عناصر پايه در فناوري نانو

اشاره

 در اين مقاله، در ادامه ي بحث آموزش مفاهيم پايه ي فناوري نانو، به معرفي چند نانوساختار ديگر از جمله نانوکپسول ها، نانوسيم ها و فولرين ها مي پردازيم.

1- نانو کپسول

اولين عنصر پايه، نانوکپسول است. آنها کپسول هايي با قطر نانومتري هستند که مي توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال ها از توليد نانوکپسول در طبيعت مي گذرد؛ مولکول هاي موسوم به فسفوليپيدها که يک سر آنها آب گريز و سر ديگر آنها آب دوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي گيرند، خودبه خود کپسول هايي را تشکيل مي دهند که قسمت هاي آب گريز مولکول در درون آنها واقع مي شود از تماس با آب محافظت مي شود؛ البته حالت عکس آن نيز قابل تصور است.

نانوکپسول به هر نانو ذره اي گفته مي شود که داراي يک پوسته و يک فضاي خالي براي قرار دادن مواد مورد نظر در داخل آن باشد.

1-1 روش هاي ساخت

فرآيندهاي اصلي ساخت کپسول ها شکل عمومي يکساني دارند: از يک امولسيون روغن در آب يا آب در روغن براي خلق به ترتيب نانوکپسول هاي روغني و آبي استفاده مي شود. زمينه ي کاربرد کپسول ها به نوع امولسيون مورد استفاده بستگي دارد؛ مثلاً تزريق وريدي مستلزم استفاده از نانوکپسول هاي آبي است، بنابراين براي ساخت کپسول هاي مذکور بايد از امولسيون آب در روغن استفاده شود. با اين حال، طبيعت مواد کپسوله شده – يعني آب دوست يا آب گريز بودن آنها – نيز نوع نانوکپسول مورد نياز را ديکته مي کند که ممکن است با کاربرد موردنظر تطابق نداشته باشد. روکش دهي کپسول ها با لايه هاي ديگر ممکن است اين مغايرت را رفع نمايد. براي روکش دهي مي توان از پروتئين ها، پليمرها و ديگر واد طبيعي و مصنوعي سود جست و آنها را بر حسب خواص گوناگوني به غير از آب دوستي يا آب گريزي (نظير چسبندگي، مقاومت در برابر محيط هاي مختلف و...) انتخاب کرد. علائه بر اين، مي توان از کپسول هاي موقتي (يا الگوها) به عنوان شالوده ي لايه هاي ديگر استفاده کرد و آنها را از بين برد. شرايط ساخت نانوکپسول ها بحراني و حاد نيست و به همين علت از منظر زيست شناسي، داراي جذابيت خاصي براي رسانش مواد زيستي حساس هستند.

1-2- انواع نانوکپسول ها

نانو کپسول هاي پليمري

اخيراً از پليمرها در ساخت نانوکپسول ها استفاده شده است. فرايند اصلي ساخت اين نانوکپسول ها «پليمريزاسيون امولسيوني» است. هم اکنون مي توان نانو کپسول هاي پليمري را در اندازه ها و اشکال گوناگون و در مقادير مناسب توليد کرد، سپس با الصاف يا جاي دهي مولکول خاصي در ديواره ي اين نانو کپسول ها آنها را کارکردي نمود.

کاربرد

اين نانوکپسول ها مي توانند به صورت ماشه ي يک سيستم دارورساني هدفمند عمل و در پاسخ به يک زيست مولکول خاص، محتواي نانوکپسول را آزاد نمايند. برخلاف کپسول هاي پليمري نانوامولسيون ها با پيوندهاي کووالانسي قدرتمندي به يکديگر مي چسبند و در نتيجه از استحکام خاصي برخوردارند. بسياري از نانوکپسول ها در هر دو شکل مايع و خشک پايدارند.

براي داروسازي به جاي سازوکار ماشه کشي، مي توان محموله را – در صورت ريز بودن مولکول محموله – با استفاده از سازوکار ساده ي نفوذ، رها و يا به صورت تخريب طبيعي يا به کمک امواج ماوراي صوت آن را باز کرد.

ساخت نانوکپسول ها نوعي از خودآرايي محسوب مي شود.

نانوامولسيون ها

نانوامولسيون ها از برخي مولکول هاي سورفکتانت مثل فسفوليپيدها – که از يک طرف آب گريز (هيدورفوبيک) و از يک سمت آب دوست (هيدروفيليک) هستند – تشکيل مي شوند. قرار گرفتن اين مولکول ها در يک محيط آبي، خودبه خود منجر به تشکيل کپسول هايي مي شود که قسمت هاي آب گريز مولکول درون آنها جاي دارد؛ لذا از تماس با آب محافظت مي شوند. ليپوزوم ها ساختارهايي از جنس چربي هستند که در اين دسته قرار مي گيرند.

کاربرد

از اين ترکيبات در دارورساني ساده تر از طريق وريدي و خوراکي، و براي رهايش کنترل شده و تأخيري آفت کش ها کاربرد دارند. از مصارف ديگر اين ترکيبات مي توان به کاربرد آنها در پودرهاي رخت شويي خوب کننده ي لباس و افزايش طول عمر آنزيم ها در خارج از سلول اشاره کرد.

2- نانوسيم

نانوسيم، يک نانوساختار دو بعدي است و چون در اين ابعاد اثراتت کوانتمي مهم هستند اين سيم ها، سيم هاي کوانتومي نيز ناميده مي شوند. از نانوسيم ها در ساخت مدارهاي الکتريکي در اندازه هاي کوچک استفاده مي شود.

روش هاي ساخت:

روش هاي عمده براي ساخت نانونيسم ها عبارتند از:

استفاده از ليتوگرافي يا چاپ روي يک سطح (ليتوگرافي نرم)؛

استفااه از فرايند رشد شيميايي در يک محيط گازي يا مايع: استفاه از نانو ذرات به عنوان کاتاليست. اين فرايند، منجر به بهبود فوق العاده ي رشد شيميايي مي شود. در نوعي از اين فرايند از ذرات کاتاليست متصل به سطح براي رشد نانوسيم هايي که داراي يک سر متصل به سطح هستند، استفاده مي شود (اين نانوسيم ها لااقل در ابتدا بر سطح عمود هستند).

استفاده از خودآرايي براي رشد مستقيم يک نانوسيم روي يک سطح (موازي با سطح): اين راهکار باعث شکل دهي مستقيم آرايه هايي از نانوسيم ها بر روي سطح مي شود، که تنها چند نانومتر قطر داشته، به اندازهي ده نانومتر يا کمتر با هم فاصله دارند. با اين حال براي ساخت تماس هاي الکتريکي در اين سيم ها به راهکارهاي ديگري نيازمنديم.

از ديگر روش هاي توليد نانوسيم مي توان به استفاده از حکاکي شيميايي سيم هاي بزرگ تر و يا بمباران يک سيم بزرگ تر به وسيله ي ذرات پرانرژي ديگر (اتم يا مولکول) اشاره کرد، همچنين مي توان به روش ديگر، يعني برجسته کردن سطح يک فلز به نقطه ي ذوب با استفاده از نوک پروبSTM و منقبض کردن آن اشاره کرد.

براي سنتز نانوسيم، مي توان از روش سنتز بخار مايع جامد (VLS) نيز استفاده کرد، در اين روش از ذرات تجريه شده با ليزر و يا محصولات گازي استفاده مي کنيم.

کاربرد:

نانوسيم ها از فلزات، نيمه هادي هاي مرسوم همچون سيليکون و گاليم و انواع پليمرها ساخته شده اند.

کار روي نانوسيم ها هنوز تا حدي زيادي در مرحله ي تحقيق قرارداد دارد. مشکل اتصالات هنوز بر سر راه  کساني است که قصد ساخت قطعات پيچيده ي تجاري از نانوسيم ها را دارند؛ اما اين ساختارها در مقايسه با نانولوله ها، به لحاظ قابليت توليد انبوه که نتيجه راهکار خودآرايي است، رجحان دارند. در صورت ايجاد ساختارهاي مفيد به صورت خودآرايي، ديگر با موانع توليد تجاري ساختارهاي کارا (که افراد اميدوار به تجاري سازي الکترونيک نانولوله اي با آن مواجهند) روبه رو نخواهيم شد. به نظر مي رسد بتوان از نانوسيم ها در رايانه ها و ديگر دستگاه هاي محاسبه گر استفاده کرد. دستيابي به قطعات الکترونيکي نانومقياس پيچيده، مستلزم اتصال دادن آنها به سيم هاي نانومقياس است. علاوه بر اين خود نانوسيم ها نيز مي توانند مبناي اجزاي الکترونيکي همچون حافظه باشند.

علاوه بر مواد فلزي و نيمه رسانا، ساخت نانوسيم از مواد آلي نيز تحت بررسي است. اخيراً ماده اي موسوم به اليگوفنيلين وينيلين موجب اميدواري شده است.

هنگام استفاده از نانوسيم ها، بايد توجه داشته که مقايسه ي آن با سيم کشي بزرگ مقياس گمراه کننده است. برخي از نانوسيم ها يک رفتار رسانايي کاملاً غيرکلاسيک را از خود نشان مي دهند. اين نانوسيم ها شامل نانو لوله هاي کربني فلزي (رسانا) و برخي از نانوسيم هاي نيمه رسانا مي شوند که به وسيله ي گروه چارلز ليبر در هاروارد توسعه يافته اند. به اين رساناها رساناهاي پرتابه اي گفته مي شود، چون الکترون هاي گذرنده از سيم بسيار شبيه گلوله ي پرتاب شده در لوله ي تفنگ است. اولين مشخصه ي يک رساناي پرتابه اي ثابت بودن مقاومت آن نسبت به طول است، که با رسانايي عادي در الکترونيک روزمره ي ما – که مقاومت متناسب با طول افزايش مي يابد – متفاوت است.

رسانايي نانوسيم ها در حالتي بررسي مي شود که بين دو الکترود قرار مي گيرند ، رسانايي اين ترکيبات به ابعاد آنها وابسته است.

نانوسيم ها شکل هاي ويژه اي دارند؛ بعضي اوقات اشکال غيربلوري و در برخي موارد حالت مارپيچي به خود مي گيرند. بلوري نبودن آنها به دليل يک بعدي بودن آنهاست،

همچنين از آنها به دليل خواص الکتريکي خاصي که دارند – که در حضور مواد خاص دچار تغيير مي شوند – مي توان به عنوان حسگر استفاده کرد. از جمله کاربردهاي ديگر نانوسيم ها مي توان به استفاده از آن در ساخت غشاهاي جداسازي گازها و سيستم هاي ميکروآناليز، توليد سيستم هاي ميکروالکترومکانيکي سراميکي و تجهيزات آشکارسازي امواج راديويي اشاره کرد. ديودهاي نورافشان نانو مقياس به سادگي از تقاطع دو نوع نانوسيم هاي اکسيد روي ساخته شده است، که البته آنها را نانوالياف نيز مي توان ناميد. همچنين قابليت نانوسيم هاي فلزي در قطعات قابل تنظيم مايکروويو نشان داده شده است.

انواع نانوسيم ها

انواع نانوسيم ها عبارتند از:

نانوسيم هاي فلزي

خواص اين نانوساختارها باعث مي شود که بتوان از آن در ساخت قطعات الکترونيکي استفاده کرد.

نانوسيم هاي آلي

همان طور که از نام اين نانوسيم ها پيداست، از ترکيبات آلي به دست مي آيد. از جمله ويژگي هاي اين سيم ها مي توان به رسانايي، مقاومت و هدايت گرمايي اشاره کرد که به ساختار مونومر و طرز آرايش آن بستگي دارد.

نانوسيم هاي نيمه هادي

نانوسيم هاي نيمه هادي با استفاده از روش هاي مورد اشاره در بالا قابل تهيه هستند. ساختار شيميايي اين ترکيبات باعث ايجاد خواص جالب توجهي شده است.

3- فولرين

فولرين ها، اغلب به نوعي از ساختارهاي کروي گفته مي شود که از جنس کربن هستند. ولي امروز از عناصر ديگري همچون نيتروژن نيز در ساختار آنها استفاده شده است؛ آزا فولرين (C48N12) و فولرين هاي معدني نمونه اي از آنها به شمار مي روند.

کاربردهاي فولرين ها عبارتند از:

روان کننده جامد؛

روغن موتورهاي بسيار کاراتر؛

ارسال هدفمند داروها؛

درمان ايدز و سرطان با فولرين هاي حساس به نور؛

لاستيک هاي سبک تر، مقاوم تر و الاستيک تر؛

جلوگيري از رشد باکتري ها؛

ديودهاي نورافشان آلي با طول عمر و عملکرد بالا (نمايشگرهاي OLED).

انواع فولرين ها:

فولرين هاي کربني؛

فولرين هاي درون وجهي؛

فولرين هاي چند لايه؛

فولرين هاي غيرکربني.

فولرين هاي کربني

فولرين هاي کربني، آلوتروپي از کربن (نظير الماس و گرافيت) هستند اين ترکيبات از کربن ساخته شده اند و فرم هاي کروي، بيضوي به خود مي گيرند که به آن دسته که کروي شکل هستند، باکي بال مي گويند. در آوريل 2003 اين نوع فولرين ها در زمينه ي دارويي مورد مطالعه قرار گرفتند (درخصوص آنتي بيوتيک هايي که براي مقابله با باکتري هاي مقاوم و حتي سلول هاي سرطاني مصرف مي شود). فولرين ها فعاليت شيميايي زيادي ندارند و در چندين حلال نظير تولوئن و کربن دي سولفيد حل مي شوند.

فولرين هاي درون وجهي

فولرين هاي درون وجهي اتم هاي مختلف را داخل خود محصور مي کنند، نانو ساختارهاي به دست آمده براي رديابي عناصر و فرايندهاي زيست شناختي به کار مي روند.

فولرين هاي چند لايه

فولرين هاي چند لايه شامل چند فولرين است که در داخل يکديگر قرار دارند. به همين دليل به اين ساختار نانوپياز نيز گفته مي شود.

فولرين هاي غيرکربني

در فولرين هاي غيرکربني، عناصر ديگر ساختاري مشابه فولرين ها را به وجود مي آورند، ساختار شيميايي اين فولرين ها اغلب اکسيد فلزي است، اکسيد واناديوم يک نمونه از آنهاست.

مشتقات شيميايي فولرين ها

جايگزين شدن عناصر ديگر (مانند نيتروژن  گوگرد) به جاي کربن، منجر به ايجاد مشتقات شيميايي گوناگوني مي شود، که آزافولرين يکي از اين ترکيبات است. مشتقات شيميايي ديگر با اضافه شدن ترکيبات شيميايي به وسيله ي يک گروه عاملي به فولرين به وجود مي آيند. بديهي است ايجاد چنين ساختاري نوعي اصلاح شيميايي به حساب مي آيد.

منبع: سايت ستاد فناوري نانو (