مقدمه

بخشي از فناوري نانو دنيايي را که هر روز در جريان است مطالعه مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، فقط کمي عميق تر و کمي پايين‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر آنجاهايي که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايمان نمي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيم مشاهده کنيم. پس براي ورود به اين بخش از فضاي نانو لازم است کمي به سراغ مطالب پايه فيزيک و شيمي برويم و مفاهيم اوليه را مرور کنيم؛ در اين نوشتار ابتدا مروري بر مفاهيم پايه و اجزاي ساختاري ماده صحبت خواهيم کرد سپس سراغ لوازم و ابزار و وسايلي مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌رويم که دنيايي را که در پايين وجود دارد، براي ما نمايان مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. انشاالله در مقالات بعدي هر کدام از اين ابزارها را بطور کامل شرح خواهيم داد.

اجزاي سازنده مواد و نيروي بين آنها

براي درک از اجزاي طبيعت بايد به اين نکته توجه کرد که اتمها بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهاي خاص تشکيل شده که وقتي در کنار يکديگر قرار مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند مولکولها را شکل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند، تعداد اين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بيش از صد نوع اتم) ولي وقتي کنار هم قرار ميگيرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتي دارند را تشکيل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.
چيزي که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در يک مولکول و مولکولها را در يک ماده کنار هم حفظ مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند نيروهايي است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين نيروها بين الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسيار قوي هستند.
شنيده‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايد که يک مورچه مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آيا شما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيد دوبرابر وزن خود را حکل کنيد؟ با اين حساب مورچه قوي‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است يا شما؟ اينکه مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوييم پيوند بين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خيلي قوي و مستحکم است دقيقاً مانند همين مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.
گفتيم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها ماده ساخته مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پيوند بين مولکولي و نيروي بين مولکولها سبب مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مايع، جامد يا گاز باشد. البته نوع پيوندها نيز در رفتار ماده تاثير زيادي دارند، براي مثال بعضي پيوندها که به پيوند يوني معروف هستند باعث مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رساناي جريان برق باشد. تعداد و جهت و زاويه متفاوت يک نوع پيوند نيز سبب بروز خواص متفاوت مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. براي مثال الماس و گرافيت هر دو از اتمهاي يک عنصر يعني کربن تشکيل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولي از آنجايي که تعداد و نحوه قرارگيري پيوندها بين اتمهايِ آن متفاوت است، الماس بسيار مستحکم است و گرافيت بسيار نرم.

مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از ميکروسکوپ

ميکروسکوپي که شما در مدرسه از آن استفاده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنيد تا سلولهاي موجودات زنده را مشاهده کنيد بسيار ساده است و براي مشاهده دنياي نانو کارآمد نيست. امروزه انواع گوناگوني ميکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفيدي از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از اين دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پيچيدگي خود را دارند و از ترفندهاي مختلفي بهره مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند تا از ابعاد ريز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند.
علاوه بر پيچيدگي و پر رمز و راز بودن اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها تفاوت اصلي آنها با ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي ساده و نوري مدرسه اين است که آنها بصورت غير مستقيم از دنياي نانو به کسب اطلاعات مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقيانوس شناسان که بدون رفتن به زير آب اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستي‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندي‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي کف اقيانوس را ترسيم مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند يا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه يا هر سياره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌اي ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي آن سياره را شناسايي مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.
شبيه‌سازي كف دريا كه با استفاده از پردازش داده‌ها صورت مي‌گيرد، مدت‌هاست که در تحقيقات و مطالعات اقيانوس‌شناسي به كار مي‌رود. اقيانوس‌شناسانِ اوليه به انتهاي كابل‌هاي بلند وزنه‌هايي مي‌آويختند و ته دريا مي‌‌فرستادند. اين وزنه‌ها كف دريا را مي‌پيمودند و ناهمواري‌ها و شيارهاي آن را از طريق كابل‌ها روي كاغذهاي شطرنجي نقش مي‌كردند.
اقيانوس‌شناسان جديد، كابل و وزنه را به كناري نهاده‌اند و فناوري رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتي را از يك كشتي اقيانوس‌پيما به كف دريا گسيل مي‌كنند و با ثبت فاصلة كف با منبع گسيل‌كننده ناهمواري‌هاي كف را ترسيم مي‌نمايند.
ماهواره‌ها هم به همين روش مي‌توانند امواجي را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگيرند.
اساس کار ميکروسکوپهاي پيشرفته نيز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غير مستقيم است.

ميکروسکوپ نيروي اتمي AFM :

اين نوع ميکروسکوپ نيروي اتمي شباهت زيادي به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناس‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي قديمي و کهنه کار دارد. يک جورهايي نيز شبيه دستگاه گرامافون از يک سوزن بسيار نوک تيز تشکيل شده که اين سوزن روي سطح لوح در شيار‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي آن حرکت مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستي - بلندي هاي سطح را به صدا تبديل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.

و اما وظيفه ميکروسکوپ نيروي اتمي چيست؟

مي‌دانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلندي‌ها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.
همانطور که مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانيد نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتمها روي آن را مشخص کرد.
براي آشنايي بيشتر با ميکروسکوپ نيروي اتمي به مقاله‌‌‌‌‌‌‌‌‌اي که در اين مورد در باشگاه نانو نوشته شده مراجعه کنيد

ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني SEM :

در ميکروسکوپ نيروي اتمي يک انبرک با نوک بسيار حساس روي سطح حرکت مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و اطلاعات مورد نياز را از ابعاد نانومتري به ما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌داد. حال اگر به جاي نوک و انبرک از الکترون استفاده کنيم ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايم.
اين دسته ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پروتويي از الکترونها را به هر آنچه که مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسي و مطالعه کنند، شليک مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، به اين ترتيب انرژي الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي شليک شده به سطح مورد نمونهِ موردِ مطالعه منتقل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترونهاي پرتو (که الکترونهاي اوليه ناميده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) الکترونهاي نمونه را جدا مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين الکترونهاي جدا شده (که الکترونهاي ثانويه ناميده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌اي که داراي بار مثبت است کشيده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آنجا تبديل به "سيگنال" مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. اين سيگنالها توسط رايانه به تصاوير قابل مشاهده تبديل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.
ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني علاوه بر اطلاعات توپوگرافي؛ شکل، اندازه و نحوه قرار گيري ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژي جسم معروف است به ما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. نوع هاي پيشرفته تر اين دستگاه قادر هستند که ترکيب اجزايي که نمونه را مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد را نيز مشخص کنند.
اين ميکروسکوپ براي مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايي که از خود بخار آزاد مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نيست چرا که بخارات توليد شده با الکترونهاي شليک شده به نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پيدا مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. براي رفع اين عيب ميکروسکوپهايي به بازار آمده که قادرند در دماي بسيار پايين و از نمونه منجمد تصوير برداري کنند.

ميکروسکوپ انتقال الکتروني TEM :

در ميکروسکوپِ SEM الکترون اوليه پس از شليک به سطح نمونه برخورد مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و الکترون ثانويه از همان سطح نمونه خارج مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد و به سمت صفحه مثبت مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌رفت و تبديل به سيگنال مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد. در واقع در آن ميکروسکوپ، نمونه مانند يک آينه عمل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي ثانويه از همان سطحي خارج مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي اوليه وارد شده بودند (فقط با زاويه متفاوت).
ميکروسکوپهاي TEM نيز همانند SEM از تکنيک شليک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند با اين تفاوت که در ميکروسکوپ انتقال الکتروني (TEM) پروتو الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايي که به نمونه شليک مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به يک پرده فسفريِ آشکارساز مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا يک طرح از ساختار نمونه به ما ارايه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر TEM يک نوع پروژکتور نمايش اسلايد در مقياس نانو است.
وضوح و دقت تصاوير گرفته شده توسط ميکروسکوپ انتقال الکتروني از پيمايشگر الکتروني بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنين سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده سازي نمونه براي قرار گرفتن در زير ميکروسکوپ انتقال الکتروني، بيشتر از SEM استفاده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردي که ساختار بلوري(نحوه قرار گيري اتمها در شبکه بلور) مهم باشد از ميکروسکوپ TEM استفاده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

ميکروسکوپ پيمايشگر تونلي STM :

اگر بخواهيد از سطح صلبي تصوير برداري کنيد که الکتريسيته را عبور مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد لازم است تا از ميکروسکوپ پيمايشگر تونلي استفاده کنيد. اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زيادي به ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي نيروي اتمي (AFM) دارند در اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعي جريان الکتريسته استفاده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زماني‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله يک نانومتري از آن حرکت مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در اين زمان جريان شروع به انتقال از سطح به نوک مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشيد که بين نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از يک سد انرژي عبور مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به اين فرآيند اصطلاحاً تونل زني گفته مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود) در حين تونل زني اگر جريان ثابت باشد تغييرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داريم تغييرات جريان تونل زني اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اينکه از کدم مد يا حالت استفاده کنيم به شرايط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي ما ربط دارد. معمولاً در حالتي که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جريان ثابت استفاده مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و زمان بيشتري را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.

ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جايزه نوبل

نخستين ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني (SEM) در سال 1942 ميلادي عرضه شدند و شکل امروزي آن اولين بار در سال 1965 ميلادي وارد بازار شدند. ميکروسکوپ پيمايشگر تونلي نيز در سال 1981 در آزمايشگاه تحقيقاتي شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جواني روي ميکروسکوپهاي الکتروني کار مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد برنده جايزه نوبل فيزيک شدند.
تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌هاي آنزمان دانشمندان براي دسترسي به فضاي ريز و مقياس نانو باعث شد تا امروزه فناوري نانو به عنوان يک فناوري مهم و تاثير گذار مورد توجه قرار گيرد.
منبع: nanoclub.ir
/خ