1- معرفی نانوساختارها 
هر ماده‌ای در فضا دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع است. اگر حداقل یکی از این سه بعد یک ماده در مقیاس نانومتری باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. تاکنون یک تعریف جامع برای نانوماده که مورد قبول همگان قرار گرفته باشد، ارائه نشده است. با این وجود، مقبول‌ترین تعریف برای نانوماده توسط موسسه ملی ابتکارات نانوتکنولوژی ایالات متحده آمریکا (US National Nanotechnology Initiative) ارائه شده است که عبارتست‌از: نانومواد دسته‌ای از مواد هستند که مقیاس طولی مشخصه آن‌ها کمتر ‌از 100 نانومتر باشد. البته گاهی در برخی از گزارش‌های علمی، موادی با ابعاد بیشتر از 100 نانومتر هم نانوماده نامیده می‌شوند. مقیاس نانو، مقیاس اندازه‌ای است که در آن خواص ماده متفاوت با خواص بالک (مقیاس ماکرو) می‌شود. یکی از دسته‌بندی‌های متداول نانومواد (نانوساختارها)، تقسیم‌بندی آن‌ها براساس تعداد ابعادی است که خارج از محدوده نانومتری قرار دارند. طبق این دسته‌بندی، نانومواد به سه دسته صفر بعدی، یک بعدی و دو بعدی تقسیم می‌شوند. اگر هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری باشد، در دسته نانوساختارهای صفر بعدی قرار می‌گیرد. اگر دو بعد ماده در مقیاس نانومتری باشد نانوساختار یک بعدی؛ و اگر یک بعد در مقیاس نانومتری باشد به آن نانوساختار دو بعدی گفته می‌شود. شکل 1 شمایی از انواع نانومواد صفر، یک و دو بعدی همراه با تصاویر گرفته شده از آن‌ها با میکروسکوپ‌های الکترونی را نشان می‌دهد.

شکل 1- (الف) شمایی از انواع نانومواد صفر، یک و دو بعدی همراه با (ب) تصاویر گرفته شده از آن‌ها با میکروسکوپ‌های الکترونی.

تقسیم بندی نانومواد براساس ابعاد آن‌ها یکی از مهم‌ترین دسته‌بندی‌ها به‌شمار می‌رود؛ به‌طوری‌که این سه نوع نانوساختار، هم از دیدگاه روش‌های سنتز و تولید، و هم از جهت خواص و کاربردها دارای تفاوت‌های چشم‌گیری با یک‌دیگر هستند. خواص الکتریکی، نوری، مغناطیسی، سطحی و ... این سه نانوماده بسیار متفاوت بوده و در نتیجه هر کدام کاربردهای منحصربه‌فردی خواهند داشت. به‌عنوان مثال، نانومواد صفر، یک و دو بعدی توانایی جذب و انتشار نور متفاوتی دارند؛ به‌طوری‌که تنها امکان استفاده از نانوساختارهای یک‌بعدی در اتصالات الکترونیکی وجود دارد و از نانومواد صفر و دو بعدی نمی‌توان در این کاربردها بهره جست. یک نکته بسیار مهم در تقسیم‌بندی نانومواد براساس ابعاد این‌ است که به‌عنوان مثال در نانومواد یک بعدی ضروری نیست که حتماً فقط دو بعد در مقیاس نانو باشد، بلکه امکان سنتز نانومواد یک بعدی که هر سه بعد آن در محدوده نانو قرار داشته باشند وجود دارد. البته در این نانومواد باید یک بعد چندین برابر بزرگ‌تر از دو بعد دیگر باشد. به‌طور مشابه، در مورد نانومواد دو بعدی، دو بعد دیگر این نانومواد هم می‌توانند در مقیاس نانو باشند اما باید این دو بعد بسیار بزرگ‌تر از بعد دیگر باشند. شکل 2 تصاویر نانوساختارهای یک و دو بعدی گرفته شده با میکروسکوپ‌ الکترونی عبوری را نشان می‌دهد.

شکل 2 - تصاویر نانوساختارهای (الف و ب) یک بعدی و (پ و ت) دو بعدی گرفته شده با میکروسکوپ‌ الکترونی عبوری.

2- نانوساختارهای صفر بعدی
نانومواد صفر بعدی که با نام نانوذرات هم شناخته می‌شوند، معروف‌ترین نانوساختار محسوب می‌شوند. نانوذرات می‌توانند به‌طور طبیعی یا مهندسی شده شکل‌های مختلفی مانند کروی، استوانه‌ای، لوله‌ای، مکعبی، توخالی، هسته-پوسته و ... داشته باشند. با این وجود، بیشتر نانوذرات به شکل کروی یا بی‌نظم هستند. شکل 3 تعدادی از شکل‌های متداول نانوذرات را نشان می‌دهد.

شکل 3- تعدادی از شکل‌های متداول نانوذرات.

از آن‌جایی که هدف مقاله حاضر بررسی اشکال مختلف نانوساختارها نیست، در این‌جا فقط چند تصویر TEM از آن‌ها آورده شده است. شکل 4 تصاویر TEM از نانوذرات (نانوساختارهای صفر بعدی) کروی و چند وجهی را نشان می‌دهد. 

شکل 4- تصاویر TEM از نانوذرات (نانوساختارهای صفر بعدی) کروی و چند وجهی.

دلیل اصلی کاربرد و شهرت بیشتر نانوساختارهای صفر بعدی (نانوذرات) نسبت به نانوساختارهای یک و دو بعدی، روش سنتز ساده‌تر و هزینه پایین‌تر تولید آن‌ها است. به‌طور کلی خواص مختلف مواد/نانومواد بستگی شدیدی به اندازه دانه‌ها دارد، از این‌رو برای دست‌یابی به خواص یکنواخت در سرتاسر ماده باید اندازه دانه‌ها در ریزساختار خیلی متفاوت نبوده و توزیع باریکی از اندازه دانه‌ها وجود داشته باشد.

معمولاً با تبدیل ماده بالک به نانوماده، ساختار اتمی (کریستالی) آن تغییر نمی‌کند و فقط ابعاد و اندازه دانه‌ها کاهش می‌یابد. البته امکان تغییر ساختار کریستالی با کوچک‌تر شدن اندازه دانه‌ها وجود دارد. به‌عنوان مثال در کربن نانوساختار، علاوه بر ساختارهای معمول که شامل الماس و گرافیت هستند، ساختارهای جدید کربن صفر، یک و دو بعدی هم تشکیل می‌شوند. جهت آشنایی بیشتر با انواع، ساختارهای معمول کربن به مقالات بخش "نانوساختارهای کربنی" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. بیشتر ساختارهای جدید کربن نانوساختار، صفر بعدی هستند. فولرن (Fullerene) مشهورترین نانوساختار جدید صفر بعدی کربن است. شکل 5 شمایی از ساختار اتمی فولرن و تصویر TEM از فولرن C₆₀ را نشان می‌دهد.

شکل 5- (الف) شمایی از ساختار اتمی فولرن و (ب) تصویر TEM فولرن C₆₀.

این نانوساختار صفر بعدی (فولرن) دارای 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی بوده و ساختار آن توخالی است. البته فولرن از بیرون حفره و منفذی نداشته و یک نانوساختار پیوسته است. برای مطالعه بیشتر در مورد فولرن‌ها به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید.

یکی دیگر از نانومواد صفر بعدی معروف، کوانتوم‌دات‌ها یا نقاط کوانتومی (Quantum Dot; QD) هستند. نقاط کوانتومی، بلورهای نیمه‌هادی در ابعاد نانو (10-1 نانومتر) هستند که از 200 تا 10000 اتم تشکیل شده و اندازه آن‌ها با اندازه یک پروتئین درشت برابری می‌کند. از جمله متداول‌ترین نقاط کوانتومی می‌توان به کادمیوم سلنید (CdSe) و سولفید کادمیوم (CdS) اشاره کرد. کاربردهای نوین و اصلی نقاط کوانتومی عبارتند از:  

• کاربردهای بیولوژیکی
• سلول‌های خورشیدی
• ابزارهای اپتوالکترونیک
• کاربردهای فوتوکاتالیستی.

به‌طور کلی، خواص مختلف نقاط کوانتومی مانند خواص اپتیکی آن‌ها به‌شدت وابسته به اندازه آن‌ها است. به‌عنوان مثال، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که مقدار انرژی لازم برای انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت با اندازه نقاط کوانتومی تغییر کرده و این نقاط بسته به اندازه خود رنگ‌های مختلفی ساطع می‌کنند. نقاط کوانتومی بسیار حساس به روش و شرایط سنتز آن بوده و به همین دلیل سنتز آن‌ها بسیار با دقت و تحت شرایط کنترل شده انجام می‌گیرد. جهت آشنایی بیشتر با انواع نقاط کوانتومی به مقالات "معرفی نقاط کوانتومی" و "آشنایی با نقاط کوانتومی"در سایت آموزش نانو مراجعه کنید.

از سایر نانوساختارهای صفر بعدی می‌توان به نانوخوشه (nanocluster) اشاره کرد. نانوخوشه‌ها شامل تعداد کمی (حداکثر ده عدد) اتم هستند. این نانوساختارها می‌توانند از یک عنصر یا چند عنصر مختلف تشکیل ‌شوند و اندازه آن‌ها معمولاً کمتر از 2 نانومتر است. نانوخوشه‌ها معولاً از جنس فلزات بوده و دارای خواص الکترونیکی، اپتیکی و شیمیایی جذاب و منحصربه‌فردی هستند. البته طبق یک تعریف دیگر، نانوخوشه‌ها را یک پل ارتباطی بین اتم‌ها و نانوذرات به‌شمار می‌آورند. از نانوخوشه‌ها در کاربردهای مرتبط با پزشکی و کاربردهای فوتوکاتالیستی استفاده می‌شود. شکل 6 شمایی از ساختار نانوخوشه‌های طلا را نشان می‌دهد.

شکل 6- شمایی از ساختار نانوخوشه‌های طلا.

3- نانوساختارهای یک بعدی
همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفته شد، نانوساختارهای یک بعدی به موادی گفته می‌شود که در آن‌ها یا دو بعد در مقیاس نانومتری بوده و بعد دیگر در مقیاس نانومتری نباشد؛ و یا هر سه بعد در مقیاس نانومتری باشند، به‌طوری‌که یک بعد چندین برابر بزرگ‌تر از بعد دو بعد دیگر باشد. نانوساختارهای یک بعدی بسته به پارامترهایی مانند هندسه سطح مقطع و نسبت ابعادی (نسبت بعد بزرگ به بعد کوچک‌تر) به سه دسته نانومیله (nanorod)، نانوسیم (nanowire) و نانولوله (nanotube) تقسیم می‌شوند. اگر نسبت ابعادی کوچک باشد به آن نانوساختار یک بعدی نانومیله؛ و اگر بزرگ باشد نانوسیم گفته می‌شود. اگر هندسه سطح مقطع به‌شکل کروی و توخالی باشد، نانولوله نامیده می‌شود. شکل 7 تصاویر گرفته شده با میکروسکوپ‌ الکترونی از نانوساختارهای یک بعدی را نشان می‌دهد.

شکل 7 - تصاویر گرفته شده با میکروسکوپ‌ الکترونی از نانوساختارهای یک بعدی: (الف) نانومیله، (ب) نانوسیم و (ج) نانولوله.

سنتز نانومواد یک بعدی بسیار دشوارتر از سنتز نانوساختارهای صفر بعدی است؛ به همین دلیل تولید انبوه آن‌ها با مشکل مواجه بوده و در کاربردهای تجاری به‌خصوص کاربردهایی که در آن‌ها نیاز به حجم بالایی از نانومواد با قیمت پایین وجود دارد، کمتر از نانوساختارهای یک بعدی استفاده می‌شود. با این وجود، به‌دلیل خواص ویژه این نانوساختارها از آن‌ها در تحقیقات و کاربردهای اپتیکی، الکترونیکی و ... استفاده می‌شود. 

یکی از پارامترهای مهم در تعیین نوع و خواص این نانوساختارها، نسبت ابعادی (Aspect-ratio) آن‌ها است. نسبت ابعادی یک شکل هندسی، نسبت اندازه‌های آن در بعدهای مختلف است. به‌عنوان مثال، نسبت ابعادی یک مستطیل، نسبت ضلع طولانی‌تر به ضلع کوتاه‌تر، یا به عبارت دیگر، نسبت طول به عرض آن است. در هنگام سنتز نانوساختارهای یک بعدی تمایل به سنتز نانوساختارهایی با بالاترین نسبت ابعادی وجود دارد. البته تعیین نسبت ابعادی به کاربرد مورد انتظار از نانوساختار یک بعدی هم بستگی دارد. پس از سنتز نانومواد یک بعدی، یا آن‌ها را درون یک ماده (معمولاً حلال) پراکنده کرده، یا روی سطح یک جامد (زیرلایه) به‌طور عمودی قرار می‌دهند. شکل 8 نانوسیم‌های رشد یافته به‌طور عمودی روی سطح یک زیرلایه را نشان می‌دهد. 

نانوساختارهای یک بعدی سنتز شده از حلال دارای نسبت ابعادی کمتری نسبت به نانوساختارهای سنتز شده از روی سطح یک جامد هستند؛ بنابراین می‌توان انتظار داشت که نانوساختارهای یک بعدی پراکنده شده در حلال به شکل نانومیله و نانوساختارهای رشد یافته روی سطح جامد به صورت نانوسیم باشند. نانومیله‌ها قابلیت سنتز انبوه دارند.

شکل 8- نانوسیم‌های رشد یافته به‌طور عمودی روی سطح یک زیرلایه.

مشابه نانوساختارهای صفر بعدی، اگر سطح مقطع نانوسیم‌های نیمه‌هادی، به‌قدری کوچک باشد که اثرات کوانتومی از خود نشان دهد، به آن سیم کوانتومی (quantum dot) گفته می‌شود. با این‌که سیم‌های کوانتومی کاربردهای کمتری نسبت به نقاط کوانتومی دارند، اما سنتز این سیم‌ها بسیار پیچیده بوده و نیاز به شرایط خاص دارد.

نانولوله‌های کربنی (carbon nanotubes)، یکی از نانوساختارهای یک بعدی بسیار معروف و پرکاربرد هستند. این نانوساختارها همانند فولرین یک ساختار جدید از کربن بوده و به دلیل ساختار کریستالوگرافی و خواص منحصر به فرد، در بسیاری از ادوات نانوالکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده به دلیل مساحت سطحی قابل توجه، ساختار توخالی، استحکام مکانیکی بالا، خواص الکتریکی عالی و وجود ساختارهای منحصر به فرد در پیوندهای الکترونی، به طور گسترده در ذخیره‌سازی انرژی، مواد نانوکامپوزیتی و ساخت ادوات نانوالکترونیکی نظیر نانوحسگرها به کار می‌رود. از نظر بلورشناختی، نانولوله‌های کربنی، لوله‌های‌هایی استوانه‌ای شکل از جنس صفحات گرافنی هستند. این مواد می‌توانند با یک جداره (Single-Walled Carbon Nanotube, SWNTs) یا چند جداره از صفحات گرافنی لوله شده (Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs) ساخته شوند. شکل 9 شمایی از نانولوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره را نشان می‌دهد.

شکل 9- شمایی از نانولوله‌های کربنی (الف) تک جداره و (ب) چند جداره.

4- نانوساختارهای دو بعدی
نانوساختارهای دو بعدی به سه دسته لایه نازک (Thin film)، ورق نازک (nano sheet) و نانوصفحه (nano plate) تقسیم‌بندی می‌شوند. لایه نازک‌ها نسبت به دو گروه دیگر مشهورتر بوده و کاربردهای وسیع‌تری دارند. معمولاً لایه نازک‌ها روی زیرلایه‌های مختلف سنتز می‌شوند. شکل 10 شمایی از لایه نازک‌ها همراه با تصویر SEM آن‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 10- شمایی از (الف) لایه نازک‌ها همراه با (ب) تصویر SEM آن‌ها.

لایه‌های نازک به‌دلیل دارا بودن خواص عالی مانند خواص اپتیکی و مقاومت به خوردگی و سایش، در صنایع مختلف مانند ساخت ادوات الکترونیکی و اپتیکی به‌کار می‌روند. مشابه آن‌چه در نانوساختارهای صفر و یک بعدی گفته شد، اگر در لایه‌های نازک نیمه‌هادی ضخامت به حدی کم باشد که اثرات کوانتومی در آن‌ها غالب باشد به آن‌ لایه نازک، چاه کوانتومی (Quantum-well) گفته می‌شود. از عوامل مؤثر در خواص و کاربردهای لایه نازک‌ها می‌توان یکنواختی ضخامت و چسبندگی بالا بین لایه و زیرلایه اشاره کرد. البته، در کاربردهای مرتبط با الکترونیک و اپتیک اهمیت این عوامل دوچندان می‌شود.

نانوصفحه‌ها و نانوورق‌ها مستقل از زیرلایه هستند. شکل 11 شمایی از نانوصفحه و نانوورق‌ را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل 11 هم مشاهده می‌شود، نانوصفحات ضخامت بیشتری نسبت به نانوورق‌ها دارند.

شکل 11- شمایی از (الف) نانوصفحه و (ب) نانوورق.

گرافن (graphene)، ورقه‌ای دوبعدی از اتم‌های کربن در یک قالب شش ضلعی یا لانه زنبوری است که در آن، اتم‌ها با هیبرید sp² به هم متصل شده‌اند. این ماده به دلیل خواص منحصربه فرد خود، در ساخت بسیاری از ادوات ظریف نانوالکترونیکی و نانوفناوری زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مهم‌ترین این کاربردها می‌توان به کاربردهای الکترونیکی، کاربردهای استحکام‌بخشی در کامپوزیت‌ها، کاربردهای الکترواپتیکی، مهندسی پزشکی، دارورسانی هدفمند و ذخیره انرژی اشاره کرد. در یک صفحه گرافنی، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند می‌دهد. گرافن تک لایه، مؤلفه اصلی ساختارهای کربنی به شمار می‌رود، بدین معنی که با روی هم قرار گرفتن صفحات گرافنی، گرافیت، با لوله‌ای شدن آن حول یک محور، نانولوله کربنی و با پیچیده شدن آن به صورت کره، فلورین تشکیل می‌شود. لایه‌های گرافنی متشکل از 3 تا 10 لایه را «گرافن کم لایه» و بین 10 تا 30 لایه را «گرافن چند لایه ضخیم» یا «نانوبلور‌های نازک گرافیتی» می‌نامند. شکل 12 شمایی از تبدیل گرافیت به گرافن را نشان می‌دهد.

شکل 12- شمایی از تبدیل گرافیت به گرافن.

نتیجه‌گیری
هر ماده‌ای در فضا دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع است. اگر حداقل یکی از این سه بعد در یک ماده در مقیاس نانومتری باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. دسته‌بندی نانومواد برمبنای ابعاد آن‌ها یکی از جالب‌ترین تقسیم‌بندی‌ها به‌شمار می‌رود. در این مقاله به معرفی نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی و هم‌چنین نانوساختارهای با ساختار اتمی جدید مثل فولرین، نانولوله‌های کربنی و گرافن پرداخته شد. گفته شد که نانوساختارهای صفر، یک و دو بعدی هم از دیدگاه روش‌های سنتز و تولید و هم از جهت خواص و کاربردها دارای تفاوت‌های چشم‌گیری با یک‌دیگر هستند. تأکید شد که اگر هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری باشد، در دسته نانوساختارهای صفر بعدی قرار می‌گیرد. اگر دو بعد ماده در مقیاس نانومتری باشد نانوساختار یک بعدی؛ و اگر یک بعد در مقیاس نانومتری باشد به آن نانوساختار دو بعدی گفته می‌شود. اشاره شد که نانومواد صفر بعدی که با نام نانوذرات هم شناخته می‌شوند، معروف‌ترین نانوساختارها محسوب می‌شوند. دلیل اصلی کاربرد و شهرت بیشتر نانوساختارهای صفر بعدی (نانوذرات) نسبت به نانوساختارهای یک و دو بعدی، روش سنتز ساده‌تر و هزینه پایین‌تر تولید آن‌ها است. فولرین، نقاط کوانتومی و نانوخوشه‌ها به‌عنوان نانومواد صفر بعدی معروف معرفی شدند. اشاره شد که نانوساختارهای یک بعدی بسته پارامترهایی مانند هندسه سطح مقطع و نسبت ابعادی (نسبت بعد بزرگ به بعد کوچک‌تر) به سه دسته نانومیله، نانوسیم و نانولوله تقسیم می‌شوند. تأکید شد که پس از سنتز نانومواد یک بعدی، یا آن‌ها را درون یک ماده (معمولاً حلال) پراکنده کرده، یا روی سطح یک جامد (زیرلایه) به‌طور عمودی قرار می‌دهند. سیم‌های کوانتومی و نانولوله‌های کربنی به‌عنوان مشهورترین نانوساختارهای یک بعدی معرفی شدند. گفته شد که نانوساختارهای دو بعدی به سه دسته لایه نازک، ورق نازک و نانوصفحه تقسیم‌بندی می‌شوند. چاه‌های کوانتومی و گرافن به‌عنوان نانوساختارهای دو بعدی معروف معرفی شدند. 

پیوست‌ها

پیوست 1

فولرین‌ یکی از آلوتروپ‌های (دگرشکل‌ها) مصنوعی عنصر کربن است که از حرارت‌دهی گرافیت ساخته می‌شود. فولرن بسیار شبیه به توپ فوتبال بوده و به همین دلیل به آن باکی‌بال هم گفته می‌شود. البته فولرن همیشه به صورت کروی نبوده و به شکل‌ها بیضی و استوانه‌ای هم وجود دارد. فولرن‌ها با فرمول‌های شیمیایی C₆₀، C₇₀ و C₇₈ شناخته می‌شوند. از فولرین‌ها در کاربردهای فوتونیک، دارورسانی و ساخت کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود.