ساخت نانو وایرها بر زمینه متخلخل Al2O3
پیشگفتار
نانوفناوری را میتوان آئینه مهندسی آفرینش و فنآوری برتر آینده دانست. این فناوری نقطه تلاقی تفکر و عمل تمامی دانشمندان و محققان علوم مختلف است. قدرت اساسی این فناوری نوسازی مولکول به مولکول ساختار مواد از طریق تغییر آرایش ساختاری اتم به اتم آنها در مقیاس میلیاردیم است. به طوری که نانوفناوری مولکولی توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی مورد توجه و تحقیق قرار میدهد.
نانوفناوری، فناوری نوظهور و یکی از اجزای کلیدی پیشرفتهای فنی قرن حاضر است که به کارگیری راهحلهای نوین برای تولید محصولات برتر در آینده را نوید میدهد. فیلمهای با لایههای بسیار نازک و ساختارهای چند لایه نمونههایی از دستاوردهای نانوفناوری میباشند که به کمک کوچکسازی یا ظریف سازی ابزارها و در نتیجه بالا بردن کارایی کیفی و کمی دست یافتنی شدهاند. ساخت و کنترل نانوساختار برای اجزای تشکیل دهنده ساختاری و کاربردهای چند منظوره، عامل کلیدی برای توسعه مواد پیشرفته به شمار میرود. نانوفناوری به مفهوم جدی آن پس از فراز و نشیب فراوان و پیش زمینه های قبلی آن تقریباً از سال ۲۰۰۰ به بعد از حالت تخیل علمی خارج و بصورت روند گسترده تحقیقاتی و عملی درآمده، در ادامه شتاب میگیرد و تغییر ذهنیت عمومی در اقتصاد را موجب میشود؛ اگرچه این فناوری از ۱۵ تا ۳۰ سال قبل بصورت پراکنده و روندی جدید در قالب بسیاری از کشفهای علمی آغاز شده بود. تشخیص اینکه نانوعلم و نانوفناوری روندی کلیدی در علم و فنآوری قرن ۲۱ است، در سال های ۱۹۹۷ و ۱۹۹۸ اتفاق افتاد. البته بسیاری شروع عرصه نانوفناوری را سالهای ۲۰۰۶-۲۰۰۱ میدانند. سرمایهگذاری مستقیم دولتهای جهان در این زمینه از سال ۱۹۹۷ تا سال ۲۰۰۲ یعنی ظرف ۶ سال، ۵ برابر شده است. به نحوی که ژاپن، ایالات متحده آمریکا و اروپا به ترتیب با ۶۵۰، ۶۰۴، ۴۵۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۲ کشورهای برتر سرمایهگذاری مستقیم در عرصهی نانوفناوری به شمار میآمدهاند. نیمی از شرکتهای فناوری آسیا در ژاپن، نیمی از شرکتهای نانوفناوری اروپا در آلمان و نیمی از شرکتهای نانوفناوری جهان در آمریکای شمالی متمرکز شدهاند که از حدود ۴۵۰ شرکت، ۲۲۵ شرکت در ایالات متحده، ۱۲۰ شرکت در اروپا و ۴۶ شرکت در ژاپن واقع شدهاند.
همانطور که در خلاصهی سیر تاریخی فوق ملاحظه میشود، سالها است که مسابقه در این زمینه آغاز شده است و با شتاب زیادی ادامه دارد و نانوفناوری، به عنوان فناوری برتر قرن ۲۱ در کنار تکنولوژیهای کامپیوتر، اطلاعات و فناوری زیستی، همچنان رو به رشد میباشد. اما نانوفناوری چیست؟ بهبود، توسعه و بهکارگیری ساختارها و ادواتی با اندازه یک نانومتر (مقیاس اتمی مولکولی) تا ۱۰۰ نانومتر که در آنها خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژی جدیدی در مقایسه با مواد میکروساختار پدیدار میگردد، مفهوم پایه نانوفناوری است. ذرات نانومتری به عنوان مواد پیشسازنده برای تولید ساختارها و ادوات پیچیده به شمار میروند و استفاده از آنها، سبب بهبود و تغییر پدیدههای فیزیکی شیمیایی یا فرآیندهای بیولوژی و بروز خواص جدیدی میشود که این خواص نیروی محرکهای را به وجود میآورند که سبب پیگیری و انگیزه بیشتر برای ادامه تحقیقات میشوند. ماهیت نانوفناوری، عبارت از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فرامولکولی[۱] در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها است. این نوع عملیات با استفاده از مواد، وسایل و سیستمهایی با تواناییها و فرآیندهای جدید که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان میباشد، صورت میپذیرد.
ظهور و توسعه فناوریهای جدید و برتر، اهمیت صد چندان دارد؛ چرا که کاربران واقعی این فناوریها، نسلهایی هستند که هم اکنون در رده خردسالی، نوجوانی و جوانی جای میگیرند. آموزش به هنگام، درست و با زبان مناسب قشر جوان و نوجوان جامعه و به خصوص در حوزههای علم و فناوری (مانند نانوفناوری)، از جمله موضوعاتی است که باید به آن تأکید و اهتمام ورزید و از هر فرصتی برای یادآوری این مهم به بدنه سیاستگذاران بهره جست.
از این رو تحقیق حاضر، دربردارندهی آخرین تحقیقات صورت گرفته در زمینه انواع روشهای تولید نانوسیم ها می باشد. موضوع ساخت نانو ذرات که شامل یک یا چند اتم است، از نظر دلایل علمی در حال حاضر جذاب و مورد درخواست است. در یک ساختار، اندازه یک اتم محدودیتی اساسی ایجاد میکند. برای کوچکسازی هر ماده و اساساً تغییر یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر، احتیاج به دستکاری هسته اتم میباشد. در سالهای اخیر دانشمندان، روشهای مختلفی برای دستیابی ساختارهای نانویی را بررسی و تحقیق در مورد خصوصیات و کاربردهای بالقوه این روشها را آغاز کردهاند و هماکنون در عصر ساخت درمقیاس نانو هستند و باید گفت عصر علم نانو نیز شروع شده است، اما عصر نانوفناوری (به عبارتی یافتن کاربردهای علمی برای ساختارهای نانویی) هنوز به معنای واقعی شروع نشده است.
این تحقیق به دلیل اهمیت ساخت نانوساختارها در چند دهه آینده و به خصوص توسعهی تولید نانو سیم ها صورت گرفته است. مطالب این پروژه در سه فصل طبقهبندی شده است. در فصل اول خلاصه ای از مفاهیم نانوفناوری، تاریخچه، کاربردها، بررسی دیدگاههای موجود در فناوری نانو، انقلاب در نانوفناوری، طبقهبندی مواد نانومتری و برخی از خواص مواد نانومتری در فناوری نانو آورده شده است. در فصل دوم توضیح مختصری در مورد انواع روشهای ساخت نانوذرات (روش بالا به پایین و روش پایین به بالا) و مقایسه این روشها با یکدیگر و نمونههای مختلف تولید نانو سیم ها ارائه شده تا پیش زمینهی مناسبی برای ادامه بحث باشد. فصل سوم، موضوع اصلی این تحقیق است که شامل پوشش الومینا می باشد. در این فصل بسیاری از این روشها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
مفهوم نانوفناوری
در حال حاضر نانوفناوری به عنوان یکی از فناوریهای برتر در زمینههای مختلف علوم پایه اعم از: فیزیک، شیمی، زیست شناسی، … و نیز علوم کاربردی از جمله مهندسی مکانیک، مهندسی برق و الکترونیک، مهندسی مواد و …. جایگاه ویژهای را به خود اختصاص داده است. توجه به پیشرفتهای شگرفی که در زمینهی نانوفناوری در سالهای اخیر صورت گرفته است و تصویر نقش این فناوری در آیندهی جهان بیشک تداعی کنندی یک انقلاب فناوری نوین، در دنیای صنعتی امروز میباشد. در این فصل مباحث و اصول نانوفناوری و برخی از کاربردهای فعلی و آتی آن بیان شده است. در اینجا سعی بر آن بوده تا خواننده با مفاهیم پایهای این علم آشنا شده و اطلاعات لازم را برای مطالعه بیشتر و نیز مطالب فصول بعدی در اختیار داشته باشد.
تعریف فناوری نانو با توجه به ماهیت و زمینههای گستردهی فعالیت آن در عین سادگی، بسیار دشوار است و شاید بتوان گفت هنوز تعریف کامل و جامعی که بیان کننده تمام خصوصیات این پدیده نوظهور باشد، عرضه نشده است. با این وجود در اینجا چند تعریف مفید و کاربردی ارائه میشود.
“تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقهتان حل شده است سرطان را معالجه کنید، یک اَبَر کامپیوتر به اندازه یک سلول انسان داشته باشید و یا مالک یک سفینه فضایی ۴ نفره که به دور مدار زمین میگردد با هزینهای معادل یک خودروی خانوادگی باشید که فقط دارای وزنی کمتر از ۱۰ کیلوگرم میباشد.” اینها را میتوان بخش کوچکی از انبوه دستاوردهایی به شمار آورد که نانوفناوری در پی محقق ساختن آنها است.
پیوند علم مواد، شیمی و علوم مهندسی که نانوفناوری نامیده میشود عرصهای را بهوجود میآورد که ماشین آلات خود تکثیر کننده و محصولات خود سرهم شونده، از اتم های اولیه ارزان ساخته شوند. این فناوری در جهانی بسیار کوچک هدایت و کنترل می شود.
نانوفناوری تولید مولکولی (یا به زبان سادهتر) ، ساخت اشیاء اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط بازوهای روبات برنامه ریزی شده در مقیاس نانومتریک است. نانو از لغت یونانی nanos به معنی کوتاه قد و یا کوتوله گرفته شده است. در گفتار علمی، یک نانو متر معادل یک میلیاردیم متر )( میباشد، یعنی ابعادی که در آن اتمها با هم ترکیب شده و مولکولها روی هم اثر متقابل دارند که چیزی حدود ۱۸۰۰۰ برابر قطر موی انسان و یا ۱۰ برابر قطر یک اتم است.
به عبارت دیگر نانوفناوری تولید مولکولی یا به زبان سادهتر، ساخت اشیاء بصورت اتم به اتم و مولکول به مولکول توسط بازوهای روبات برنامه ریزی شده در مقیاس نانومتریک است.
این فناوری ساخت ابزارهای نوین منحصر به فرد با بهکارگیری خواص شیمیایی کاملا شناخته شدهی اتمها و مولکولها (نحوه پیوند آنها به یکدیگر) را ارائه میدهد. قابلیت این فناوری دستکاری اتمها به طور جداگانه و جای دادن دقیق آنها در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده آل مورد نیاز میباشد. این قابلیت تقریبا حاصل شده است.
با ایجاد ساختارهای نانومتری، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی رنگ آنها بدون تغییر ترکیب شیمیایی مواد، ممکن خواهد بود. بهعبارتی دیگر توسط این توانمندی، دستیابی به محصولاتی که قبلا امکان دسترسی به آنها غیر ممکن بوده است میسر میشود. دکتر درکسلر[۱] در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوفناوری اظهار کرده است: در جهان اطلاعات، فناوری دیجیتالی، کپی برداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینهبری یا پیچیدگی محتوایی نموده است. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیفتد چه میشود. هزینه تولید یک تن تری بیت تراشههای RAM تقریبا معادل با هزینهی تولید همان مقدار فولاد میباشد. به عبارتی نانوفناوری روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری میشوند که قادر به همانند سازی است. میتوان پیشبینی نمود طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات، تقریبا تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالای مصرفی به وفور یافت شده، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. محصولات دارویی رشد و جهشی سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهند نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی، امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بهطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسآنها تحت الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.
پزشکان نیز خواهند توانست صدها نوع بیماری را تنها با قرار دادن یک قطره خون در یک دستگاه تشخیص داده و پس از چند ثانیه نتیجه را دریافت کنند. موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات مورد انتظار نانوفناوری می باشند. بهطور کلی انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از تحولات علمی مرتبط با نانوفناوری است.
به عبارتی نانوفناوری با کنترل مواد در مقیاس مولکولی، گشایش اسرار طبیعت در تمام عرصهها، از مهندسی تا پزشکی را نوید میدهد. بنابراین نانوفناوری امید و امکان ساخت هر چیز قابل تصور از کوچکترین جرثقیلها و موتورها گرفته تا لایههای خودسرهم شونده پلاستیکی یا فلزی را نوید میدهد. بنابه اعلام دانشمندان پیشرو در این علم در بنیاد ملی علوم آمریکا اعلام کردند، نانوفناوری اثرات اساسی روی سلامتی، وضعیت اقتصادی و امنیت مردم جهان خواهد گذاشت و اهمیت آن حداقل به اهمیت کشف آنتی بیوتیکها، IC ها و پلیمرهای ساخت دست بشر خواهد بود. نسل آینده این فناوری، به نحوهی کارا و مؤثر بودن چینش اتمها وابسته است. ساختار مولکولها و نحوهی چینش آنها، کلیدی برای گشایش رموز آینده و چگونگی کنترل آنها میباشد.
فهرست مطالب
پیشگفتار ۱
فصل اول ـ معرفی فناوری نانو ۳
مقدمه. ۴
۱-۱- مفهوم نانوفناوری. ۴
۱-۲- معرفی مفاهیم در نانوفناوری. ۷
۱-۳- تاریخچهی نانوفناوری. ۱۰
۱-۴- بررسی دیدگاههای موجود در فناوری نانو ۱۴
۱-۵- انقلاب در نانوفناوری. ۱۵
۱-۶- طبقه بندی مواد نانومتری. ۱۸
۱-۷- برخی از خواص مواد نانومتری. ۲۱
۱-۷-۱- خواص مکانیکی. ۲۴
۱-۷-۲- خواص حرارتی. ۲۷
۱-۷-۳- خواص شیمیایی. ۲۸
۱-۷-۴- خواص نوری. ۲۸
۱-۷-۵- خواص الکتریکی. ۲۹
۱-۹- جمعبندی. ۳۳
فصل دوم ـ روش های نانو سیم ها ۳۵
مقدمه. ۳۶
۲-۱- نانو ذرات.. ۳۶
۲-۲- روشهای ساخت نانو ذرات.. ۳۷
۲-۴- معرفی فرآیند آندایز و روشهای مختلف آن. ۳۹
۲-۵- لایه نشانی تبخیری با باریکه الکترونی. ۶۲
۲-۶- روش نانو لیتوگرافی. ۶۶
۲-۷- معرفی آلیاژسازی مکانیکی به عنوان روشی موثر برای فرآوری نانو مواد ۷۲
۲-۸- مکانیزم ها و مراحل تفجوشی. ۸۷
۲-۹- روش انباشت الکتروشیمیایی. ۹۶
۲-۱۰- اصول سنتز نانوذرات با روش ترسیب شیمیایی. ۱۰۳
فصل سوم ـ تولید ناسیم ها با پوشش الومینا ۱۱۲
مقدمه. ۱۱۳
۳-۱-ساختار کلی آلومینای آندی متخلخل. ۱۱۳
پیوستها ۱۲۶
پیوست ۱ ـ نمودار درختی انواع روشهای تولید نانوذرات.. ۱۲۸
واژه نامه. ۱۲۹
منابع و مراجع. ۱۳۲
هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.