

البته می‌شود گفت که ابتدا این روش ساخت در مقیاس نانو مشاهده و درک شد و پس از آن مانند بسیاری دیگر از فعالیت‌های بشر که سعی در شبیه‌سازی و استفاده از روش‌های طبیعی را دارند، شبیه‌سازی و در مقیاس‌های بزرگ‌تر پیاده‌سازی شد. یکی از طرح‌های تحقیقاتی در این زمینه که بسیار جالب توجه است و برای بررسی روی ساختارهای خودآرا راه‌اندازی شده است، طرحی است در دانشگاه واشنگتن به نام اجزاء خود سازمان‌ده قابل برنامه‌ریزی که در شکل 2 یکی از اجزاء آن که به عنوان شبیه‌سازی یک ساختار مثلثی استفاده شده است، را می‌بینید.

filereader.php?p1=main_7a2cd069705343254
شکل 2: اجزاء یکی از قسمت‌های طرح دانشگاه واشنگتن

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 نیمه‌کریستال‌ها است و این ساختارهای منظم بسیار پر کاربرد هستند.
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، فناوری نانو و ساخت بسیار پرکاربرد و مهم است.

2- اصول خودآرایی مولکولی
همان‌طور که گفتیم تاریخچه خودآرایی مربوط به مطالعات روی مولکول‌ها می‌شود. موفقیت‌آمیز بودن خودآرایی در یک سیستم مولکولی به پنج مشخصه سیستم مربوط است:
1- اجزای سیستم: یک سیستم خودآرا از گروه‌های مولکولی و یا بخش‌هایی از درشت-مولکول‌ها تشکیل شده است که با یکدیگر در تعامل هستند. این مولکول‌ها یا درشت-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 کریستال) می‌شود.
2- تعامل بین آنها: 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 انطباق‌پذیری): 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 مقاومت قیدهای 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 کریستال به ما شیشه می‌دهد (شکل 3)

filereader.php?p1=main_3fc041a60ab6b0a05
شکل 3: اثر بازگشت‌پذیری در تولید کریستال

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 روی سرعت فرایند تا‌ثیر زیادی دارد.
5- جابجایی جرم: برای اینکه خودآرایی رخ دهد مولکول‌ها باید در حرکت باشند.
روش‌های بسیاری وجود دارد که این خصوصیات در آنها به طرز مناسبی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و به همین خاطر است که محصولاتی که به روش خودآرا ساخته شده باشند بسیار متنوع هستند. این محصولات را می‌توان در دسته‌بندی‌های دو بعدی و سه بعدی، تک‌لایه یا چندلایه، نانو تا میکرو و بزرگتر و ... تقسیم‌بندی کرد.
به عنوان بخش پایانی مطالب، شکلی از نحوه تشکیل یک ساختار خودآرای تک‌لایه را بدون توضیحی در متن (البته خود شکل و توضیحاتی که در آن آورده‌ایم گویاست) ارائه می‌کنیم.

filereader.php?p1=main_591cc1c9a3b4cbd90
شکل 4: نحوه تشکیل ساختار خودآرای تک‌لایه

3- خودآرایی برای جلوگیری ازترک برداشتن
آیا تاکنون به این نکته اندیشیده‌اید که چگونه یک جسم ترک بر می‌دارد و یا می‌شکند؟ نیروهای وارده به هر جسم بسته به مقاومت و خصوصیات مکانیکی آن جسم سبب ایجاد ترک‌های بسیار کوچک (در حد میکروسکوپی) می‌شوند به گونه‌ای که اگر این ترک‌ها به هم بپیوندند و به تدریج اندازه آنها بزرگ و بزرگ‌تر شده منجر به شکستن و تخریب جسم می‌شوند.
جلوگیری از ایجاد ترک در بسیاری از مکان‌ها مانند پل‌ها، بال هواپیماها، ساختمان‌ها، سازه‌ها و غیره با اهمیت است. یکی از روش‌های جلوگیری از گسترش ترک، پخش و توزیع نیروهایی است که سبب گسترش ترک می‌شود. زمانی که ترکی ایجاد می‌شود، نیروهای وارده به گونه‌ای عمل می‌کنند که آن ترک را گسترش می‌دهند. زمانی را تصور کنید که می‌خواهید چوبی را با کمک نیروی دست به دو قطعه بشکنید. یک چوب دارای ترک یا زاویه دار را خیلی راحت از یک قطعه چوب با مقطع دایره ای شکل شکسته می‌شود. چرا که در چوب ترک دار یا زاویه‌دار نیروها متمرکز و نقطه‌ای عمل می‌کنند حال آنکه در چوب گرد نیروها به صورت پراکنده عمل می‌کنند. در زمان جنگ جهانی دوم نیز از این ویژگی برای جلوگیری از گسترش ترک‌های بال هواپیما استفاده می‌شد به گونه‌ای که در هر دو انتهای ترک سوراخ‌هایی ایجاد می‌شد تا نیرو پخش شود و طول ترک‌ها زیاد نشوند. کفاش‌ها نیز به همین روش عمل می‌کنند و برای مکان‌هایی که تحت تاثیر نیرو هستند مانند مکان عبور بند کفش از سوراخ‌های دایره‌ای مانند استفاده می‌کنند تا نیروهای حاصل از بستن بند کفش چرم را پاره نکند.

filereader.php?p1=main_e3e5a4e071b34019c
شکل 5. ایجاد بریدگی دایره‌ای در انتهای ترک از رشد آن جلوگیری می‌کند

امروزه فناوری نانو سبب شده تا راه‌های جدیدی برای گسترش ترک ارائه شود. محققان دانشگاه الینویز موفق به ساخت کامپوزیتی شده‌اند که قابلیت خودترمیمی دارد. در این نوع از کامپوزیت میکروکپسول‌هایی تعبیه شده است که حاوی مواد پلیمری است به گونه‌ای که هر گاه این میکروکپسول‌ها به علت ایجاد ترک آسیب ببینند، پاره شده و محتوای آن با کاتالیزور (عامل تسریع‌کننده واکنش) موجود در زمینه تماس پیدا کرده، سخت می‌شود. این فرایند سبب ترمیم و جلوگیری از گسترش ترک می‌شود.

filereader.php?p1=main_168feb6d180e3f3b3
شکل 6. نحوه تشکیل ساختار خودآرای تک‌لایه

میزان کارایی این فرایند در دمای اتاق 100% و در دمای 617 درجه فارنهایت 80% است. محققان هنوز به دنبال یافتن نسبت مناسبی از کاتالیزور و میکروکپسول‌ها هستند تا فرایند را بهینه نمایند.

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو