آشنایی با نانو ساختارها

نانوساختار یک ماده ساختار آن در مقیاس اتمی است. از نگاهی دقیق نانو ذرات و نانو ساختارها، ساختارهایی هستند که به اندازه کافی کوچک هستند که خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن ها، تفاوت های آشکاری با خصوصیات قبلی و معمولشان در حالت حجیم دارد.

در الکترونیک نوارهای پهن انرژی در مواد جامد گسسته شده و به حالت مجزا تبدیل می شود و پدیده های کوانتومی را رقم می زند. در مورد تاثیرات حرارتی، مرز تغییر در حدود kT است که k ثابت بولتزمن و تقریباً معادل ^21-10*4 ژول است. T دما برحسب کلوین است.

در مورد اثرهای نوری(اپتیک)، رفتار غیرکلاسیک وقتی مشاهده می شود که ابعاد جسم به کمتر از اندازه طول موج نور مرئی ( ^7-10*5 متر) می رسد. برای ذراتی مانند الکترون ها مقیاس در محدوده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (^8-10*3 متر) است. این حوزه ها که در آن ها تغییرات به وضوح دیده می شود. بخشی از میکروالکترونیک و الکترونیک نوری هستند. از زمانی که ابعاد مدارهای میکروالکترونیک کاهش یافته است، نانوساختارها ظهور بیشتری کرده اند. لایه نازکی از جامد حجیم خواصی دارد که در جهت عمود مشابه خصوصیات یک تک اتم است.

لایه نازکی از یک نیمه هادی که بین لایه نیمه هادی دیگری محصور شده یک چاه کوانتومی نامیده می شود. در این ساختار الکترون ها محدود به دو صفحه شده اند و این دو حصار مانع حرکت الکترون در بعد سوم می شوند. لذا از دیدگاه میکروالکترونیک به چاه های کوانتومی نانوساختار دو بعدی اطلاق می شود( در آن ها الکترون در دو بعد آزاد به حرکت است).

ساختارهایی که در دو بعد نانومتری هستند، سیم های کوانتومی نامیده می شوند. در این ساختارها، جامد نیمه هادی الکترون را بین دو بعد محدود می کند. از نگاه میکروالکترونیک این سیم ها هادی های تک بعدی هستند (الکترون در آن ها مجاز به حرکت در یک بعد است).

خوشه ای از اتم ها (یک ذره نانومتری) ساختاری دارد که وابسته به خصوصیات تک تک اتم ها است. الکترون ها در این ساختار در محل مشخصی از فضا محصورند، به این ساختارها نقطه کوانتومی اطلاق می شود. این ساختارها با استفاده از روش های استاندارد صنعت نیمه هادی ها ساخته می شوند. فولرین، گرافن و نانولوله های کربنی سه ساختار با این سه وضعیت هستند.

باکی بال،‌ گرافیت و نانولوله، ساختارهای مختلف از کربن که در نانوساختار متفاوت هستند.

فولرین ها مولکول های کروی از اتم کربن هستند که با پیوند محکم کووالانسی به هم متصل شده اند.

باکی-بال(C60 یا باک مینیسترفولرین) ساده ترین نوع فولرین است. باکی بال شبیه به توپ فوتبال است که اضلاع 5 و 6 ضلعی دارد که در گوشه همه آن ها یک اتم کربن مشاهده می شود. فولرین ها خواص الکترونیکی نقاط کوانتومی را دارند. نانولوله ها نیز مثل صفحات گرافیتی می مانند که به صورت صفحه درآمده است. نانولوله ها رفتار سیم های کوانتومی را نشان می دهند.

در الکترونیک نوری(اپتوالکترونیک)، هدف از استفاده نور، ایفای نقش الکترون در ساختارهایی جدید برای انتقال داده است. کریستال های فوتونیک معادل نوری ترانزیستورها هستند. این ساختارهای مصنوعی به روش مشخص و کنترل شده ای با نور رفتار می کنند.

توضیح شکل فوق: ساختارهای فوتونیکی: این ساختارها به ترتیب در سه جهت، دو جهت یا یک جهت قابل تناوب هستند و به آن ها 2D، 3D و 1D فوتونیکی اطلاق می شود.

کریستال های فوتونیکی آرایش متناوب اشیای دی الکتریک هستند که برای امواج الکترومغناطیسی فواصل ممنوعه ای را ایجاد می کنند. خیلی از آن ها بر اساس ساختار یک کریستال فوتونیک طبیعی شکل گرفته اند. برای مثال جواهرات و سنگ های قیمتی با نام اُپَل شامل بخش های سرامیکی کروی هستند که قطری معادل طول موج نور دارند و این باعث تلالو رنگ های مختلف از سنگ می شود.

تعدادی از کریستال های فوتونیک در خلقت

نانوساختارها در هر سطحی وجود دارند و در ساخت بسیاری از نانوساختارها می توان از موجودات طبیعت الگو گرفت. تار عنکبوت معمولی (در بین تمام عنکبوتها و انواع تار آنها) ماده ای پلیمری با خواص برجسته است که اگر خواسته باشیم خوب توصیف کنیم به مانند یک تور ماهیگیری می ماند که توان و قدرت مهار کردن یک موشک بالستیک را دارد.

این خصوصیات ناشی از نانوساختار و ساختار خاص نانومتری رشته تار است که شامل نواحی کریستالی و غیر کریستالی آمیخته در هم است. بسیاری از ساخته های طبیعی نانوساختار دارند و ویژگی های خاص آن ها بسیاری از دانشمندان فناوری نانو و فناوری بیو (فناوری زیستی) را به تکاپو انداخته است. چنانچه ریچارد فاینمن اشاره می کند: "طبیعت با ابزار زنده ای کار می کند که می توان از آن برای توسعه ساختارهای کوچک استفاده نمود".

تا کنون با 1400 رویکرد شناخته شده از خصوصیات و پدیده های مربوط به موجودات مختلف در خلقت کپی برداری شده است

مرکز یادگیری تبیان - تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی