عناصر پایه در فناوری نانو

اشاره

در این مقاله، در ادامه ی بحث آموزش مفاهیم پایه ی فناوری نانو، به معرفی چند نانوساختار دیگر از جمله نانوکپسول ها، نانوسیم ها و فولرین ها می پردازیم.

1- نانو کپسول

اولین عنصر پایه، نانوکپسول است. آنها کپسول هایی با قطر نانومتری هستند که می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال ها از تولید نانوکپسول در طبیعت می گذرد؛ مولکول های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آب گریز و سر دیگر آنها آب دوست است، وقتی در محیط آبی قرار می گیرند، خودبه خود کپسول هایی را تشکیل می دهند که قسمت های آب گریز مولکول در درون آنها واقع می شود از تماس با آب محافظت می شود؛ البته حالت عکس آن نیز قابل تصور است.

نانوکپسول به هر نانو ذره ای گفته می شود که دارای یک پوسته و یک فضای خالی برای قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد.

1-1 روش های ساخت

فرآیندهای اصلی ساخت کپسول ها شکل عمومی یکسانی دارند: از یک امولسیون روغن در آب یا آب در روغن برای خلق به ترتیب نانوکپسول های روغنی و آبی استفاده می شود. زمینه ی کاربرد کپسول ها به نوع امولسیون مورد استفاده بستگی دارد؛ مثلاً تزریق وریدی مستلزم استفاده از نانوکپسول های آبی است، بنابراین برای ساخت کپسول های مذکور باید از امولسیون آب در روغن استفاده شود. با این حال، طبیعت مواد کپسوله شده – یعنی آب دوست یا آب گریز بودن آنها – نیز نوع نانوکپسول مورد نیاز را دیکته می کند که ممکن است با کاربرد موردنظر تطابق نداشته باشد. روکش دهی کپسول ها با لایه های دیگر ممکن است این مغایرت را رفع نماید. برای روکش دهی می توان از پروتئین ها، پلیمرها و دیگر واد طبیعی و مصنوعی سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگونی به غیر از آب دوستی یا آب گریزی (نظیر چسبندگی، مقاومت در برابر محیط های مختلف و...) انتخاب کرد. علائه بر این، می توان از کپسول های موقتی (یا الگوها) به عنوان شالوده ی لایه های دیگر استفاده کرد و آنها را از بین برد. شرایط ساخت نانوکپسول ها بحرانی و حاد نیست و به همین علت از منظر زیست شناسی، دارای جذابیت خاصی برای رسانش مواد زیستی حساس هستند.

1-2- انواع نانوکپسول ها

نانو کپسول های پلیمری

اخیراً از پلیمرها در ساخت نانوکپسول ها استفاده شده است. فرایند اصلی ساخت این نانوکپسول ها «پلیمریزاسیون امولسیونی» است. هم اکنون می توان نانو کپسول های پلیمری را در اندازه ها و اشکال گوناگون و در مقادیر مناسب تولید کرد، سپس با الصاف یا جای دهی مولکول خاصی در دیواره ی این نانو کپسول ها آنها را کارکردی نمود.

کاربرد

این نانوکپسول ها می توانند به صورت ماشه ی یک سیستم دارورسانی هدفمند عمل و در پاسخ به یک زیست مولکول خاص، محتوای نانوکپسول را آزاد نمایند. برخلاف کپسول های پلیمری نانوامولسیون ها با پیوندهای کووالانسی قدرتمندی به یکدیگر می چسبند و در نتیجه از استحکام خاصی برخوردارند. بسیاری از نانوکپسول ها در هر دو شکل مایع و خشک پایدارند.

برای داروسازی به جای سازوکار ماشه کشی، می توان محموله را – در صورت ریز بودن مولکول محموله – با استفاده از سازوکار ساده ی نفوذ، رها و یا به صورت تخریب طبیعی یا به کمک امواج ماورای صوت آن را باز کرد.

ساخت نانوکپسول ها نوعی از خودآرایی محسوب می شود.

نانوامولسیون ها

نانوامولسیون ها از برخی مولکول های سورفکتانت مثل فسفولیپیدها – که از یک طرف آب گریز (هیدورفوبیک) و از یک سمت آب دوست (هیدروفیلیک) هستند – تشکیل می شوند. قرار گرفتن این مولکول ها در یک محیط آبی، خودبه خود منجر به تشکیل کپسول هایی می شود که قسمت های آب گریز مولکول درون آنها جای دارد؛ لذا از تماس با آب محافظت می شوند. لیپوزوم ها ساختارهایی از جنس چربی هستند که در این دسته قرار می گیرند.

کاربرد

از این ترکیبات در دارورسانی ساده تر از طریق وریدی و خوراکی، و برای رهایش کنترل شده و تأخیری آفت کش ها کاربرد دارند. از مصارف دیگر این ترکیبات می توان به کاربرد آنها در پودرهای رخت شویی خوب کننده ی لباس و افزایش طول عمر آنزیم ها در خارج از سلول اشاره کرد.

2- نانوسیم

نانوسیم، یک نانوساختار دو بعدی است و چون در این ابعاد اثراتت کوانتمی مهم هستند این سیم ها، سیم های کوانتومی نیز نامیده می شوند. از نانوسیم ها در ساخت مدارهای الکتریکی در اندازه های کوچک استفاده می شود.

روش های ساخت:

روش های عمده برای ساخت نانونیسم ها عبارتند از:

استفاده از لیتوگرافی یا چاپ روی یک سطح (لیتوگرافی نرم)؛

استفااه از فرایند رشد شیمیایی در یک محیط گازی یا مایع: استفاه از نانو ذرات به عنوان کاتالیست. این فرایند، منجر به بهبود فوق العاده ی رشد شیمیایی می شود. در نوعی از این فرایند از ذرات کاتالیست متصل به سطح برای رشد نانوسیم هایی که دارای یک سر متصل به سطح هستند، استفاده می شود (این نانوسیم ها لااقل در ابتدا بر سطح عمود هستند).

استفاده از خودآرایی برای رشد مستقیم یک نانوسیم روی یک سطح (موازی با سطح): این راهکار باعث شکل دهی مستقیم آرایه هایی از نانوسیم ها بر روی سطح می شود، که تنها چند نانومتر قطر داشته، به اندازهی ده نانومتر یا کمتر با هم فاصله دارند. با این حال برای ساخت تماس های الکتریکی در این سیم ها به راهکارهای دیگری نیازمندیم.

از دیگر روش های تولید نانوسیم می توان به استفاده از حکاکی شیمیایی سیم های بزرگ تر و یا بمباران یک سیم بزرگ تر به وسیله ی ذرات پرانرژی دیگر (اتم یا مولکول) اشاره کرد، همچنین می توان به روش دیگر، یعنی برجسته کردن سطح یک فلز به نقطه ی ذوب با استفاده از نوک پروبSTM و منقبض کردن آن اشاره کرد.

برای سنتز نانوسیم، می توان از روش سنتز بخار مایع جامد (VLS) نیز استفاده کرد، در این روش از ذرات تجریه شده با لیزر و یا محصولات گازی استفاده می کنیم.

کاربرد:

نانوسیم ها از فلزات، نیمه هادی های مرسوم همچون سیلیکون و گالیم و انواع پلیمرها ساخته شده اند.

کار روی نانوسیم ها هنوز تا حدی زیادی در مرحله ی تحقیق قرارداد دارد. مشکل اتصالات هنوز بر سر راه  کسانی است که قصد ساخت قطعات پیچیده ی تجاری از نانوسیم ها را دارند؛ اما این ساختارها در مقایسه با نانولوله ها، به لحاظ قابلیت تولید انبوه که نتیجه راهکار خودآرایی است، رجحان دارند. در صورت ایجاد ساختارهای مفید به صورت خودآرایی، دیگر با موانع تولید تجاری ساختارهای کارا (که افراد امیدوار به تجاری سازی الکترونیک نانولوله ای با آن مواجهند) روبه رو نخواهیم شد. به نظر می رسد بتوان از نانوسیم ها در رایانه ها و دیگر دستگاه های محاسبه گر استفاده کرد. دستیابی به قطعات الکترونیکی نانومقیاس پیچیده، مستلزم اتصال دادن آنها به سیم های نانومقیاس است. علاوه بر این خود نانوسیم ها نیز می توانند مبنای اجزای الکترونیکی همچون حافظه باشند.

علاوه بر مواد فلزی و نیمه رسانا، ساخت نانوسیم از مواد آلی نیز تحت بررسی است. اخیراً ماده ای موسوم به الیگوفنیلین وینیلین موجب امیدواری شده است.

هنگام استفاده از نانوسیم ها، باید توجه داشته که مقایسه ی آن با سیم کشی بزرگ مقیاس گمراه کننده است. برخی از نانوسیم ها یک رفتار رسانایی کاملاً غیرکلاسیک را از خود نشان می دهند. این نانوسیم ها شامل نانو لوله های کربنی فلزی (رسانا) و برخی از نانوسیم های نیمه رسانا می شوند که به وسیله ی گروه چارلز لیبر در هاروارد توسعه یافته اند. به این رساناها رساناهای پرتابه ای گفته می شود، چون الکترون های گذرنده از سیم بسیار شبیه گلوله ی پرتاب شده در لوله ی تفنگ است. اولین مشخصه ی یک رسانای پرتابه ای ثابت بودن مقاومت آن نسبت به طول است، که با رسانایی عادی در الکترونیک روزمره ی ما – که مقاومت متناسب با طول افزایش می یابد – متفاوت است.

رسانایی نانوسیم ها در حالتی بررسی می شود که بین دو الکترود قرار می گیرند ، رسانایی این ترکیبات به ابعاد آنها وابسته است.

نانوسیم ها شکل های ویژه ای دارند؛ بعضی اوقات اشکال غیربلوری و در برخی موارد حالت مارپیچی به خود می گیرند. بلوری نبودن آنها به دلیل یک بعدی بودن آنهاست،

همچنین از آنها به دلیل خواص الکتریکی خاصی که دارند – که در حضور مواد خاص دچار تغییر می شوند – می توان به عنوان حسگر استفاده کرد. از جمله کاربردهای دیگر نانوسیم ها می توان به استفاده از آن در ساخت غشاهای جداسازی گازها و سیستم های میکروآنالیز، تولید سیستم های میکروالکترومکانیکی سرامیکی و تجهیزات آشکارسازی امواج رادیویی اشاره کرد. دیودهای نورافشان نانو مقیاس به سادگی از تقاطع دو نوع نانوسیم های اکسید روی ساخته شده است، که البته آنها را نانوالیاف نیز می توان نامید. همچنین قابلیت نانوسیم های فلزی در قطعات قابل تنظیم مایکروویو نشان داده شده است.

انواع نانوسیم ها

انواع نانوسیم ها عبارتند از:

نانوسیم های فلزی

خواص این نانوساختارها باعث می شود که بتوان از آن در ساخت قطعات الکترونیکی استفاده کرد.

نانوسیم های آلی

همان طور که از نام این نانوسیم ها پیداست، از ترکیبات آلی به دست می آید. از جمله ویژگی های این سیم ها می توان به رسانایی، مقاومت و هدایت گرمایی اشاره کرد که به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد.

نانوسیم های نیمه هادی

نانوسیم های نیمه هادی با استفاده از روش های مورد اشاره در بالا قابل تهیه هستند. ساختار شیمیایی این ترکیبات باعث ایجاد خواص جالب توجهی شده است.

3- فولرین

فولرین ها، اغلب به نوعی از ساختارهای کروی گفته می شود که از جنس کربن هستند. ولی امروز از عناصر دیگری همچون نیتروژن نیز در ساختار آنها استفاده شده است؛ آزا فولرین (C48N12) و فولرین های معدنی نمونه ای از آنها به شمار می روند.

کاربردهای فولرین ها عبارتند از:

روان کننده جامد؛

روغن موتورهای بسیار کاراتر؛

ارسال هدفمند داروها؛

درمان ایدز و سرطان با فولرین های حساس به نور؛

لاستیک های سبک تر، مقاوم تر و الاستیک تر؛

جلوگیری از رشد باکتری ها؛

دیودهای نورافشان آلی با طول عمر و عملکرد بالا (نمایشگرهای OLED).

انواع فولرین ها:

فولرین های کربنی؛

فولرین های درون وجهی؛

فولرین های چند لایه؛

فولرین های غیرکربنی.

فولرین های کربنی

فولرین های کربنی، آلوتروپی از کربن (نظیر الماس و گرافیت) هستند این ترکیبات از کربن ساخته شده اند و فرم های کروی، بیضوی به خود می گیرند که به آن دسته که کروی شکل هستند، باکی بال می گویند. در آوریل 2003 این نوع فولرین ها در زمینه ی دارویی مورد مطالعه قرار گرفتند (درخصوص آنتی بیوتیک هایی که برای مقابله با باکتری های مقاوم و حتی سلول های سرطانی مصرف می شود). فولرین ها فعالیت شیمیایی زیادی ندارند و در چندین حلال نظیر تولوئن و کربن دی سولفید حل می شوند.

فولرین های درون وجهی

فولرین های درون وجهی اتم های مختلف را داخل خود محصور می کنند، نانو ساختارهای به دست آمده برای ردیابی عناصر و فرایندهای زیست شناختی به کار می روند.

فولرین های چند لایه

فولرین های چند لایه شامل چند فولرین است که در داخل یکدیگر قرار دارند. به همین دلیل به این ساختار نانوپیاز نیز گفته می شود.

فولرین های غیرکربنی

در فولرین های غیرکربنی، عناصر دیگر ساختاری مشابه فولرین ها را به وجود می آورند، ساختار شیمیایی این فولرین ها اغلب اکسید فلزی است، اکسید وانادیوم یک نمونه از آنهاست.

مشتقات شیمیایی فولرین ها

جایگزین شدن عناصر دیگر (مانند نیتروژن  گوگرد) به جای کربن، منجر به ایجاد مشتقات شیمیایی گوناگونی می شود، که آزافولرین یکی از این ترکیبات است. مشتقات شیمیایی دیگر با اضافه شدن ترکیبات شیمیایی به وسیله ی یک گروه عاملی به فولرین به وجود می آیند. بدیهی است ایجاد چنین ساختاری نوعی اصلاح شیمیایی به حساب می آید.

منبع: سایت ستاد فناوری نانو (www.nano.ir))؛ بخش دانستنی ها