روش  ساخت سیستم های نانومتری

(قسمت سوم)

قسمت قبل

· خودآرایی روشی برای ساخت موادی با ساختارهای منظم نظیر کریستالهای مولکولی، کریستالهای مایع و نیمه کریستالها است و این ساختارهای منظم بسیار پر کاربردند.

· کاربردهای بسیاری در مواد با سایزهای بزرگتر دارند و امکان استفاده از آن در مواد دیگر و همچنین کاربرد آن در مبحث مواد چگال نیز وجود دارد.

· به نظر می‌آید این روش یکی از پرکاربردترین روشهای ساخت در مقیاس نانو است.

با توجه به این موارد می‌توان گفت که خودآرایی در زمینه‌های بسیاری نظیر شیمی، فیزیک، بیولوژی، علم مواد، نانوتکنولوژی و ساخت بسیار پرکاربرد و مهم است.

خودآرایی به وسیله نیروهای مغناطیسی

یکی از سیستم‌های جالب و مورد توجه، خودآرایی به وسیله مغناطیس است. در ساده‌ترین تصور، سیستم چیزی جز مجموعه‌ای از آهنرباهای دایره‌ای نیست. آهنرباها به طور تصادفی درون یک ظرف قرار دارند. در اینجا یک تکان ساده کافی است تا آهنرباها به یکدیگر بچسبند و سیستم منظم‌تری را به وجود آورند. منظورمان از سیستم منظم‌تر چیست؟ باید توجه کنیم که پس از تکمیل این خودآرایی، بی‌نظمی همچنان در سیستم وجود دارد؛ به این معنا که اولاً اگر آهنرباها را شماره‌گذاری کنیم خواهیم دید که سیستم نهایی ترتیب یکسانی از اعداد نخواهد داشت و دوم اینكه اگر بدنه هر آهنربا را با نوارهای رنگی رنگ کنیم، خواهیم دید که سیستم نهایی از لحاظ رنگ‌آمیزی متفاوت خواهد بود.

انواع برهم‌کنش ها برای خودآرایی

خودآرایی شیمیایی روندی جهت کنترل موقعیت قرارگیری نانوذرات عامل‌دار شده با گروه‌های سطحی بر روی یک بستر عامل دار می باشد. کنترل سطوح عامل دار از نانوذرات، طراحی نانوساختارهای کمپلکس شده برروی سطح را برای کاربردهای خاص مانند مولکول های الکترونیکی، بیوحسگر ممکن می سازد.

برهم‌کنش‌هایی که منجر به خود‌آرایی نانوذرات می‌شوند در زیر آورده شده است:

· پیوند کووالانسی

· برهمکنش های غیرکووالانسی: این برهم‌کنش‌ها خود موارد زیر را در بر‌ می‌گیرد:

1. برهمکنش های الکتروستاتیک

2. لیگاند-فلز

3. پیوند هیدروژنی

4. برهمکنش های میزبان-میهمان

5. برهم کنش های زیست‌مولکولی

پیوند کووالانسی

در این مورد معمولا یک تک‌لایه خودآرا (Self-assembled Monolayer-SAM) روی سطح بستر (Substrate) تشکیل شده که قابلیت تشکیل پیوند کوالانسی با نانوذرات عامل دار شده را دارد.

برهمکنش های غیرکووالانسی

علی رغم پایداری بالا، فیلم های نانوذرات که از طریق پیوند کوالانسی تشکیل شده‌اند، دارای معایبی هستند. به دلیل سرعت و قدرت واکنش شیمیایی درگیر میان گروه‌های عاملی از نانوذرات و تک‌لایه خودآرا رویکرد کوالانسی می‌تواند منجر به برگشت ناپذیر بودن اتصال نانوذرات قرار گرفته برروی سطح گردد.

از مزیت های استفاده از برهمکنش های غیر کوالانسی، سنتز پذیرنده های عامل دار نانوذرات و یا تک لایه خودآرا با قابلیت شناخت مولکولی (Molecular Recognition) در سطح می باشند. همچنین مزیت دیگر برهمکنش های غیرکوالانسی بر پیوند کوالانسی، تشکیل و به دست آوردن توانایی برای تصحیح اشتباهات است (به دلیل بازگشت‌پذیر بودن). از جمله برهم کنش های غیرکوالانسی مورد استفاد برای خودآرایی سطوح، برهمکنش های الکتروستاتیک، لیگاند-فلز، پیوند هیدروژنی، برهمکنش های میزبان-میهمان و برهم کنش های زیست مولکولی می توان اشاره کرد.

برهمکنش های الکتروستاتیک

خودآرایی الکتروستاتیک، شامل جذب بین دوگونه با بار مخالف است (پلیمرها، نانوذرات و بستر). این روش برای خودآرایی دو و سه بعدی ساختار پشنهاد شده است. این تکنیک پایه و اساس برای جذب پلی آنیون و پلی کاتیون ها از محلول های آبی برروی بستر باردار می باشد.

با توجه به سادگی، خودآرایی لایه به لایه (Layer by Layer) و تشکیل فیلم های چند-لایه از طریق برهم کنش های الکتروستاتیک، این نوع خودآرایی به طور گسترده ای برای قراردادن نانو‌ذرات عامل دار شیمیایی (Functionalized Nanoparticles)  بر سطح استفاده می شود. در خودآرایی لایه به لایه، چند لایه متفاوت از نانوذرات (از جنس فلزات، نیمه هادی¬ها، مواد معدنی و نانوذرات پلیمری) می ‌تواند تشکیل شود. ترکیبات با بار مخالف با استفاده از خاصیت پلی الکتریک به صورت لایه ساندویچی بین نانوذرات قرا می گیرند. در مثال زیر ساختار ساندویچی بدست آمده بر اساس خود آرایی ذرات سولفید کادمیم (CdS) با بار منفی، پلی الکترولیت (Polyelectrolyte) با بار مثبت و نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2) با بار منفی ساخته شده است.

برهمکنش های لیگاند-فلز

شیمی کئوردیناسیون قادر به ترکیب لیگاند و فلز (و یا یون های فلزی) جهت نیل به خودآرایی درون ساختار ابرمولکول ها می باشد. برای مثال، خودآرایی طلا و نقره برروی سطح از طریق پیوند کئوردیناسیون قوی بین گروه عاملی نانوذرات و سطح فلزی بررسی شده است.

تصویر زیر بیانگر یک نمونه از این خودآرایی هاست که منجر به قرار گرفتن تک لایه های یون زیرکونیوم (Zr) و نانوذرات طلا با استفاده از لیگاندهای کمپلکس کننده شده است.

برهمکنش های میزبان-میهمان

در شیمی ابرمولکول، معمولا یک مولکول به عنوان میزبان به مولکول دیگر به عنوان میهمان متصل شده و تشکیل کمپلکس میزبان-میهمان را می دهد. میزبان معمولاً یک مولکول بزرگ مانند آنزیم یا یک ترکیب حلقوی سنتزی دارای حفره مرکزی با اندازه مشخص است. میزبان می تواند یک کاتیون تک اتمی، آنیون یا مولکول خنثی باشد. به عبارت بهتر، می‌توان میزبان را یک مولکول دارای ساختار ویژه در نظر گرفت که از طریق برهکنش ویژه مانند برهمکنش آب‌گریزی، نیروهای وان¬دروالس و پیوند هیدروژنی با مولکول میهمان تشکیل کمپلکس میزبان میهمان دهد. سیکلودکسترین ها (Cyclodextrin) مولکول هایی هستندکه قادر به کمپلکس شدن با مولکول های آلی مختلف در محیط آبی می باشند.

در این شکل، سیکلودکسترین با نماد استوانه‌های کوچک طوسی رنگ مشخص شده است. در صورت رفع دافعه الکترواستاتیک بین گروه های عاملی موجود بر نانوذره و سیکلودکسترین (در اینجا با فرآیند احیا)، سیکلودکسترین به راحتی گروه عاملی آلی را در بر می گیرد و همین باعث اتصال نانوذره به سطح می‌شود.

برهمکنش های زیست‌مولکولی

در سالهای اخیر تعداد زیادی تحقیقات وجود دارد که عامل دار شدن زیست‌مولکولی نانوذرات را برای تشکیل نانوساختارهای هیبریدی شرح می دهد. در حالی که تلاش های زیادی برای سیستم های محلول صورت گرفته است تعداد محدودی مثال که از پیوند ویژه از زیست‌مولکولها مانند پروتئین ها، پپتیدها و DNA به نانوذرات خودآرایی شده بر روی سطح وجود دارد.

ادامه دارد...

مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان

منبع: irysc،  nanoscience، azonano،irannano، edu.nano

کتاب آشنایی با فناوری نانو (کاربردها)2 ، سلیمی، طاهری، احمدوند