لگوهاي اتمي، دوربين‌هاي نانوذرات
پیش‌بینی این مسئله که در آینده چه اکتشافاتی منجر به تغییر دنیا خواهد شد امری غیر ممکن است. با این وجود هر سال تعدادی از این اکتشافات به قدری هیجان‌انگیز هستند که وادار هستیم درموردشان صحبت کنیم. مروری بر این اکتشافات تازه می‌تواند چشم‌اندازی از پیشرفت‌هایی که در آینده‌ی نزدیک شاهد آن خواهیم بود به ما بدهد.
لگوهایی در ابعاد اتمی:
به هم متصل کردن صفحاتی از مواد به ضخامت یک اتم و ایجاد خواص کاملاً جدید
لگوها، قطعات کوچک پلاستیکی که به هم متصل می‌شوند و تشکیل چیزهای بزرگ مانند اتومبیل‌های فوق‌العاده، قلعه‌های زیبا و بسیاری اشیای خلاقانه‌ی دیگر می‌دهند، برای نسل‌ها عامل پیشرفت ذهن خلاق انسان بوده‌اند. امروزه، دانشمندان علم مواد از نوع جدیدی از لگوها یعنی لگوهایی در مقیاس اتمی برای کارهایشان الهام می‌گیرند.
این قطعات ساخت و ساز جدید، ورق‌هایی از مواد هستند که ضخامت هر کدام به اندازه‌ی یک اتم است و می‌توانند روی هم قرار بگیرند و یک طرح خاص را ایجاد کنند. با این کنترل ساختاری بی‌سابقه می‌توان موادی با خواص الکتریکی و نوری ساخت که قبل از این تولید آنها غیر ممکن بوده است. دانشمندان همچنین می‌توانند با این لگوهای اتمی ابزارهایی ساخته شده از مواد رسانا با مقاومت بسیار کم، کامپیوترهای قدرتمندتر و سریع‌تر، و وسایل الکترونیکی قابل خم شدن و تا شدن و سبک وزن طراحی کنند.
این کشف به دنبال تولید گرافن، یک تک ورق از اتم‌های کربن از یک تکه‌ی حجیم گرافیت در دانشگاه منچستر انگلستان در سال ۲۰۰۴ صورت گرفت. این ورق شامل کریستال‌های شش وجهی حاصل از کشیدن یک لایه‌ی تک اتمی از این تکه‌های حجیم گرافیت توسط یک نوار چسبان است. در طول ده سال اخیر محققان چندین نوع از این کریستال‌ها را کشف کرده‌اند و تعداد آنها همچنان در حال افزایش است. میکا و نیترید بور شش وجهی مثال‌هایی از این کریستال‌ها هستند.
این لایه‌های کریستالی دو بعدی در نظر گرفته می‌شوند زیرا اتم کوچکترین ضخامت ممکن در مواد را دارد. (کریستال‌هایی با ضخامت سه اتم یا بیشتر نیز قابل استفاده هستند.) دو بعد دیگر آنها یعنی طول و عرض می‌توانند بسته به خواست سازنده بسیار بزرگتر باشند. در طول چند سال گذشته، کریستال‌های دو بعدی به موضوعی جذاب در علم مواد و فیزیک حالت جامد تبدیل شده‌اند زیرا این مواد خواص منحصر به فردی دارند.
ما می‌توانیم این لایه‌ها را با روش‌هایی به شکل پایدار روی هم قرار دهیم. این لایه‌ها به شکل معمول با هم پیوند برقرار نمی‌کنند (مثلاً پیوند کووالانس که در آن الکترون‌ها به اشتراک گذاشته می‌شود.). با این حال زمانی که اتم‌ها در نزدیکی هم قرار می‌گیرند، با نیرویی ضعیف به نام نیروی وان‌دروالس به یکدیگر جذب می‌شوند. این نیرو به طور معمول قدرت نگه داشتن اتم‌ها و مولکول‌ها در کنار هم را ندارند. اما به دلیل اینکه این ورق‌های دو بعدی به صورت متراکم روی هم قرار گرفته‌اند، نیروی مجموع به اندازه‌ای می‌شود که این اتم‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد.
برای درک امکانات ویژه‌ای که این نوع از مهندسی مواد در اختیار ما قرار می‌دهد، ابررسانایی در دمای اتاق را تصور کنید. ایده‌ی انتقال برق بدون از دست دادن انرژی و بدون نیاز به اینکه ابزار را سرد کنیم هدف دانشمندان برای نسل‌ها بوده است. اگر موادی با این قابلیت کشف شوند، فواید این کشف برای تمدن بشر بسیار گسترده خواهد بود. همه عقیده دارند که از نظر تئوری این هدف قابل دستیابی است، اما کسی نحوه‌ی رسیدن به آن را نمی‌داند. امروزه بیشترین دمایی که در آن می‌توان مواد را ابررسانا کرد منفی صد درجه سلسیوس است و در طول دو دهه‌ی اخیر پیشرفت اندکی در بالا بردن این محدودیت دمایی صورت گرفته است.
به تازگی کشف شده است که برخی ابررساناهای ساخته شده از اکسیدها (ترکیباتی دارای حداقل یک اتم اکسیژن همراه با یک عنصر دیگر) قابل جداسازی به لایه‌های نازکی هستند که پیش‌تر در موردشان توضیح داده شد. حال اگر بتوانیم این لایه‌ها را مجدداً به شکلی دیگر به هم بچسبانیم و صفحات کریستالی اضافه‌ای در بین آنها جایگذاری کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟ ما می‌دانیم که ابررسانایی در اکسیدها وابسته به جدایی بین لا‌یه‌ای است و اینکه اضافه کردن لایه‌های بیشتر بین صفحات کریستالی سبب تبدیل مواد رسانای ضعیف و حتی مواد عایق به ابررسانا می‌شود.
این ایده به طور کامل آزمایش نشده است چرا که تکنولوژی ساخت لگوها در ابعاد اتمی هنوز در مراحل ابتدایی است. در واقع درست کردن ساختارهای چند لایه‌ی پیچیده کاری دشوار است. در حال حاضر این سازه‌ها به ندرت بیش از پنج لایه‌ی مختلف دارند و معمولاً تنها دو یا سه بلوک لگوی مختلف – معمولاً گرافن همراه با کریستال‌های عایق دو بعدی نیترید بور و مواد نیمه-رسانا مانند سولفید مولیبدن و diselenide تنگستن- دارند. از آنجا که این لایه‌ها از جنس‌های مختلف هستند، به آنها ساختارهای هترو (چندگون) گفته می‌شود. در حال حاضر این ساختارها بسیار کوچک هستند. (به طور معمول با طول و عرضی در حدود ده میکرون که کمتر از سطح مقطع موی انسان است.)
ساختارهاي هترو (چند گون) وان در والس که از لايه‌هاي وارون مواد (چپ) به وسيله‌ي واصل مونتاژ شده (مرکز)، و دو انتها با لايه‌هاي فعال قفل شده (راست)
با استفاده از این مواد، ما می‌توانیم آزمایش‌هایی برای کشف خواص الکتریکی و نوری جدید و کاربردهای تازه انجام دهیم. این مواد علاوه بر نازک بودن، انعطاف‌پذیر و شفاف هستند. این خواص به ما این امکان را می‌دهد که بتوانیم دستگاه‌های ساطع‌کننده‌ی نوری در شکل‌های مختلف بسازیم مانند صفحات نمایشی که قابلیت تا شدن و باز شدن بنا به خواست مصرف‌کننده را دارند. همچنین می‌توان تراشه‌های کامپیوتری با مصرف انرژی بسیار کمتر نیز با استفاده از این مواد ساخت.
چنانچه محققان بتوانند به پیشرفت قابل توجهی در تحقیقات خود درمورد این ساختارها دست یابند، احتمال اینکه بتوانیم این تکنولوژی را در ابعاد صنعتی نیز به کار ببریم بسیار بالا خواهد بود. این اتفاق در مورد گرافن و برخی کریستال‌های دو بعدی دیگر رخ داده است: در ابتدا این مواد کریستال‌هایی در ابعاد چند میکرون بودند اما اکنون صفحات چند صد متر مربعی از آنها تولید می‌شود.
هنوز کشف بزرگی در این زمینه اتفاق نیفتاده است اما پیشرفت‌های حاصل تا به امروز سبب هیجان در جوامع علمی شده است. پیشرفت انسان همواره رابطه‌ی تنگاتنگی با کشف مواد جدید دارد. لگوهای در ابعاد نانو تا به حال ساخته نشده بودند و با وجود پیشرفت‌های در حال وقوع، امکاناتی که از این کشف در اختیار انسان قرار خواهد گرفت بسیار وسیع به نظر می‌رسد.
دوربین فیلم‌برداری از ذرات نانو:
وضوحی به اندازه‌ی میکروسکوپ‌های الکترونی برای کاربردهای صنعتی
میکروسکوپ‌های الکترونی با وضوح نانومتری به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما قیمت آنها بسیار زیاد است و آماده‌سازی یک نمونه برای مشاهده با آن کاری دشوار و پر زحمت است. این شرایط برای کاربردهای آزمایشگاهی قابل قبول است اما در سطح صنعتی به منظور اسکن سریع نمونه‌های محصول و مشاهده‌ی نقش‌های میکروسکوپی حک شده روی آنها به هیچ وجه مناسب نیست.
شکلی جدید از میکروسکوپی هولوگرافی که توسط فیزیکدان دانشگاه یورک، David Grier و همکارانش توسعه داده شده، مشکل را حل کرده است. این گروه کار خود را با یک میکروسکوپ Zeiss آغاز کردند و به جای منبع نور آن که لامپ‌های رشته‌ای بود، لیزر قرار دادند. لیزر بر روی نمونه‌ی مورد مطالعه می‌تابد، نور از روی نمونه پخش می‌شود و یک الگوی دو بعدی از تداخل بین پرتو لیزر و نور پخش شده (یک هولوگرام) ایجاد می‌شود که یک دوربین فیلم‌برداری آن را ضبط می‌کند.
دانشمندان چندین دهه است که به تهیه‌ی هولوگرام از اجسام میکروسکوپی مشغول هستند اما همیشه استخراج اطلاعات مفید از آنها کار دشواری بوده است. به همین دلیل اختراع Grier بسیار ارزشمند است. تیم او نرم‌افزاری تولید کرده‌اند قادر به حل سریع معادلاتی که چگونگی پخش نور از یک سطح کروی را توضیح می‌دهند است. با پیدا کردن مقدار چند ترم خاص در این معادلات، نرم‌افزار اطلاعاتی درمورد جسمی که پخش نور را انجام می‌دهد به دست می‌آورد. وضوح نانومتری میکروسکوپ به محققان امکان ردیابی ذرات معلق در محلول‌های کلوئیدی (برای مثال دانه‌های در مقیاس نانو شناور در یک نمونه‌ی رنگ) را با استفاده از تجهیزاتی که حداقل یک دهم هزینه‌ی میکروسکوپ‌های الکترونی را دارند می‌دهد.
Grier امیدوار است که اختراع وی اولین و مقرون به صرفه‌ترین راه را برای بررسی ذرات فراهم خواهد کرد؛ یک سطل رنگ یا یک بطری شامپو را تصور کنید که در هر قطره‌ی آنها ذراتی وجود دارند که تاریخچه‌ی ساخت محصول روی آنها کدگذاری شده است. همچنین می‌توان پیام‌های خاصی که در ابعاد کوچک روی ذرات دارو، مواد منفجره و غیره حک شده است را با این ابزار به آسانی خواند.
منبع:
Atomic Scale Legos
Video Cameras for Nanoparticles
Prof. David Grier
منابع مفيد:
Markus Greiner (Harvard Lecture): Atomic Legos: Building and Investigating Quantum Materials One Atom at a Time
نانو آنتن‌ها
نانوتکنولوژي- بخش اول
نانوتکنولوژي- بخش دوم
نانوتکنولوژي- بخش سوم
نانوروبات‌ها
نانوروبات‌ها- گذشته و آينده
نيم رساناها - ويکيپديا