v.m 2020
18th June 2013, 04:23 PM
از اهداف مهم فناوري نانو ــ و شايد مهم‌ترين آنها ــ به وجود آوردن ساختارهايي از مواد است که در آنها آرايش مولکول‌ها از پيش طراحي شده باشد. روش‌هاي مرسوم توليد، مثل روش ذوب فلزات و سرد کردن آنها در قالب، چنين امکاني را فراهم نمي‌کنند. پس چگونه مي‌توان چنين ساختارهايي را به وجود آورد؟ اين مقاله مي‌خواهد به همين سؤال پاسخ بگويد.
فرض کنيد تعدادي آجر خانه‌سازي داريد و مي‌خواهيد با آن چيزي ــ بهتر است بگوييم «ساختاري» ــ مانند شکل 1 بسازيد.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/01.jpg
شکل 1چگونه اين کار را انجام مي‌دهيد؟ احتمالاً روش شما هم با ما يکي است: چهار آجر دو در دو را کنار هم مي‌گذاريد و بعد چهار آجر دو در دوي ديگر را به صورت عمودي به آنها متصل مي‌کنيدتا ساختار مورد نظر شکل بگيرد.
بسيار خوب، حالا فرض کنيد که وقتي آجرهاي خانه‌سازي را از فروشگاه مي‌خريد، آنها به شکل يک مکعب بزرگِ پيش‌ساخته مثل شکل دو باشند.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/02.jpg
شکل 2حالا اگر بخواهيم به شکل يک برسيم چه کنيم؟ اجازه دهيد جواب را ما به روش خودمان بدهيم: آجرهاي اضافيِ مکعب بزرگ را حذف کنيد تا شکل يک کم‌کم خودش را نشان بدهد. (مثل شکل 3)
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/03.jpg
شکل 3در روش اول با استفاده از قطعات کوچک يک قطعة بزرگتر ساختيم. به اين روش، «ساختن از پايين به بالا» مي‌گوييم. در روش دوم قطعات زائدِ يک قطعة بزرگ را حذف کرديم تا به ساختار مورد نظر برسيم. به اين روش، «ساختن از بالا به پايين» مي‌گوييم.
حالا فرض کنيد يک ساختار جديد براي ساختن پيشنهاد شود، مثل شکل 4.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/04.jpg
شکل 4سؤال: از کدام روش براي ساختن اين ساختار استفاده کنيم؟ نظر شما چيست؟
اوضاع کمي پيچيده شد، اما غم به خود راه ندهيد! اين مقاله براي ساده کردن همين پيچدگي نوشته شده است. يکي از عوامل تعيين‌کنندة جواب، اين است که ماده‌ي اوليه‌ي ما به چه شکل است؟ اگر مادة دمِ دست ما تعدادي قطعه‌ي کوچک و ريز باشد، از روش پايين به بالا استفاده مي‌کنيم؛ اگر مادة اوليه يک قطعه‌ي بزرگ باشد، از روش بالا به پايين استفاده مي‌کنيم. در عين حال، ممکن است هر دو روش هم به کار رود. مثلاً اگر ماده‌ي اوليه براي ساختن شکل پنج به صورت مکعب بزرگي با آجرهاي دو در چهار، يعني همان شکل دو باشد، نمي‌توان با حذف بعضي آجرها مستقيماً به ساختار نهايي رسيد. در اين حالت، مي‌توانيم آجرهاي بالا و پايين ساختار شکل چهار را برداريم (ساختن از بالا به پايين) و بعد دو آجر دودردوي مورد نياز را به جاي آنها متصل کنيم. ( ساختن از پايين به بالا)
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/05.jpg
شکل 5در صنعت هم از هر دو روش با هم استفاده مي‌شود. به مثال‌هاي زير توجه کنيد:
• يک نجار مي‌خواهد مجسمه‌اي چوبي بسازد. او يک قطعه‌ي بزرگ چوب را برمي‌دارد و با رنده و سوهان آن را مي‌تراشد و پرداخت مي‌کند تا مجسمه ساخته شود. اين کدام روش است؟
• نجار مي‌خواهد يک صندلي بسازد. او پايه‌هاي ميز و قطعات مربوط به تکيه‌گاه صندلي را جداگانه مي‌سازد و بعد آنها را به هم متصل مي‌کند. اين کدام روش است؟
حالا به نانوفناوري فکر کنيد: به نظر شما کدام روش ساختن در نانوفناوري کاربرد دارد؟
تا چند سال پيش، راه دست‌کاري و جابه‌جا کردن تک‌مولکول‌ها و ساختارهاي نانويي يک‌طرفه بود. يعني براي ساختن چيزها در مقياس کوچک، مي‌بايست يک قطعه‌ي بزرگتر را با تراشيدن و خرد کردن يا حل کردن بخش‌هاي اضافي با اسيد و... آن‌قدر کوچک مي‌کرديم تا به قطعه‌ي نهايي برسيم. به عيارت ديگر، روش توليد ساختارهاي کوچک، از نوع بالا به پايين بود.
در چند سال اخير فنوني ابداع شده‌اند که اجازه مي‌دهند مولکول‌ها يا ذرات نانويي را جابه‌جا و آنها را به هم متصل کنيم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانويي با ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يا فنون ساختن نانولوله‌هاي کربني. اين فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پايين به بالا هستند.
فنون گفته‌شده در بالا، براي ساختن محصولاتي که بسيار کوچک‌اند مناسب به نظر مي‌رسند، اما اگر بخواهيم يک ديوار چندسانتي‌متريِ يکدست را به اين روش بسازيم، چند ده سال طول مي‌کشد تا مولکول‌ها را تک‌تک کنار هم بچينيم و ديوار مورد نظر را بسازيم. در عين حال، اگر بخواهيم ديوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگ‌هاي ساختماني، بسازييم، ديوار يکدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ي نانوفناوري چيست؟ (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/12)، ساختار مواد (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/15) و عيوب کريستالي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/23) را ببينيد.) پس چه کار کنيم؟
پيدا کردن فنون توليد مناسب در نانوفناوري موضوعي است که در چند سال اخير به‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوري هم از روش ساختن از بالا به پايين استفاده مي‌شود (به کمک فنوني مانند ليتوگرافي و آسياب کردن ذرات) و هم از روش ساختن از پايين به بالا (به کمک فنوني مانند خودآرايي يا رسوب‌دهي بخار). منتظر مقاله‌هاي بعدي باشگاه نانو در اين موضوع باشيد.
فرض کنيد تعدادي آجر خانه‌سازي داريد و مي‌خواهيد با آن چيزي ــ بهتر است بگوييم «ساختاري» ــ مانند شکل 1 بسازيد.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/01.jpg
شکل 1چگونه اين کار را انجام مي‌دهيد؟ احتمالاً روش شما هم با ما يکي است: چهار آجر دو در دو را کنار هم مي‌گذاريد و بعد چهار آجر دو در دوي ديگر را به صورت عمودي به آنها متصل مي‌کنيدتا ساختار مورد نظر شکل بگيرد.
بسيار خوب، حالا فرض کنيد که وقتي آجرهاي خانه‌سازي را از فروشگاه مي‌خريد، آنها به شکل يک مکعب بزرگِ پيش‌ساخته مثل شکل دو باشند.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/02.jpg
شکل 2حالا اگر بخواهيم به شکل يک برسيم چه کنيم؟ اجازه دهيد جواب را ما به روش خودمان بدهيم: آجرهاي اضافيِ مکعب بزرگ را حذف کنيد تا شکل يک کم‌کم خودش را نشان بدهد. (مثل شکل 3)
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/03.jpg
شکل 3در روش اول با استفاده از قطعات کوچک يک قطعة بزرگتر ساختيم. به اين روش، «ساختن از پايين به بالا» مي‌گوييم. در روش دوم قطعات زائدِ يک قطعة بزرگ را حذف کرديم تا به ساختار مورد نظر برسيم. به اين روش، «ساختن از بالا به پايين» مي‌گوييم.
حالا فرض کنيد يک ساختار جديد براي ساختن پيشنهاد شود، مثل شکل 4.
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/04.jpg
شکل 4سؤال: از کدام روش براي ساختن اين ساختار استفاده کنيم؟ نظر شما چيست؟
اوضاع کمي پيچيده شد، اما غم به خود راه ندهيد! اين مقاله براي ساده کردن همين پيچدگي نوشته شده است. يکي از عوامل تعيين‌کنندة جواب، اين است که ماده‌ي اوليه‌ي ما به چه شکل است؟ اگر مادة دمِ دست ما تعدادي قطعه‌ي کوچک و ريز باشد، از روش پايين به بالا استفاده مي‌کنيم؛ اگر مادة اوليه يک قطعه‌ي بزرگ باشد، از روش بالا به پايين استفاده مي‌کنيم. در عين حال، ممکن است هر دو روش هم به کار رود. مثلاً اگر ماده‌ي اوليه براي ساختن شکل پنج به صورت مکعب بزرگي با آجرهاي دو در چهار، يعني همان شکل دو باشد، نمي‌توان با حذف بعضي آجرها مستقيماً به ساختار نهايي رسيد. در اين حالت، مي‌توانيم آجرهاي بالا و پايين ساختار شکل چهار را برداريم (ساختن از بالا به پايين) و بعد دو آجر دودردوي مورد نياز را به جاي آنها متصل کنيم. ( ساختن از پايين به بالا)
http://www.nanoclub.ir/contents/manufacturing01/05.jpg
شکل 5در صنعت هم از هر دو روش با هم استفاده مي‌شود. به مثال‌هاي زير توجه کنيد:
• يک نجار مي‌خواهد مجسمه‌اي چوبي بسازد. او يک قطعه‌ي بزرگ چوب را برمي‌دارد و با رنده و سوهان آن را مي‌تراشد و پرداخت مي‌کند تا مجسمه ساخته شود. اين کدام روش است؟
• نجار مي‌خواهد يک صندلي بسازد. او پايه‌هاي ميز و قطعات مربوط به تکيه‌گاه صندلي را جداگانه مي‌سازد و بعد آنها را به هم متصل مي‌کند. اين کدام روش است؟
حالا به نانوفناوري فکر کنيد: به نظر شما کدام روش ساختن در نانوفناوري کاربرد دارد؟
تا چند سال پيش، راه دست‌کاري و جابه‌جا کردن تک‌مولکول‌ها و ساختارهاي نانويي يک‌طرفه بود. يعني براي ساختن چيزها در مقياس کوچک، مي‌بايست يک قطعه‌ي بزرگتر را با تراشيدن و خرد کردن يا حل کردن بخش‌هاي اضافي با اسيد و... آن‌قدر کوچک مي‌کرديم تا به قطعه‌ي نهايي برسيم. به عيارت ديگر، روش توليد ساختارهاي کوچک، از نوع بالا به پايين بود.
در چند سال اخير فنوني ابداع شده‌اند که اجازه مي‌دهند مولکول‌ها يا ذرات نانويي را جابه‌جا و آنها را به هم متصل کنيم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانويي با ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يا فنون ساختن نانولوله‌هاي کربني. اين فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پايين به بالا هستند.
فنون گفته‌شده در بالا، براي ساختن محصولاتي که بسيار کوچک‌اند مناسب به نظر مي‌رسند، اما اگر بخواهيم يک ديوار چندسانتي‌متريِ يکدست را به اين روش بسازيم، چند ده سال طول مي‌کشد تا مولکول‌ها را تک‌تک کنار هم بچينيم و ديوار مورد نظر را بسازيم. در عين حال، اگر بخواهيم ديوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگ‌هاي ساختماني، بسازييم، ديوار يکدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ي نانوفناوري چيست؟ (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/12)، ساختار مواد (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/15) و عيوب کريستالي (http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/23) را ببينيد.) پس چه کار کنيم؟
پيدا کردن فنون توليد مناسب در نانوفناوري موضوعي است که در چند سال اخير به‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوري هم از روش ساختن از بالا به پايين استفاده مي‌شود (به کمک فنوني مانند ليتوگرافي و آسياب کردن ذرات) و هم از روش ساختن از پايين به بالا (به کمک فنوني مانند خودآرايي يا رسوب‌دهي بخار). منتظر مقاله‌هاي بعدي باشگاه نانو در اين موضوع باشيد.