روشهاي ساخت در مقیاس نانو: خودآرایی

[*مینا*]

مي‌خواهيم در اين مقاله و چند مقالة آينده، به معرفي روش‌هاي ساخت در مقياس نانو بپردازيم. اولين روشي که برايتان انتخاب کرده‌ايم خودآرايي است: 1. خودآرايي چيست؟
خيلي ساده‌اش مي‌شود همديگر را گرفتن. ما مي‌خواهيم در مورد مجموعه‌اي از اشيا صحبت کنيم که همديگر را مي‌گيرند و با هم يک مجموعة بزرگ‌تر را تشکيل مي‌دهند. تعريف علمي‌تر عبارت است از اينكه خودآرايي يک روش ساخت پايين به بالا است که در آن اتم‌ها يا مولکول‌ها با ارتباطات فيزيکي يا شيميايي خود را به شکل يک ساختار منظم نانويي درمي‌آورند. ايجاد بلور نمک يا دانه‌هاي برف، با آن ساختارهاي پيچيده، مثال خوبي براي خودآرايي است.

تصور کنيد يک پازل دستتان باشد و آن را به‌شدت تکان دهيد و پس از به‌هم‌ريختن پازل ببينيد که پازل خودبه‌خود در حال درست شدن است. مي‌بينيد چه تصور عجيبي است؟! اما چنين مسئله‌اي در طبيعت خيلي عجيب نيست! خيلي از سيستم‌هاي بيولوژيک و سيستم‌هاي فيزيکي غيرآلي، رفتارهاي خودآرايي را به‌خوبي به نمايش مي‌گذارند. دانشمندان مختلف در زمينه‌هاي شيمي، فيزيک، بيولوژي، مهندسي و رياضي جذب چنين سيستم‌هايي شدند و با اميدِ دستيابي به روش‌هاي طراحي و کنترل رفتار سيستم‌هاي خودآرا شروع به تحقيق کردند. با پيشرفت‌هاي اخير در زمينة دانشِ ميکرو و نانو، انگيزه‌ها هم افزايش يافت. از طرف ديگر، روش‌هاي ساخت در مقياس ميکرو و نانو به ما اجازة «پردازش دسته‌اي» را مي‌دهد. يعني ما توانايي ساخت نمونه‌هاي مختلف از يک جسم در آن واحد را خواهيم داشت. سؤالي که مطرح مي‌شود اين است که ما چطور چنين ابزارهايي را طراحي ‌کنيم تا بتوانند طوري خود را بيارايند که يک سازة مفيد و کارا ايجاد شود؟ به عبارت ديگر، روش‌هاي سنتي ساخت دقت محدودي داشتند و ساخت سازه‌هاي کوچک‌تر (در ابعاد نانو) نيازمند توسعة روش‌هاي جديد بودند. خودآرايي يکي از آن روش‌هاي جديد است که در طبيعت بسيار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دانشمندان بسياري در حال حاضر بر روي آن مطالعه مي‌کنند و درک عميق آن ممکن است به درک بهتر طبيعت زندگي نيز منجر شود.
خودآرايي در آشپزخانه (يا هرجاي ديگر خانه)
سيستم‌هاي مختلف و بسيار ساده‌اي وجود دارند که رفتار خودآرايي را به نمايش مي‌گذارند. علاوه بر اينکه بازي با آنها جالب است، اين سيستم‌ها به ما کمک مي‌کنند که خودآرايي را به‌سادگي مورد بررسي قرار دهيم. اين سيستم‌ها را مي‌توان بر اساس نيروهايي که موجب خودآرايي مي‌شوند به چند دسته تقسيم کرد. بياييد به مثال‌هايي که حتي در آشپزخانة منزل هم مي‌توانيد انجامشان دهيد نگاهي بيندازيم:
خودآرايي به وسيلة نيروهاي مويينگي
گروهي از محققان دانشگاه هاروارد، چند سيستم خودآرا را طراحي و بررسي کرده‌اند. بسياري از اين سيستم‌ها بر پاية اتصالات مويين عمل مي‌کنند. اين اتصالات از دو ويژگي مربوط به آب بهره مي‌برند:
1. اشياي کوچک روي آب يکديگر را جذب مي‌کنند. در اين حالت، ذرات نيروي جاذبه‌اي را در بين خود احساس مي‌کنند. منشأ اين نيرو کجاست؟ بله، منشأ اين جاذبه نيرويي است به نام «کشش سطحي» مولکول‌هاي آب. اگر يادتان باشد، يکي از اثرات کشش سطحي آب اين بود که حشرات سبک مي‌توانستند روي آب راه بروند. اين جاذبه‌اي هم که ذکر شد يکي ديگر از اثرات کشش سطحي آب است که به خاطر جاذبة بين مولکول‌هاي آب و جسم و همچنين جاذبة بين خود مولکول‌هاي آب ايجاد مي‌شود.
2. وقتي دو سطحِ آب‌گريز با يکديگر برخورد مي‌کنند، تماس خود را حفظ مي‌نمايند. علت اين پديده با نيروي بين دو سطح آب‌گريز و همچنين اثر کشش سطحي آب مرتبط است.
يک مثال خوب براي اين روش، هات‌‌داگ‌هاي دکتر کمپبل است که در شکل زير نشان داده شده‌اند.

مثال ديگر نيز استفاده از لِگوهاي شناور بر روي آب است که در شکل زير مي‌بينيد.

خودآرايي به وسيلة نيروي الکترواستاتيک (الکتريسيتة ساکن)
آرايش توسط نيروهايي مويين، مرتبط با اثر متقابل بين ذرات و همچنين نيروي بين ذرات و محيط آنهاست. ذرات داراي خصوصيات سطحي ــ آب‌گريزي و آب‌دوستي ــ هستند و محيط آنها آب است و اگر محيط آنها را به روغن يا الکل تغيير دهيم آرايش متوقف مي‌شود. سؤالي که با بررسي نيروهاي مويين مطرح مي‌شود اين است که آيا انواع ديگري از اثر متقابل ذرات ـ ذرات و ذرات ـ محيط وجود دارند که منجر به خودآرايي شوند يا خير؟
يک جايگزين طبيعي، استفاده از نيروهاي الکترواستاتيک براي تحريک به خودآرايي است. تقريباً همة ما با آزمايش شانه و خُرده‌کاغذ آشناييم و تشکيل زنجيره‌هايي کاغذي را در زير شانه ديده‌ايم. يک مثال ديگر، استفاده از دانه‌هاي برنج و روغن نباتي در ميدان الکتريکي است.

اين فرايند در پويانمايي بالا نشان داده شده است. در اين پويانمايي، مرزهاي بالا و پايينْ الکترود هستند. يك اختلاف ولتاژ بين دو الکترود برقرار مي‌شود و ذرات با حرکت بين صفحات با انتقال بارشان شروع به خودآرايي مي‌کنند و سازة زنجيره‌مانندي را ايجاد مي‌نمايند.
در تصاوير زير نيز که به وسيلة ذرات مقوايي و روغن نباتي و با ولتاژ 15 کيلو ولت انجام شده است، ابتدا و انتهاي آزمايش را مشاهده مي‌کنيد.

خودآرايي به وسيلة نيروهاي مغناطيسي
يکي از سيستم‌هاي جالب و مورد توجه، خودآرايي به وسيلة مغناطيس است. در ساده‌ترين تصور، سيستم چيزي جز مجموعه‌اي از آهنرباهاي دايره‌اي نيست. آهنرباها به طور تصادفي درون يک ظرف قرار دارند. در اينجا يک تکان ساده کافي است تا آهنرباها به يکديگر بچسبند و سيستم منظم‌تري را به وجود آورند.

منظورمان از سيستم منظم‌تر چيست؟ در پويانمايي بالا نظم يافتن مشخص است. آهنرباها به طور تصادفي پخش شده بودند و در اثر تکان دادن، سازه‌اي زنجيره‌اي را تشکيل دادند. بايد توجه کنيم که پس از تکميل اين خودآرايي، بي‌نظمي همچنان در سيستم وجود دارد؛ به اين معنا که اولاً اگر آهنرباها را شماره‌گذاري کنيم خواهيم ديد که سيستم نهايي ترتيب يکساني از اعداد نخواهد داشت و دوم اينكه اگر بدنة هر آهنربا را با نوارهاي رنگي رنگ کنيم، خواهيم ديد که سيستم نهايي از لحاظ رنگ‌آميزي متفاوت خواهد بود.

جمع‌بندي و چند سؤال
در اينجا با اصول چند روش مختلف خودآرايي ــ به عنوان يک روش ساخت پايين به بالا ــ آشنا شديم. همان‌طور که ديديد، اين روش تنها در مقياس نانو کاربرد ندارد و در مقياس‌هاي بزرگي مثل هات‌داگ يا آهنرباهاي دايره‌اي هم به کار مي‌رود!
منتظر مقالة بعدي ما که در مورد يکي ديگر از روش‌هاي ساخت پايين به بالاست، باشيد. در اين مدت بكوشيد جواب سؤال‌هاي زير را پيدا کنيد:

• چرا روش خودآرايي در مقياس نانو بيشترين کاربرد را يافته است (با اينکه در مقياس‌هاي بزرگ‌تر هم مي‌توان از آن استفاده کرد)؟
• همان‌طور که مي‌دانيد (يا به زودي خواهيد دانست!) پديده‌هاي فيزيکي يا شيميايي در جهت بي‌نظمي بيشتر يا رسيدن به سطح انرژي پايين‌تر (پايداري بيشتر) به طور خودبه‌خودي انجام مي‌شوند. آيا خودآرايي يک پديدة خودبه‌خودي است؟
• روش‌هاي مختلف خودآرايي که در بالا ذکر شدند، از لحاظ بي‌نظمي و سطح انرژي در چه جهتي حرکت مي‌کنند؟

منبع : نانو کلوپ