خلاصه :
در مهندسی نانو، چگونگی نشست هر لایه اتم باید کنترل شود، چون درستی ساختار هر لایه اتم شدیداً وابسته به جزئیات ترتیب اتم های سطحی است که روی آن نشسته اند، بنابراین باید بتوان ترتیب اتم ها یا ساختار سطح را دید، بدین منظور نیاز به گروه جداگانه ای از دستگاه های تشخیص دهنده داریم که بتوان به وسیله آنها ترتیب دوبعدی اتم ها را در خارجی ترین لایه اتم های ماده و حتی ساختار توده ای سه بعدی اتم ها را تشخیص داد. میکروسکوپ های کاوشگر (1SPM) از این دسته دستگاه های تشخیص دهنده می باشند. SPMها اغلب در هوا یا مایع و بدون آماده سازی نمونه یا با حداقل آماده سازی نمونه به کار می روند. میکروسکوپ نیروی اتمی (2AFM) و میکروسکوپ تونل زننده (3STM) در گروه SPM قرار می گیرند. هر SPM از یک پروب تیز برای اسکن سطح نمونه به صورت نقطه به نقطه و خط به خط استفاده می کنند تا نقشه ای از سطح ایجاد کند. ساده ترین نقشه ای که SPM به وجود می آورد نقشه سه بعدی سطح است. در این مقاله جزئیات بیشتری در این دو مورد بیان خواهد شد.

"این مقاله در مجله فرایند خزر انجمن مهند سی شیمی (سال هفتم- بهار 1383) دانشکده فنی و مهندسی دانشکاه مازندران به چاپ رسیده است"

1 - مقدمه:

نانوتکنولوژی زمینه هیجان انگیزی از علم وتکنولوژی است که می تواند شانس بزرگ و بی سابقه ای را در افق دید ما قرار دهد؛ توانایی چیدن و دوباره سازی ساختارهای ملکولی. نانوتکنولوژی تاثیر زیادی بر هرانچه که می سازیم می گذارد.ساختن هر چیز به غیر از مرتب کردن اتم ها نیست، اگر بتوانیم اتم ها را با دقت بیشتر، هزینه کمتر وانعطاف بیشتر در کنار هم قرار دهیم آنگاه تمام محصولاتی را که در دنیای کنونی تولید می کنیم ، تغییر اساسی خواهند کرد. بعنوان مثال می توان دستگاهها و وسایل جراحی را در اندازه و دقت ملکولی تولید کرد بطوری که قادر باشند وارد سلول شوند، جایی که بیشتر بیماریها از آنجا منشاء می گیرند.

پایه این زمینه هیجان انگیز یک حقیقت بسیار ساده است: اتمها می توانند در بی نهایت حالت مختلف چیده شوند، درحال حاضر ما فقط در صد بسیار کوچکی از آنچه که احتمال دارد را می توانیم بسازیم.

اگر بتوانیم 100 اتم را در یک نانومتر مکعب قرار دهیم و هر اتم بتواند جزئی از صد قسمت باشدآنگاه در حدود 100 100 راه متفاوت برای چیدن اتم ها در یک نانومتر مکعب خواهیم داشت.یک میکرون مکعب چنین احتمالی را به 100 100000000000 گسترش می دهد.

نانوتکنولوژی راه حلهای جدیدی برای تغییر شکل سیستم های طبیعی ارائه می کند و می تواند زمینه وسیع تکنولوژیکی برای کاربرد در بعضی حوزه ها مانند فرآیندهای بیوزیستی در صنعت و پزشکی ملکولی (مثلاً برای تشخیص و معالجه بیماری ها،پیوند اعضای بدن ، جراحی نانومقیاس، ساخت دارو وانتقال دارو به هدف ) ، رسیدگی به تاثیرات محیط زیستی نانوساختارها(مانند غلبه بر آلودگیهای زیست محیطی توسط نانو فیلترها ) ، بهبود سیستم های کشاورزی وغذایی(مانند افزایش محصولات کشاورزی ، محصولات جدید غذایی ، نگهداری غذا) ، محصولات جدید شیمیایی و پتروشیمیایی (مانند ساخت کریستالهای جدید، نانو پلیمرها) را فراهم کند.

در مهندسی نانو،چگونگی نشست هر لایه اتم باید کنترل شود، چون درستی ساختار هر لایه اتم شدیداً وابسته به جزئیات ترتیب اتم های سطحی است که روی آن نشسته اند. بنابراین باید بتوان ترتیب اتم ها یا ساختار سطح را دید. بدین منظور نیاز به گروه جداگانه ای از دستگاههای تشخیص دهنده داریم که بتوان به وسیله آنها ترتیب دو بعدی اتم ها را در خارجی ترین لایه اتم های ماده وحتی ساختار توده ای سه بعدی اتم ها را تشخیص داد.میکروسکوپهای کاوشگر ( SPM 1 ) از این دسته دستگاههای تشخیص دهنده می باشند. SPM عبارتی کلی برای کلیه تکنیکهایی است که ماده را در مقیاس میکرونی تا کمتر از آنگستروم اسکن می کنند. برخلاف میکروسکوپهای الکترونی که به خلاء وآماده سازی نمونه احتیاج دارند، SPM ها اغلب در هوا یا مایع وبدون آماده سازی نمونه یا با حداقل آماده سازی نمونه به کار می روند.

میکروسکوپ نیروی اتمی( AFM 2 ) ومیکروسکوپ تونل زننده ( STM 3 ) در گروه SPM قرار می گیرند.هر SPM از یک پروب تیز برای اسکن سطح نمونه به صورت نقطه به نقطه و خط به خط استفاده می کند تا نقشه ای از سطح ایجاد کند. ساده ترین نقشه ای که SPM به وجود می آورد نقشه سه بعدی سطح است.

2- میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی یکی از دهها میکروسکوپ بررسی کننده دقیق است که توسط کوات 4 و باینینگ 5 در سال 1986 ساخته شد.این نوع میکروسکوپها با اندازه گیری خواص موضعی مثل ارتفاع، جذب نور یا مغناطیسس با پروب 6 یا نوک 7 بسیار نزدیک به نمونه کار می کنند.

فاصله کم نمونه- پروب (به منظور وضوح 8 دستگاه)امکان اندازه گیری را روی کل یک سطح کوچک هموار می سازد وعکسهای حاصل روی یک صفحه نمایشگر نمایان می شوند. برخلاف میکروسکوپهای سنتی سیستم های پروب - اسکن 9 از لنز استفاده نمی کنند. AFM (شکل 1) براساس اندازه گیری میزان جذب یا دفع نیروها بین نمونه و تیپ کار می کند.

در حالت «تماس دفعی » دستگاه به آرامی تیپ موجود در انتهای فنر فلزی یا دیرک را با نمونه تماس می دهد،همچنان که دسته اسکن کننده 10 نوک را روی نمونه می کشد ، یک نوع دستگاه آشکارساز 11 انحراف عمودی دیرک را اندازه می گیرند، که به این ترتیب ارتفاع موضعی نمونه مشخص می شود. بنابراین در حالت تماس ، AFM نیروهای بین نمونه و نوک را اندازه می گیرد.

در حالت غیر تماسی ، AFM عکسهای موضعی را با استفاده از اندازه گیری نیروهای جذب دریافت می کند در حالیکه نوک با نمونه تماس ندارد.در این حالت عکسبرداری از نمونه در زیر آب امکان پذیر نیست.

AFM می تواند به وضوح pm 10 برسد و برخلاف میکروسکوپهای نوری هم در آب و هم در هوا قدرت عکسبرداری دارد.

به طور کلی AFM ها از اصول ضبط صوت پیروی می کنند، البته ظرافتهایی دارند که آنها را قادر می سازد قدرت تشخیصی در حد اتمی داشته باشند، که این ظرافتها عبارتند از:

• آشکار ساز حساس

• دیرک های انعطاف پذیر

• نوک های تیز

• توانایی بالای تجزیه مکان نوک –نمونه

• پس خور نیرو

شکل 1: مفهوم AFM وپایه نوری 12 . (چپ ) دیرک نمونه را لمس می کند،(راست) پایه نوری ؛ اسکنر

لوله ای قطر nm 24 را اندازه می گیرد، طول دیرک m m 100 است.

2-1 انواع نوک های AFM

با استفاده از روشهای میکرولیتوگرافی می توان نوک های ارزان و کاملاً موثر ساخت.

شکل 2: سه نوع نوک متداول( a ) نوک معمولی ( b ) نوک سوپر ( c ) اولترا لور

معمولاً نوکها با شعاع انتهایی شان توصیف می گردند.عموماً در تاثیر متقابل نمونه ونوک ، شعاع انتهایی قدرت وضوح AFM را محدود می کند. بنابراین در حال حاضر توسعه نوکهای تیزتر از اولویتهای اصلی است.

سه نوع نوک متداول وجود دارد:

• نوک معمولی (شکل a 2) با m m 3 بلندی و شعاع انتهایی nm 30.

• نوک اشعه الکترونی ته نشین شده 13 یا سوپر تیپ ( شکل b 2 ) اصلاح شده نوک های معمولی است که با ته نشست القا شده پرتو الکترونی 14 مواد حاوی کربن توسط فرو بردن مستقیم نوک معمولی به درون اشعه الکترونی میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی حاصل می شود. به خصوص اگر ابندا دیرک ها با روغن فنری پوشیده شود، این نوع نوک حاصل خواهد شد.اگر طیف مثبت اشعه الکترونی بر روی زاویه راس به مدت چند دقیقه متوقف شود، نسبت جانبی 15 بالاتری دارد.

نوک سوپر بلند وباریک است و برای بررسی حفره ها و شکافها مناسب است.در بعضی موارد شعاع انتهایی آن بیشتر از یک نوک معمولی است.

• اولترا لور 16 ( c 2 ) است که توسط فرآیند اصلاح شده میکرولیتوگرافی ساخته می شود، این نوع نوک نسبت جانبی نسبتاً بالایی دارد وشعاع انتهایی آن به هنگام لزوم حدوداً nm 10 است.

2-2 پس خور نیرو در AFM

حضور حلقه پس خور یکی از ظریفترین تفاوتهای بین AFM ودستگاههای اندازه گیری سوزنی قدیمی تر مثل ضبط صوت است. AFM نه تنها نیروی وارد بر نمونه را اندازه می گیرد، بلکه آنرا تنظیم می کند. بنابراین می توان با صرف نیروهای بسیار کم تصاویر را به دست آورد.

شکل 3: حلقه پس خور 17 AFM . یک شبکه جبرانی انحراف دیرک را نشان می دهدو آنرا با میزان کردن نمونه (یا دیرک) ثابت نگه می دارد.

حلقه پس خور (شکل 3) شامل یک اسکنر لوله ای است که ارتفاع کامل نمونه را کنترل می کند و یک دیرک و پایه نوری که ارتفاع موضعی نمونه را اندازه می گیرند. حلقه پس خور با تنظیم ولتاژ به کار گرفته شده در اسکنر تلاش می کند انحراف دیرک را ثابت نگه دارد. حلقه پس خور با فرکانس 10 kHz به یک دقیقه زمان برای تصویر براداری نیاز دارد. یک نکته جالب توجه این است که حلقه پس خور می تواند انحراف دیرک را سریعتر اصلاح کند، به این ترتیب AFM سریعتر می تواند تصویر برداری کند. بنابراین یک حلقه پس خور که درست بنا شده باشد، برای عملکرد میکروسکوپ ضروری است.

2-3 روش های تصویر برداری در AFM

تقریباً تمام AFM ها وضعیت هر نمونه را به دو روش استاندارد اندازه می گیرند: با اندازه گیری ثابت پس خور خروجی (" Z ") یا انحراف دیرک (" خطا " ) ( شکل 3 ). مجموع این دو سیگنال همواره توپوگرافی واقعی را نشان می دهد، اما با استفاده از حلقه پس خور کاملاً تنظیم شده ، از سیگنال خطا می توان چشم پوشی کرد.البته AFM روش دیگری غیر از این دو روش برای تصویر برداری دارد.

پایه نوری AFM می تواند اصطکاک بین نوک ونمونه را اندازه گیری کند. اگر اسکنر نمونه را عمود بر محور دیرک حرکت دهد ( شکل 4) اصطکاک بین نوک ونمونه با عث می شود که دیرک پیچ بخورد.

یک حسگر نوری که در دو بعد حساس مکانی است می تواند حرکت چپ – راست منتج شده از اشعه لیزر انعکاس یافته از حرکت بالا –پایین ایجاد شده توسط تغییرات توپوگرافیکی را تشخیص دهد.

شکل 4: عکسبرداری توپوگرافیک از انحراف بالابه پایین دیرک استفاده می کند، در حالیکه عکسبرداری اصطکاکی از انحراف پیچشی 18 استفاده می کند .

بنابراین AFM می تواند اصطکاک نوک- نمونه را هنگام عکسبرداری از توپوگرافی نمونه اندازه گیری کند.در کنار اندازه گیری خواص نمونه ، اصطکاک ( نیروی افقی یا انحراف افقی ) می تواند اطلاعات مفیدی در مورد تاثیر متقابل نوک- نمونه بدهد.

شکل 5 عکسی از اتمهای گرافیت است که در آن اصطکاک وتوپوگرافی با هم نشان داده شده اند.هر برآمدگی یک اتم کربن را نشان می دهد.همچنان که نوک از راست به چپ حرکت می کند، با برخورد به هر اتم به پشت آن می چسبد.اسکنر به حرکت ادامه می دهد ونیروهای افقی 19 ساخته می شوند تا زمانی که نوک از اتم عبور کند و به پشت اتم بعدی بچسبد.این رفتار « چسبیدن – عبور کردن» چین خوردگی موجی شکل را در تصویر اصطکاک ایجاد می کند.( شکل 8 )

شکل 5: تصویر nm 5/2 * 5/2 همزمان توپوگرافی و اصطکاک highly oriental pyrolytic graphite(HOPG) . برآمدگی ها چین خوردگی توپوگرافی اتمی وانعکاس های رنگی نیروی افقی روی نوک را نشان می دهد. جهت تصویر برداری از راست به چپ است.

شکل 6: نمودار تقاطعی داده های اصطکاکی از شکل 5

2-4 اندازه گیری الاستیسیته

AFM می تواند نرمی یک نمونه را با فشار دادن پایه بر هر نقطه نمونه در هنگام تصویربرداری اندازه گیری کند.اسکنر با تغییر نوسان (معمولاً از 1 تا nm 10) بوسیله یک مقدار از پیش تعیین شده نمونه را بالا می برد یا دیرک را پایین می آورد.میزان انحراف دیرک بستگی به نرمی نمونه دارد،نمونه سخت تر باعث انحراف بیشتر دیرک می شود (شکل 7).

شکل 7: AFM می تواند الاستیسیته نمونه را با فروبردن نوک درون نمونه واندازه گیری انحراف دیرک تصویر کند

شکل 8 عکسی از Bovin serum albumin(BSA) که یک پروتئین می باشد را روی سیلیکون نشان می دهد. به جرات می توان گفت که هر کدام از برآمدگی ها که در تصویر توپوگرافی ظاهر شده ، مربوط به یک ملکول BSA است. تصویر الاستیسیته نشان می دهد که هر برآمدگی نسبت به سوبسترای سیلیکون نرمتر است و همان چیزی است که از ملکولهای پروتئین انتظار می رود.

شکل 8: عکس شبیه سازی شده ازتوپوگرافی (چپ )و الاستیسیته (راست ) از BSA روی سیلیکون

2-5 AFM در مهندسی شیمی وبیوتکنولوژی :

توانایی AFM برای تصویربرداری در وضوح اتمی به همراه توانایی آن برای عکسبرداری از انواع متفاوت نمونه ها در شرایط گوناگون ، باعث علاقه مندی زیادی برای استفاده از آن برای مطالعه ساختارهای شیمیایی و بیولوژیکی شده است .اندازه گیری مکانیک بین ملکولی یک ملکول پروتئین،ساپروملکولهای شیمیایی، ملکول های پلیمری یا نانوذرات نرم با AFM انجام شده است. تصاویر زیادی نیز از DNA وسلولهای زنده گرفته شده است. همچنین از AFM برای بدست آوردن استحکام پیوند بین ملکولی یک جفت ملکول در محلولهای فیزیولوژیکی استفاده شده است.

متاسفانه AFM نمی تواند از تمام نمونه ها در مقیاس اتمی عکسبرداری کند.شعاع انتهایی نوک های دردسترس وضوح اتمی را به نمونه های تخت 20 ومتناوب مثل گرافیت نسبتا محدود می کنند. به علاوه به دلیل نرمی ساختارهای بیولوژیکی ، تاثیر متقابل نوک –نمونه ،تمایل به از شکل اندختن یا تخریب آنها در بعضی از موارد دارد.

برای مثال شکل (9) نشان می دهد که چگونه نیروهای به کار گرفته شده روی فیبر کلاژن تمایل به جداسازی آنها از روی سوبسترا در یک دوره زمانی دارد، که این باعث از شکل افتادن بیشتر نمونه می شود.

شکل 9: عکسهای 50،1و 100 برابر شده از فیبرهای کلاژن کوچک. تصویربرداری تکراری از یک ناحیه نشان می دهد فیبرها از سوبسترای شیشه ای جدا شده اند، که باعث تغییر شکل در جهت تصویربرداری می شود، از چپ به راست و از بالا به پایین

3- میکروسکوپ تونل زنده

میکروسکوپ تونل زن (STM) از ترتیب اتمهای سطح با استفاده از امواج حس شده در دانسیته الکترونی سطح که از مکان اتمهای سطح ناشی می شود، عکس می گیرد(شکل 10). با استفاده از این تکنیک میکروسکوپی می توان سطوح رسانای الکتریکی را تا مقیاس اتمی مورد بررسی قرارداد. STM امکان جدیدی برای تشخیص اینکه چگونه شرایط فرآیند آماده سازی می تواند روی جزئیات اتمی سطح ماثر باشد، فراهم می کند.

شکل 10: دیاگرام شماتیکی از میکروسکوپ تونل زن

در STM نمونه به وسیله یک نوک فلزی بسیار نازک اسکن می شود.نوک به شکل مکانیکی به اسکنر متصل است،اسکنر یک دستگاه تعیین کننده موضع XYZ است که توسط مواد پیزوالکتریک کار می کند.

نمونه اندکی بار مثبت یا منفی دارد، بنابراین اگر نوک با نمونه تماس یابد، یک جریان کوچک،« جریان تونل زن » جاری می شود. با کمک جریان تونل زن،الکترونیک پس خور فاصله نوک ونمونه ثابت نگه داشته می شود.اگر جریان تونل زن از میزان فعلی اش بیشتر شود، فاصله بین نوک ونمونه افزایش می یابد واگر از این مقدار کمتر شود، پس خور فاصله را کم می کند.نوک خط به خط سطح نمونه را پیروی از توپوگرافی نمونه اسکن می کند.

3-1 جریان تونل زن

دلیل توانایی بسیار زیا د STM در مقیاس اتمی ، خواص فیزیکی جریان تونل زن است.

شکل 11: تماس تونلی نوک –نمونه و شکل توانی مربوت به آن

وقتی جریان تونل زن جاری می شود، از فاصله اندکی که نوک را از نمونه جدا می کند، عبور می نماید.این مورد در فیزیک کلاسیک امکان پذیر نیست اما با به کارگیری روشهای بهتر مکانیک کوانتوم قابل توجیه می باشد.جریان تونل زن به شکل توانی با افزایش فاصله ( d ) کاهش می یابد (شکل 11).

K,k ثابت اند I= K×U×e -(k×d) ;

تغییر بسیار کم در فاصله نوک –نمونه باعث تغییرات زیادی در جریان تونل زن می شود، بنابراین فاصله نوک-نمونه باید بسیار دقیق اندازه گیری شود.

جریان تونل زن، توسط خارجی ترین اتم واقع در قسمت بیرونی نوک ایجاد می شود،اتمهای نزدیکتر به این اتم مقدارکمی جریان ایجاد می کنند،بنابراین سطح تنها به وسیله یک اتم اسکن می شود.جریان تونل زن با کنده کاری یا کشیدن یک سیم نازک فلزی به راحتی به دست می آید. برای درک بهتر این موضوع مثال زیر را در نظر بگیرید:

یک تپه مخروطی از ماسه را روی زمین تصور کنید، اگر به دقت آنرا بررسی کنید،آنگاه خواهید دید که یک دانه ماسه خارجی ترین قسمت قله را تشکیل می دهد، اکنون جای تپه را با نوک عوض کنید با توجه به این نکته که جریان تونل زن با فاصله به شکل توانی کاهش می یابد ،جریان تونل زن جاری می شودو سطح نمونه با خارجی ترین اتم اسکن می شود.

4- نتیجه گیری:

تاثیرنانوتکنولوژی بر زندگی بشر بسیار فراتر از آن چیزی است که در نگاه اول به نظر می رسد. با یک بررسی اجمالی در می یابیم که فناوری های نوین همگرا هستند ودر نهایت همگی آنها از آنچه که در طبیعت برای میلیونها سال انجام شده سرمشق می گیرند. نانوتکنولوژی می تواند تغییرات اساسی در زمینه تولید مواد، ذخیره انرژی ،ذخایر غذایی و... ایجاد کند.همچنین می تواند سیستم های دارویی- پزشکی ، کشاورزی، شیمیایی و پتروشیمیایی را به خوبی تغییر دهد. اما هر علم وتکنولوژی جدیدی به ابزار وتجهیزاتی برای رسیدن به اهداف خاص آن شاخه از علم نیاز دارد. بی تردید تکنیکهای تصویر برداری از ابزار اولیه و بسیار مهم نانوتکنولوژی می باشند که در این مقاله بطور اجمالی بخشهای از آن مورد بررسی قرار گرفته است. پیش بینی می شود که از نانوتکنولوژی نیزهمانند سایر فناوری ها استفاده نامطلوب گردد. به منظور جلوگیری از توسعه نانوتکنولوژی در جهت اهداف نظامی عاقلانه به نظر می رسد که بر ارزش آن درمهندسی، پزشکی ، محیط زیست وکشاورزی تا کید شود.

1 دانشگاه مازندران- دانشکده فنی و مهندسی- بخش مهندسی شیمی- آزمایشگاه تحقیقاتی نانوذرات

دانشگاه تربیت مدرس تهران- دانشکده فنی و مهندسی- بخش مهندسی شیمی- گروه بیوتکنولوژی 2

آدرس تماس: *

دکتر محسن جهانشاهی- دانشگاه مازندران- دانشکده فنی و مهندسی- بخش مهندسی شیمی- آزمایشگاه تحقیقاتی نانوذرات-

بابل- صندوق پستی: 484

تلفن تماس: 01113234204/ 09113111076

فاکس: 01113234201

پست الکترونیکی:

MJahan@tech.umz.ac.ir

mmohse@yahoo.com