آشنایی با روش‌های تولید و ساخت نانومواد

۱- مقدمه

فناوری نانو در بسیاری از دستاوردهای مهم هزاره جدید نقش اساسی دارد. کاربرد نانومواد و نانوساختارها روز به روز درحال گسترش است [۱]. نانوذرات نسبت به مواد توده‌ای ^[۱]، خواص منحصر به فردی را از خود نشان می‌دهند، به همین سبب تحقیقات زیادی در رابطه با سنتز و کاربرد نانوذرات انجام شده است [۲]. در سال‌های اخیر رشد فوق العاده‌ای در فناوری نانو و عمدتاً به دلیل توسعه روش‌های جدید برای سنتز نانومواد و دسترسی به ابزارها برای طبقه‌بندی و دستکاری نانوذرات صورت گرفته است [۳]. دامنه اندازه‌ای که در آن نانوذرات ایجاد می‌شوند متفاوت است. با این حال‌، تعریف کمیسیون اروپا تعریفی است که در بسیاری از نقاط جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد و نانوذرات را ذراتی با ابعاد بین 1 و ۱۰۰ نانومتر طبقه‌بندی می‌کند، و برای اینکه یک محصول، نانویی به شمار آید لازم است که این تعریف حداقل در مورد ۵۰ درصد نانوذرات موجود در این محصول، صادق باشد. غالبا نمی‌توان نانوذرات تک پخش ^[۲] و با اندازه‌های دقیقا یکسان تولید کرد اما این تعریف دست ما را در انتخاب روش‌های ساخت بازتر می‌گذارد. تنوع روش‌های ساخت نانومواد از بسیاری جهات خوب است اما از طرفی، بعضی از روش‌ها مانند سایرین قابل کنترل نیستند [۴].

با توجه به آنچه گفته شد، یکی از اهدافی که در نانوفناوری دنبال می‌شود، تولید نانوموادی است که در آن‌ها آرایش اتم‌ها یا مولکول‌ها در ماده مورد نظر، از قبل مشخص باشد. در این مقاله به‌طور کلی به بررسی انواع روش‌های تولید نانومواد می‌پردازیم.

۲- روش‌های ساخت نانومواد

فرض کنید می‌خواهید با استفاده از آجرک‌های مجسمه سازی، مکعبی با طول ضلع ۱۰ سانتی‌متر بسازید. اگر آجرک‌هایی که در اختیار شما قرار می‌گیرند، مانند شکل ۱ باشند، چگونه به شکل مدنظر خود می‌رسید؟ بدیهی است که مکعب را آجر به آجر می‌چینید و از آجرک‌های کوچک‌تر،مکعب مورد نظر خود را می‌سازید.

شکل ۱- آجرک‌های درهم ریخته

اما اگر آجرک‌هایی که در اختیارتان قرار می‌گیرند، مانند شکل۲، از قبل به شکل یک مکعب بزرگترچیده شده باشند، آنگاه چگونه می‌توان به مکعب کوچکتر رسید؟

شکل۲- مکعب بزرگ

احتمالا به این فکر می‌کنید که می‌توان آجرک‌ها را یک به یک از سطح مکعب بزرگ جدا کرد تا به مکعب کوچک‌تر رسید که گویی داخل مکعب بزرگ‌تر جاسازی شده است (شکل۳).

شکل۳- مکعب کوچک کم‌کم از درون مکعب بزرگتر پدیدار می‌شود.

به روش ساخت اول که از شکل کوچکتر به شکل بزرگتر یا همان مکعب رسیدیم، ساختن " پایین به بالا" و به روش دوم که می‌توان گفت آجرک‌های اضافه را حذف کردیم و از ساختاری بزرگتر به ساختار مد نظرمان رسیدیم، ساختن " بالا به پایین" گفته می‌شود.

۱-۲- روش‌های بالا به پایین

روش‌های بالا به پایین شامل استفاده از مواد توده‌ای بزرگتر و ریز کردن آن‌ها با عملیاتی از قبیل شکستن، برش دادن، جدا کردن قطعاتی از آن، می‌شوند و حین این فرایندها، مقدار قابل توجهی از انرژی مکانیکی، حرارتی یا شیمیایی برای تبدیل مواد به ذرات در محدوده نانو مورد نیاز است. در بسیاری موارد، این روش‌ها می‌توانند برای تولید حجم بسیار بیشتری از نانوذرات مورد استفاده قرار گیرند و اغلب برای تولید انبوه استفاده می‌شوند، اما غالباً در مقایسه با روش‌های پایین به بالا بسیار غیرقابل کنترل هستند. این موضوع، می‌تواند منجر به تولید نانوذرات با عدم تک‌پخشی ^[۳] (دامنه وسیع‌تری از اندازه نانوذرات) بسیار بالاتردر مقایسه با روش‌های پایین به بالا شود. با این حال،روش‌های بالا به پایین اغلب بسیار مقیاس‌پذیر بوده و قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را دارند.

روش‌های زیاد و متنوعی وجود دارد که در رده‌روش‌های بالا به پایین قرار می‌گیرند و برخی از آن‌ها پیشرفته‌تر از بقیه هستند. روش‌های مختلف لیتوگرافی ^[۴] و زدایش یا اچ کردن ^[۵] در دستۀروش‌های پیشرفته‌تر جای می‌گیرند که نه تنها برای حذف کردن قسمت‌های اضافی (گاهی اوقات با کمک ماسک مقاوم) قابل استفاده هستند بلکه می‌توان از آن‌ها برای الگوبرداری از نانوذرات (و سایر مواد نانویی) نیز استفاده کرد. نمونه‌هایی از این روش‌ها عبارتند از: لیتوگرافی نوری ^[۶]، لیتوگرافی نانوچاپ $\left(\mathrm{NIL}\right)$ ^[۷]، لیتوگرافی پرتو الکترونی$\left(\mathrm{EBL}\right)$ ^[۸]، زدایش یونی واکنش‌پذیر $\left(\mathrm{RIE}\right)$ ^[۹] و زدایش یونی واکنش‌پذیر عمیق $\left(\mathrm{DRIE}\right)$ ^[۱۰]، اما روش‌های دیگری نیز وجود دارد که به نسبت روش‌های نام‌برده کاربرد کمتری دارند.

درروش‌های با فناوری قدیمی‌تر و دارای مکانیزم غالبا فیزیکی، روش‌های مختلفی وجود دارد که در آن‌ها با استفاده از انرژی مکانیکی، نور خورشید، مواد شیمیایی خورنده یا گرمای زیاد، مواد را تجزیه می‌کنند. ساییدن، برش و آسیاب گلوله‌ای ^[۱۱] روش‌های متداول فیزیکی برای خرد کردن مواد توده‌ای و پدید آوردن نانوذرات هستند. یکی از روش‌های دیگر لایه‌برداری است، اما این روش برای موادی قابل استفاده است که دارای لایه‌های مجزا و قابل جدا شدن هستند (مانند گرافیت) و هم‌چنین می‌توان از انرژی حرارتی، مواد شیمیایی اسیدی، تابش خورشیدی یا وارد کردن انرژی مکانیکی برای جدا کردن لایه‌ها از ساختار توده‌ای استفاده کرد.

۲-۲- روش‌های پایین به بالا

روش‌های پایین به بالا به‌گونه‌ای هستند که با تجمع اتم‌ها در شرایط خاص ساختار اتمی را از ابتدا و اتم به اتم تشکیل می‌دهند. اغلب این روش‌ها، شامل خودآرایی ^[۱۲] هستند. رشد، اغلب به صورت تناوبی شکل می‌گیرد و در نتیجه شبکه‌های بلوری شکل می‌گیرند. بسیاری از این روش‌ها، از مکانیزم هسته‌زایی-رشد ^[۱۳] پیروی می‌کنند که از تشکیل اولیه یک هسته کوچک ناشی می‌شود و بقیه ساختار از آن منشا گرفته و رشد می‌کند. با این وجود که در میان روش‌های تولید پایین به بالا روش‌هایی نیز وجود دارد که برای تولید نانوذرات به‌صورت تجاری استفاده می‌شود، بازده آن‌ها اغلب بسیار پایین‌تر از روش‌های بالا به پایین است و اغلب برای کاربردهای خاص و محدود یا تهیه راه حل متناسب با یک مشکل خاص استفاده می‌شود. حتی اگر نتوانیم با استفاده از این روش‌ها، مقادیر انبوه از نانومواد را تولید کنیم، کنترل‌پذیری در فرایندها معمولاً بسیار بیشتر از روش‌های از بالا به پایین است، که منجر به تولید محصولات تک پخش (که همه ذرات اندازه تقریبا یکسانی دارند) و با کیفیت بالا می‌شود.رسوب بخار شیمیایی $\left(\mathrm{CVD}\right)$ ^[۱۴]، رسوب بخار فیزیکی$\left(\mathrm{PVD}\right)$ ^[۱۵] و لایه‌نشانی اتمی$\left(\mathrm{ALD}\right)$ ^[۱۶] نیز سه روش متداول پایین به بالاهستند. هم‌چنین روش‌های متنوع شیمیایی دیگری نیز وجود دارد، مانند سنتز به کمک پلاسما ^[۱۷]، سل-ژل^[۱۸]، عمل آوری استوالد^[۱۹] و روش‌های هیدروترمال ^[۲۰] و ... که می‌توان نانومواد را به وسیله آن‌ها ایجاد نمود [۴].

شکل۴- طرحی از رویکردهای تولید نانومواد به روش‌های بالا به پایین و پایین به بالا

اکنون تصور کنید می‌خواهید ساختاری مشابه شکل5 بسازید که کمی از مکعبی که در ابتدا ساختیم پیچیده‌تر است، این‌بار چه می‌توان کرد؟

شکل۵- ساختار پیچیده‌تر

می‌توانیم از آجرک‌های مطابق شکل1 استفاده نموده و ساختار را تماما با استفاده از رویکرد پایین به بالا تولید کنیم. هم‌چنین می‌توانیم با استفاده از مکعب پیش ساخته که از قبل دراختیارمان قرار گرفته ساختار را با استفاده از رویکرد بالا به پایین بسازیم اما کارمان دشوارتر می‌شود و حتی شاید نتوانیم به ساختار مورد نظر برسیم. راه حل چیست؟ شاید به ذهن شما هم برسد که ابتدا قسمتی از ساختار را با استفاده از مکعب بزرگتر بدست آوریم و سپس با رویکرد پایین به بالا دو قطعه دیگر در دو طرف آن قرار دهیم تا به ساختار مورد نظر دست پیدا کنیم. در فناوری نانو هم همین‌گونه است و از هردو رویکرد پایین به بالا و بالا به پایین برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود و گاهی هردو آنها برای تولید یک نوع محصول به کار گرفته می‌شوند [۵].

۳- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

برای تولید نانوساختارها از رویکردهای "بالا به پایین" یا "پایین به بالا" استفاده می‌شود. در رویکرد بالا به پایین از یک ماده با ابعاد بزرگتر از نانو شروع کرده و با استفاده از فرایندهایی از قبیل آسیاب کردن یا اصلاح سطحی، ماده‌ای با ابعاد نانویی تولید می‌کنیم. در رویکرد پایین به بالا از اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده ساختار شروع کرده و آن‌ها را با ترتیبی که مدنظر است در کنار هم قرار داده و به ساختار مورد نظر می‌رسیم. روش‌های ساخت بالا به پایین مقیاس‌پذیرتر، به صرفه‌تر و با قابلیت تولید صنعتی هستند در حالی که روش‌های ساخت پایین به بالا، رویکردهایی با قابلیت کنترل بالاتر و قادر به تولید ذرات تک پخش‌تر می‌باشند.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴-مراجع

[1]Mandal, D., and Mark E. Bolander. "ME; Mukhopadhyay, D.; Sarkar, G.; Mukherjee, P." Appl. Microbiol. Biotechnol 69 (2006): 485.‏

[2]Chandra, Sulekh, Avdhesh Kumar, and Praveen Kumar Tomar. "Synthesis of Al nanoparticles: Transmission electron microscopy, thermal and spectral studies." SpectrochimicaActa Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 92 (2012): 392-397.‏

[3]Gardea-Torresdey, Jorge L., et al. "Alfalfa sprouts: a natural source for the synthesis of silver nanoparticles." Langmuir 19.4 (2003): 1357-1361.‏

[4] Critchley, Liam.”Nanoparticle Manufacture – WhatMethods Are There?”. Azonano(Jan. 2019).www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5122

[5]Pinna, Alessandra, et al. "Combining top-down and bottom-up routes for fabrication of mesoporoustitania films containing ceria nanoparticles for free radical scavenging." ACS applied materials & interfaces 5.8 (2013): 3168-3175.‏

۵- پاورقی‌ها

[1] bulk

[2]monodisperse

[3]polydispersity

[4] lithography

[5] etching

[6] photolithography

[7] nanoimprint lithography

[8]electron beam lithography

[9]reactive ion etching

[10]deep reactive ion etching

[11]ball milling

[12]self-assembly

[13]nucleation-growth

[14]chemical vapor deposition

[15]physical vapor deposition

[16]atomic layer deposition

[17]plasma-assisted synthesis

[18]sol-gel

[19]Ostwald ripening

[20]hydrothermal