روشهای ساخت در مقیاس نانو خودآرایی

تصور کنید یک پازل دستتان باشد و آن را به شدت تکان دهید و پس از به هم ریختن پازل ببینید که پازل خودبه خود در حال درست شدن است می بینید چه تصور عجیبی است اما چنین مسئله ای در طبیعت خیلی عجیب نیست

● خودآرایی چیست؟

خیلی ساده‌اش می‌شود همدیگر را گرفتن. ما می‌خواهیم در مورد مجموعه‌ای از اشیا صحبت کنیم که همدیگر را می‌گیرند و با هم یک مجموعهٔ بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند. تعریف علمی‌تر عبارت است از اینكه خودآرایی یک روش ساخت پایین به بالا است که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها با ارتباطات فیزیکی یا شیمیایی خود را به شکل یک ساختار منظم نانویی درمی‌آورند. ایجاد بلور نمک یا دانه‌های برف، با آن ساختارهای پیچیده، مثال خوبی برای خودآرایی است.

تصور کنید یک پازل دستتان باشد و آن را به‌شدت تکان دهید و پس از به‌هم‌ریختن پازل ببینید که پازل خودبه‌خود در حال درست شدن است. می‌بینید چه تصور عجیبی است؟! اما چنین مسئله‌ای در طبیعت خیلی عجیب نیست! خیلی از سیستم‌های بیولوژیک و سیستم‌های فیزیکی غیرآلی، رفتارهای خودآرایی را به‌خوبی به نمایش می‌گذارند. دانشمندان مختلف در زمینه‌های شیمی، فیزیک، بیولوژی، مهندسی و ریاضی جذب چنین سیستم‌هایی شدند و با امیدِ دستیابی به روش‌های طراحی و کنترل رفتار سیستم‌های خودآرا شروع به تحقیق کردند. با پیشرفت‌های اخیر در زمینهٔ دانشِ میکرو و نانو، انگیزه‌ها هم افزایش یافت.

از طرف دیگر، روش‌های ساخت در مقیاس میکرو و نانو به ما اجازهٔ «پردازش دسته‌ای» را می‌دهد. یعنی ما توانایی ساخت نمونه‌های مختلف از یک جسم در آن واحد را خواهیم داشت. سؤالی که مطرح می‌شود این است که ما چطور چنین ابزارهایی را طراحی ‌کنیم تا بتوانند طوری خود را بیارایند که یک سازهٔ مفید و کارا ایجاد شود؟ به عبارت دیگر، روش‌های سنتی ساخت دقت محدودی داشتند و ساخت سازه‌های کوچک‌تر (در ابعاد نانو) نیازمند توسعهٔ روش‌های جدید بودند. خودآرایی یکی از آن روش‌های جدید است که در طبیعت بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دانشمندان بسیاری در حال حاضر بر روی آن مطالعه می‌کنند و درک عمیق آن ممکن است به درک بهتر طبیعت زندگی نیز منجر شود.

● خودآرایی در آشپزخانه (یا هرجای دیگر خانه)

سیستم‌های مختلف و بسیار ساده‌ای وجود دارند که رفتار خودآرایی را به نمایش می‌گذارند. علاوه بر اینکه بازی با آنها جالب است، این سیستم‌ها به ما کمک می‌کنند که خودآرایی را به‌سادگی مورد بررسی قرار دهیم. این سیستم‌ها را می‌توان بر اساس نیروهایی که موجب خودآرایی می‌شوند به چند دسته تقسیم کرد. بیایید به مثال‌هایی که حتی در آشپزخانهٔ منزل هم می‌توانید انجامشان دهید نگاهی بیندازیم:

● خودآرایی به وسیلهٔ نیروهای مویینگی

گروهی از محققان دانشگاه هاروارد، چند سیستم خودآرا را طراحی و بررسی کرده‌اند. بسیاری از این سیستم‌ها بر پایهٔ اتصالات مویین عمل می‌کنند. این اتصالات از دو ویژگی مربوط به آب بهره می‌برند:

۱. اشیای کوچک روی آب یکدیگر را جذب می‌کنند. در این حالت، ذرات نیروی جاذبه‌ای را در بین خود احساس می‌کنند. منشأ این نیرو کجاست؟ بله، منشأ این جاذبه نیرویی است به نام «کشش سطحی» مولکول‌های آب. اگر یادتان باشد، یکی از اثرات کشش سطحی آب این بود که حشرات سبک می‌توانستند روی آب راه بروند. این جاذبه‌ای هم که ذکر شد یکی دیگر از اثرات کشش سطحی آب است که به خاطر جاذبهٔ بین مولکول‌های آب و جسم و همچنین جاذبهٔ بین خود مولکول‌های آب ایجاد می‌شود.

۲. وقتی دو سطحِ آب‌گریز با یکدیگر برخورد می‌کنند، تماس خود را حفظ می‌نمایند. علت این پدیده با نیروی بین دو سطح آب‌گریز و همچنین اثر کشش سطحی آب مرتبط است.

● خودآرایی به وسیلهٔ نیروی الکترواستاتیک (الکتریسیتهٔ ساکن)

آرایش توسط نیروهایی مویین، مرتبط با اثر متقابل بین ذرات و همچنین نیروی بین ذرات و محیط آنهاست. ذرات دارای خصوصیات سطحی ــ آب‌گریزی و آب‌دوستی ــ هستند و محیط آنها آب است و اگر محیط آنها را به روغن یا الکل تغییر دهیم آرایش متوقف می‌شود. سؤالی که با بررسی نیروهای مویین مطرح می‌شود این است که آیا انواع دیگری از اثر متقابل ذرات ـ ذرات و ذرات ـ محیط وجود دارند که منجر به خودآرایی شوند یا خیر؟

یک جایگزین طبیعی، استفاده از نیروهای الکترواستاتیک برای تحریک به خودآرایی است. تقریباً همهٔ ما با آزمایش شانه و خُرده‌کاغذ آشناییم و تشکیل زنجیره‌هایی کاغذی را در زیر شانه دیده‌ایم. یک مثال دیگر، استفاده از دانه‌های برنج و روغن نباتی در میدان الکتریکی است.

این فرایند در پویانمایی بالا نشان داده شده است. در این پویانمایی، مرزهای بالا و پایینْ الکترود هستند. یك اختلاف ولتاژ بین دو الکترود برقرار می‌شود و ذرات با حرکت بین صفحات با انتقال بارشان شروع به خودآرایی می‌کنند و سازهٔ زنجیره‌مانندی را ایجاد می‌نمایند.

در تصاویر زیر نیز که به وسیلهٔ ذرات مقوایی و روغن نباتی و با ولتاژ ۱۵ کیلو ولت انجام شده است، ابتدا و انتهای آزمایش را مشاهده می‌کنید.

● خودآرایی به وسیلهٔ نیروهای مغناطیسی

یکی از سیستم‌های جالب و مورد توجه، خودآرایی به وسیلهٔ 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؟ در پویانمایی بالا نظم یافتن مشخص است. آهنرباها به طور تصادفی پخش شده بودند و در اثر تکان دادن، سازه‌ای زنجیره‌ای را تشکیل دادند. 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 بدنهٔ هر آهنربا را با نوارهای رنگی رنگ کنیم، خواهیم دید که سیستم نهایی از لحاظ رنگ‌آمیزی متفاوت خواهد بود.

● جمع‌بندی و چند سؤال

در اینجا با اصول چند روش مختلف خودآرایی ــ به عنوان یک روش ساخت پایین به بالا ــ آشنا شدیم. همان‌طور که دیدید، این روش تنها در مقیاس نانو کاربرد ندارد و در مقیاس‌های بزرگی مثل هات‌داگ یا آهنرباهای دایره‌ای هم به کار می‌رود!

منتظر مقالهٔ بعدی ما که در مورد یکی دیگر از روش‌های ساخت پایین به بالاست، باشید. در این مدت بكوشید جواب سؤال‌های زیر را پیدا کنید:

• چرا روش خودآرایی در مقیاس نانو بیشترین کاربرد را یافته است (با اینکه در مقیاس‌های بزرگ‌تر هم می‌توان از آن استفاده کرد)؟

• همان‌طور که می‌دانید (یا به زودی خواهید دانست!) پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی در جهت بی‌نظمی بیشتر یا رسیدن به سطح انرژی پایین‌تر (پایداری بیشتر) به طور خودبه‌خودی انجام می‌شوند. آیا خودآرایی یک پدیدهٔ خودبه‌خودی است؟

• روش‌های مختلف خودآرایی که در بالا ذکر شدند، از لحاظ بی‌نظمی و سطح انرژی در چه جهتی حرکت می‌کنند؟