لیتوگرافی روشهای- 6-2-3-2

عمدة روشهای لیتوگرافی (که به جای الگودهی از آنها برای ایجاد نانوحفرهها استفاده میشود- ضمن آن که البته از این روش در ایجاد الگو هم میتوان استفاده نمود) شامل بمباران ماده با پرتوهای نوری، الکترونی و یونی است تا به این ترتیب بتوان تغییراتی فیزیکی مطلوب را در سطح ماده ایجاد نمود. الگودهی به روشی لیتوگرافی را میتوان از طریق یک ماسک یا با کنترل مستقیم پرتو انجام داد. طول موج نور مورد استفاده در این روش باید حداقل nm 30 باشد. روشهای لیتوگرافی معمولی که در حال حاضر به طور گستردهای در صنایع تولید نیمرساناها و NEMS/MEMS

بکار میروند به تدریج به این حد نزدیک میشوند. اما روشهایی که در آن از پرتوهای الکترونی، یونی یا اتمی برای بمباران ماده استفاده میشود نیز در حال توسعه بوده و برخی از آنها به طور آزمایشی در طرحهای نیمهصنعتی بکار رفتهاند. در این روشها نیاز به استفاده از ماسک نبوده و میتوان مستقیماً اصلاح مورد نظر را در سطح ماده ایجاد نمود. دقت این روش میتواند تا نزدیکی دقتهای نانومتری برسد. اما با این حال، تمام آنها روشهایی پرهزینه و متوالی هستند. یعنی نمیتوان به کمک آنها ساختارهایی را به طور همزمان ایجاد نمود- بنابراین در حال حاضر، از آنها تنها در تولید قالبهایی برای لیتوگرافی نرم یا تهیه قالبهای تولیدی روش خودآرایی، استفاده میشود. از مهرزنی/ لیتوگرافی نرم میتوان در ایجاد مواد نانوحفرهای و یا ساخت الگوها استفاده نمود. از این روشهای لیتوگرافی میتوان جهت تولید بلورهای فوتونیکی از مواد نانوحفرهای استفاده نمود. مواد بلوری فوتونیکی سه بعدی یا شکاف باندی، نور را جذب نمیکنند و در مقیاس طول موج نور از یک ساختار فضایی تناوبی برخوردارند. این بلورهای فوتونیکی (با توجه به شکاف باندی خود) مانع از نشر نور میشوند و میتوانند در سه بعد، جریان امواج الکترومغناطیسی را دستکاری نمایند: با وجود همة این توانمندیها، این روشهای لیتوگرافی بسیار زمانبر وپرهزینه بوده و استفاده از آنها در ایجاد ساختارهای سه بعدی ضخیم با مشکل مواجه میشود. در این بین یکی از کاربردهای ویژهای که دانشمندان مشغول بررسی آن میباشند، استفاده از پرتوهای یونی برای ایجاد حفرههایی است که بتوان از آن در مطالعات توالی سنجی سریع RNA/DNA استفاده نمود. آنها این کار را با عبور دادن و کشیدن این رشتهها از میان حفرههای ایجاد شده و اندازهگیری تغییرات الکتریکی پدید آمده با عبور هر حرف از هر باز آلی انجام میدهند و در ضمن آن میتوانند با استفاده از پرتوهای یونی، کاهش یا افزایش اندازة این حفرهها را دقیقاً کنترل نمایند.

2-3 -3 -عاملدار کردن و عملیات تکمیلی

اغلب کاربردهای مواد نانوحفرهای به مشخصههای ویژهای (خصوصاً روی سطح حفره) نیاز دارند که ایجاد آن با فرآیندهای استاندارد موجود امکانپذیرنیست. به این منظور و برای ایجاد کارایی مورد نیاز، دو روش عمده وجود دارد که عبارتند از: PT) یا به اصطلاح روشپیوندزنیTP 1 اصلاح تکمیل TPی PT (و دیگری سنتز مستقیم )متراکمسازی همزمانTP 2 PT گروههای عاملی).  روش دوم بیشتر و غالباً در فرایند سلژل به کار میرود و اصولاً شامل اضافه نمودن گروههای عاملی به سل است، به طوری که بتوان به این ترتیب تولید آنها با فرایندهای معمولی را امکانپذیر نمود. با این روش میتوان حجم زیادی از گروهای عاملی را برداشت اما اثر دراز مدت منفی آن در ساختار میان حفرهای ظاهر میشود. علاوه بر آن، در این روش تنها میتوان از گروههای عاملی محدودی استفاده نمود، ضمن آن که هنگام برداشتن قالب و حلال، احتمال از دست رفتن بخشی از این عاملیتهای ایجاد شده هم وجود دارد. در این بخش علاوه بر این دو روش، به یکسری روشهای فرآوری تکمیلی از جمله برداشتن حلال و پی شساز که برای کامل کردن تولید مواد نانوحفرهای لازم است، اشاره میشود.

2-3-3-1 -حلالهایی برای حل کردن الگوها/ پیشسازها

در بسیاری از روشهای تولید مواد نانوحفرهای، از ساختارها یا الگوها یا عاملهای هدایت کننده ساختار (SDAها) TP PT استفاده میشود تا به این ترتیب بتوان به مادة نانوحفرهای دلخواه دست یافت. اما پس از رشد ماده، این پیشسازهای 1 حفرهها داخل محیط آزمایش باقیمانده و برای به دست آوردن ساختار حفرهای نهایی لازم است تا این مواد زائد از بین برده شوند. در حال حاضر برای انجام این کار به طور گستردهای از حلالها استفاده میشود؛ اما عیب بزرگی که استفاده از حلال دارد آن است که در بسیاری از موارد، خود SDAها که با شکلهای خاص و سفارشی تهیه شدهاند و لذا معمولاً بسیار گران هم میباشند طی این فرایند نابود میشوند. همچنین استفاده از فرایندی که برای حذف پیشسازها بکار میرود (به عنوان مثال فرایندهای دما بالا) میتواند به ساختارهای نانوحفرهای آسیب رساند. به نظر متخصصان این فرایند حتی اثرات سوء زیستمحیطی نیزبه دنبال دارد. Uموانع عمدة موفقیت مسیرهای تحقیقاتی یافتن نوع مناسب حلال (خصوصاً در کاربردهای مربوط به نیمهرساناها) معمولاً به یک فعالیت تحقیقی دراز مدت نیاز دارد. برخی از متخصصان سازمانهای صنعتی، علاوه بر مشکل فوق، مسألة قیمت را نیز به عنوان یک چالش دیگر برشمردهاند. به هر حال آنچه محققان به دنبال آن میباشند، یافتن یک فرآیند دمای پایین است که بتواند به بازیابی پیشسازهای حفرهها کمک نماید.

 حکاکی- 2-3-3-2

در این روش مواد نانوحفرهای با عبور دادن یک جریان الکتریکی از یک مادة نی مهرسانا یا فلزی و در تماس با یک محلول اسیدی قوی به دست میآیند. این محلول اسیدی با ماده واکنش کرده که حاصل آن ساختاری اسفنجی شکل و

پر از حفرههای متصل به هم خواهد بود. با اعمال جریان میتوان آن بخش از ماده را که در تماس با اسید قرار گرفته و حل میشود را کنترل نمود. لذا به این ترتیب با تغییر جریان میتوان ضمن انجام فرایند حکاکی میزان تخلخل را از نقطهای به نقطه دیگر به طور کنترل شده تغییر داد و به راحتی ساختارهایی چند لایه (به عنوان مثال ساختارهایی دارای حفرههایی با ضریب شکست و اندازة متفاوت) تولید نمود. 2T-3 -3-3 -فرآیند تکمیلی/ پیوند زنی با کمک روش به اصطلاح پیوندزنی، میتوان عوامل شیمیایی آلی و معدنی مختلف را به سطح حفرهها متصل کرده و آنها را عاملدار نمود، به طوری که پس از انجام این کار، ساختار میانی این حفرهها همچنان دست نخورده باشد. با این حال چگالی گروههای عاملی که به این حفرهها اضافه میشوند، به دلیل محدودیت دسترسی به حفرهها، محدود بوده و یکنواخت نیست. به علاوه، این نوع عاملدار کردن باعث کاهش مساحت سطحی و همچنین کاهش حجم حفرهها میشود. در مواد نانوحفرهای باز، حفرهها بخشی از یک شبکه به هم پیوسته هستند که قطر اتصالات آنها معمولاً کوچکتر از حفرههایی است که این اتصالات آنها را به هم مرتبط میکنند. مواد عاملدار کننده، اغلب مولکولهایی هستند که نمیتوانند از این شبکهها رد شده و به نانوحفرهها برسند، لذا تنها راه ممکن برای اتصال آنها به نانوحفرهها آن است که بخشهای مختلف این مولکولهای عاملدار کننده را به طور جداگانه تغذیه کرده و سپس آنها را به واکنش در داخل حفره- که به صورت یک راکتور شیمیایی نانومتری عمل میکند- وادار نمائیم. همانگونه که قبلاً نیز اشاره شد، وجود پایداری یکی از نیازهای اساسی مواد نانوحفرهای است که پس از عاملدار PT کردن سطح، روشهای مختلفی (مانند 1 کردن آنها باید به طور جدی به آن پرداخت. به عنوان مثال برای آلومی TP نه پیوندهای فوقبحرانی، خشک و تر) وجود دارد که هر کدام از آنها حفرههایی با حجم و مساحت سطحی متفاوتی ایجاد میکنند که در بین آنها، پیوندزنی فوقبحرانی از همه با ارزشتر است. Uموانع عمدة موفقیت مسیرهای تحقیقاتی به نظر متخصصان، برای متصل کردن قطعههای آلی به سطوح حفرهای اکسیدفلزی بسیار چگال، لازم است تا راهبردهای سنتزی آلی جدیدی تعریف شوند. علاوه بر این لازم است تا در این تحقیقات از واکنشهای جانبی که خارج از ساختارهای میان حفرهای (یعنی در سطح ذرات) روی میدهند، اجتناب شود. بالاخره آنکه به نظر نیمی از این متخصصان، مسأله قیمت نیز از تنگناهای مهمی است که نباید آن را از نظردور داشت. کاربردها- 4-3-2

2-3-4-1 -مقدمهای بر تنگناهای تعریف شده و کاربردهای عمده

استفادة تودهای و غشایی از مواد نانوحفرهای دو زمینه اصلی کاربرد این مواد را تشکیل میدهند. جداسازی گاز، سنتز و جداسازی شیمیایی، تصفیه آب و یا غشاء پیلهای سوختی، برخی از موارد کاربرد غشاهای نانوحفرهای است. همچنین از مواد نانوحفرهای تودهای نیز میتوان در عایقبندی پنجرهها، بلورهای فوتونیکی یا قطعات زیستی کاشتنی در بدن استفاده نمود. در حالی که در کاربردهای غشایی، حفرههای این مواد نقشی اساسی دارند، اما در مواد نانوحفرهای تودهای، علاوه بر حفره، ساختار خود ماده (مثلاً بیشکل یا بلوری بودن) نیز تأثیرزیادی در عملکرد ماده خواهد داشت. قبل از وارد شدن به جزئیات مربوط به کاربردهای خاص این مواد، از متخصصان خواسته شد تا به تعیین تنگناهای عمده مربوط به کاربردهای غشایی و تودهای مواد نانوحفرهای بپردازند. در نمودارهای (2-3-4-1-1 )و (2-3-4-1-2 ) به ترتیب خلاصهای از نظرات آنها دربارة گلوگاههای مرتبط با کاربردهای غشایی و تودهای این مواد آمده است.     در مجموع به نظر این متخصصان چهار تنگنای اصلی وجود دارند که برخی از آنها با کمک فناوری نانو قابل حل

هستند. این موارد عبارتند از:

• درک بنیادی از رابطة خواص با ساختار: در این زمینه دانشمندان در حال توسعة ابزارهای جدیدی هستند که میتوانند به روشنتر شدن این رابطه کمک نمایند؛ با این حال باید توجه داشت که حتی این ابزارآلات هم هنوز قادر نیستند تا به سرعت و به شکلی کاملاً معنیدار در این باره به تعیین مشخصات بپردازند.

• کنترل اندازه، شکل و یکنواختی حفرهها

• به نظر میرسد موضوع دسترسی داشتن به مواد مناسب، به در دسترس بودن الگوهای مناسب که قبلاً در بخش 2 -

3-1 به آن اشاره شد باز گردد.

• عدم درک صحیح نیازهای صنعتی نگران کننده است و البته این موضوعی نیست که تنها به کمک فناوری نانو قابل

حل باشد.

برخی دیگر از تنگناهای مورد اشارة متخصصان، عبارتند از:

• عاملدار کردن حفرهها (رجوع کنید به بخش 2-3-3 )

• در اختیار نداشتن نرمافزار شبیهسازی و مدلسازی مناسب: این موضوع را میتوان به نداشتن آگاهی کافی از روابط ساختار با خواص مرتبط دانست.

در این بین موارد دیگری نیز هست که متخصصان دربارة آن ابراز نگرانی کردهاند که از آن جمله عبارتند از: امکان بازتولید فرمولهایی برای مواد نانوحفرهای دارای تخلخل کاملاً تعریف شده و همچنین در دسترس بودن الگوهای مناسب برای تولید مواد میان حفرهای 2 تا 50 نانومتری. به طور کلی برای تولید انبوه این مواد و در عین حال کاهش هزینههای مربوط به آن، توجه به برخی نکات ضروری و اساسی از جمله یکنواختی، کیفیت و حجم تولید باید به طور جدی مدنظر قرار گیرند. دانشمندان ساخت اکسیدهای فلزی بدون فروپاشی حفره را به عنوان یکی از تنگناهای موجود در رابطه با مواد نانوحفرهای تودهای به شمار میآورند.

 کاربردها کلیات- 2-4-3-2

آنچه در زیرمیآید فهرستی است از متداول ترین کاربردهای مواد نانوحفرهای:

• غشاها

• کاتالیزورها

• ذخیرهسازی گاز

• عایقکاری حرارتی

• بلورهای فوتونیکی

• الکترودها

• توالیسنجی DNA/آنالیز مولکول منفرد

• مهندسی بافت/ قطعات زیستی کاشتنی

• دارورسانی/ کپسوله کردن زیستی

• حسگرها

 کاربردها توسعة زمانبندی- 3-4-3-2

آنچه در زیر میآید کلیاتی فشرده از مراحل مختلف توسعة کاربردهایی است که در قسمت قبل به آن اشاره شد. سه پاراگراف زیر هر کدام به یک مرحله از نقشه راه کلی مواد نانوحفرهای اختصاص دارد. یکی به آخرین دستاوردهای زمان حاضر، دیگری به پیشرفتهترین دستاوردهایی که طی پنج سال آینده انتظار آن میرود (یعنی تا سال 2010 )و بالاخره دسته آخربه جدیدترین دستاوردهای مورد انتظار تا ده سال آینده (یعنی تا سال 2015 )اختصاص دارد. با توسعه تحقیقات فناوری نانو، دانشمندان به ابزارهای جدید تولید و تعیین مشخصات، مواد و روشهای جدید فرآوری و نیز توان محاسباتی بیشتر دسترسی پیدا میکنند. لذا اگر چه هر کدام از کاربردهای خاص مواد نانوحفرهای ممکن است تا رسیدن به مرحله تولید انبوه مراحل مختلفی از توسعه را پشتسر گذارند، اما به هر حال تا سال 2010 و 2015 ،دو هدف اصلی یعنی بهبود این مواد و دسترسی به مواد ارزانتر یا دارای علمکرد جدید بالاتر محقق خواهد شد. به طور خلاصه میتوان گفت، تحقق کاربرد مواد نانوحفرهای، یک فرایند توسعه تک مرحلهای نبوده و فرآیندی پیوسته به شمار میآید.

این مراحل متمایزتحقیق وتوسعه همراه با توضیح مختصری پیرامون هر کدام در ذیل آمده است.

فاز تحقیق وتوسعه بنیادی

کاربردهای قرار گرفته در این بخش، توجه یک یا چند محقق را در دنیا به خود جلب نمودهاند. برخی از این کاربردها ممکن است در مراحل ابتدایی توسعه قرار داشته باشند، در حالی که برای برخی دیگر از این کاربردها، انجام توسعه دشوار بوده و برای فهم آن، نیاز به تحقیقات بنیادی بیشتری وجود دارد. هدف از تحقیق و توسعه بنیادی اعتبار بخشیدن به تئوریهای مطرح شده میباشد. بسیاری از کاربردها در حال حاضر در این مرحله قرار دارند و محققان تلاش میکنند تا درک بهتری از خواص مواد نانوحفرهای به دست بیاورند. فاز تحقیق وتوسعه کاربردی عموماً (ولی نه الزاماً) پس از اعتبار بخشیدن به تئوریها، تحقیقات از آزمایشگاههای تحقیقاتی خالص به سمت آزمایشگاههای تجاریتر و شرکتها حرکت میکند. تحقیق و توسعه کاربردی در نهایت منجر به ارائه یک نمونه اولیه ممکن است، تجسم نوآوری و پیشرفتهای قابل توجهی که در سال 2010 و خصوصاً در سال 2015 پدید میآید، به این برداشت نادرست منجر شود که: "در آینده تحقیق و توسعة پایه (و در برخی موارد حتی تحقیق و توسعه کاربردی) دیگر کهنه و قدیمی میشود." البته چنین تصوری دور از واقعیت است. به این منظور باید به این نکته مهم توجه داشت که آنچه از کاربردها در آینده عینیت مییابد، در واقع نماینده کاربردهای پیشگامانة اولیهای است که زمینه کاربردهای بسیار گستردة دیگر را فراهم میکنند. به بیان دیگر، هر کدام از حوزههای کاربردی که در این زمینه تصور شود، در واقع به مانند نوک یک کوه یخ از کاربردهای مرتبط دیگر است و بنابراین با پیدایش آن، نه تنها تحقیق و توسعة پایه متوقف نمیگردد، بلکه ادامة توسعة این کاربردها الهامبخش مسیرهای تحقیقاتی جدید میگردد. با این وجود، تعیین این قبیل زمینههای پایه و کاربردی تحقیق و توسعه، در طرح دلفی تهیه نقشه راه نانو از متخصصان درخواست نشد. بلکه از آنها خواسته شده تا کاربردهای اصلی را به طور نسبی مشخص کرده و از مقایسه آنها بیان نمایند که کدام کاربرد قبل از دیگر کاربردها به بازار مصرف راه مییابد. و مدل موفق میگردد. با وجودی که ممکن است مشکلات تولید هنوز حل نشده باشند، اما یک نمونه/مدل اولیه به دست میآید.

فاز تحقیق وتوسعهتولید (کاربردهای اولیه)

پس از به دست آوردن یک نمونه اولیه، ممکن است یک مقدار کم و اولیه از محصول تولید شود که معمولاً هزینههای زیادی نیز دربردارد. اگر این فرآیند تولید موفقیتآمیز باشد، شرکتها به دنبال راهی برای تولید انبوه آن میگردند. عموماً در همین زمان، تقاضای بازار آنقدر گسترش مییابد که سرمایهگذاری لازم برای تولید انبوه را جبران کند. این فاز در نقطهای پایان مییابد که امکان شروع تولید انبوه کاملاً روشن شده است.