تکنيکهاي تصويربرداري در نانوتکنولوژي




[JUSTIFY]در مهندسي نانو، چگونگي نشست هر لايه اتم بايد كنترل شود، چون درستي ساختار هر لايه اتم شديداً وابسته به جزئيات ترتيب اتم هاي سطحي است كه روي آن نشسته اند، بنابراين بايد بتوان ترتيب اتم ها يا ساختار سطح را ديد، بدين منظور نياز به گروه جداگانه اي از دستگاه هاي تشخيص دهنده داريم كه بتوان به وسيله آنها ترتيب دوبعدي اتم ها را در خارجي ترين لايه اتم هاي ماده و حتي ساختار توده اي سه بعدي اتم ها را تشخيص داد. ميكروسكوپ هاي كاوشگر (1SPM) از اين دسته دستگاه هاي تشخيص دهنده مي باشند. SPMها اغلب در هوا يا مايع و بدون آماده سازي نمونه يا با حداقل آماده سازي نمونه به كار مي روند. ميكروسكوپ نيروي اتمي (2AFM) و ميكروسكوپ تونل زننده (3STM) در گروه SPM قرار مي گيرند. هر SPM از يك پروب تيز براي اسكن سطح نمونه به صورت نقطه به نقطه و خط به خط استفاده مي كنند تا نقشه اي از سطح ايجاد كند. ساده ترين نقشه اي كه SPM به وجود مي آورد نقشه سه بعدي سطح است. در اين مقاله جزئيات بيشتري در اين دو مورد بيان خواهد شد.[/JUSTIFY]

[JUSTIFY]اين مقاله در مجله فرايند خزر انجمن مهند سي شيمي (سال هفتم- بهار 1383) دانشکده فني و مهندسي دانشکاه مازندران به چاپ رسيده است" [/JUSTIFY]

1 - مقدمه:
نانوتکنولوژي زمينه هيجان انگيزي از علم وتکنولوژي است که مي تواند شانس بزرگ و بي سابقه اي را در افق ديد ما قرار دهد؛ توانايي چيدن و دوباره سازي ساختارهاي ملکولي. نانوتکنولوژي تاثير زيادي بر هرانچه که مي سازيم مي گذارد.ساختن هر چيز به غير از مرتب کردن اتم ها نيست، اگر بتوانيم اتم ها را با دقت بيشتر، هزينه کمتر وانعطاف بيشتر در کنار هم قرار دهيم آنگاه تمام محصولاتي را که در دنياي کنوني توليد مي کنيم ، تغيير اساسي خواهند کرد. بعنوان مثال مي توان دستگاهها و وسايل جراحي را در اندازه و دقت ملکولي توليد کرد بطوري که قادر باشند وارد سلول شوند، جايي که بيشتر بيماريها از آنجا منشاء مي گيرند.
پايه اين زمينه هيجان انگيز يک حقيقت بسيار ساده است: اتمها مي توانند در بي نهايت حالت مختلف چيده شوند، درحال حاضر ما فقط در صد بسيار کوچکي از آنچه که احتمال دارد را مي توانيم بسازيم.
اگر بتوانيم 100 اتم را در يک نانومتر مکعب قرار دهيم و هر اتم بتواند جزئي از صد قسمت باشدآنگاه در حدود 100 100 راه متفاوت براي چيدن اتم ها در يک نانومتر مکعب خواهيم داشت.يک ميکرون مکعب چنين احتمالي را به 100 100000000000 گسترش مي دهد.
نانوتکنولوژي راه حلهاي جديدي براي تغيير شکل سيستم هاي طبيعي ارائه مي کند و مي تواند زمينه وسيع تکنولوژيکي براي کاربرد در بعضي حوزه ها مانند فرآيندهاي بيوزيستي در صنعت و پزشکي ملکولي (مثلاً براي تشخيص و معالجه بيماري ها،پيوند اعضاي بدن ، جراحي نانومقياس، ساخت دارو وانتقال دارو به هدف ) ، رسيدگي به تاثيرات محيط زيستي نانوساختارها(مانند غلبه بر آلودگيهاي زيست محيطي توسط نانو فيلترها ) ، بهبود سيستم هاي کشاورزي وغذايي(مانند افزايش محصولات کشاورزي ، محصولات جديد غذايي ، نگهداري غذا) ، محصولات جديد شيميايي و پتروشيميايي (مانند ساخت کريستالهاي جديد، نانو پليمرها) را فراهم کند.
در مهندسي نانو،چگونگي نشست هر لايه اتم بايد کنترل شود، چون درستي ساختار هر لايه اتم شديداً وابسته به جزئيات ترتيب اتم هاي سطحي است که روي آن نشسته اند. بنابراين بايد بتوان ترتيب اتم ها يا ساختار سطح را ديد. بدين منظور نياز به گروه جداگانه اي از دستگاههاي تشخيص دهنده داريم که بتوان به وسيله آنها ترتيب دو بعدي اتم ها را در خارجي ترين لايه اتم هاي ماده وحتي ساختار توده اي سه بعدي اتم ها را تشخيص داد.ميکروسکوپهاي کاوشگر ( SPM ) از اين دسته دستگاههاي تشخيص دهنده مي باشند. SPM عبارتي کلي براي کليه تکنيکهايي است که ماده را در مقياس ميکروني تا کمتر از آنگستروم اسکن مي کنند. برخلاف ميکروسکوپهاي الکتروني که به خلاء وآماده سازي نمونه احتياج دارند، SPM ها اغلب در هوا يا مايع وبدون آماده سازي نمونه يا با حداقل آماده سازي نمونه به کار مي روند.
ميکروسکوپ نيروي اتمي( AFM nbsp وميکروسکوپ تونل زننده ( STM ) در گروه SPM قرار مي گيرند.هر SPM از يک پروب تيز براي اسکن سطح نمونه به صورت نقطه به نقطه و خط به خط استفاده مي کند تا نقشه اي از سطح ايجاد کند. ساده ترين نقشه اي که SPM به وجود مي آورد نقشه سه بعدي سطح است.
2- ميکروسکوپ نيروي اتمي
ميکروسکوپ نيروي اتمي يکي از دهها ميکروسکوپ بررسي کننده دقيق است که توسط کواتو باينينگ در سال 1986 ساخته شد.اين نوع ميکروسکوپها با اندازه گيري خواص موضعي مثل ارتفاع، جذب نور يا مغناطيسس با پروب يا نوک بسيار نزديک به نمونه کار مي کنند.
فاصله کم نمونه- پروب (به منظور وضوح دستگاه)امکان اندازه گيري را روي کل يک سطح کوچک هموار مي سازد وعکسهاي حاصل روي يک صفحه نمايشگر نمايان مي شوند. برخلاف ميکروسکوپهاي سنتي سيستم هاي پروب - اسکن از لنز استفاده نمي کنند. AFM (شکل 1) براساس اندازه گيري ميزان جذب يا دفع نيروها بين نمونه و تيپ کار مي کند.
در حالت «تماس دفعي » دستگاه به آرامي تيپ موجود در انتهاي فنر فلزي يا ديرک را با نمونه تماس مي دهد،همچنان که دسته اسکن کننده نوک را روي نمونه مي کشد ، يک نوع دستگاه آشکارسازانحراف عمودي ديرک را اندازه مي گيرند، که به اين ترتيب ارتفاع موضعي نمونه مشخص مي شود. بنابراين در حالت تماس ، A FM نيروهاي بين نمونه و نوک را اندازه مي گيرد.
در حالت غير تماسي ، AFM عکسهاي موضعي را با استفاده از اندازه گيري نيروهاي جذب دريافت مي کند در حاليکه نوک با نمونه تماس ندارد.در اين حالت عکسبرداري از نمونه در زير آب امکان پذير نيست.
AFM مي تواند به وضوح pm 10 برسد و برخلاف ميکروسکوپهاي نوري هم در آب و هم در هوا قدرت عکسبرداري دارد.
به طور کلي AFM ها از اصول ضبط صوت پيروي مي کنند، البته ظرافتهايي دارند که آنها را قادر مي سازد قدرت تشخيصي در حد اتمي داشته باشند، که اين ظرافتها عبارتند از:
• آشکار ساز حساس
• ديرک هاي انعطاف پذير
• نوک هاي تيز
• توانايي بالاي تجزيه مکان نوک –نمونه
• پس خور نيرو
شکل 1: مفهوم AFM وپايه نوري. (چپ ) ديرک نمونه را لمس مي کند،(راست) پايه نوري ؛ اسکنر
لوله اي قطر nm 24 را اندازه مي گيرد، طول ديرک m m 100 است.

2-1 انواع نوک هاي AFM
با استفاده از روشهاي ميکروليتوگرافي مي توان نوک هاي ارزان و کاملاً موثر ساخت.
شکل 2: سه نوع نوک متداول( a ) نوک معمولي ( b ) نوک سوپر ( c ) اولترا لور

معمولاً نوکها با شعاع انتهايي شان توصيف مي گردند.عموماً در تاثير متقابل نمونه ونوک ، شعاع انتهايي قدرت وضوح AFM را محدود مي کند. بنابراين در حال حاضر توسعه نوکهاي تيزتر از اولويتهاي اصلي است.
سه نوع نوک متداول وجود دارد:
• نوک معمولي (شکل a 2) با m m 3 بلندي و شعاع انتهايي nm 30.
• نوک اشعه الکتروني ته نشين شده دريا سوپر تيپ ( شکل b 2 ) اصلاح شده نوک هاي معمولي است که با ته نشست القا شده پرتو الکتروني مواد حاوي کربن توسط فرو بردن مستقيم نوک معمولي به درون اشعه الکتروني ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني حاصل مي شود. به خصوص اگر ابندا ديرک ها با روغن فنري پوشيده شود، اين نوع نوک حاصل خواهد شد.اگر طيف مثبت اشعه الکتروني بر روي زاويه راس به مدت چند دقيقه متوقف شود، نسبت جانبي بالاتري دارد.
نوک سوپر بلند وباريک است و براي بررسي حفره ها و شکافها مناسب است.در بعضي موارد شعاع انتهايي آن بيشتر از يک نوک معمولي است.
• اولترا لور ( c 2 ) است که توسط فرآيند اصلاح شده ميکروليتوگرافي ساخته مي شود، اين نوع نوک نسبت جانبي نسبتاً بالايي دارد وشعاع انتهايي آن به هنگام لزوم حدوداً nm 10 است.
a b c



2-2 پس خور نيرو در AFM
حضور حلقه پس خور يکي از ظريفترين تفاوتهاي بين AFM ودستگاههاي اندازه گيري سوزني قديمي تر مثل ضبط صوت است. AFM نه تنها نيروي وارد بر نمونه را اندازه مي گيرد، بلکه آنرا تنظيم مي کند. بنابراين مي توان با صرف نيروهاي بسيار کم تصاوير را به دست آورد.
شکل 3: حلقه پس خورAFM . يک شبکه جبراني انحراف ديرک را نشان مي دهدو آنرا با ميزان کردن نمونه (يا ديرک) ثابت نگه مي دارد.

حلقه پس خور (شکل 3) شامل يک اسکنر لوله اي است که ارتفاع کامل نمونه را کنترل مي کند و يک ديرک و پايه نوري که ارتفاع موضعي نمونه را اندازه مي گيرند. حلقه پس خور با تنظيم ولتاژ به کار گرفته شده در اسکنر تلاش مي کند انحراف ديرک را ثابت نگه دارد. حلقه پس خور با فرکانس 10 kHz به يک دقيقه زمان براي تصوير براداري نياز دارد. يک نکته جالب توجه اين است که حلقه پس خور مي تواند انحراف ديرک را سريعتر اصلاح کند، به اين ترتيب AFM سريعتر مي تواند تصوير برداري کند. بنابراين يک حلقه پس خور که درست بنا شده باشد، براي عملکرد ميکروسکوپ ضروري است.
2-3 روش هاي تصوير برداري در AFM
تقريباً تمام AFM ها وضعيت هر نمونه را به دو روش استاندارد اندازه مي گيرند: با اندازه گيري ثابت پس خور خروجي (" Z ") يا انحراف ديرک (" خطا " ) ( شکل 3 ). مجموع اين دو سيگنال همواره توپوگرافي واقعي را نشان مي دهد، اما با استفاده از حلقه پس خور کاملاً تنظيم شده ، از سيگنال خطا مي توان چشم پوشي کرد.البته AFM روش ديگري غير از اين دو روش براي تصوير برداري دارد.
پايه نوري AFM مي تواند اصطکاک بين نوک ونمونه را اندازه گيري کند. اگر اسکنر نمونه را عمود بر محور ديرک حرکت دهد ( شکل 4) اصطکاک بين نوک ونمونه با عث مي شود که ديرک پيچ بخورد.
يک حسگر نوري که در دو بعد حساس مکاني است مي تواند حرکت چپ – راست منتج شده از اشعه ليزر انعکاس يافته از حرکت بالا –پايين ايجاد شده توسط تغييرات توپوگرافيکي را تشخيص دهد.

شکل 4: عکسبرداري توپوگرافيک از انحراف بالابه پايين ديرک استفاده مي کند، در حاليکه عکسبرداري اصطکاکي از انحراف پيچشي استفاده مي کند .
بنابراين AFM مي تواند اصطکاک نوک- نمونه را هنگام عکسبرداري از توپوگرافي نمونه اندازه گيري کند.در کنار اندازه گيري خواص نمونه ، اصطکاک ( نيروي افقي يا انحراف افقي ) مي تواند اطلاعات مفيدي در مورد تاثير متقابل نوک- نمونه بدهد.
شکل 5 عکسي از اتمهاي گرافيت است که در آن اصطکاک وتوپوگرافي با هم نشان داده شده اند.هر برآمدگي يک اتم کربن را نشان مي دهد.همچنان که نوک از راست به چپ حرکت مي کند، با برخورد به هر اتم به پشت آن مي چسبد.اسکنر به حرکت ادامه مي دهد ونيروهاي افقي 19 ساخته مي شوند تا زماني که نوک از اتم عبور کند و به پشت اتم بعدي بچسبد.اين رفتار « چسبيدن – عبور کردن» چين خوردگي موجي شکل را در تصوير اصطکاک ايجاد مي کند.( شکل 8 )
شکل 5: تصوير nm 5/2 * 5/2 همزمان توپوگرافي و اصطکاک highly oriental pyrolytic graphite(HOPG) . برآمدگي ها چين خوردگي توپوگرافي اتمي وانعکاس هاي رنگي نيروي افقي روي نوک را نشان مي دهد. جهت تصوير برداري از راست به چپ است.
شکل 6: نمودار تقاطعي داده هاي اصطکاکي از شکل 5


2-4 اندازه گيري الاستيسيته
AFM مي تواند نرمي يک نمونه را با فشار دادن پايه بر هر نقطه نمونه در هنگام تصويربرداري اندازه گيري کند.اسکنر با تغيير نوسان (معمولاً از 1 تا nm 10) بوسيله يک مقدار از پيش تعيين شده نمونه را بالا مي برد يا ديرک را پايين مي آورد.ميزان انحراف ديرک بستگي به نرمي نمونه دارد،نمونه سخت تر باعث انحراف بيشتر ديرک مي شود (شکل 7).

شکل 7: AFM مي تواند الاستيسيته نمونه را با فروبردن نوک درون نمونه واندازه گيري انحراف ديرک تصوير کند
شکل 8 عکسي از Bovin serum albumin(BSA) که يک پروتئين مي باشد را روي سيليکون نشان مي دهد. به جرات مي توان گفت که هر کدام از برآمدگي ها که در تصوير توپوگرافي ظاهر شده ، مربوط به يک ملکول BSA است. تصوير الاستيسيته نشان مي دهد که هر برآمدگي نسبت به سوبستراي سيليکون نرمتر است و همان چيزي است که از ملکولهاي پروتئين انتظار مي رود.



شکل 8: عکس شبيه سازي شده ازتوپوگرافي (چپ )و الاستيسيته (راست ) از BSA روي سيليکون
2-5 AFM در مهندسي شيمي وبيوتکنولوژي :
توانايي AFM براي تصويربرداري در وضوح اتمي به همراه توانايي آن براي عکسبرداري از انواع متفاوت نمونه ها در شرايط گوناگون ، باعث علاقه مندي زيادي براي استفاده از آن براي مطالعه ساختارهاي شيميايي و بيولوژيکي شده است .اندازه گيري مکانيک بين ملکولي يک ملکول پروتئين،ساپروملکولهاي شيميايي، ملکول هاي پليمري يا نانوذرات نرم با AFM انجام شده است. تصاوير زيادي نيز از DNA وسلولهاي زنده گرفته شده است. همچنين از AFM براي بدست آوردن استحکام پيوند بين ملکولي يک جفت ملکول در محلولهاي فيزيولوژيکي استفاده شده است.
متاسفانه AFM نمي تواند از تمام نمونه ها در مقياس اتمي عکسبرداري کند.شعاع انتهايي نوک هاي دردسترس وضوح اتمي را به نمونه هاي تخت 20 ومتناوب مثل گرافيت نسبتا محدود مي کنند. به علاوه به دليل نرمي ساختارهاي بيولوژيکي ، تاثير متقابل نوک –نمونه ،تمايل به از شکل اندختن يا تخريب آنها در بعضي از موارد دارد.
براي مثال شکل (9) نشان مي دهد که چگونه نيروهاي به کار گرفته شده روي فيبر کلاژن تمايل به جداسازي آنها از روي سوبسترا در يک دوره زماني دارد، که اين باعث از شکل افتادن بيشتر نمونه مي شود.
شکل 9: عکسهاي 50،1و 100 برابر شده از فيبرهاي کلاژن کوچک. تصويربرداري تکراري از يک ناحيه نشان مي دهد فيبرها از سوبستراي شيشه اي جدا شده اند، که باعث تغيير شکل در جهت تصويربرداري مي شود، از چپ به راست و از بالا به پايين

3- ميکروسکوپ تونل زنده
ميکروسکوپ تونل زن (STM) از ترتيب اتمهاي سطح با استفاده از امواج حس شده در دانسيته الکتروني سطح که از مکان اتمهاي سطح ناشي مي شود، عکس مي گيرد(شکل 10). با استفاده از اين تکنيک ميکروسکوپي مي توان سطوح رساناي الکتريکي را تا مقياس اتمي مورد بررسي قرارداد. STM امکان جديدي براي تشخيص اينکه چگونه شرايط فرآيند آماده سازي مي تواند روي جزئيات اتمي سطح ماثر باشد، فراهم مي کند.
شکل 10: دياگرام شماتيکي از ميکروسکوپ تونل زن
در STM نمونه به وسيله يک نوک فلزي بسيار نازک اسکن مي شود.نوک به شکل مکانيکي به اسکنر متصل است،اسکنر يک دستگاه تعيين کننده موضع XYZ است که توسط مواد پيزوالکتريک کار مي کند.
نمونه اندکي بار مثبت يا منفي دارد، بنابراين اگر نوک با نمونه تماس يابد، يک جريان کوچک،« جريان تونل زن » جاري مي شود. با کمک جريان تونل زن،الکترونيک پس خور فاصله نوک ونمونه ثابت نگه داشته مي شود.اگر جريان تونل زن از ميزان فعلي اش بيشتر شود، فاصله بين نوک ونمونه افزايش مي يابد واگر از اين مقدار کمتر شود، پس خور فاصله را کم مي کند.نوک خط به خط سطح نمونه را پيروي از توپوگرافي نمونه اسکن مي کند.
3-1 جريان تونل زن
دليل توانايي بسيار زيا د STM در مقياس اتمي ، خواص فيزيکي جريان تونل زن است.


شکل 11: تماس تونلي نوک –نمونه و شکل تواني مربوت به آن

وقتي جريان تونل زن جاري مي شود، از فاصله اندکي که نوک را از نمونه جدا مي کند، عبور مي نمايد.اين مورد در فيزيک کلاسيک امکان پذير نيست اما با به کارگيري روشهاي بهتر مکانيک کوانتوم قابل توجيه مي باشد.جريان تونل زن به شکل تواني با افزايش فاصله ( d ) کاهش مي يابد (شکل 11).
K,k ثابت اند I= K×U×e -(k×d) ;
تغيير بسيار کم در فاصله نوک –نمونه باعث تغييرات زيادي در جريان تونل زن مي شود، بنابراين فاصله نوک-نمونه بايد بسيار دقيق اندازه گيري شود.
جريان تونل زن، توسط خارجي ترين اتم واقع در قسمت بيروني نوک ايجاد مي شود،اتمهاي نزديکتر به اين اتم مقدارکمي جريان ايجاد مي کنند،بنابراين سطح تنها به وسيله يک اتم اسکن مي شود.جريان تونل زن با کنده کاري يا کشيدن يک سيم نازک فلزي به راحتي به دست مي آيد. براي درک بهتر اين موضوع مثال زير را در نظر بگيريد:
يک تپه مخروطي از ماسه را روي زمين تصور کنيد، اگر به دقت آنرا بررسي کنيد،آنگاه خواهيد ديد که يک دانه ماسه خارجي ترين قسمت قله را تشکيل مي دهد، اکنون جاي تپه را با نوک عوض کنيد با توجه به اين نکته که جريان تونل زن با فاصله به شکل تواني کاهش مي يابد ،جريان تونل زن جاري مي شودو سطح نمونه با خارجي ترين اتم اسکن مي شود.
4- نتيجه گيري:
تاثيرنانوتکنولوژي بر زندگي بشر بسيار فراتر از آن چيزي است که در نگاه اول به نظر مي رسد. با يک بررسي اجمالي در مي يابيم که فناوري هاي نوين همگرا هستند ودر نهايت همگي آنها از آنچه که در طبيعت براي ميليونها سال انجام شده سرمشق مي گيرند. نانوتکنولوژي مي تواند تغييرات اساسي در زمينه توليد مواد، ذخيره انرژي ،ذخاير غذايي و... ايجاد کند.همچنين مي تواند سيستم هاي دارويي- پزشکي ، کشاورزي، شيميايي و پتروشيميايي را به خوبي تغيير دهد. اما هر علم وتکنولوژي جديدي به ابزار وتجهيزاتي براي رسيدن به اهداف خاص آن شاخه از علم نياز دارد. بي ترديد تکنيکهاي تصوير برداري از ابزار اوليه و بسيار مهم نانوتکنولوژي مي باشند که در اين مقاله بطور اجمالي بخشهاي از آن مورد بررسي قرار گرفته است. پيش بيني مي شود که از نانوتکنولوژي نيزهمانند ساير فناوري ها استفاده نامطلوب گردد. به منظور جلوگيري از توسعه نانوتکنولوژي در جهت اهداف نظامي عاقلانه به نظر مي رسد که بر ارزش آن درمهندسي، پزشکي ، محيط زيست وکشاورزي تا کيد شود.
1 دانشگاه مازندران- دانشکده فني و مهندسي- بخش مهندسي شيمي- آزمايشگاه تحقيقاتي نانوذرات
دانشگاه تربيت مدرس تهران- دانشکده فني و مهندسي- بخش مهندسي شيمي- گروه بيوتکنولوژي 2