نانو (روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو)

مقدمه
بخشی از فناوری نانو دنیایی را که هر روز در جریان است مطالعه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، فقط کمی عمیق تر و کمی پایین‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر آنجاهایی که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایمان نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانیم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فیزیک و شیمی برویم و مفاهیم اولیه را مرور کنیم؛ در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پایه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد سپس سراغ لوازم و ابزار و وسایلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رویم که دنیایی را که در پایین وجود دارد، برای ما نمایان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. انشاالله در مقالات بعدی هر کدام از این ابزارها را بطور کامل شرح خواهیم داد.
اجزای سازنده مواد و نیروی بین آنها
برای درک از اجزای طبیعت باید به این نکته توجه کرد که اتمها بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌های سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهای خاص تشکیل شده که وقتی در کنار یکدیگر قرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند مولکولها را شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند، تعداد این اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بیش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار میگیرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.
چیزی که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در یک مولکول و مولکولها را در یک ماده کنار هم حفظ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند نیروهایی است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این نیروها بین الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسیار قوی هستند.
شنیده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اید که یک مورچه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آیا شما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانید دوبرابر وزن خود را حکل کنید؟ با این حساب مورچه قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است یا شما؟ اینکه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوییم پیوند بین اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خیلی قوی و مستحکم است دقیقاً مانند همین مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.
گفتیم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها ماده ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پیوند بین مولکولی و نیروی بین مولکولها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مایع، جامد یا گاز باشد. البته نوع پیوندها نیز در رفتار ماده تاثیر زیادی دارند، برای مثال بعضی پیوندها که به پیوند یونی معروف هستند باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رسانای جریان برق باشد. تعداد و جهت و زاویه متفاوت یک نوع پیوند نیز سبب بروز خواص متفاوت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. برای مثال الماس و گرافیت هر دو از اتمهای یک عنصر یعنی کربن تشکیل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولی از آنجایی که تعداد و نحوه قرارگیری پیوندها بین اتمهایِ آن متفاوت است، الماس بسیار مستحکم است و گرافیت بسیار نرم.
مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از میکروسکوپ
میکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنید تا سلولهای موجودات زنده را مشاهده کنید بسیار ساده است و برای مشاهده دنیای نانو کارآمد نیست. امروزه انواع گوناگونی میکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفیدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از این دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پیچیدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند تا از ابعاد ریز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند.
علاوه بر پیچیدگی و پر رمز و راز بودن این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها تفاوت اصلی آنها با میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها� � ساده و نوری مدرسه این است که آنها بصورت غیر مستقیم از دنیای نانو به کسب اطلاعات می‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقیانوس شناسان که بدون رفتن به زیر آب اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کف اقیانوس را ترسیم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند یا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سیاره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن سیاره را شناسایی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.
شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از پردازش داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود. اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند. این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند.
اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصلة کف با منبع گسیل‌کننده ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌نمایند.
ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.
اساس کار میکروسکوپهای پیشرفته نیز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غیر مستقیم است.
میکروسکوپ نیروی اتمی AFM :
این نوع میکروسکوپ نیروی اتمی شباهت زیادی به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناس� ��‌‌‌‌‌‌‌‌های قدیمی و کهنه کار دارد. یک جورهایی نیز شبیه دستگاه گرامافون از یک سوزن بسیار نوک تیز تشکیل شده که این سوزن روی سطح لوح در شیار‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستی – بلندی های سطح را به صدا تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.
و اما وظیفه میکروسکوپ نیروی اتمی چیست؟
می‌دانیم که تمامی اجسام هراندازه هم که به ظاهر صاف و صیقلی باشند، باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی‌هایی هستند. به عنوان مثال سطح شیشه بسیار بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسد، اما اگر در مقیاس خیلی کوچک به آن نگاه کنیم، خواهیم دید که سطح شیشه پر از ناصافی‌ها یا به عبارتی “دست انداز” است. کار میکروسکوپ نیروی اتمی نشان‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آنهاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یک سطح خاص از ماده را “توپوگرافی” می‌نامند.
همانطور که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانید نیروهای بسیار کوچکی بصورت جاذبه و دافعه بین اتمهای باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب می شوند.) چنین نیروهایی بین نوک میکروسکوپ و اتمهای سطح ایجاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گردد. با اندازه گیری نیروی بین اتمها در نقاط مختلف سطح، می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتمها روی آن را مشخص کرد.
برای آشنایی بیشتر با میکروسکوپ نیروی اتمی به مقاله‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که در این مورد در باشگاه نانو نوشته شده مراجعه کنید
میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی SEM :
در میکروسکوپ نیروی اتمی یک انبرک با نوک بسیار حساس روی سطح حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و اطلاعات مورد نیاز را از ابعاد نانومتری به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌داد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنیم میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ایم.
این دسته میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پروتویی از الکترونها را به هر آنچه که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسی و مطالعه کنند، شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، به این ترتیب انرژی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شلیک شده به سطح مورد نمونهِ موردِ مطالعه منتقل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترونهای پرتو (که الکترونهای اولیه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) الکترونهای نمونه را جدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این الکترونهای جدا شده (که الکترونهای ثانویه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که دارای بار مثبت است کشیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آنجا تبدیل به “سیگنال” می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. این سیگنالها توسط رایانه به تصاویر قابل مشاهده تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.
میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی؛ شکل، اندازه و نحوه قرار گیری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. نوع های پیشرفته تر این دستگاه قادر هستند که ترکیب اجزایی که نمونه را می‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد را نیز مشخص کنند.
این میکروسکوپ برای مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که از خود بخار آزاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نیست چرا که بخارات تولید شده با الکترونهای شلیک شده به نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پیدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. برای رفع این عیب میکروسکوپهایی به بازار آمده که قادرند در دمای بسیار پایین و از نمونه منجمد تصویر برداری کنند.
میکروسکوپ انتقال الکترونی TEM :
در میکروسکوپِ SEM الکترون اولیه پس از شلیک به سطح نمونه برخورد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و الکترون ثانویه از همان سطح نمونه خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد و به سمت صفحه مثبت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رفت و تبدیل به سیگنال می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد. در واقع در آن میکروسکوپ، نمونه مانند یک آینه عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ثانویه از همان سطحی خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اولیه وارد شده بودند (فقط با زاویه متفاوت).
میکروسکوپهای TEM نیز همانند SEM از تکنیک شلیک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند با این تفاوت که در میکروسکوپ انتقال الکترونی (TEM) پروتو الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که به نمونه شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا یک طرح از ساختار نمونه به ما ارایه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر TEM یک نوع پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است.
وضوح و دقت تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ انتقال الکترونی از پیمایشگر الکترونی بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنین سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده سازی نمونه برای قرار گرفتن در زیر میکروسکوپ انتقال الکترونی، بیشتر از SEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردی که ساختار بلوری(نحوه قرار گیری اتمها در شبکه بلور) مهم باشد از میکروسکوپ TEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.
میکروسکوپ پیمایشگر تونلی STM :
اگر بخواهید از سطح صلبی تصویر برداری کنید که الکتریسیته را عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد لازم است تا از میکروسکوپ پیمایشگر تونلی استفاده کنید. این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زیادی به میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها� � نیروی اتمی (AFM) دارند در این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعی جریان الکتریسته استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در این زمان جریان شروع به انتقال از سطح به نوک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشید که بین نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از یک سد انرژی عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به این فرآیند اصطلاحاً تونل زنی گفته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود) در حین تونل زنی اگر جریان ثابت باشد تغییرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داریم تغییرات جریان تونل زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اینکه از کدم مد یا حالت استفاده کنیم به شرایط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ما ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جریان ثابت استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و زمان بیشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.
میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جایزه نوبل
نخستین میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی (SEM) در سال ۱۹۴۲ میلادی عرضه شدند و شکل امروزی آن اولین بار در سال ۱۹۶۵ میلادی وارد بازار شدند. میکروسکوپ پیمایشگر تونلی نیز در سال ۱۹۸۱ در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال ۱۹۸۶ همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی میکروسکوپهای الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
http://www.ppw.ir/uploads/2010/07/intro002.jpg
تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آنزمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ریز و مقیاس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان یک فناوری مهم و تاثیر گذار مورد توجه قرار گیرد.