Index
Telegram RSS ارسال به دوستان نسخه چاپی ذخیره خروجی XML خروجی متنی خروجی PDF
کد خبر : 146054
تاریخ انتشار : 12 اردیبهشت 1389 0:0
تعداد بازدید : 97

برای نخستین بار در ایران

سوزن ميكروسكوپ STM از جنس نانولوله كربن ساخته شد

سوزن هاي از جنس «تنگستن» داراي پايداري شيميايي بسيار پايين هستند و سطح آنها سريع اكسيد مي شود و سوزن هاي از جنس پلاتين - ايريديم نرم هستند و پايداري مكانيكي آنها پايين است و باعث افزايش قدرت تفكيك دستگاه، افزايش عمر سوزن دستگاه و ثابت ماندن ويژگي هاي شيميايي و مكانيكي آن مي شود...
پژوهشگران مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي اميركبير براي نخستين بار در ايران موفق به ساخت سوزن (Tip) ميكروسكوپ تونلي رويشي (STM) از جنس نانو لوله كربن شدند. ميكروسكوپ تونلي رويشي (STM) از مهمترين ابزارها در عرصه نانو فن آوري بشمار مي رود. با استفاده از اين دستگاه مي توان تصاوير سه بعدي با قدرت تفكيك اتمي از سطح نمونه مورد مطالعه بدست آورد. همچنين با استفاده از اين دستگاه مي توان اتم ها را جا به جا كرد. در ميكروسكوپ هاي تونلي رويشي از يك سوزن براي رويش سطح نمونه استفاده مي كنند بنابراين قدرت تفكيك ميكروسكوپ به طور کامل به تيزي نوك سوزن بستگي دارد. سوزن دستگاه بايستي داراي تيزي بسيار بالا (شعاع نوك نانومتري)، هدايت الكتريكي بالا و پايداري شيميايي و مكانيكي بسيار بالايي باشد. جنس معمول براي سوزن، تنگستن (W) و پلاتين - ايريديم (Pt-Ir) است. سوزن هاي از جنس «تنگستن» داراي پايداري شيميايي بسيار پايين هستند و سطح آنها سريع اكسيد مي شود و سوزن هاي از جنس پلاتين - ايريديم نرم هستند و پايداري مكانيكي آنها پايين است و باعث افزايش قدرت تفكيك دستگاه، افزايش عمر سوزن دستگاه و ثابت ماندن ويژگي هاي شيميايي و مكانيكي آن مي شود. اتم سنگ بناي بنيادي ماده است و در نتيجه اتم ها بسيار كوچك هستند. توصيف و تصور جهان در سطح اتم و مولكول دشوار است. اين شاخه از علم به قدري عجيب است كه بخشي خاص از فيزيك به آن اختصاص يافته است كه مكانيك كوانتومي نام دارد. هدف اين علم براي توصيف رخدادها در سطح اتم است. اگر قرار بود توپ تنيس را به طرف ديوار پرتاب كنيد و توپ از آن بگذرد و به سوي ديگر ديوار برود، به طور حتم تعجب مي كرديد اما اين دقيقاً همان اتفاقي است كه در مقياس كوانتوم رخ مي دهد. در مقياس بسيار كوچك، خواص ماده مانند رنگ، مغناطيس و توانايي انتقال برق نيز به شكل غيرمنتظره تغيير مي كند. ديدن جهان اتم به معناي عادي كلمه ميسر نيست، چون خواص آن كوچكتر از طول موج نور قابل ديدن است. اما در سال 1981 پژوهشگران شركت آي بي ام نوعي ميكروسكوپ ساختند كه نام آن STM بود. اسم اين ميكروسكوپ در واقع از يك خاصيت در مكانيك كوانتم گرفته شده بود كه در ميكروسكوپ ياد شده به كار مي رود. اين دستگاه مي توانست پستي و بلندي هاي در مقياس جهان نانو را نشان دهد. ميكروسكوپ STM اين امكان را به دانشمندان داد كه براي نخستين بار اتم ها و ملكول ها را ببينند. تصاوير اين ميكروسكوپ به زيبايي و وضوح تصاوير طبيعت اما در مقياس تصورناپذير نانومتر بود. يك نانومتر يك ميليارديم متر يا حدوداً به طول 10 اتم هيدروژن است. با وجودي كه دانشمندان از سال هاي دهه 1950 درباره بررسي مواد در اين مقياس تلاش كرده بودند، آنان ناچار شدند تا اختراع ميكروسكوپ STM صبر كنند تا به هدف خود برسند. STM حروف اول عبارت Scanning Tunneling Microscope است. اين نوع ميکروسکوپ در دهه 1970 اختراع شد و مخترعان آن در سال 1981 جايزه نوبل را دريافت کردند. فن آوري STM در اين است که در آن امواج نوري يا امواج نوع ديگر به کار گرفته نمي شود و هيچ نوع عدسي در آن وجود ندارد. به طور خلاصه سوزني که نوک آن به اندازه يک اتم است، ويژگي هاي نمونه را در ابعاد اتمي رويش مي کند. STM ساختار سطحي نمونه را بررسي مي کند اما ميکروسکوپ هاي مشابه ديگر ويژگي هاي الکتريکي، مغناطيسي يا دماي نمونه را تعيين مي کنند. در حال حاضر اين ميکروسکوپ ها براي نمونه هاي زيستي و بيشتر براي نمونه هاي غير زيستي مورد استفاده قرار مي گيرند. اين ميكروسكوپ از يك پديده فيزيكي پيروي مي كند به طوري كه الكترون ها بايد در يك هادي يا سيم حركت كنند و وقتي فاصله بين نوك دستگاه و آن نمونه به حد 1 نانومتري رسيد، اين الكترون ها از سطح نمونه جدا مي شوند و به سمت سوزن دستگاه حركت مي کنند و به آن مي چسبند. بنابراين اين عمل را كه يك پديده كوانتومي است، تونل زني نيز مي گويند. كاربرد ميكروسكوپ STM براي سطوح رسانا يا نيمه رسانا است بنابراين براي سطوح غيرهادي بايد از ميكروسكوپ نيروي اتمي AFM استفاده کرد ولي وضوح تصوير ميكروسكوپ نيروي اتمي به اندازه STM نيست و قدرت تفكيك آن نيز در حد چند دهم نانومتر است كه اين قدرت تفكيك و وضوح تصاوير در ميكروسكوپ STM در حد 1/0 نانومتر است. نانولوله هاي كربني از موادي بشمار مي روند كه در سال هاي اخير كشف شده اند و كاربردهاي بسيار وسيع و متنوعي پيدا كرده اند. اين مواد از لحاظ الكتريكي ابر رسانا هستند و پايداري شيميايي و مكانيكي بي نظيري دارند. در يک نانولوله کربني، اتم هاي کربن در ساختاري استوانه اي آرايش يافته اند. يعني يک لوله توخالي که جنس ديواره اش از اتم هاي کربن است. آرايش اتم هاي کربن در ديواره ي اين ساختار استوانه اي، دقيقاً مشابه آرايش کربن در صفحات گرافيت است. در گرافيت، شش ضلعي هاي منظم کربني در کنار يکديگر صفحات گرافيت را مي سازند. اين صفحات کربني روي يکديگر انباشته مي شوند و هر لايه از طريق پيوندهاي ضعيف واندوالس به لايه زيرين متصل مي شود. به گفته اين پژوهشگران، نتايج نشان مي دهند كه رشد دادن يك نانولوله كربني روي نوك سوزن، امري ممكن و شدني است اما براي دستيابي به چنين حالتي نياز به تعداد نمونه هاي بسياري وجود دارد زيرا در اين جا از روش هاي تجربي استفاده شده است كه بر اساس احتمال پيش مي رود و به طور كامل در كنترل نيست. ممكن است نانولوله هاي رشد يافته، تك ديواره يا چند ديواره باشند يا انواع مختلفي داشته باشند. همچنين ممكن است تعداد زيادي نانولوله در كنار هم رشد كنند و يك نقطه اتصال منفرد وجود نداشته باشد. به هر حال نمي توان به طور قطع و يقين نتيجه فرآيند را پيش بيني كرد و بايد نمونه هاي متعددي را در معرض آزمايش قرار داد تا شايد يكي از آنها مطلوب شود. اين عامل موجب هدر رفتن زمان، انرژي، نمونه و مواد اوليه بسياري مي شود بنابراين هزينه آزمايش ها بالا مي رود. يكي ديگر از مشكلات، شكننده شدن سوزن پس از عمليات حرارتي به علت تشكيل تنگستن كاربايد و كريستال هاي تنگستن است. با اين همه استفاده از نانولوله كربني در دستگاه هاي ميكروسكوپ تونلي رويشي توصيه مي شود. در آخر بايد يادآور شد که اين طرح با راهنمايي دكتر امير عبدالله و توسط محمد حسين قاجار، دانشجوي كارشناسي مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي اميركبير انجام شده است.