نیاز اقتصادی و رو به افزایش سوخت در عرصه های مختلف، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک وزن مانند پلیمرها را افزایش داده است. اما از طرفی با توجه به پایین تر بودن میزان استحکام پلیمرها در مقایسه با فلزات، تقویت آن ها ضروری به نظر می رسد. تقویت پلیمرها با مواد رایج سبب لطمه خوردن به دو ویژگی اصلی پلیمرها یعنی سبکی و سهولت فرآیند پذیری می شود. از این رو در تحقیقات اخیر از مقادیر کمی (کمتر از 10% وزنی) نانوذرات به عنوان تقویت کننده در پلیمرها استفاده می شود.

نایلون 6 اولین پلیمری بود که توسط شرکت تویوتا در سال 1990 برای تهیه نانوکامپوزیت ها به کار گرفته شد، اما امروزه از پلیمرهای ترموست نظیر اپوکسی ، پلی ایمید و پلیمرهای ترموپلاست نظیر پلی پروپیلن ، پلی استایرن عنوان ماده ی زمینه این کامپوزیت ها استفاده می گردد.

فاز تقویت کننده که در نانوکامپوزیت ها استفاده می شود شامل نانوذرات، نانوصفحات ، نانوالیاف و همچنین نانولوله ها می باشد. نانوذرات بیشترین کاربرد را به عنوان ماده تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها دارند. نانوذره ای که در تهیه اغلب نانوکامپوزیت ها استفاده می شود خاک رس (Nanoclay) است. اما اخیرا ً نانوذرات دیگری همچون سیلیکا، نانوذرات فلزی و ذرات آلی و غیرآلی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

به طور کلی سه روش برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری وجود دارد. این روش ها شامل مخلوط سازی مستقیم ، فرآوری محلول  و پلیمریزاسیون درجا  می باشد. در ادامه این روش ها شرح داده خواهد شد.

الف- مخلوط سازی مستقیم

در این روش ابتدا نانوذرات تهیه شده به صورت سوسپانسیون در یک حلال حل شده و سپس به محلول پلیمری اضافه می شود و مخلوط حاصله توسط یک پرس هیدرولیک در یک قالب اکسترود می شود و در نهایت صفحات نازک به دست می آیند. در این روش انتخاب بستر پلیمری، انتخاب نوع ذارت و سازگاری این دو گونه با یکدیگر و نحوه ی توزیع ذرات از نکات حائز اهمیتی است که بایستی بر آن فائق آییم.

معمولا ً برای تولید نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری حاوی نانوالیاف کربنی از این روش استفاده می شود. محدودیت این روش میزان فاز تقویت کننده یا همان مواد پرکننده است. به عنوان مثال برای تولید نانوکامپوزیت سیلیکا/پلی پروپیلن حداکثر میزان نانوذرات سیلیکا 20 درصد وزنی می تواند باشد. البته به نظر می رسد آگلومره شدن (به هم چسبیدن) ذرات نیز از دیگر محدودیت های این روش باشد.

ب- فرآوری محلول 

با استفاده از این روش می توان بر بعضی از محدودیت های روش مخلوط سازی مستقیم غلبه کرد، ضمن آنکه می توان میزان آگلومراسیون و کلوخه ای شدن نانوذرات در ماده پلیمری را کاهش داد. در این روش به دو صورت می توان نانوکامپوزیت های پلیمری را تولید کرد. اگر مادهء زمینه پلیمری و نانوذرات تقویت کنندهء آن در یکدیگر قابل حل شدن باشند، محلول حاصل را می توان در یک قالب؛ ریخته گری کرده و نانوکامپوزیت تولید نمود. در غیر این صورت مخلوط مواد نانوکامپوزیت در یک حلال حل شده و در نهایت با تبخیر حلال، نانوکامپوزیت مورد نظر به دست می آید.

ج- پلیمریزاسیون درجا

در این روش پلیمریزاسیون بستر پلیمری در حضور نانوذرات انجام می شود و منومر در حین رشد، ذرات پر کننده را در بر می گیرد. نکتهء کلیدی در این روش نحوهء توزیع ذرات نانو در منومر است. با کنترل پیوند بین ذرات نانو و ماده زمینه، می توان توزیع مورد نظر را به دست آورد. بسیاری از نانوکامپوزیت های زمینه پلیمری را می توان با این روش تولید کرد.

به طور مثال نانوکامپوزیت های حاوی نانولایه های گرافیت که دارای هدایت الکتریکی بالا و نفوذ پذیری کمی هستند، از این روش تولید می شوند. برای تولید این نانوکامپوزیت ها ابتدا با امواج مافوق صوت  لایه های گرافیت در منومر به صورت یکنواخت توزیع می شوند و در نهایت با پلیمریزاسیون درجا نانوکامپوزیت به دست می آید.

نکته ای که در روش های تولید نانوکامپوزیت های پلیمری اهمیت دارد و آن را از یکدیگر متمایز می کند، توزیع مناسب مادهء پر کننده است. با اصلاح سطحی  می توان این توزیع را به شکل یکنواخت به گونه ای انجام داد که از آگلومراسیون اجزای نانومتری مادهء پرکننده جلوگیری شود و توزیع مناسب فاز تقویت کننده فراهم گردد. در واقع نکته مهم در تمام این فرآیندها، اصلاح فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می باشد. استفاده از فرایندهای سطحی سبب توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در بستر پلیمری شده، افزایش مدول و استحکام نانوکامپوزیت را به دنبال خواهد داشت.

اولین روش تولید نانولوله‌ی کربنی، فرایند قوسی است که در سال 1991 توسط ایجیما(Iijima)  در ژاپن پایه‌گذاری شد. با فاصله زمانی کمی این روش با فن سایش لیزری در دانشگاه رایس(Rices)  توسعه یافت. در پنج سال اخیر روش رسوب گذاری شیمیایی (CVD)، روش متداول در رشد نانولوله‌ها شده است. شکل فرایند و رشد ایده‌آل، بستگی به کاربرد نانولوله‌ها دارد. برای کاربردهای کامپوزیتی و کاربردهای سازه‌ای، احتیاج به روشی است که بتواند در روز چندین تن تولید داشته باشد. بر خلاف این مورد در کاربردهای نانوالکترونیک، تشعشع میدانی، نمایشگرها و حسگرها نیاز به رشد کنترل شده (ضخامت معین) نمونه‌ها می‌باشد. روش‌های سنتز نانولوله‌های کربنی متنوع بوده و از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)

2.  سایش لیزری ( Laser ablation)

3. رسوب شیمیایی فاز بخار

4. روش الکترولیز

5. استفاده از انرژی خورشیدی (Solar Production)

در این میان، سه روش اول از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و بیشتر از بقیه روش‌ها، برای تولید نانولوله‌های کربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به شرح روش تخلیه قوس الکتریکی پرداخته می‌شود و در سایر بخش‌ها روش‌های دیگر بررسی خواهد شد.

1. روش تخلیه قوس الکتریکی

این روش نخستین بار توسط ایجیما در سال 1993 برای تولید نانولوله‌های تک دیواره به کار گرفته شد. در سال 1997، ژُرنت (journet) و همکارانش با بهینه‌سازی پارامترهای فرایند، توانستند نانولوله‌های تک دیواره با خلوص و راندمان بالا به دست آورند.

در این روش، از دو میله گرافیتی به عنوان الکترود (کاتد و آند) استفاده می‌شود. در امتداد محور آند حفره‌ای ایجاد شده و با مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیست پُر می‌گردد. کاتد و آند مطابق شکل 2، به صورت افقی درون یک رآکتور نصب می‌شوند. پس از برقراری خلأ مناسب و با ورود گاز هلیوم، یک جریان DC بین 50 تا 100 آمپر از میان دو الکترود گرافیتی عبور می‌کند و قوس الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می‌گردد. گرمای زیاد حاصل از قوس الکتریکی، آند گرافیتی تو خالی را تبخیر و یونیزه می‌کند. کاتیون‌های کربن اتمی تولید شده، به طرف کاتد حرکت کرده و با گرفتن الکترون بر روی سطح کاتد شروع به رشد می‌کنند. علی‌رغم سهولت این روش در تولید نانولوله‌های کربنی، مقدار کربن آمورف تولید شده در این روش زیاد بوده و فرایند پیوسته نیست. همچنین اندازه الکترودها و رآکتور، راندمان واکنش را محدود می‌سازند.

محصول روش قوس الکتریکی، معمولاً محتوی نانولوله‌های چنددیواره می‌باشد که به شرایط آزمایش مانند جریان قوس الکتریکی، فشار و نوع گاز بستگی دارد. در سال 2000، هویمینگ( Huiming) و همکارانش روشی را ارائه دادند که طی آن توانستند نانولوله کربنی تک‌دیواره با خلوص بالاتر به دست آورند. در این روش، از پودر گرافیت و کاتالیست‌های فلزی آهن، کبالت، نیکل، ایتریم و نیز گوگرد استفاده شد. نقش گوگرد در اینجا بهبود شرایط رشد نانولوله‌های کربنی است. در این روش، شکل رآکتور باید استوانه‌ای باشد و الکترودها نیز نباید بر هم عمود باشند بلکه باید زاویه‌ای بین 30 الی 80 درجه داشته باشند. تغییر این زاویه می‌تواند بر کیفیت و مورفولوژی محصول تأثیر داشته باشد (شکل 3). طی آزمایشات انجام شده مشخص شده است که محصول تولیدی قابلیت خوبی برای جذب و ذخیره‌سازی هیدروژن دارد.

در روش قوس الکتریکی، فشار گاز، عامل مهمی در میزان راندمان است، به نحوی که بهترین راندمان تولید نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در فشارهای بالا (بیش از 500torr) به دست آمده است. البته این راندمان به ولتاژ مورد استفاده نیز بستگی دارد.

برای تولید نانولوله‌های کربنی توسط روش تخلیه قوس الکتریکی، از عناصر فلزی مختلفی مثل گادولینیم، کبالت-پلاتین، کبالت-روتنیم، کبالت، نیکل-ایتریم، رودیم-پلاتین، کبالت-نیکل-آهن-سریم( Gd, Co-Pt, Co-Ru, Co, Ni-Y, Rh-Pt, Co-Ni-Fe-Ce ) به عنوان کاتالیست استفاده شده است. البته در آزمایشات مشخص شده که کاتالیست نیکل- ایتریم برای تولید نانولوله‌های تک‌دیواره، راندمان تولید را تا 90% افزایش می‌دهد.

این روش نیاز به الکترودهای گرافیتی با خلوص بالا و ذرات فلزی و گازهای هلیوم، آرگون، یا هیدروژن با خلوص بالا دارد. به علاوه، محصول تولید شده توسط این روش، نیاز به عملیات خالص‌سازی نیز دارد. بنابراین، این روش، روش گرانی است.

روش سایش لیزری

در سال 1996، گروه اسمایلی  از دانشگاه رایس، سنتز نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره با بازدهی بیش از 70% را به وسیله روش تبخیر لیزری میله‌های گرافیتی با مقدار کم نیکل و کبالت (به عنوان کاتالیست) در 1200 درجه سانتی گراد گزارش دادند.

دستگاه مورد استفاده توسط گروه اسمایلی در شکل 2 نشان داده شده است. در این دستگاه یک پرتو لیزر ضربانی  یا پیوسته ، به نمونه گرافیتی که شامل نیم درصد اتمی نیکل و کبالت به عنوان کاتالیزور است، تابیده می‌شود تا آن را تبخیر کرده و سبب جدا شدن خوشه‌های کربنی از آن گردد. تفاوت اصلی لیزر ضربانی و پیوسته این است که لیزر ضربانی شدت نور بسیار بالاتری دارد (kw/cm2 100 در مقایسه با kw/cm2 12). کوره با گازهای بی‌اثر نظیر هلیم یا آرگون پُر شده و فشار آن نیز روی Torr 500 نگه داشته شده است.  جریان آرگون یا هلیم در رآکتور که به وسیله کوره تا 1200 درجه سانتیگراد گرم شده است، بخار را حمل کرده و هسته‌های نانولوله کربنی را ایجاد می‌کند که به رشد خود ادامه می‌دهند. نانولوله‌ها بر روی دیواره‌های سردتر لوله‌ کوارتز، در پایین کوره، رسوب می‌کنند. در این فرایند درصد بالایی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (حدود 70 درصد) تولید شده و بقیه ذرات، کاتالیست و دوده می‌باشند. هم‌چنین هنگام سرد شدن بخارات، مولکول‌ها و اتم‌های کوچک کربن ممکن است با یکدیگر متراکم شده و تبدیل به خوشه‌های بزرگتری شوند، بنابراین ممکن است ترکیبات

فولرن‌ها نیز مشاهده گردد. این اتفاق بیشتر زمانی می‌افتد که نمونه گرافیتی فاقد کاتالیست باشد، چرا که کاتالیست به خوشه‌های کربنی متصل شده و مانع از بسته شدن ساختارهای قفسی می‌گردد.

مشابه فرایند قوس الکتریکی، الکترود گرافیتی خالص منجر به سنتز نانولوله‌های چنددیواره می‌گردد، اما برای سنتز نانولوله‌های تک دیواره بایستی گرافیت با فلزاتی نظیر Co، Ni، Fe و Y مخلوط گردد. نانولوله‌های تولید شده به روش سایش لیزری نسبت به روش قوس الکتریکی خالص می‌باشند (با درجه خلوص بالای 90%). مخلوط کاتالیستی Ni/Y (Ni/Y به نسبت 4.2 به 1) بهترین بازده را می‌دهد.

تحقیقات اخیر نشان داده که لیزر با پالس‌های بسیار سریع می‌تواند برای تولید مقادیر زیاد نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره، به کار رود. البته به طور کلی روش سایش لیزری از لحاظ اقتصادی، روش مقرون به صرفه‌ای نیست، چرا که این عملیات نیازمند میله‌های گرافیتی با خلوص بالا و لیزر با توان بالاست. هم‌چنین سرعت تولید این روش نسبت به روش‌های دیگر، کمتر است.

روش رسوب شیمیایی فاز بخار (CVD)

1. رسوب شیمیایی فاز بخار  (CVD)

روش رسوب‌ شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوب‌گذاری ماده‌ی شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آنقدر گرم می‌شود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد بر روی سطح، معمولاً تحت خلأ رسوب‌گذاری می‌گردد. ممکن است رسوب‌گذاری مستقیم یا رسوب‌گذاری از طریق واکنش شیمیایی، محصول تازه‌ای را به وجود آورد که با ماده‌ی تبخیر شده تفاوت زیادی داشته باشد. این فرآیند به آسانی نانوپودرهایی از اکسیدها و کاربیدهای فلزات را پدید می‌آورد، مشروط بر اینکه بخارات کربن یا اکسیژن همراه با فلز در محیط وجود داشته باشد.

رسوب‌گذاری شیمیایی فاز بخار را، همچنین می‌توان برای رشد سطوح مورد استفاده قرار داد. جسمی که قرار است پوشش داده شود در مجاورت با بخار شیمیایی قرار داده می‌شود. نخستین لایه از مولکول‌ها یا اتم‌ها ممکن است با سطح واکنش دهد یا واکنش ندهد. در هر صورت، این گونه‌های در حال رسوب‌گذاری که برای اولین بار تشکیل شده‌اند، به عنوان بستری که ماده بر روی آن می‌تواند رشد کند، عمل می‌کنند. ساختارهای پدید آمده از این مواد، اغلب در یک ردیف در کنار هم به خط می‌شوند، زیرا مسیری که اتم‌ها و مولکول‌ها در طی آن رسوب‌گذاری گردیده‌اند، تحت تأثیر مولکول‌ها یا اتم‌های همسایه‌ی آن‌ها قرار می‌گیرد. اگر بستر یا سطح پایه‌ی میزبان که رسوب‌گذاری بر روی آن انجام شده است، فوق‌العاده مسطح باشد، رشد سطحی به بهترین وجه انجام می‌شود. در حین رسوب‌گذاری، مکانی برای بلوری شدن در امتداد محور رسوب‌گذاری ممکن است تشکیل شود، به طوری که ساختار منظم شده و به خط شده به شکل عمودی رشد می‌کند. این موضوع به صورت طرحی در شکل (1- الف) نشان داده شده است و با یک ساختار واقعی تشکیل شده از نانولوله‌های کربنی در شکل (1- ب) مقایسه شده است. از شکل های (1- الف و ب) می‌توان دید که خواص سطح در طول محور Z نسبت به صفحه X و Y بسیار متفاوت خواهد بود. این باعث می‌شود که ویژگی‌های سطح، منحصر به فرد و بی نظیر باشد.

2. تولید نانولوله‌های کربنی به روش CVD

روش CVD از دیگر روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی است که برای تولید انبوه (در حد چند کیلوگرم) به کار می‌رود. این روش شامل رشد کاتالیزوری عنصر کربن در دمای بالاست. در این فرآیند از نانوذرات فلزی که به عنوان کاتالیست عمل می‌کنند، استفاده می‌شود.

منبع تأمین کربن ترکیباتی مانند مونوکسید کربن، هیدروکربن‌های آروماتیک مانند بنزن، تولوئن، زایلن، نفتالن، یا مخلوطی از آن‌ها و نیز هیدروکربن‌های غیرآروماتیک مانند متان، اتان، پروپان، اتیلن، پروپیلن، استیلن یا مخلوطی از آن‌ها و همچنین هیدروکربن‌های اکسیژن‌دار از قبیل فرمالدئید، استالدئید، متانول، اتانول یا مخلوطی از آن‌هاست. کاتالیزورهای مورد استفاده متفاوت بوده اما حداقل حاوی یک فلز از گروه VIII جدول تناوبی عناصر نظیر پالادیم، رودیم، روتنیم، نیکل، کبالت، پلاتین و حداقل حاوی یک فلز از گروه VIb جدول تناوبی نظیر مولیبدن، تنگستن و کروم هستند.

دستگاه تولید نانولوله‌های کربنی به روش رسوب شیمیایی بخار در شکل 2 نشان داده شده است. مطابق شکل، مخلوطی از گازهای هیدروکربنی و گاز آرگون (برای محافظت از آلودگی) وارد کوره‌ای شده و در آنجا پس از انجام واکنش‌های شیمیایی، نانولوله‌های کربنی روی ماده‌ی زیرلایه رسوب می‌کنند. مواد فلزی کاتالیزوری روی ماده‌ی زیرلایه قرار دارند.

3. مراحل تولید

تولید نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره به روش رسوب‌دهی شیمیایی فاز بخار شامل دو مرحله‌ی اساسی:

1)تولید کاتالیست و 2)انجام فرایند تولید است. در ابتدا فلز کاتالیست را درون یک ماده‌ی زمینه توزیع می‌کنند. پس از تولید کاتالیست در مرحله دوم از روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار استفاده می‌شود. معمولاً کاتالیزور تهیه شده و مجموعه در داخل یک کوره‌ی استوانه ای مطابق شکل 2 قرار داده می‌شود. سپس همراه با عبور گاز بی‌اثر، دمای کوره تا حد موردنظر افزایش داده می‌شود. در ادامه، با قطع جریان گاز بی‌اثر، گاز هیدروژن با جریان مشخص و برای مدت زمان دلخواه در راکتور جریان یافته و سنتز نانولوله‌های کربنی بر روی کاتالیست صورت می‌گیرد. پس از گذشت زمان مورد نیاز، جریان گاز هیدروکربن قطع و جریان گاز بی‌اثر مجدداً برقرار می‌گردد و کوره تا دمای اتاق سرد می‌شود.

انجام این فرآیند معمولاً به تولید همزمان نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و چنددیواره منتهی می‌گردد. در سال‌های اخیر، با اصلاح شرایط فرآیند، تولید نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره حتی با خلوص بالاتر از 90% امکان‌پذیر شده است.

منابع:

1. A. M. Cassell, J. A. Raymakers, J. Kong, H. Dai, Phys. Chem: B 103 (1999) 92.

2. G. Ortega, G. Rueda, J. Ortiz, “Catalytic CVD production of carbon nanotubes using ethanol”, Microelectronics 36 (2005) 1.

3. S. Chiasi, Y. Murakami, Y. Miyauchi, S. Murayama, “Cold wall CVD generation of single-walled carbon nanotubes and in situ raman scattering measurements of the growth stage”, Chem. Phys. Lett. 386 (2004) 89.

4. V. Ivanov, J. B. Nagy, P. H. Lambin, A. Lucas, X. B. Zhang, X. F. Zhang, D. Bemaerts, G. Van Tendeloo, S. Amelinckx, J. Van Landuyt, “The study of carbon nanotubes produced by catalytic method”, Chem. Phys. Lett. 223 (1994) 329.

میکروسکوپ الکترونی عبوری از جمله میکروسکوپ‌های الکترونی است که در آن از پرتو الکترونی متمرکز شده برای به دست آوردن تصاویر استفاده می‌شود. در این میکروسکوپ، یک پرتو الکترونی مثل نور از درون نمونه عبور کرده و متأثر از ساختار درونی نمونه می‌شود. در واقع؛ هنگامی که الکترون‌ها در میکروسکوپ الکترونی عبوری از درون نمونه عبور می‌کنند، انرژی خود را از دست می‌دهند و از طرف دیگر نمونه خارج می‌شوند. الکترون‌های خروجی دارای توزیع خاصی از انرژی هستند که مختص عنصر یا عناصر تشکیل دهنده‌ی نمونه است.

پرتو الکترونی عبور کرده از نمونه، ‌روی یک صفحه‌ی فسفری متمرکز و سپس نمایش داده شده و یا برای پردازش کامپیوتری به یک کامپیوتر فرستاده می‌شود. نمونه‌ای از تصاویر (TEM( Transmission Electron Microscopy حاصل از نانوسیم‌ها در شکل (1-1) نشان داده شده است.

شکل (1-1). نمونه‌ای از تصاویر TEM نوعی نانوسیم

اجزای اصلی یک دستگاه TEM، عبارتند از:

تفنگ الکترونی، عدسی جمع کننده، هم‌ردیف کننده‌ی پرتوهای الکترونی، نگهدارنده نمونه، عدسی شیئی، عدسی تصویری، سیستم‌های حذف کننده آلودگی، صفحه فلورسنت و دوربین عکاسی. کل سیستم در یک خلأ حداقل torr ^4-10قرار دارد تا مسیرآزاد طولانی برای الکترون‌ها موجود باشد (شکل 1-2).

شکل (1-2). نمونه‌ای از دستگاه TEM

1-2. آماده سازی نمونه

در روش بررسی ساختار با میکروسکوپ الکترونی عبوری، مناسب‌ترین نوع نمونه،‌ نمونه‌ای خیلی نازک است که الکترون قادر به عبور از آن باشد. در این راستا قدرت عبور الکترون از نمونه به ولتاژ شتاب دهنده‌ی پرتوهای الکترونی و نیز چگالی و عدد اتمی نمونه نیز بستگی دارد.

به طور کلی آماده‌سازی نمونه‌های TEM مشتمل بر دو مرحله آماده سازی اولیه و نازک نمودن نهایی می‌باشد. برای نازک نمودن نمونه‌های TEM از روش‌های مختلفی همچون بمباران یونی نمونه و یا غوطه‌ور سازی در یک محلول خورنده استفاده می‌شود. پس از عملیات آماده‌سازی، معمولاً نمونه‌ها روی یک توری فلزی کوچک با قطر mm 3 نگهداری شده و درون میکروسکوپ قرار داده می‌شود. 

2. میکروسکوپ الکترونی روبشی  (SEM)

2-1. مقدمه

این میکروسکوپ، یکی از روش‌های تولید تصاویر به وسیله‌ی روبش یک پرتو الکترونی روی سطح نمونه است. توسط این روش تصاویر سه بعدی از ساختار نمونه به دست می‌آید. در شکل (2-1) نمونه‌ای از دستگاه SEM را مشاهده می‌نمایید.

شکل (1-2). نمونه‌ای از دستگاه SEM

در SEM نمونه با پرتو الکترونی باریکی به قطر 100 آنگستروم بمباران می‌شود. در اثر برخورد پرتوهای الکترونی به نمونه، الکترون‌های ماده برانگیخته می‌شوند و در هنگام بازگشت به مدار اصلی خود به شکل پرتو الکترونی از سطح نمونه منتشر شده و توسط یک آشکارساز جمع‌آوری و آنالیز می‌شوند. این پرتوهای برگشتی از نمونه،‌ برای مشخصه‌یابی خواص مختلفی از ماده از قبیل: ‌ترکیب شیمیایی، پستی و بلندی سطح، کریستالوگرافی، خواص الکتریکی و مغناطیسی و... به کار می‌روند.

ستون حرکت الکترون‌ها و نیز محفظه نگهدارنده‌ی نمونه در SEM همیشه باید در خلأ باشد زیرا اگر نمونه در محیط پر از گاز قرار گیرد، به دلیل ناپایداری بالای پرتو، امکان تولید یا القای پرتو الکترونی وجود ندارد. آتش‌گیری گازها و امکان یونیزه شدن الکترون‌ها در محیط گاز، تخلیه بار را احتمالی کرده، منجر به ناپایداری پرتوها می‌شود.

درخشندگی و وضوح هر نقطه از تصویر SEM، بستگی به شدت (تعداد) الکترون‌های بازگشتی از سطح نمونه دارد، که آن نیز شدیداً وابسته به کیفیت موضعی سطح است. و بدین ترتیب، می‌توان معیاری از پستی و بلندی سطح به دست آورد. در تصاویر به دست آمده، نقاط روشن نشان دهنده‌ی سطح برجسته و نقاط تیره‌تر تصویر، نشان دهنده‌ی سوراخ‌ها و فرورفتگی‌های سطحی است.

2-2. آماده سازی نمونه

برای تصویربرداری از سطح نمونه‌ها به روش SEM، بهتر است که سطح نمونه رسانا باشد؛ زیرا اگر نمونه عایق باشد، سطح باردار شده و مسیر حرکت الکترون‌های برگشتی را تغییر خواهد داد و بنابراین، تصویر واضحی از سطح نمونه به دست نخواهد آمد.

برای سطوح نارسانا مثل سطوح غیرفلزی، یک لایه‌ی نازک طلا یا گرافیت روی سطح رسوب داده شده و بدین طریق، سطح رسانا می‌شود. همچنین نمونه‌های ریز (نظیر پودرها) باید روی یک فیلم هادی نظیر آلومینیوم، پخش شده و کاملاً خشک شوند. علاوه بر این، نمونه‌ها بایستی عاری از مایعاتی با فشار بخار بالا نظیر آب، محلول‌های پاک کننده آلی و فیلم‌های روغنی باقی‌مانده باشند.

3. مقایسه بین TEM  و SEM

مقایسه بین روش‌های TEM و SEM نشان می‌دهد که تمرکز پرتو الکترونی در SEM بیشتر از TEM است. بنابراین، امکان دست‌یابی به تصاویر سه بعدی سطوح با کیفیت بالا در SEM میسر است. ولی TEM عمدتاً کنتراست یا تباین خوبی از نمونه‌های نازک ارائه می‌دهد. نکته قابل توجه دیگر، دقت حاصله در این دو فرایند است. در این راستا، قدرت تفکیک به دست آمده در TEM بیشتر از SEM است. دقت SEM حداکثر 10 نانومتر است. بنابراین، برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد شکل و اندازه ذرات با اندازه کوچک‌تر از 10 نانومتر، TEM روش مناسب‌تری است.

مشخصه‌یابی مواد نانو؛ میکروسکوپ‌های پروپی روبشی

1. میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)

¹AFM نوع دوم میکروسکوپ‌های پروپی روبشی است که سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز² روبش می‌کند. AFM بر پایه‌ی‌ نیروی الکترونی بین نوک پروپ میکروسکوپ و نمونه است. نیروی برهم‌کنش بین نوک پروپ و سطح نمونه، به فاصله‌ی نمونه از نوک پروپ بستگی دارد. برای مثال، وقتی نمونه به نوک پروپ بسیار نزدیک باشد، نیروی دافعه‌ی واندروالس، و هرگاه سطح نمونه از نوک پروپ دور باشد، نیروی جاذبه‌ی واندروالس نقش مهمی را بازی می‌کنند.

اساس کار AFM به این صورت است که نوک پروپ این میکروسکوپ به یک تیرک (کانتی‌لیور³ ) متصل است (مانند شکل1) که تغییر در نیروی اتمی آن را خم می‌کند. این سوزن از جنس سیلیکون یا نیترید سیلیکون بوده و ابعادی در محدوده نانومتر دارد. در واقع، نیروی وارد شده به سوزن، تیرک را خم کرده و بدین طریق می‌توان میزان نیروی وارد شده به سوزن را با توجه به قانون هوک به دست آورد. برای اندازه‌گیری میزان جابجایی تیرک در این میکروسکوپ‌ها از پرتو لیزر استفاده می‌شود.

2. روش‌های تصویربرداری از طریق AFM

برای تصویربرداری از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی، معمولاً از دو روش استفاده می‌شود:

2-1) روش تماسی (استاتیک یا AFM-DC)

در روش تماسی، نوک پروپ به نمونه تماس پیدا می‌کند و نیروی دافعه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب در این روش است. در این روش، نیروی اعمالی به نوک پروپ ثابت است. با استفاده از دنبال کردن انحرافات به وجود آمده در تیرک در اثر حرکت سوزن میکروسکوپ روی سطح نمونه، ‌می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

2-2) روش غیرتماسی (دینامیک یا AFM-AC)

در روش غیرتماسی، تیرک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی خود لرزش می‌کند و نوک پروپ بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتم‌های سطح نمونه و نوک پروپ، نیروی غالب است. تغییرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را می‌توان از تغییرات در دوره‌ی تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد. با کاهش فاصله‌ی نوک پروپ با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو می‌شود، دامنه‌ی نوسان تیرک کاهش می‌یابد. با استفاده از دنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک می‌توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

3. کاربردهای AFM

3-1) به دست آوردن تصاویر توپوگرافی و فاز

این تصاویر در واقع نقشه‌ای از تغییرات خواص مکانیکی و فیزیکی سطح نمونه است. تصاویر توپوگرافی مستقیماً اندازه‌گیری‌های سه بعدی از ساختار سطح را ممکن می‌سازند و بزرگ‌نمایی قابل دسترس با آن بسیار بیشتر از میکروسکوپ‌های نوری و حتا میکروسکوپ الکترونی است. علاوه بر توپوگرافی، با استفاده از تصاویر فاز می‌توان تغییر خواص مکانیکی (و در نتیجه تغییر جنسیت) سطح را بررسی کرد. بنابراین، می‌توان با مقایسه تصاویر فاز با توپوگرافی موادی که از چند فاز مجزا تشکیل شده‌اند (مثل نانوکامپوزیت‌ها) فازهای مختلف را از هم تمیز داد.

3-2) به دست آوردن تصویر مغناطیسی

جهت تهیه تصویر مغناطیسی از تکنیک میکروسکوپ نیروی مغناطیسی ⁴ (MFM) استفاده می‌شود. این نوع میکروسکوپ از یک پروپ مغناطیسی برای آنالیز برهم‌کنش‌های مغناطیسی بین پروپ و سطح استفاده می‌کند. میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (AFM) به علت داشتن قدرت تفکیک جانبی بسیار بالا در به تصویر کشیدن حوزه‌های مغناطیسی، به ابزار بسیار قدرتمندی در بررسی محیط‌های ذخیره اطلاعات مغناطیسی همچون: سطح دیسک سخت، کارت‌های مغناطیسی و... تبدیل شده است. شکل 2 تصویر حوزه‌های مغناطیسی روی سطح دیسک سخت⁵  را با استفاده از تکنیک MFM نشان می‌دهد.

3-3) اندازه‌گیری خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی

یکی از کاربردهای مهم این میکروسکوپ در اندازه‌گیری خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی است. برای این منظور، نانولوله‌ی کربنی را به یک زیرلایه از جنس سیلیکون متصل می‌کنند به طوری که، یک انتهای نانولوله به سطح سیلیکون متصل و انتهای دیگر آزاد باشد. سپس نوک پروپ میکروسکوپ را به انتهای آزاد نانولوله نزدیک کرده و توسط نیروهای الکتریکی موجود در نوک پروپ میکروسکوپ، به نانولوله نیرو وارد می‌کنند. سپس با استفاده از میزان جابجایی نوک پروپ میکروسکوپ، خواص مکانیکی نانولوله نظیر مدول الاستیک، چقرمگی شکست و برخی خواص دیگر را اندازه‌گیری می‌کنند.

3-4) اندازه‌گیری پارامترهای آماری

به همراه تصاویر توپوگرافی و فاز می‌توان پرامترهای زبری را برای سطوح مختلف اندازه‌گیری کرد. اندازه‌گیری پارامترهای زبری نظیر درصد صافی سطح، میزان انحرافات و... در بسیاری از صنایع از اهمیت بالایی برخوردار است. تعیین این پارامترها با دقت بسیار بالا و به خصوص در ابعاد نانومتری بسیار دشوار و با روش‌‌های معمول ناممکن است. در لایه نشانی لایه‌های نازک، ساخت نانوفیلترها و... که نسبت سطح به حجم بالاست و ساختارها و پستی و بلندی‌هایی از مرتبه نانومتر مورد نظر است، AFM تبدیل به ابزار بی‌نظیری برای اندازه‌گیری پارامتری زبری می‌شود.

3-5) کاربردهای بیولوژیکی

AFM در ابتدا برای تصویربرداری توپوگرافی و بررسی خواص مکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی به کار گرفته شد. کاربردهای آن امروزه به حوزه داروسازی، بیوتکنولوژی، میکروبیولوژی، بیولوژی ساختاری، بیولوژی مولکولی، ژنتیک و دیگر حوزه‌های مرتبط گسترش پیدا کرده است.

اولین تصویر AFM از ویروس‌ها توسط کالبه ⁶ از باکتری‌خوار 4T گرفته شد (شکل 3). و هم اکنون AFM برای تصویر گرفتن و بررسی ساختارهای پروتئین، AND، سلول‌های سرطانی، باکتری‌ها، برهم‌کنش‌های آنزیمی، غشاها، کروموزوم‌ها و... در شرایط فیزیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نمونه‌های بیولوژی بسیار صاف هستند و چسبندگی کمی با سطح دارند. بنابراین استفاده از AFM-AC) AFM غیرتماسی) برای این نمونه‌ها مزایای زیادی دارد، زیرا کوچک‌ترین خسارتی به نمونه در حین روبش وارد نمی‌شود.

فیلم چگونگی عملکرد AFM

1.Atomic Force Microscopy

2.TIP

3.Cantilever

4.Magnetic Force Microscopy

5.Hard Disk

6.Kolbe

میکروسکوپ‌های پروپی روبشی (STM)

میکروسکوپ‌های پروپی روبشی¹  (SPMs) از دیگر ابزاری است که جهت مشخصه‌یابی و آنالیز نانومواد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میکروسکوپ پروپی روبشی، در طی 25 سالی که از اختراع‌اش می‌گذرد، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی کاربرد وسیعی یافته است. قدرت بزرگ‌نمایی بسیار بالا، سادگی استفاده و عدم نیاز به آماده‌سازی‌های پیچیده از جمله مزایایی است که موجب شده است پژوهشگران و محققان تمایل زیادی به استفاده از آن داشته باشند.

در این میکروسکوپ‌ها، سطح نمونه توسط یک سوزن نوک تیز یا پروپ که نوک آن به صورت تک‌اتمی است، روبش می‌شود. این سوزن روبنده به خاطر ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند کوچک‌ترین پستی و بلندی موجود در سطح را (در حد نانومتر) حس نماید. بسته به طبیعت برهم‌کنش‌های موضعی، می‌توان تصاویری سه‌بعدی از پستی و بلندی سطح، ساختار الکترونیکی، ساختار مغناطیسی یا هر خاصیت موضعی دیگر را به دست آورد. نانوکریستال‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، نانوذرات، نانولوله‌ها، نانوپودرها و... از جمله نانوساختارهایی هستند که امروزه به طور گسترده‌ای با این نوع میکروسکوپ مورد بررسی قرار می‌گیرند.

بسته به این‌که اطلاعات گرفته شده توسط سوزن روبنده با چه مکانیزمی قابل دریافت باشد، دو سیستم میکروسکوپی به وجود آمده است که عبارتند از:

1. میکروسکوپ تونلی روبشی²  (STM)

2. میکروسکوپ نیروی اتمی³  (AFM)

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونلی روبشی اولین نوع از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی بود که در سال 1981 توسط بینینگ⁴ و روهرر ⁵ اختراع شد. این گروه پنج سال بعد موفق به دریافت جایزه نوبل شدند، چرا که STM اولین دستگاهی بود که تصاویر سه‌بعدی واقعی با قدرت تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد.

در این نوع میکروسکوپ، از خاصیت الکتریکی اجسام بهره گرفته و با تولید یک جریان الکتریکی تونلی و تغییرات آن در اثر نوسان سوزن روی سطح، اطلاعات دریافت می‌شود. در این تکنیک از یک سوزن تیز برای روبش سطح استفاده می‌شود و یک ولتاژ بین سوزن و نمونه اعمال می‌شود. وقتی‌که سوزن به فاصله کم‌تر از 10 آنگسترومی سطح نمونه آورده می‌شود، الکترون‌ها بر اساس پدیده‌ی تونل‌زنی از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس جریان می‌یابد. این جریان تونلی ایجاد شده که با تغییر فاصله سوزن تا نمونه، تغییر می‌کند، به عنوان سیگنال تصویر‌سازی استفاده می‌شود. شکل (1) شماتیک عملکرد STM را نشان می‌دهد.

روش‌های تصویربرداری از طریق STM

معمولاً سطوح مواد در مقیاس اتمی، سطوح ناصافی هستند، چرا که اتم‌های تشکیل دهنده‌ی ماده،‌کروی شکل هستند و در اثر قرار گرفتن در کنار هم باعث ایجاد پستی و بلندی روی سطح خواهند شد. با توجه به این اصل، دو روش تهیه تصویر برداری در STM وجود دارد.

روش الف) جریان ثابت

هرگاه جریان اعمالی به نوک پروپ میکروسکوپ ثابت باشد، نوک پروپ به صورت عمودی روی سطح نمونه حرکت می‌کند تا جریان ثابت باقی بماند. حرکت عمودی نوک پروپ میکروسکوپ به وسیله یک پیزوالکتریک کنترل می‌شود. در واقع،‌ در این روش همواره فاصله‌ی بین نوک پروپ میکروسکوپ و اتم‌های سطح نمونه ثابت باقی می‌ماند.

روش ب) ولتاژ ثابت

وقتی ولتاژ ثابت باشد، نوک پروپ فقط به صورت افقی روی سطح حرکت می‌کند تا ولتاژ ثابت باقی بماند. در اینجا فاصله‌ی بین نوک پروپ میکروسکوپ و اتم‌های سطح نمونه ثابت نیست.

واژه ها:

مغناطیس‌سنج با نمونه ارتعاشی (VSM)

توصیه‌ی می‌شود قبل از خواندن این مقاله‌، حتماً مقاله‌ی "آشنایی با مفاهیم مغناطیسی" را مطالعه بفرمایید.

1. مغناطیس‌سنجی

هدف از مغناطیس‌سنجی، اندازه‌گیری میزان مغناطش نانومواد است که با روش‌های گوناگون و با استفاده از پدیده‌های مغناطیسی مختلف می‌تواند انجام شود.

یکی از روش‌هایی که به ویژه در ایران مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ روش مغناطیس‌سنج با نمونه ارتعاشی¹  (VSM) می‌باشد. در این روش، نمونه پس از مراحل آماده‌سازی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و منحنی مغناطش آن بر حسب میدان اعمالی (منحنی پسماند) رسم می‌شود. با بررسی و تفسیر منحنی پسماند در مواد سخت و نرم، می‌توان میزان مغناطش و بسیاری از مفاهیم دیگر مغناطیسی در نانومواد را به دست آورد.

2. مواد سخت و نرم مغناطیسی

تفاوت عمده مواد نرم و سخت مغناطیسی به حلقه پسماند آن‌ها مربوط می‌شود. نکته حائز اهمیت در این منحنی‌ها، سطح زیر حلقه است که بیانگر انرژی مغناطیسی در واحد حجم ماده در چرخه مغناطیس – غیرمغناطیس شدن می‌باشد.

در مواد مغناطیسی نرم سطح زیر حلقه کم بوده و حلقه پسماند باریک دارند. در این مواد مانند آهن، کبالت و نیکل در صورتی که خالص باشند، حجم حوزه‌ها به سهولت تغییر می‌کند و در نتیجه به سهولت با یک میدان ضعیف آهنربا می‌شوند و خاصیت آهنربایی خود را نیز به راحتی از دست می‌دهند. این مواد قابلیت نفوذ اولیه و وادارندگی مغناطیسی بالا دارند، که با اعمال میدان نسبتاً کوچکی به اشباع می‌رسند. از این گونه مواد در هسته های سیملوله‌ها، در مبدل‌ها، القاگرها و ژنراتورها استفاده می‌شود. مواد مغناطیس نرم با حذف میدان مغناطیسی خارجی خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند و به دلیل همین خاصیت، آن‌ها برای ساختن آهنرباهای الکتریکی (آهنرباهای غیردائم) مناسب‌اند.

برخی دیگر از مواد مانند فولاد (آهن به اضافه‌ی دو درصد کربن)، آلیاژهای دیگری از آهن، کبالت و نیکل به وادارندگی مغناطیسی مقاوم می‌باشند و به سختی آهنربا می‌شوند؛ یعنی، حجم حوزه‌ها در آن‌ها به سختی تغییر می‌کند. این مواد را مغناطیس‌های سخت یا دائمی می‌نامند. این مواد حلقه مغناطیسی پهنی داشته و در مقابل مغناطیس شدن مقاومت زیادی از خود نشان می‌دهند و دارای ظرفیت نفوذ اولیه پایین هستند. در این مواد، سمت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی حوزه‌ها پس از حذف میدان خارجی به سهولت تغییر نمی‌کند. به عبارت دیگر، پس از برداشتن میدان مغناطیسی خارجی، ماده‌ی مغناطیس سخت، خاصیت آهنربایی خود را حفظ می‌کند. به همین دلیل از این مواد برای ساختن آهنرباهای دائمی استفاده می‌کنند.

برای خاصیت آهنربایی هر ماده‌ی مغناطیس مقدار بیشینه‌ای وجود دارد. این وضعیت هنگامی پیش می‌آید که ماده‌ی مغناطیس در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار گیرد؛ به‌طوری‌که همه‌ی دوقطبی‌های مغناطیسی اتمی در همه‌ی حوزه‌ها به موازات هم به خط شوند.

3. دستگاه مغناطیس‌سنج با نمونه‌ی ارتعاشی (VSM)

طرحی از دستگاه VSM را در شکل (3-1) می‌بینید. مطابق شکل، دستگاه از یک جفت سیم‌پیچ القاگر که در بین دو قطب یک‌ آهن‌ربا قرار دارد، تشکیل شده است. نمونه نیز در فضای مابین دو قطب مغناطیسی قرار می گیرد و برای اطمینان از این‌که تمام قسمت‌های آن، میدان مغناطیسی نسبتاً یکنواختی را احساس کند؛ چرخش نمونه به طور عمودی و هم‌چینن حول محور خودش صورت می‌گیرد. میدان مغناطیسی خارجی توسط قطب‌های آهنربا ایجاد و سپس به وسیله‌ی القاگر به نمونه اعمال می‌شود و نمونه در اثر این میدان خارجی مغناطیده می‌شود. چرخش نمونه در فضای بین القاگر، سبب تغییر میدان در فضای بین سیم‌پیچ‌ها با فرکانس ارتعاشی نمونه می‌شود. سیگنال‌های القاگر کاملاً متناسب با مغناطش نمونه می‌باشد و به وسیله‌ی یک تقویت کننده قفل شونده²  اندازه‌گیری می‌شود.

مواد مغناطیسی اصولاً از حوزه‌های مغناطیسی تشکیل یافته‌اند که به صورت اتفاقی در ماده توزیع شده‌ و بدون اعمال میدان، هیچ‌گونه مغناطش را نشان نمی‌دهند. فرایند مغناطش یک ماده مغناطیس با اعمال میدان از نقطه صفر تا حالت اشباع M=Ms در شکل (3-2) نشان داده شده است.

قسمت a شکل، دو حوزه مغناطیسی با ممان‌های اشباع منفرد که در خلاف جهت یکدیگر قرار دارند را نشان می‌دهد. با اعمال میدان مغناطیسی H (قسمت b)، حوزه مغناطیسی که از نظر انرژی در وضعیت مناسب‌تری قرار دارد (جهت ممان‌های حوزه به جهت میدان نزدیک‌تر است) بزرگ‌تر می‌شود. اکنون یک مغناطش خالص M در ماده به وجود می‌آید. با افزایش شدت میدان، این حوزه مغناطیس بزرگ‌تر شده تا اینکه ماده فرومغناطیس دارای یک حوزه مغناطیسی منفرد با ممان مغناطیسی موازی با H یا نزدیک به جهت آن ‌گردد. مغناطش ماده، اکنون برابر با مقدار M=MsCos? می‌باشد. ? زاویه بین Ms در طول محور مغناطیسی و H است. در نهایت، با افزایش شدت میدان، ممان Ms  نیز موازی با جهت H شده و ماده فرومغناطیس با یک مقدار مغناطش Ms  اشباع می‌گردد. در روش VSM با افزایش شدت میدان اعمالی مقدار M در هر لحظه ثبت می‌شود. پس از این‌که نمونه در مغناطش به حد اشباع رسید، با کاهش شدت میدان اعمالی به سمت صفر، ماده دارای مغناطش القا شده پسماند (Mr) خواهد بود که بزرگی آن تابعی از مغناطش اشباع می‌باشد. میدان پسماند زدای Hc نیز میدانی‌ است که در آن مغناطش القا شده پسماند کاهش یافته تا به صفر برسد. مقدار Hc که نیروی وادارنگی مغناطیسی نیز نامیده می‌شود، بر نرم یا سخت بودن ماده فرومغناطیس دلالت دارد. هر چه مقدار Hc کوچک‌تر باشد، یعنی ماده در میدان‌های پایین‌تر مغناطش القا شده پسماند را از دست می‌دهد و از طرفی به راحتی نیز به مغناطش اشباع می‌رسد و به اصطلاح گفته می‌شود ماده دارای نیروی وادارنگی و نقوذپذیری بالا می‌باشد. قابلیت نفوذپذیری یک ماده، معرف توانایی آهنربایی شدن آن ماده در حضور میدان خارجی می‌باشد.

حلقه‌ پسماند و مقدار Hc دو مشخصه‌ی مهم و اصلی نانومواد می‌باشند. شکل حلقه‌ی پسماند و مقدار نفوذپذیری نانومواد، به خواص و اندازه‌ی آن‌ها بستگی زیادی دارد.

چگالش گاز خنثی، پاشش حرارتی

1. چگالش گاز خنثی IGC¹

چگالش گاز خنثی با تبخیر حرارتی، معمولاً برای تولید پودرهای نانومتری فلزی و اکسیدهای فلزی با توزیع اندازه دانه مشخص به کار می‌رود. این روش در اصل توسط گنکوئیست و بورمن²  در سال 1976 مطرح شد و در سال 1981 توسط گلیتر³  توسعه یافت. در این روش فلز درون یک اتاقک با خلأ بسیار زیاد که مملو از یک گاز خنثی (معمولاً هلیوم) است، تبخیر می‌گردد. بخارهای تولید شده، از منبع گرم توسط جابجایی و نفوذ به طرف گازهای سردتر مهاجرت می‌کنند. این بخارها به واسطه برخورد با مولکول‌های هلیوم، انرژی خود را از دست می‌دهند. به سبب‌ِ همین برخوردها، محدودیتی در مسیر حرکت بخارها ایجاد می‌شود و بنابراین، یک منطقه فوق اشباع در بالای ماده منبع به دست می‌آید. در فوق اشباع‌های بالا، بخارها سریعاً جمع شده و تعداد زیادی کلاستر یا خوشه‌های اتمی تشکیل می‌شود. در ادامه، این کلاسترهای تجمع یافته در گاز خنثی، توسط جریان جابجایی ناشی از گاز خنثی به طرف یک سطح (که توسط نیتروژن مایع سرد نگه داشته شده است)، حرکت می‌کنند. در اثر وجود شیب حرارتی بالا، این کلاسترها سریعاً منجمد شده و تبدیل به ذرات نانومتری می‌شوند. نانوذرات تولید شده توسط یک وسیله خراشنده از روی سطح سرد جدا می شوند (شکل 1-1).

اندازه، شکل و سرعت رشد کلاسترها در تولید نانوذرات در این روش به سه عامل بستگی دارد:

1. نرخ رساندن اتم ها به منطقه فوق اشباع که کندانس شدن در آن جا صورت می گیرد.

2. نرخ از دست رفتن انرژی از اتم‌های داغ

3. نرخ تولید کلاسترها از بخار تولیدی در منطقه‌ی فوق اشباع

با کنترل سه عامل ذکر شده محققین طیف وسیعی از اندازه دانه ذرات نانومتری با مورفولوژی های مختلف را تولید کرده‌اند.

در روش دیگری که در حقیقت توسعه یافته روش IGC است، از ترکیب سایش لیزری با چگالش گاز استفاده می‌شود (شکل 1-2). تحقیقات نشان داده است که این روش یک روش جذاب برای تولید مقادیر زیاد مواد نانوساختار، نانوذرات چندجزئی و نیز ترکیبات بین فلزی نظیر NbAl3 است. در این روش اتم‌های سائیده شده توسط لیزر، در اثر برخورد به گاز هلیوم سریعاً انرژی جنبشی خود را از دست داده و سرانجام چگال شده و تشکیل ابری می‌دهند که حاوی مواد نانوساختار با خلوص فوق‌العاده بالاست. سرعت تولید بستگی به فشار گاز هلیوم و انرژی لیزر دارد. محققین زیادی روش سایش لیزری و چگالش گاز را برای تولید نانوذرات فلزی، اکسید فلزی و کاربیدهای فلزی به کار برده‌اند.

2. پاشش حرارتی⁴

نوع دیگری از روش چگالش گاز که از پیش سازهای شیمیایی برای مواد اولیه استفاده می‌کند، پاشش شعله احتراقی یا به طور خلاصه پاشش حرارتی است. این روش مزایایی نظیر ارزان بودن، یک مرحله‌ای بودن، تطبیق‌پذیری و سرعت تولید بالا را داراست. در این روش احتراق مخلوط اکسیژن و سوخت در مشعل، شعله را ایجاد می‌کند. پیش‌سازهای شیمیایی در منطقه گرم شعله تبخیر می‌شوند و تجزیه حرارتی در منطقه گرم شعله مطابق شکل (1-2) رخ می‌دهد.

در این راستا فعل و انفعالات بین شعله و قطرات، منجر به شکل‌گیری نانوذرات می‌شود. ذرات با خلوص بالا فقط در اتاقک‌های با فشار پایین تولید می‌شوند چرا که فشار پایین موجب افزایش زمان موردنیاز برای واکنش ناخالصی‌ها با نانوذرات می‌گردد. هم‌چنین فشار پایین باعث ایجاد یکنواختی حرارت در طول عملیات می‌شود. پاشش حرارتی در فشار پایین را معمولاً چگالش شیمیایی بخار احتراقی⁵  (CVC) می‌نامند. CVC یک روش جایگزین برای روش چگالش گاز خنثی است. در این روش تبخیر کننده‌های سیستم IGC توسط منابع دیگر مثل مشعل‌های احتراقی یا کوره‌های دیواره داغ یا پلاسمای میکروویو جایگزین شده‌اند. این روش برای تولید نانوذرات اکسید فلزی خالص متنوعی نظیر TiO2, Al2O3, ZrO2, V2O5, Y2O3-ZrO2 به کار می‌رود.

هم‌چنین نانوذرات مغناطیسی آهن و کبالت را می‌توان توسط روش CVC و به ترتیب با پیرولیز کربونیل آهن Fe(CO)5  و کربونیل کبالت Co2(CO)8 تولید نمود. بررسی تصاویر TEM تهیه شده از این ذرات نشان می‌دهد که تولید ذراتی با ابعاد حدود 10 نانومتر توسط این روش عملی است.

1.  Inert Gas Condensation

2. Ganqvist & Buhrman

3. Gleiter

4.Combustion Flame Spraying

5.Combustion-Flame Chemical Vapor Condensation

ذوب در محیط فوق سرد

بیگت  و همکارانش روشی مناسب‌تر از روش پاشش حرارتی با بازدهی بیشتر را برای تولید نانوذرات توسعه دادند. این روش ذوب در محیط فوق سرد نامیده می‌شود و بیش‌تر برای تولید نانوذرات فلزی به کار می‌رود. مزیت اصلی این روش، ارائه سرعت بالای تولید (حدود 60 گرم در ساعت) و راندمان بالاتر (حدود 75%) می‌باشد.

ذرات و پودرها در این روش، توسط چگالش خودبخودی گازهای فلزی در یک واسطه برودتی تولید می‌شوند. بنابراین، در این روش هم، نیاز به تبخیر ماده منبع داریم. در این روش از فرکانس‌های رادیویی برای ذوب و تبخیر ماده هدف استفاده می‌شود.

در این روش مطابق شکل 1 ماده هدف (فلز) درون یک میدان مغناطیسی با فرکانس بالا قرار می‌گیرد. بنابراین فلز به صورت قطره‌ای ذوب می‌شود. کلید این روش آن است که بایستی فرکانس دستگاه طوری انتخاب شود که توانایی معلق کردن قطره مذاب تولیدی در فضا را داشته باشد. بنابراین، قطره مذابی که از فلز موردنظر تولید شده و در میان کویل مغناطیسی دستگاه معلق باقی می‌ماند. بعد از مدت بسیار کوتاهی در اطراف این قطره مذاب، یک لایه از بخار فلز تولید می‌شود. در این مرحله، از پایین دستگاه، یک مایع برودتی (معمولاً نیتروژن یا آرگون مایع) با سرعت به طرف قطره مذاب حرکت می‌کند. در اثر برخورد مایع برودتی به قطره مذاب و لایه بخار اطراف آن، بخارها سریع چگال شده و تبدیل به نانوذرات موردنظر می‌شوند. نانوذرات تولیدی به واسطه حرکت مایع برودتی به بالا، به طرف یک فیلتر مخصوص حرکت کرده و جداسازی می‌شوند. قابل ذکر است که نوع مایع برودتی مورد استفاده در این روش بستگی به فلز موردنظر دارد. به عنوان مثال؛ در مورد آلومینیوم، استفاده از نیتروژن مایع احتمالاً باعث تشکیل ذرات نیترید آلومینیوم می‌شود. در این مورد باید از آرگون مایع استفاده نمود (شکل 2).

دمای جوش نیتروژن مایع حدود 196- درجه سانتی‌گراد می‌باشد. بنابراین، دمای مذاب و بخار فلز مورد نظر از حدود 1700 درجه سانتی‌گراد (بسته به نوع فلز) با یک شیب بسیار زیاد به 196- درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این بهترین شرایط برای تولید نانوذرات فلزی است، چرا که بخاطر سرد شدن سریع، اجازه رشد به نانوذرات داده نخواهد شد.

همانطور که در مقاله روشهای ساخت در دنیای نانو گفته شد؛ فناوری نانو، تولید کارامد مواد و دستگاه ها به همراه کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو گسترش یافته اند و این امکان پذیر نیست مگر با تعامل بیش از پیش تمام شاخه های دانش بشری.

در این مقاله با مقدمه ای بر مدل سازی و سبیه سازی در دنیای نانو آشنا خواهیم شد:

نیاز به محاسبه عددی در علوم نانو

امروزه در علوم مهندسی، ریاضیات کاربردی مرتبط با معادلات و مسائل موجود در آنها جایگاه ویژه ای دارد. امروزه دوره های آموزشی کاربرد کامپیوتر در فیزیک و شیمی در بیشتر دانشگاه ها برگزار می شود. از اهداف مهم چنین دروسی آشنایی مخاطبین با محاسبات کامپیوتری برای حل مسائلی از علوم است که به دلایل گوناگون، پژوهشگران نمی توانند با روش های تحلیلی شناخته شده به حل آنها بپردازند.

در واقع، علوم و مهندسی در بسیاری از معادلات اساسی خود با روش های تحلیلی صرف قادر به ارائه جواب برای معدودی از آنها هستند. بنابراین رهیافت حل مسائل حل ناپذیر به روش های تحلیلی در علوم و مهندسی، اهمیت روز افزونی یافته است. برای نمونه معادله اساسی مکانیک کوانتمی، تنها برای اتم هیدروژن تک الکترونی، حل تحلیلی دارد و این در حالی است که جهان پیرامون ما را اتم ها و مولکول های بس الکترونی، در برگرفته اند.

بنابراین امروزه دانش محاسباتی علوم نانو جزء جدایی ناپذیر پلکان پیشبرد اهداف پژوهشی است.

علاقه مردم به محاسبات طولانی و خسته کننده از دیرباز وجود داشته است. یونانیان باستان، محاسبات دشواری در ریاضیات و هندسه داشته اند. یکی از محاسبات جالب در یونان باستان محاسبه عدد گنگ بوده است.

محاسبات بدون ابزار و با دست، به محض برخورد به پیچیدگی های دشوار به بن بست می رسد و بعضا بی حاصل می ماند. با وجود این، کسانی هم بودند که از همین پیچیدگی ها لذت می بردند و برای رفع آنها دست به کوشش های فراوانی زده اند. اندک اندک در نیمه دوم سده بیستم، کامپیوتر اختراع شد و محاسبات پیچیده و مفصل به اموری عادی و روزمره در علوم و فناوری، بدل گردیدند. امروزه بسیاری ازمعادلات اساسی در علوم و مهندسی را می توان به کمک کامپیوترها به صورت عددی حل کرد.

در اینجا نمی خواهیم تاریخچه محاسبات عددی را بازگو کنیم، بلکه قصدمان تاکید بر این نکته است که دنیای فناوری امروز، پیشرفت پرشتاب خود را در بسیاری مواقع وام دار محاسبات پیچیده و مفصل است. روشن است که محاسبات پیچیده تر به ابزاری پیچیده تر نیاز دارند. احتمالا هیچ کس نمی تواند تنها با کمک کاغذ و قلم صد عدد فیثاغورثی نایکسان تولید کند. 3، 4، 5 یک دسته از آنهاست. تعریف اعداد فیثاغورثی(فیثاغورث نام دانشمندی در سده ششم پیش از میلاد است) به صورت زیر است:

a^2+b^2=c^2

موضوع به اینجا ختم نمی شود؛ همه زندگی بشر زیر پرتو محاسبات قرار گرفته است. امروزه دانشمندان با داشتن اطلاعات آزمایشگاهی و تحلیل محاسباتی آنها، در پی  حل مسائلی بسیار مهم و در عین حال عادی هستند. مثلا اینکه چگونه مغز تصاویر فرستاده شده از عصب بینایی را تحلیل می کند؟ چگونه این تصاویر ثبت می شوند به طوری که اگر یک بار دیگر تصویر را ببینیم یادمان می آید که آن را پیشتر دیده ایم؟ پژوهشگران "سازمان فضایی آمریکا" (NASA) احتمال پاسخگویی به این دست پرسش ها را در سالهای 2030 میلادی به بعد اعلام کرده اند. همچنین بد نیست بدانیم یکی از موضوعاتی که در فناوری نانو(هرچند خام) مطرح است چگونگی دستیابی بشر به طول زندگانی بسیار است. این در حوزه دانش مهار بیماری ها و جلوگیری از پیرشدگی اعضا بدن با کمک روش های فناوری نانو قرار دارد.

حل چنین مسائلی در علوم، از سویی مستلزم بکار گیری فنون محاسباتی پیشرفته و از سوی دیگر همکاری تنگاتنگ دانشمندان رشته های مختلف علوم است. به همین علت، به احتمال قوی، انقلاب های علمی آینده در بستر کوشش ها و کشفیات میان رشته ای در علوم، روی می دهند. فناوری نانو از جمله مهمترین و اصلی ترین انقلابهای علمی و فناورانه آینده است و در این میان، فناوری نانو محاسباتی در پیشبرد و اثبات نظریه ها و فرضیه های مربوط به علوم نانو مقیاس، نقشی بی بدیل بازی می کند. در این سری مقالات می کوشیم گوشه ای ار مقدمات دستیابی به چنین محاسبات پیشرفته را بازگو کنیم.

مدل سازی و شبیه سازی

وقتی کسی می خواهد مساله ای را به روش محاسباتی حل کند نیاز به استفاده از یک مدل ریاضی دارد که آن مدل تا حد زیادی پدیده مورد نظر را بازگو کند. مثلا برای حرکت زمین به گرد خورشید مدل دو کره، که یکی بزرگتر از دیگری است و آن دو با نیروی گرانشی نیوتن با هم در کشش اند؛ مدلی ساده به حساب می آید. شبیه سازی کامپیوتری، محاسبات کامپیوتری مبتنی بر مدل سازی است که از قوانین ویژه ای پیروی کند. پس هر شبیه سازی برای خود یک مدل نیاز دارد. در ارائه مدل ها باید همیشه دقت نظر لازم را داشت و گرنه نمی توان به نتایج محاسباتی ناشی از شبیه سازی آنها اعتماد کرد. شکل زیر را ببینید:<\/h2>

<\/h2>

برای مثال مدل دو کره بالا دارای شرایط زیر است:<\/h2>

1.هدف: پیدا کردن مسیر حرکت هر کره که نیاز به برپایی یک دستگاه مختصات ریاضی دارد.<\/h2>

2. فرض ساده سازی شده: هم زمین و هم خورشید کره هستند.<\/h2>

3. قانون فیزیکی حاکم:قانون گرانش جهانی نیوتن<\/h2>

آیا با این شرایط مسیر حرکت کره زمین( هدف) که جرم بسیار کوچکتری از خورشید دارد دایره است؟<\/h2>

فرض های ساده کننده، گاهی اوقات به نتایج نادرست می انجامند. در این مثال فرض 2 درست ولی  مسیر حرکت بیضی است. این نوع اشتباهات را خطای مدل می نامند و اینگونه نیست که بتوان این خطا را به صفر رساند. این بدان معناست که در هر مدلی سرانجام یکسری تقریب هایی زده می شود. مهم آنست که برای رسیدن به هدف تا جایی که ممکن است خطاهای مدل را زدود. شبیه سازی دو کره بالا دارای گام های زیر است:<\/h2>

1. برای رسیدن به هدف بالا باید از محاسبات کمک گرفت. برای اینکار قانون دوم نیوتن در حرکت به میان می آید.<\/h2>

2. چگونه باید قانون دوم را به طور محاسباتی حل کرد؟ این پرسشی است که امیدواریم در این کتاب پاسخ آنرا بیابیم.<\/h2>

شبیه سازی در علوم نانو<\/h2>

<\/h2>

همانگونه که مدل دو کره باعث فهم ما از مسیر حرکت کره زمین می شود در ابعاد پایین هم هدف های بزرگی در پیش است. اهمیت مدل سازی ها و محاسبات در ابعاد نانو از جنبه های گوناگونی قابل بررسی است. یکی از مهم ترین آنها دستیابی به حد و مرز بیرون از توان آزمایشگاه است. مثلا طراحی جعبه ای  به حجم یک نانومتر مربع در آزمایشگاه واقعی غیر ممکن است. با ابن حال در یک شبیه سازی می توان ابعاد را تا حد دلخواه کوچک و بزرگ کرد. از طرفی دما، فشار و بسیاری از کمیت های فیزیکی را در بسیاری از موارد نمی توان اندازه گیری نمود(مشکلات اندازه گیری دما در کوره های با دمای بالا) ولی در محاسبات و شبیه سازی ها می توان با هر دما،فشار و کمیت دیگری کار کرد. تمام این امکانات کمک می کند که شبیه ساز به آزمایشگر کمک کند تا آزمایش هایی را فراهم آورد که امکان پیشبرد فناوری نانو را فراهم کند. یکی از مهم ترین کارهای شبیه سازی در فناوری نانو کمک به فهم و طراحی درست آزمایشگاهی نانوماشین ها است.<\/h2>

اهداف شبیه سازی<\/h2>

<\/h2>

1. یک پدیده فیزیکی در طبیعت روی می دهد، رفتار اجزا و  کل آن پدیده به دقت مورد مشاهده قرار گیرد و ثبت می شود. مواد(منظور مولکول هایی بزرگ یا کوچک) با اجزای گوناگون، در حضور دیگر هم نوعان یا انواع دیگر، یا تحت شرایط ویژه چه رفتاری دارند؟ این همان مرحله مشاهده(آزمایش) است.<\/h2>

2. متخصص، برای این پدیده ها توجیه منطقی دارد یا ندارد. اگر داشته باشد، حتما پایه آن یک قانون فیزیکی است که دارای پسندیدگی و مشهوریت نسبی است، وگرنه باید قوانین مربوطه را یافت. مانند قانون گرانش در مدل دو کره.<\/h2>

3. با ارائه یک مدل ریاضی ساده، می توان هردو امکان بالا را پیش برد. این همان مرحله مدل سازی است. مدل مربوطه باید تا جایی که مساله مورد نظر را دگرگون نسازد ساده در نظر گرفته شود.<\/h2>

4. روش های حل عددی در کامپیوترها مورد استفاده قرار می گیرند تا بتوان این مدل ها را با کمک یک سری قوانین فیزیکی (مانند قانون دوم نیوتن در مدل دو کره) در کامپیوتر، پیاده سازی نمود. یکی از روش های معمول شبیه سازی متناسب با مدل یا مساله، کد نویسی است، یعنی در نهایت، فعالیت شبیه ساز به یک کد (برنامه) کامپیوتری تبدیل می شود که با یکی از زبانهای برنامه نویسی نوشته شده است.<\/h2>

5. سرانجام شخص تلاش خود را در تفسیر، سنجش، نتیجه گیری و احیانا گسترش نتایج به کار خواهد گرفت. این تفسیر و نتیجه گیری و خطایابی بر اساس یک سری اصول مربوط به محاسبات آماری است.<\/h2>

کامپیوترها در دنیای پیشرفته امروز نقش کلیدی و گسترده ای را در زندگی بشر، مخصوصا توسعه علم و گسترش مرزهای دانش بازی می کنند. یکی از پایه ای ترین موضوعاتی که متخصصین کامپیوتر می آموزند برنامه سازی های کامپیوتری است. در علوم و فناوری نانو شبیه سازی های کامپیوتری به شدت وابسته به تسلط در برنامه سازی ها و کار با نرم افزارهای شبیه سازی است. نرم افزارهایی که پایه آنها برنامه نویسی ویژوال بیسیک است و به کمک آن می توان مفاهیم ساده ای نظیر حرکت نوسان گر هماهنگ و یا دینامیک مولکولی را شبیه سازی کرد، اما به دلیل اینکه هدف ما در این سری مقالات تنها آشنایی با کاربرد محاسبات در مقیاس نانو است مستقیما به سراغ مدل سازی در دنیای نانو می رویم. <\/h2>

مدل سازی اصطکاک در مقیاس نانو<\/h3>

اگر جسمی را با سرعت اولیه مشخصی روی میزی افقی رها کنیم، سرانجام خواهد ایستاد، به بیانی، نیرویی در خلاف جهت حرکت جسم روی سطح به آن وارد می شود. این نیرو را که هنگام لغزیدن جسم روی سطح به آن وارد می شود، نیروی اصطکاک جنبشی می نامیم. اصطکاک به صورت یک بر هم کنش تماسی میان جامدات(در ابعاد بزرگ) است. نیروی اصطکاک وارد بر جسم در خلاف جهت حرکت آن جسم نسبت به سطح زیرین است. در واقع نیروی اصطکاک همواره با این حرکت نسبی رویارویی می کند و هیچگاه به آن کمک نمی کند. این تعاریف، مستقل از ابعاد طولی جسم هستند. در ابعاد میکرونی و بالاتر اجسام پیوسته فرض می شوند. اما همان گونه که می دانیم تمام اجسام با ابعاد میکرونی و بالاتر، اجسام پیوسته فرض می شوند. اما همانگونه که می دانیم تمام اجسام با ابعاد میکرونی و بالاتر در مقیاس نانو از مولکول ها و آنها هم به نوبه خود از اتمها تشکیل شده اند. منشا و سرچشمه اصلی هر پدیده ای در ابعاد بزرگ، ابعاد اتمی- مولکولی است،لذا پدیده اصطکاک نیز از این قاعده مستثنی نیست. در این مقاله ضمن مرور بر دانش قبلی، به اصطکاک در ابعاد میکرون و بالا، به اصطکاک در ابعاد نانو نیز به طور فشرده خواهیم پرداخت. <\/h2>

اگر هیچ حرکت نسبی هم در کار نباشد ممکن است میان دو جسم نیروی اصطکاک وجود داشته باشد. این نوع اصطکاک را اصطکاک ایستایی می گوییم. وقتی جسمی در آستانه حرکت به واسطه اعمال نیروی خارجی قرار گیرد نیروی مخالفی به نام نیروی اصطکاک ایستایی در برابر این نیرو قرار می گیرد. نیروی اصطکاک ایستایی بزرگتر از نیروی اصطکاک جنبشی است. این بزرگتر بودن را به این صورت ساده می توان توضیح داد: هنگامی که جسم در حالت ایستا است و نیروی بیرونی ثابتی به آن وارد شود گویی جسم می خواهد از سد پتانسیل ( که ناشی از پستی و بلندی های سطح جسم زیرین است) گذر کند. کار نیروی بیرونی به این گذر کمک می کند. از سویی برای رهانیدن جسم در حال حرکت، انرژِی جنبشی جسم به کمک کار نیروی بیرونی می آید و گویی گذر از همان سد پتانسیل آسان تر می شود و اینجاست که گمان می کنیم نیروی اصطکاک جنبشی کمتر شده است.<\/h2>

آدمی از سالیان پیش می دانست که با کمک روغن کاری می توان حرکت اجسام روی سطح را روان کرد. یک نگاره بر دیوار غاری در مصر که به زمان حدود 1900 سال پیش از میلاد بر می گردد مجسمه سنگی بزرگی را نشان می دهد که روی سورتمه ای کشیده می شود و مردی در جلوی سورتمه روی مسیر روغن می ریزد. امروزه شرکتهای روغن سازی گوناگونی در جهان به طور علمی برای تولید روغن موتور خودروها رقابت می کنند. کوشش آنها در تولید روغن هایی است که در برابر گرمای بالا و سرمای سخت طول عمر و کارایی بیشتری داشته باشند. <\/h2>

میکروسکوپ نیروی اتمی

همانگونه که در پیش گفتار این کتاب گفته شد از دید فیزیکی تمام جنبه های میکرو و نانوی پدیده ها ناشی از نیروهای میان اتمی شناخته شده هستند. همچنین به لحاظ نظری هر ساختار اتمی مولکولی که از قوانین بنیادی فیزیک و شیمی پیروی می کند، امکان پذیر است. از جمله این پدیده ها، اصطکاک است. پرسشی که در ذهن شکل می گیرداین است که چرا با وجود مفهوم نیرو در زمان نیوتن و همچنین شناخت نیروهای میان اتمی در آغاز سده بیستم و فرمول بندی  نظریه مکانیک کوانتمی، تا یکی دو دهه پیش مطالعات و بررسی های جدی روی اصطکاک در ابعاد نانو صورت نگرفته است. پاسخ را دستگاههای جدید که تولدشان را وام دار پیشرفت های همه جانبه دانش کامپیوتری و نیز صنعت الکترونیک هستند بشر را توانا به اندازه گیری ها و مشاهدات اتمی ساخته اند. امروزه میکروسکوپ های گوناگونی با ساز و کارهای گوناگون در خدمت علوم و مهندسی قرار گرفته اند. یکی از رایج ترین آنها میکروسکوپ نیروی اتمی است که توانا به اندازه گیری (مشاهده نامستقیم) طول های نانومتری و کمتر از آن است. این میکروسکوپ، دارای اجزای اصلی "انبرک و نوک" است.<\/h2>

 

میکروسکوپ نیروی اتمی<\/h2>

همانگونه که در پیش گفتار این کتاب گفته شد از دید فیزیکی تمام جنبه های میکرو و نانوی پدیده ها ناشی از نیروهای میان اتمی شناخته شده هستند. همچنین به لحاظ نظری هر ساختار اتمی مولکولی که از قوانین بنیادی فیزیک و شیمی پیروی می کند، امکان پذیر است. از جمله این پدیده ها، اصطکاک است. پرسشی که در ذهن شکل می گیرداین است که چرا با وجود مفهوم نیرو در زمان نیوتن و همچنین شناخت نیروهای میان اتمی در آغاز سده بیستم و فرمول بندی  نظریه مکانیک کوانتمی، تا یکی دو دهه پیش مطالعات و بررسی های جدی روی اصطکاک در ابعاد نانو صورت نگرفته است. پاسخ را دستگاههای جدید که تولدشان را وام دار پیشرفت های همه جانبه دانش کامپیوتری و نیز صنعت الکترونیک هستند بشر را توانا به اندازه گیری ها و مشاهدات اتمی ساخته اند. امروزه میکروسکوپ های گوناگونی با ساز و کارهای گوناگون در خدمت علوم و مهندسی قرار گرفته اند. یکی از رایج ترین آنها میکروسکوپ نیروی اتمی است که توانا به اندازه گیری (مشاهده نامستقیم) طول های نانومتری و کمتر از آن است. این میکروسکوپ، دارای اجزای اصلی "انبرک و نوک" است.

تصویری از یک سطح حاوی سه نوع اتم قلع،سرب،سیلیکون که توسط AFM گرفته شده

جنس انبرک معمولا از سیلیسیم و جنس نوک معمولا از الماس( شامل تعدادی اتم کربن) است. برای اینکه میکروسکوپ نیروی اتمی بتواند برجستگی ها و فرورفتگی ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک انبرک ظرافت اتمی داشته باشد. از آنجا که تصاویر مربوط به اندازه های اتمی روی یک سطح با چشم نامسلح دیدنی نیست، به کمک ابزارهای پیشرفته، حرکات عرضی لمس شده توسط انبرک و نوک میکروسکوپ را به تصاویر ویدیویی تبدیل می کنند تا امکانن دیدن آرایش اتم های سطح، در صفحه کامپیوتر امکان پذیر باشد. کل فرآیند "جاروب کردن سطح" به وسیله همان انبرک نوک دار صورت می گیرد. انبرک به راحتی در پستی و بلندی ها بالا و  پایین می رود و نوک آن هم به بخشی متصل است که به جابجایی عرض انبرک بسیار حساس است و تغییر فاصله ها را ثبت کرده و به نشانه هایی تبدیل می کند که برای کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر پردازش می شوند تا چگونگی قرارگیری اتم ها در کنار هم، روی صفحه نمایشگر، نشان داده شود.

این نوع دیدن توسط کامپیوتر را دیدن نامستقیم می گوییم. در میکروسکوپ های نوری معمولی آزمایشگاه های زیست شناسی، دیدن مستقیم است. شکل زیر نمونه ای از سطحی با سه نوع اتم را که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی تهیه شده است را نشان می دهد.کره های آّبی اتم های قلع، سبز اتم های سرب  و کره های قرمز (کوچک) اتم های سیلیکون هستند. پرسش مطرح این است که چگونه سه گونه اتم مختلف در این شکل توسط نوک میکروسکوپ تمیز داده شده اند.چون نیروی میان اتم های گوناگون، متفاوت است( از نظر فیزیک کوآنتمی، ساختار الکترونی اتمها متفاوت است) روشن است که نیروی میان اتم های گوناگون با نوک و تصویر آشکار شده در آشکارساز متفاوت خواهد بود.

شبیه سازی اصطکاک در مقیاس نانو<\/h2>

اکنون تصور کنیم نوک میکروسکوپ نیروی اتمی را در نزدیکی سطح روی آن حرکت دهیم.کل سطح به اتم های نوک، نیرویی وارد می کند که بسته به فاصله تا سطح می تواند ربایشی یا رانشی باشد. در بعضی فاصله ها، نیروها جلوی حرکت نوک روی سطح را می گیرند. این نیروی سطح بر اتم های نوک، تجلی نیروی اصطکاک در ابعاد اتمی و نانومتری است. امروزه با پیدایش نسل های نوین میکروسکوپهای نیروی اتمی و طراحی های بسیار حساس فنرهای خاص روی انبرک ها، دانشمندان توانا به اندازه گیری این نیروها هستند.

مرتبه بزرگی این نیروها، نانونیوتن است و منشا عمده آنها برهم کنش های اتمی واندروالسی میان اتم های سطح و نوک است. توجه کنیم که از نظر فیزیک کلاسیک( جایی که مکان الکترون مشخص است) نیروهای میان اتمی معنادار هستند ولی از دید فیزیک کوانتمی (جایی که الکترون محل مشخصی ندارد) نیروهای میان اتمی به گونه ای دیگر تعبیر می شوند(هم پوشانی ابر الکترونی پیرامون اتم ها).

شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشگاهی مجازی در دو دهه گذشته ساده تر از آزمایش واقعی توانا به بررسی های نتایج این نیروهای میان اتمی هستند. شکل زیر نشان می دهد که نوک در چه فواصلی نیروی رانشی  و در چه فواصلی نیروی کششی از سطح زیرین دریافت می کند.

 

 

نویسنده: مهدی نیک عمل