آشنایی با نانوسیم‌ها

نانوساختارهای تک‌بعدی به طور کلی تحت عنوان نانوسیم‌ها، نانوالیاف، نانولوله‌ها، نانومیله‌ها، ویسکرها و غیره شناخته می‌شوند. در بسیاری از مواد نانوکابل‌ها و نانولوله‌ها نیز جز همین دسته قرار می‌گیرند. هر چند ویسکرها و نانومیله‌ها معمولا طول نسبتا کوتاه‌تری دارند، اما تعاریف دقیقی وجود ندارد. ساختارهای یک‌بعدی دارای قطری از چندین نانومتر تا چند صد میکرون (مثلا ویسکرها و فیبرها) می‌باشند؛ که البته قطر نانوسیم‌ها و نانومیله‌ها به ندرت به بالای چند صد نانومتر می‌رسد. نانوسیم‌ها معمولا دارای نسبت طول به قطر بیشتری نسبت به نانومیله‌ها هستند.یکی از بارزترین ویژگی‌های نانوسیم‌های فلزی، هدایت الکتریکی آن‌ها موازی محور سیم است. همان‌طور که می‌دانید مقاومت الکتریکی یک سیم رسانا در فیزیک به صورت رابطه 1 بیان می‌شود:

R=ρ L/A                  (1

که در آن L طول سیم، A سطح مقطع آن و ρ متغیری وابسته به جنس سیم می‌باشد و در سیم‌های مختلف مقدار آن متفاوت است. طبق رابطه بالا با کاهش ضخامت سیم، مقاومت آن افزایش می‌یابد. نانوسیم‌ها با وجود اینکه ضخامت خیلی کمی دارند، بر خلاف رابطه بالا، مقاوت الکتریکی خیلی کمی دارند.دلایل مختلفی برای رسانایی بالای نانوسیم‌های فلزی ذکر می‌شود. به طور کلی مقاومت الکتریکی در سیم‌های فلزی ناشی از موانع مختلف (اتم‌ها، الکترون‌ها، ناخالصی‌ها و غیره) بر سر راه حرکت الکترون می‌باشد. یکی از دلایل ذکر شده، کم‌بودن تعداد این موانع در نانوسیم‌ها جلوی حرکت الکترون است. دلیل دیگر گسسته‌بودن ترازهای انرژی در نانوسیم در راستای سطح مقطع سیم است. الکترون‌ها روی این ترازهای انرژی گسسته حرکت می‌کنند و حرکت کاتوره‌ای ندارند در نتیجه حرکت آن‌ها با نظم بیشتری انجام می‌شود.

شکل 1. گسسته بودن ترازهای انرژی نانوسیم‌ها در راستای محور سیم

ساختار انرژی در نانوسیم‌ها در راستای محور سیم پیوسته و در راستای سطح مقطع آن گسسته است، پس با تغییر قطر آن فاصله بین ترازهای انرژی تغییر می‌کند. بنابراین جنس و نسبت طول به قطر نانوسیم‌ها دو عامل تاثیرگذار بر خواص آن‌ها می‌باشند.نانوسیم‌ها می‌توانند بلوری و یا بی شکل بوده و یا با توجه به عناصری تشکیل شده آن‌ها، دسته‌بندی دیگری را برای نانوسیم‌ها انجام داد.1. خواص و کاربردهارسانایی الکتریکیهمان‌طور که در بخش قبل هم گفته شد، نانوسیم‌های فلزی رسانایی الکتریکی بسیار مناسبی دارند. این نانوسیم‌ها از اتم‌های فلزی مانند نقره، طلا، آهن و غیره تشکیل شده‌اند و از آن‌ها در صنعت الکترونیک استفاده‌های زیادی می‌شود. بوسیله نانوسیم‌ها می‌توان ترانزیستورهای بسیار کوچک (بسیار کوچک‌تر از ترانزیستورهای امروزی) ساخته و از آن‌ها برای افزایش سرعت کامپیوترها استفاده کرد و بر محدودیت صنعت الکترونیک امروزی که به الکترونیک سیلیکونی معروف است، غلبه نمود. در واقع تعداد ترانزیستورهای روی CPU افزایش یافته که منجر به افزایش سرعت CPU و به تبع آن سرعت کامپیوتر می‌شود. سرعت یک CPU تاثیر زیادی در سرعت کامپیوتر و پردازش اطلاعات دارد.در فناوری امروزی (سیلیکونی)، با توجه به ثابت‌بودن ابعاد CPU، جهت افزایش تعداد ترانزیستورها می‌بایست ابعاد آن‌ها ریزتر شود و با توجه به قوانین فیزیک، ریزشدن سیم موجب افزایش مقاومت الکتریکی و ایجاد گرما می‌شود. گرما کارکرد CPU را مختل نموده و بنابراین نمی‌توان سیم‌ها را ریزتر کرد. برای حل این مشکل از نانوسیم‌های فلزی استفاده می‌شود. در حقیقت نانوسیم‌ها به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، در اثر عبور جریان، گرما ایجاد ننموده و می‌توان ابعاد آن‌ها را بسیار ریز و تعداد آن‌ها را افزایش داد. نمونه ای از این ترانزیستورها در شکل 2 نمایش داده شده است.

شکل 2. ساخت ترانزیستورها با استفاده از نانوسیم‌های فلزی

خواص نوریدر این قسمت معمولا از نانوسیم‌های نیمه‌رسانا استفاده می‌شود. مواد سازنده این سیم‌ها، اتم‌ها و یا ترکیبات نیمه‌رسانا هستند. به دلیل ترازهای انرژی انرژی گسسته در راستای قطر، نانوسیم‌ها می‌توانند خواص نوری جالبی را از خود نشان دهند. برای مثال می‌توان به ساخت لیزرهای بسیار کوچک از تقاطع دو نانوسیم ZnO و یا ساخت دیودهای نورافشار (LED) اشاره کرد. شکل 3 نانوسیم‌های ZnO را نشان می‌دهد که در قسمت سمت راست هم‌جهت نیستند اما در قسمت سمت چپ با اتخاذ شرایط آزمایشگاهی خاص هم‌جهت شده‌اند.

شکل 3. نانوسیم‌های ZnO که در قسمت سمت راست هم‌جهت نیستند اما در قسمت سمت چپ با اتخاذ شرایط آزمایشگاهی خاص هم‌جهت شده‌اند

نانوسیم‌ها همچنین کاربردهای پزشکی نیز دارند. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تشخیص علائم بیماری‌های مختلف مانند سرطان، هدفمندکردن رشد سلول‌های بنیادین، تحریک اعصاب و غیره اشاره کرد. شکل 5 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوسیم‌های سلیکون می‌باشد که بیشتر در این زمینه از آن استفاده می‌شود.

شکل 4. قرارگرفتن لیزر ساخته شده از نانوسیم‌های ZnO در حفره یک سوزن

شکل 5. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوسیم‌های سیلیکون

خواص زیستیمولکول DNA موجود در بدن جانداران، در واقع از دور هم پیچیده‌شدن دو رشته نانوسیم پروتئینی به قطر دو نانومتر تشکیل شده است. امروزه در فناوری نانو از این مولکول استفاده‌های زیادی شده و الگوی ساخت بعضی از مواد نانوساختار است. ساختار مولکول در شکل 6 آمده است.

شکل 6. ساختار مولکول DNA که به صورت تقاطع دو رشته سیم به قطر 2 نانومتر می‌باشد

خواص مغناطیسیمی توان از نانوسیم‌هایی که خواص مغناطیسی دارند مانند Fe، Ni، Co-Cu و Co برای ساخت حافظه‌های مغناطیسی با ابعاد بسیار کوچک اما با حجم ذخیره اطلاعات بسیار زیاد، استفاده کرد. در حقیقت هرکدام از این نانوسیم‌ها به عنوان یک بیت از حافظه به شمار می‌آیند. در این کاربرد لازم است تا نانوسیم‌ها در یک جهت منظم قرار بگیرند. هر چه نظم قرار گرفتن آن‌ها بیشتر باشد، ذخیره‌سازی اطلاعات مطلوب‌تر می‌شود. شکل 7 آرایه‌ای از نانوسیم‌های منظم آهن را نشان می‌دهد که برای ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 7. آرایه‌ای از نانوسیم‌های منظم آهن که برای ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد

خواص حسگرینانوسیم‌ها به دلیل ابعاد کوچک و وزن کم بسیار حساس بوده و از آن‌ها می‌توان به عنوان حسگرهای گازی استفاده کرد. در شکل 8 نمونه‌ای از حسگرهای نانوسیم ZnO برای آشکارسازی مولکول‌های CO₂ نشان داده شده است. حسگرهای معمولی گازی، هنگامی می‌توانند حضور یک گاز در محیط را نشان دهند که غلظت آن از حدی بیشتر باشد. اما نانوسیم‌ها چون بسیار کوچک هستند و وزن کمی دارند، قابلیت شناسایی یک مولکول گاز را هم دارند.

شکل 8. نانوسیم‌های ZnO به عنوان حسگر گاز CO2

2. روش ساخت نانوسیم‌هاروش‌های مختلفی جهت فرآوری و تولید مواد نانوساختار یک‌بعدی وجود دارند. این روش‌ها به طور کلی در دو دسته قرار می‌گیرند:1. رشد خودبه‌خودی؛الف) تبخیر (یا انحلال)- میعان؛ب) رشد بخار (یا محول) – مایع – جامد (VLS یا SLS)؛ج) تبلور مجدد.2. روش‌های بر اساس الگو (Template، قالب):الف) رسوب‌دهی الکتریکی (Electroplating)ب) پرسازی توسط مذاب یا نانوذرات کلوئیدی یا محلولج) تبدیل توسط واکنش شیمیایی.که در ادامه به برخی از این روش‌ها اشاره می‌شود.رشد خودبه‌خودی محصولات نانومقیاس تک‌بعدیدر رشد خودبه‌خودی مبنا کاهش سطح انرژی (انرژی آزاد گیبس) بوده و این عامل باعث رشد نانوسیم‌ها می‌شود (همان‌طور که در بخش‌های قبل هم گفته شد، همه مواد به سمتی می‌روند تا سطح انرژی خود را کاهش دهند). کاهش سطح انرژی معمولا به وسیله تغییر حالت‌های فازی (مثلا گاز به مایع، مایع به جامد و غیره)، واکنش شیمیایی یا آزادشدن تنش در ساختار اتفاق می‌افتد. برای رشد نانوسیم و یا نانومیله، رشد باید به صورت ناهمسانگرد باشد. یعنی بلور در یک جهت خاص سریع‌تر از جهات دیگر رشد می‌کند. در این حالت با فراهم‌کردن شرایط آزمایشگاهی خاص مانند دما و فشار، نانوساختارهای تک‌بعدی شکل می‌گیرند. وقتی که رشد بلور فقط در یک جهت اتفاق بیافتد، نانوسیم‌ها دارای یک قطر ثابت در جهتی که رشد صورت می‌گیرد، می‌شوند. در حالی که در جهت‌های دیگر رشدی وجود ندارد. آلودگی و نواقص بلوری روی سطوح رشدکننده نقش مهمی در شکل (مورفولوژی) محصول نهایی دارند. در این روش در صورت استفاده از کاتالیزگرهای مشخص می‌توان رشد نانوسیم‌ها را با کیفیت بالاتری انجام داد.

شکل 9. رشد نانوسیم‌ها در یک جهت با استفاده از کاتالیزگرهای مناسب

روش سل ژلجهت ایجاد ساختارهای تک‌بعدی (میله یا سیم) با استفاده از فرآیند سل ژل، دو روش مرسوم وجود دارد:1. استفاده از مولکول‌های سورفکتانت که باعث افزایش سرعت رشد در جهت‌های بلوری خاص شده و نتیجه این رشد جهت‌دار، تشکیل نانومیله یا نانوسیم‌هاست.2. رسوب‌دهی محصول نهایی حاصل از سل ژل بر روی الگوهای نانومقیاس.در شکل 10 تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری مربوط به ساخت نانوسیم‌های SrFe₁₂O₁₆ به روش سل ژل و به کمک سورفکتانت‌های متفاوت نشان داده شده است. در این روش ابتدا با روش سل ژل، ژل ابتدایی تهیه می‌شود. سپس نمک‌های KBr، KI و KCl یا ژل خشک شده در نسبته‌های مختلف مخلوط می‌شوند. همان‌طور که در تصویر مشخص است در صورتی که این عوامل اضافه نشوند، رشد جهت‌دار صورت نگرفته و نانوذرات شکل می‌گیرند. این نمک‌ها و امثال آن به عنوان عامل رشد برای برخی از سطوح می‌باشند نانوسیم‌های این ترکیب خواص مغناطیسی دارند و از این خاصیت آن‌ها استفاده می‌شود.

شکل 10. تصویر TEM پودر SrFe₁₂O₁₆ با عوامل غیرآلی متفاوت الف) خالی ب)KCl ج) KBr د) KI

ماده PMMA (Polymethylmetacrylate) نیز به عنوان یک ماده غیرفعال‌کننده پلیمری شیمیایی به سل یا ژل اضافه شده و در جهت رشد جهت دار محصولات نقش دارد. شکل 11 الف و ب تصویر FESEM از هگزارفریت باریم به ترتیب بدون PMMA و با استفاده از PMMA را نشان می‌دهد.

شکل 11. FESEM از هگزافریت باریم الف) بدون PMMA و ب) با PMMA

فرآوری بر روی الگودر طبیعت موادی وجود دارند که به آن‌ها متخلخل گفته می‌شود. بعضی مواد مانند زئولیت‌ها ذاتا متخلخل بوده اما بعضی دیگر مانند اکسید آلومینیوم (آلومینا)، سیلیکون و غیره هنگامی که سطح آن‌ها با روش‌های مختلف لایه‌برداری گردد، متخلخل می‌شوند. زئولیت یک شبکه آلومینوسیلیکاتی بلوری با ساختار متخلخل است که در آن تخلخل آرایش منظمی در فضا دارند. تخلخل‌ها را می‌توان با قراردادن نانوذرات در آن‌ها پر کرد و از آن به عنوان روشی برای جداسازی نانوساختارها علاوه بر دو روشی که در بالا ذکر شد، استفاده کرد. در شکل 12 ساختار زئولیت و حفرات آن نشان داده شده است.

شکل 12. تصویری از زئولیت و حفرات روی سطح آن. تصویر سمت راست کمی با اغراق برای نشان دادن متخلخل بودن زئولیت آورده شده است.

حفره‌های موجود در آلومینا و سیلیکون را می‌توان با کنترل شرایط مانند دما کنترل کرد. از این مواد متخلخل می‌توان به عنوان الگویی برای تولید مواد نانوساختار استفاده کرد. در واقع با استفاده از روش‌های مختلف این حفره‌ها پر شده و نانوساختارها شکل حفره را به خود می‌گیرند. با استفاده از این روش می‌توان نانومیله‌ها، نانوسیم‌ها، نانولوله‌های پلیمری، فلزی، اکسیدی و نیمه‌هادی‌ها را تولید کرد.الگوهای متفاوتی با حفرات (کانال‌های) نانومتری برای رشد نانومیله‌ها و نانولوله‌ها کشف شده‌اند. مهم‌ترین و رایج‌ترین الگوی استفاده شده آلومینای آندایز شده (AAO) و سیلیکون متخلخل می‌باشد. بعضی از پلیمرها نیز با انجام عملیات سطحی خاص، متخلخل (با استفاده از عملیات لایه‌برداری الکتروشیمیایی، سیلیکون متخلخل می‌شود) می‌شوند. تصویر میکروسکوپ الکترونی حفرات آلومینا در شکل 13 نشان داده شده است.

شکل 13. تصویر SEM از مقطع عمودی AAO

حفرات به دست آمده دارای مقطع هگزاگونال، با چگالی 1011 حفره در هر سانتی‌متر مربع هستند. معمولا با روش‌های مختلف رسوب‌گذاری الکتریکی (Electordeposition)، روش‌های شیمیایی، سل ژل و غیره می‌توان داخل حفرات را پر کرد. در شکل 14 نمونه‌ای از تولید نانوسیم‌ها با استفاده از الگوی آلومینا و مراحل آن نشان داده شده است.

شکل14. شماتیک عملیات فرآوری نانوسیم یا لوله با استفاده از الگوی AAO: الف) تهیه الگوی AAO بوسیله آندایز دو مرحله‌ای ب) پرکردن درون حفرات AAO به وسیله رسوبات ماده مورد نظر ج) انحلال AAO و برجای ماندن نانوسیم