خیلی وقته که می­خوام در مورد گرافن­ها بنویسم، امروز تونستم این کار را بکنم. به اندازه اطلاعات عمومی بیشتر نیست، اما امیدوارم جالب باشه. بیشتر مطالب را از اینجا ترجمه کردم.

گرافن اصلاحی هست که به نوارهای بسیار نازکی از تک لایه­های گرافیت گفته می­شود. ویژگی­های الکتریکی گرافن­ها بسیار شبیه نانوتیوب­های کربنی هست (در واقع هر نانولوله­ی کربنی یک گرافن رول شده است). گرافن­ها از خواص رسانشی فوق العاده­ای برخوردارن و به همین دلیل نامزد نسل آینده­ی ترانزیستورهای سرعت بالا هستند.

در مقابل سیلیکون - که ماده مصرفی کنونی در مدارهای الکتریکی هستند- گرافن یک ضعف بزرگ دارد. در سیلیکون کلید روشن و خاموش (رسانش و عدم رسانش در جهات مختلف) بسیار دقیق عمل می­کند، یعنی مقدار رسانش آن در حالت روشن، نسبت به خاموش آن بالاست. در گرافن­ها اما این نسبت پایین است. یعنی در وضعیت خاموش هم ساختار گرافن مقدار قابل توجهی جریان را از خودش عبور می­دهد. این نسبت حدود 30 به 1 برای گرافن است. اولین و ساده­ترین اثری که این پدیده می­تواند داشته باشد این است که نسبت پارازیت به سیگنال و اتلاف انرژی در مدارها بالا برود تا حدی که استفاده از گرافن به صرفه نباشد.

این نسبت در رسانش گرافن­ها را می­توان با کاهش عرض گرافن­ها تا ابعاد نانومتری بالا برد. یکی از آخرین تلاش­هایی که برای این کار انجام شده بسیار جالب هست که توسط پروفسور دای Dai از دانشگاه استنفورد ارایه شده است. او مولکول­های اسید نیتریک و سولفوریک را به روش شیمیایی در بین ساختار یک ذره  (flake) کربنی نشاند. سپس این سیستم را با نرخ حرارتی بالا گرم کرد. طی این گرمایش مولکول­های اسید بخار می­شوند و ساختار ذره کربنی نیز از هم متلاشی می­شود، درست مثل یک انفجار در ابعاد کوچک. نتایج این روش خیلی جالب توجه است. گرافن ها با طول چند میکرومتر و عرض کمتر از ده نانومتر به دست آمده­اند. نسبت رسانش آنها نیز به 100000 رسیده است.

 

 تصویر زیر مربوط به یک صفحه گرافن اشباع شده با اتم های هیدروژن هست.

در پست قبلی یک رابطه معرفی کردم که تعداد اتم­های یک ذره کروی را به شعاع ذره مربوط می­کرد. در این رابطه مقدار ثابتی وجود داره (a) که در این پست می­خوام این مقدار را محاسبه کنم. قبل از محاسبه کمی باید در مورد چیدمان اتم­ها در ماده توضیح بدم.

نخست اینکه همونطور که همه می­دونیم در فیزیک کلاسیک اتم­ها را به صورت کره فرض می­کنند. بنابراین وقتی اتم­ها کنار هم قرار می­گیرند حتمن فضای خالی بین آنها وجود خواهد داشت. به عبارت دیگر، کره یه حجم فضاپرکن نیست. (به این ترتیب چگالی مواد علاوه بر جرم اتم­های سازنده­اش به مقدار فضای خالی بین اتم­ها هم بستگی داره.)

دوم اینکه طبق محاسبات براووه نقاط هندسی تنها به 14 صورت می­توانند تشکیل یه ساختار فضایی تکرارپذیر بدهندکه به آنها "شبکه براووه" میگن. معروفترین آنها سه شبکه مکعبی (cubic) و یک شبکه شش گوشه (hexagonal) هستند که اغلب عناصر خالص در این شبکه ها به صورت جامد هستند. "شبکه واحد" هم کوچکترین واحد ممکنه که به عنوان معرف شبکه نشان داده میشه.

 

با استفاده از این دو نکته برای هر شبکه براووه یه عدد به دست میاد که "چگالی شبکه" (A) هست (مستقل از نوع ماده). این عدد مشخص می­کنه که فشردگی ساختار چقدره. این عدد برابر است با حجم کل اتم­های موجود در یک شبکه واحد به حجم کل شبکه واحد.

 

بنابراین رابطه بین حجم کل یه جسم (در اینجا ذره کره) و حجم یک اتم به شکل زیر به هم مربوط میشن:

 

چگالی شبکه* تعداد اتم­ها *حجم یک اتم = حجم کل جسم کروی

 

یا

 

(4/3π) r^3  =  (4/3π) r0^3  *  n  *  A

 

که r0 شعاع اتم هست. اگه این رابطه را با رابطه­ ای که در پست قبلی هست مقایسه کنیم مقدار ثابت a برابر است با:

 

a =  r0^3 * A

 

بنابراین این ثابت برای مواد مختلف متفاوت خواهد بود. مقدار A در بسیاری از منابع بلورشناسی ذکر شده و مقدار آن حداکثر 0.741 هست. این مقدار مربوط به وقتی هست که اتم­ها در کنار هم به راحتی قرار بگیرند. مثل توپ­های حوض پر از توپ که توی پارک­ها برای بازی بچه ها هست. برای آهن من با فرض اینکه r برحسب نانومتر باشه a را به دست آوردم: 0.00136025568 . آهن در دماهای متفاوت در دو شبکه متفاوت شکل می گیره. که من این عدد را برای شبکه مکعبی مرکزدار به دست آوردم. کسی می دونه مقدار چگالی شبکه برای مکعبی مرکز دار چقدره؟

 

نانوتیوب های کربنی از نظر خواص الکتریکی میتونن رسانا (metallic) یا نیمه رسانا (semiconductor) باشن. ایده ساختن مدارهای مجتمع کوچکتر و سریعتر هم با کشف نانوتیوب ها (هم کربنی و هم انواع دیگه) قوت گرفته. یکی از مشکلاتی که این ایده داره اینه که هنوز روش جداسازی مناسبی برای جدا کردن نانوتیوب های رسانا و نیمه رسانا پیدا نشده. اخیرا Hongjie Dai در دانشگاه استنفورد یه روشی جالبی واسه جداسازی به دست آورده. توی این روش اول یه سری نانوتیوب مخلوط روی زمینه سیلیکونی درست می کنن و بعد با استفاده از پلاسما-متان نانوتیوب های رسانا را می سوزونن. چیزی که باقی میمونه را با یک فرایند حرارتی ساده دیگه تمیز میکنن (آثار پلاسمای قبلی رو از بین می برن) و در نهایت نانوتیوب های نیمه رسانا با خلوص بالا باقی میمونه. اینجا بهتر در این مورد توضیح داده. در ضمن بیشتر مقالات Dai و گروهش رایگان این جا هست.

اینم یه عکس خوشگل از یک نانوتیوب دوسر (Y shaped) که با میکروسکوپ الکترونی عبوری گرفته شده. میگن میشه از این محصول به عنوان ترانزیستور استفاده کرد. زیاد در این مورد چیزی نمیدونم اما اینجا یه چیزایی نوشته.

 

من می خوام در مورد مکانیزم رشد کربن نانو تیوب ها در روش CVD  صحبت کنم. فرض کنیم یک ذره فلز آهن به اندازه  قطر 20 نانومتر داشته باشیم. که گاز استیلن در دمای 1023 درجه کلوین از روی آن می گذرد. گاز استیلن در تماس با آهن تجزیه میشه:

 

C2H2 = H2 + 2C    Fe catalyst

 

در این واکنش دو اتم کربن از یک مولکول استیلن جدا می شن. اتم های کربن به تدرج داخل ذره آهن نفوذ می کنند و آن را اشباع می کنند. پس از آنکه ذره اشباع شد. اتم های کربن از داخل ذره خارج می شوند و کربن نانوتیوب به تدریج تشکیل میشه. حالا چرا کربن اول وارد کاتالیست میشه و بعد تیوب را تشکیل میده؟ این چندان مشخص نیست. اما چون شروع رشد تیوب با تاخیر هستش، گفته میشه که

اول ذره اشباع میشه (درشکل سطح مقطع ذره آهن و کربن نانوتیوب روی آن را می بینیم):

 

ما اینجا میتونیم با استفاده از قانون اول فیک در مورد نفوذ، سرعت نفوذ کربن در ذره آهن را حساب کنیم. واز روی اون سرعت رشد نانوتیوب را به سادگی حساب کنیم:

 

مقدار کربنی که وارد ذره آهن می شود = مقدار کربنی که از ذره خارج می شود

 

حالا اگر فرض کنیم سرعت نفوذ مقدار کربن وارد شونده را محدود میکنه، پس می تونیم رابطه زیر را بنویسیم:

 

سرعت نفوذ(گرم بر ثانیه)×زمان فرایند(ثانیه) = مقدار کربن ورودی(گرم)

 

مقدار کربن خروجی هم که مقدار نانوتیوب هستش:

 

جرم نانوتیوب (سانتیمتر مکعب)×چگالی کربن(گرم بر سانتیمتر مکعب) = مقدار کربن نانوتیوب(گرم)

 

با حل دو معادله بالا زمان فرایند به دست می آد.

پس سرعت رشد نانو تیوب که میشه: (طول نانوتیوب تقسیم بر زمان فرایند ) به دست می آید. البته اینجا فرض شده که سرعت رشد ثابت هست.  من برای دمای 1023 کلوین سرعت رشد نانوتیوب را به دست آوردم که در حدود 0.5 میکرومتر بر ثانیه بود. البته این یک شرایط ایده آله و قابل استناد نیست. اما این مقدار به مقدار تجربی نزدیکه. کربن نانوتیوب ها اغلب در همون لحظات اول واکنش تشکیل میشن و رشد اون ها عقیم می مونه. خیلی ها سعی کردند که رشد آنها بهینه بشه. و این کار هنوز هم ادامه داره. اما هزینه این کارها خیلی بالاست و به صرفه نیست. بزرگترین کربن نانوتیوب های ساخته شده در حد چند میلیمتر هستند که برای آزمایش خواص الکتریکی کربن نانوتیوب ها مورد استفاده اند.

 

پی نوشت: چیزی که من اینجا توضیح دادم خیلی ساده شده بود. اگه سوالی هست جواب میدم.

 

وقتی با یک سیستم* سروکار داریم سه پارامتر کلیدی جرم، حجم و شکل(هندسه) سیستم تصور ما را نسبت به آن سیستم به وجود می آورد. یک سیستم ممکن است سنگین باشد، سبک باشد، بزرگ باشد، کوچک باشد، کروی باشد، دراز باشد و .... خوب، حالا یک سیستم ساده مثل یک بستنی-کیم شکلاتی را تصور کنید، از آنهایی که بچه ها خیلی دست دارند و البته من هم خیلی دوست دارم. می خواهیم این سیستم را توصیف کنیم: جرم آن حدودا 50 گرم است، حجم آن تقریبا به اندازه یک مشت بسته است (مشت تان را ببندید ...) و شکل آن تقریبا یک مخروط است که یک دسته چوبی دارد. شیرین است و یک لایه قهوه ای رنگ شکلات روی آن نشسته است.

من همیشه دوست داشتم یک بستنی-کیم بزرگ داشته باشم، چون فکر می کردم شکلاتش بیشتر است: هر چقدر بستنی-کیم بزرگتر باشد سطح آن بیشتر است و در نتیجه شکلات بیشتری دارد. به طور کلی هم هرچقدر یک سیستم (با شکل مشخص) بزرگتر باشد سطح آن بیشتر است. و همان سیستم را اگر کوچک کنیم مساحت سطح کمتر می شود. پس بستنی بزرگتر بهتر است! ... اما به تدریج فهمیدم که بهتر است به جای یک بستنی-کیم بزرگ چندتا بستنی-کیم کوچک بخورم. اینطوری شکلات بیشتری نصیبم می شد. دلیل آن هم خیلی ساده است: وقتی یک حجم بزرگ را به چندتا حجم کوچک تر تقسیم کنیم، بعضی از قسمت های ماده که داخل ماده بودند، حالا روی سطح قرار گرفته اند.

 

در تکنولوژی هم مقدار سطح مواد به اندازه شکلات اهمیت دارد. این به خاطر آن است اساسا خیلی وقت ها ما با سطح ماده کار داریم. واکنشهای شیمیایی در سطح صورت می گیرند. اصطکاک و چسبندگی و تغییرفاز همه پدیده های سطحی هستند. در واقع یکی از دلایل مهم اهمیت نانو مواد هم همین است: نسبت سطح به حجم زیاد. یک مثال کار را راحت تر می کند. یک مکعب به ضلع 4 حجمی برابر 4×4×4 و سطحی برابر 4×4×6 دارد (شش وجه مربعی) پس نسبت سطح به حجم آن 1.5 است. اگر این مکعب را به 8 مکعب 2×2×2 تقسیم کنید (حجم ثابت)، کل سطح مکعب های کوچک برابر است با (2×2×6)×8 و بنابراین نسبت سطح به حجم می شود 3. یعنی با همان اندازه ماده نسبت سطح به حجم دو برابر شد. جالب است نه؟  حالا به نظر شما این چه فوایدی دارد؟

 

* منظور من از سیستم در اینجا بخشی از جهان ماده است که از کل جدا شده و تحت بررسی است.

 

در علوم جدید نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی دو زمینه کاری هستند که پیش بینی می شود در سال های آینده تمام شاخه های علم را تحت تاثیر قرار دهند.

در حال حاضر پیشوند نانو و بیو در شکل های مختلفی به کار می رود. مثل, نانو فیزیک, نانو شیمی, بیومواد و ....

 

به طور کلی می توان نانوتکنولوژی را به دو دسته نظری و آزمایشگاهی تقسیم کرد. البته این یک تقسیم بندی کلی است و همه ریشه در یک اصل دارند: برهم کنش در ابعاد نانومتری (اتمی یا کلاستری*).

 

نانومواد هم  شاخه ای از نانوتکنولوژی است که در آن به مواد در ابعاد کوچک توجه دارد. نانو مواد از دو جنبه مورد توجه اند: 1) مواد کوچک تر به علت اندازه, وزن و حجم کمتر مورد توجه هستند, 2) ممکن است به علت کوچک بودن خواص منحصر به فردی نیز از خود نشان بدهند.

خوب حالا می خواهیم کمی این موضوع را باز کنیم. تصور کنید که یک ربات کوچک به اندازه چند گلبول قرمز بسازیم, آنها را به بدن انسان تزریق کنیم وبا آنها به جنگ سلول های سرطانی برویم. یا تصور کنید بتوان یک موشک 10 کیلویی بسازیم, یا یک ربات بسازیم که اتم ها را در ابعاد نانومتری کنار هم بچیند و چیزی را که می خواهیم برای ما بسازد, یا یک شبکه عصبی مصنوعی بسازیم! این ها آرزوهای محالی نیستند, فقط باید درباره آنها فکر کرد. به طور کلی انسان به تکنولوژی های کوچک علاقه فراوانی دارد تا به آرزوهای بزرگش برسد.

 

جنبه دیگر نانو مواد که آنها را از اهمیت خاصی برخوردار کرده خواص منحصر به فرد آنهاست. مثلا موادی به نام quantum dots  در حال ساخت و توسعه هستند که خواص بسیار جالبی از خود نشان می دهند. این مواد نوعی ساختار نیمه هادی هستند که جذب و نشر نور در آنها با تغییر اندازه تغییر می کند. در این شکل  یک سری از این مواد را که از جنس کادمیم-سلنیم Cd-Se هستند را می بینید.

 

هرچه ذرات بزرگتر شده اند رنگ آنها به سمت قرمز متمایل تر شده. البته اندازه بزرگترین ذره هم کوچکتر از ۱۰۰نانومتر است. اما از این قبیل مواد زیاد هستند و کاربرد های زیادی دارند, مثل نانو تیوب های کربنی, نانو ذرات نقره و طلا (که در پزشکی کاربرد دارند), نانو فیلترها (حفراتی در ابعاد نانومتری) و ...

 

در پست بعدی در مورد اینکه چرا خواص مواد در ابعاد نانو متفاوتند صحبت می کنیم.

 

* کلاستر مجموعه ای از اتم ها در کنار هم که ابعادی کوچکتر از ذره دارند و به ناپایدارند.