Nanocrystals Growing

ساخت نازک‌ترین بالون دنیا با ضخامت تنها یک اتم

محققان دانشگاه کرنل با استفاده از یک تودة گرافیتی، یک تکه از نوار اسکات(Scotch tape) و یک ویفر سیلیکونی؛ غشای بالون‌شکلی ساخته‌اند که تنها یک اتم ضخامت دارد. استحکام این بالون به حدی است که می‌تواند گازهایی با فشار چند اتمسفر را در خود نگهداری کند و در این فشار، حتی از خروج اتم‌های فرار هلیوم نیز جلوگیری می‌کند. این غشا می‌تواند به عرضة تعداد زیادی از فناوری‌های جدید بینجامد که از این میان می‌توان از روش‌های جدید تصویربرداری از مواد زیستی در محلول‌ها و روش‌هایی برای مطالعة حرکت اتم‌ها یا یون‌ها در درون حفره‌های میکروسکوپی نام برد.

گرافن که از آن به‌عنوان مقاوم‌ترین مادة دنیا یاد می‌شود، یک شبه‌فلز با ضخامت تنها یک اتم است. به عبارت دیگر، این ماده الکتریسیته را هدایت می‌کند؛ اما رسانایی آن با تغییر در محیط الکتروستاتیک اطرافش تغییر می‌کند.

سال‌ها قبل دانشمندان دریافتند که برای دستیابی به صفحات گرافنی تنها کافی است که نوار اسکات را بر روی گرافیت خالص چسباند، سپس نوار را جدا کرده، آن را بر روی یک ویفر دی‌اکسیدسیلیکونی چسباند. در نهایت با جدا کردن نوار از روی ویفر، یک پوشش گرافیتی با ضخامت یک تا حدود 12 لایه بر روی ویفر باقی می‌ماند و به این ترتیب دانشمندان قادر به شناسایی نواحی‌ای می‌شوند که دارای گرافنی با ضخامت یک تک‌لایه است.

کشف اخیر که در مرکز تحقیقات موادِ دانشگاه کرنل رخ داده را یکی از دانشجویان اسبق کارشناسی‌ارشد این دانشگاه به‌‌‌نام اسکات بانچ(که هم‌اکنون یک استادیار در دانشگاه کلورادو است) و یک پروفسور فیزیک کرنل به ‌نام پاول مک‌اون و همکارانشان از کرنل انجام داده‌اند.

این گروه برای آزمایش الاستیسیتة گرافن، آن را بر روی یک ویفر حفره‌دار نشاندند و به‌وسیلة این حفره‌ها، گازی را در درون میکرومحفظه‌های دارای پوشش گرافنی، محبوس کردند. سپس اختلاف ‌فشاری بین گاز بیرون و گاز درون میکرومحفظه ایجاد کردند و به کمک یک AFM دریافتند که این غشاهای گرافنی قادرند تا اختلاف‌ فشاری در حد چند اتمسفر را بدون پاره ‌شدن تحمل کنند. آنها مشاهده کردند که هلیوم(که دارای کوچک‌ترین مولکول‌های گاز است) حتی در فشارهای چند اتمسفری، قادر به نفوذ از میان جدارة گرافنی نیست؛ این در حالی است که اتم هلیوم حتی از حفره‌ای با مقیاس اتم نیز به‌راحتی فرار خواهد کرد.

مک‌اون اظهار داشت که چنین غشایی می‌تواند کاربردهای بسیار متنوعی داشته باشد؛ به‌عنوان مثال دانشمندان قادرند تا به کمک آن از مواد زیستی درون محلول تصویربرداری کنند(با استفاده از یک جدارة نامرئی و بدون تماس میکروسکوپ با محیط تَر)، همچنین دانشمندان می‌توانند حفره‌های اتم‌مقیاسی در این غشا ایجاد کرده و با استفاده از این سیستم، نحوة عبور اتم‌ها یا یون‌های منفرد از خلال شکاف را مطالعه کنند.

مک‌اون گفت:«می‌توان از این ابزار به‌عنوان معادلِ مصنوعی یک کانال یونی در زیست‌شناسی بهره گرفت». وی با اشاره به اینکه می‌توان خصوصیات یک اتم را با مشاهدة اثرات آن بر روی این غشا تعیین کرد، افزود:«شما از یک سیستم ماکروسکوپی برای تعیین خصوصیات یک تک‌اتم بهره می‌گیرید و به این شکل، فرصت‌های جدیدی برای ساخت تمام انواع حسگرهای تک‌اتمی ایجاد می‌شود.»

نتایج این تحقیق در نشریة Nano Letters به چاپ رسیده‌است.

ساخت نانوذرات جاذب امواج رادیویی

محققان امریکایی موفق به ساخت نانوذرات کبالتی شده‌اند كه روكش آن از گرافیت است. این ذرات می‌توانند امواج رادیویی با طول موج کوتاه را جذب کرده، به‌صورت گرما در محل تومور پس ‌‌‌‌دهند. این عمل باعث مرگ سلول‌‌‌‌های سرطانی می‌‌‌‌شود.

قطع قسمت با امواج رادیویی(RF ablation) نوعی درمان برای سرطان است. در این روش سوزنی نازک از طریق پوست به داخل تومور راه یافته، باعث تخریب گرمایی در منطقه می‌‌‌‌شود. از مشکلات این روش تخریب یك محدودة سه تا پنج سانتی‌‌‌‌متری است كه جراح انجام می‌دهد؛ این محدوده هم شامل تومور و هم شامل بافت معمولی می‌‌‌‌شود. همچنین در 5 تا 40 درصد از موارد، تخریب کامل تومور صورت نمی‌‌‌‌گیرد و در 10 درصد از بیماران عوارض بعدی ایجاد می‌‌‌‌شود. این روش فقط در مورد سرطان کبد، کلیه، سینه، ریه و استخوان کاربرد دارد.

دانشمندان با کمک فناوری‌نانو توانستند این روش را بهبود بخشند؛ روش جدید با این ایده شکل گرفت كه اگر بتوان ماده‌‌‌‌ای را که در میدان امواج رادیویی، از خود گرما آزاد می‌‌‌‌کند، به سایت اختصاصی تومور رساند، درمان با امواج رادیویی(RF) در هر جای بدن عملی است. تحقیقات در این زمینه بیشتر با نانوطلا صورت گرفته؛ زیرا به‌راحتی ساخته شده، به سلول‌‌‌‌های سرطانی متصل می‌‌‌‌شود، همچنین نانولوله‌‌‌‌های کربنی هم نتایج خوبی در استفاده در این روش به دست داده‌‌‌‌اند.

هم‌اکنون دانشمندان نانوذرةی جدیدی ساخته‌‌‌‌اند که جاذب عالی امواج رادیویی است و گرمای کافی برای تخریب سلول‌‌‌‌های سرطانی ایجاد می‌‌‌‌کند و نسبتاً سایتوتوکسیسیته‌‌‌‌ کمی دارد و توان جذب امواج RF را با طول موج کوتاه دارد. این امواج می‌توانند به‌خوبی در بدن جانداران نفوذ کنند.

دانشمندان در این روش جدید از نانوذرات فرومغناطیسی کبالت با پوشش گرافیتی استفاده کردند. این ذرات باعث القاء مرگ در 98 درصد از سلول‌‌‌‌های سرطانی در محل می‌‌‌‌شود. محققان دریافتند که این افزایش کلی دما نیست که باعث مرگ سلولی می‌‌‌‌شود؛ بلکه تخریب داخلی ایجادشده به‌وسیلة نانوذرات مسئول این مرگ است. این نانوذرات می‌‌‌‌توانند از غشاهای سلولی مختلف عبور کرده، به هسته برسند و پس از ورود ذرات به سیتوپلاسم، به دور غشای هسته گرد هم می‌‌‌‌آیند و تعداد کمی وارد هسته می‌‌‌‌شوند.

به عقیدة پژوهشگران گرمایی كه نانوذرات تولید می‌كنند، سلول را به‌سمت مرگ برنامه‌‌‌‌ریزی‌شده‌ای پیش می‌‌‌‌برد، سپس تجزیة سلولی رخ می‌‌‌‌دهد. در واقع تفکیک اجزای سلولی از قبیل هسته، غشای هسته، DNA اثر اصلی گرمای القاشده از سوی نانوذرات کبالت است.

پیشرفت بزرگ در تصفیه و جداسازی نانومیله‌های تصفیه‌کننده

گروهی از شیمی‌دانان دانشگاه رایس، روش جدیدی را برای تولید نانومیله‌های طلایی بسیار خالص کشف کرده‌اند. این مواد، نانوذراتِ عصاشکل بسیار کوچکی هستند و هم‌اکنون کاربردهایشان(تشخیص بیماری و ارتقای پرده‌های نمایش الکترونیکی) در بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سطح دنیا، در دست بررسی است.

كاشف این روش به نام اوگن زوبارف، یک استادیار شیمی دانشگاه رایس، و همکارش بیشنو خانال، یک دانشجوی کارشناسی ارشد، است. روش جدیدِ تصفیة زوبارف، بیش از ۹۹ درصد از ناخالصی‌های نانومیله‌های طلایی را تصفیه می‌کند. این روش، از نوع روش‌های فراورش و ساختی است که در گزارش مهم سال گذشتة دولت فدرال آمریکا در خصوص بررسی قابلیت اقتصادی فناوری‌نانو، آورده شده‌است.

نانومیله‌های مطالعه‌شده به‌وسیلة زوبارف و خانال، حدود ۲۵ نانومتر قطر و حدود ۲۵۰ نانومتر طول دارند. قطر یک تک‌اتم طلا تنها در حدود یک‌سوم یک نانومتر است؛ از این رو سطح‌ مقطع هر نانومیله، تنها از چند هزار اتم طلا تشکیل یافته‌است. این نانومیله‌ها به‌دلیل شکل تیز خود در معرض نور، الکتریسیته و میدان‌های مغناطیسی، رفتاری متفاوت با کره‌ها یا دیسک‌هایی از خود نشان می‌دهند که تعداد اتم مشابهی دارند.

نانومیله‌ها با ادغام چندین مادة شیمیایی، در یک فرایند دقیق و چندمرحله‌ای ساخته می‌شوند. در این روش، شکل‌های دیگری از نانوذرات طلا نیز ساخته می‌شوند که کره‌ها و صفحات تخت از این دست به شمار می‌روند. پیش از این، محققان راهی برای جداسازی و حذف کره‌ها یافته بودند که در آن، نانومیله‌ها و نانوصفحات به‌تدریج در ته مخلوط ته‌نشین شده و کره‌ها همراه با مایع، از آنها جداسازی می‌گردند.

زوبارف و خانال اشاره کردند که نانومیله‌ها و نانوصفحاتی که در باقی‌ماندة محلول وجود دارند، پس از اضافه ‌نمودن یک محلول از یون‌های طلا، به‌صورت توده درمی‌آیند. آنها دریافتند که نانوصفحات بسیار سریع‌تر از نانومیله‌ها توده می‌شوند و کشف کردند که می‌توان از طریق تنظیم و کنترل این فرایند، نانوصفحات را جدا کرده، محلول‌های نانومیله‌ای تولید كنند که خلوصی بیشتر از ۹۹ درصد دارند؛ این در حالی است که بنا به اظهارت زوبارف، این مقدار در بهترین روش‌های ساخت کنونی، تنها در حدود ۲۰ درصد است. وی گفت:«شکل نانوذره‌ نقشی مهم در تعیین بسیاری از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن دارد؛ از این رو هنگامی که چهار ذره از پنج ذرة موجود در یک دسته، شکلی نادرست داشته باشد، مشکلات بسیار بزرگی را برای کاربردهای عملی و تجاری‌سازی ایجاد خواهد كرد.»

تنظیم خصوصیاتِ وابسته به شکل و اندازة نانوذرات، اهمیت بسیار زیادی برای صنعت فناوری‌نانوی نوظهور در ایالات متحده دارد. این کشور از سال ۲۰۰۰ تاکنون، بیش از هشت میلیارد دلار بر روی تحقیق و توسعة فناوری‌نانو سرمایه‌گذاری کرده‌است و بنیاد ملی علوم پیش‌بینی می‌کند که بازار جهانی محصولات فناوری‌نانو تا سال ۲۰۱۵ به حدود هزار میلیارد دلار خواهد رسید. طبق برنامة راهبردی ۲۰۰۷ ایالات متحده، این کشور نیازمند روش‌های فراورش و ساختی است که به تهیة نانومواد باکیفیت و خالص می‌انجامند.

نتایج این تحقیق در نشریة Journal of the American Chemical Society به چاپ رسیده‌است.

تلاش اروپا برای طراحی نقشه راه نانوفتونیک

شبکه اروپایی تعالی نانوفتونیک (PhOREMOST)، یافته‌های خود را در زمینه نانوفتونیک در قالب «نقشه راه نانوفتونیک‌های نوظهور» منتشرکرده است. این شبکه متشکل از 34 سازمان و بیش از 300 محقق است.

هدف از تدوین این نقشه‌راه، شناسایی چالش‌های فناورانه و علمی در این حوزه است. به گفته گلکال بادنس، مدیر کارگروه تدوین این نقشه راه، هدف این گروه تمرکز بر مفاهیم، ابزارها و فناوری‌های نوظهور در چارچوب برنامه سیاست‌های تحقیقاتی راهبردی فتونیک قرن 21 است.

یکی از موضوع‌های چالش‌برانگیز در تدوین این نقشه، افزایش سریع میزان فعالیت‌های تحقیقاتی در این زمینه است. تمام موضوع‌های مطرح شده در این نقشه راه تاثیر بالقوه زیادی در زمینه‌های انرژی، حسگرها و تولید نور ایفا خواهند کرد.

در حال حاضر اروپا در بسیاری از زمینه‌های نانوفتونیک که در این نقشه راه مطرح شده‌اند، در دنیا پیشگام است. برخی از اهداف این نقشه راه عبارتند از:

1 - کمک به حفظ جایگاه اروپا در زمینه کاربردهای مختلف نانوفتونیک‌ها

2 - ارتقای همکاری‌ها بین دانشگاه و صنعت

3 - توسعه منابع و فناوری‌های نوظهور در این زمینه

گزارش 100 صفحه‌ای این نقشه راه در سه بخش بیان مفاهیم، فناوری‌ها و ادوات نوظهور، تنظیم شده است.

نانوذراتی با ماندگاری بالا در بدن

محققان برای ساخت مواد حاجب در خون كه زمان ماندگاری بالای داشته باشد، در حال قرار دادن نانوذراتی با پایة مغناطیسی درون سلول‌‌‌‌های خونی زنده هستند.

نانوذرات مواد حاجب بسیار خوبی برای تصویربرداری در پزشکی هستند؛ اما زمانی که به‌عنوان ذرات مستقل تزریق می‌شوند، سریعاً از خون به کبد بیمار رفته و در نتیجه از سودمندی روش کاسته می‌‌‌‌شود. با قرار دادن نانوذرات مغناطیسی در گلبول‌‌‌‌های قرمز بیمار، این ذرات از اینكه به‌وسیلة ساز و كار‌‌‌‌های دفعی بدن حذف شوند، ایمن می‌مانند و می‌‌‌‌توانند تا 120 روز(که سن طبیعی یک سلول‌‌‌‌های قرمز خونی سالم است) در بدن باقی بمانند.

دکتر وان هوتن، سرپرست گروه، می‌‌‌‌گوید:«با افزیش زمان ماند‌‌‌‌گاری نانوذرات در بدن از دقیقه به ساعت و روز، می‌توان اعمالی مثل مانیتور کردن درمان‌‌‌‌های پیچیدة قلبی عروقی را به‌وسیلة تصویربرداری‌ـ که هم‌اکنون چند ساعت به طول می‌‌‌‌انجامد‌ـ به‌راحتی انجام داد.

برای مثال با این نانوذرات می‌‌‌‌توان حجم خون در حفره‌‌‌‌های مختلف قلب در طول درمان radio-frequency ablation را مشخص کرد. RF ablationروشی با تهاجم کم برای درمان مشکلات آریتمی قلبی است که طی آن یک میلة جراحی وارد قلب بیمار شده، ساعت‌ها آن‌‌‌‌جا می‌‌‌‌ماند. در این روش می توان به جای میله از نانوذرات ساخته‌شده استفاده كرد و آنها در تمام مدت انجام عمل در محل باقی بمانند.

محاسبه پایداری نانولوله‌های کربنی تک جداره تحت بار محوری

ژوهشگران دانشگاه کاشان طی پژوهشی موفق به محاسبه پایداری نانولوله‌های کربنی تک جداره تحت بار محوری شدند.

از نتایج این کار تحقیقاتی می‌توان در نانوربات‌ها، ساخت ورق‌های نانوکامپوزیتی و ساخت مخازن جدار نازک و جدار ضخیم تقویت شده به‌وسیله الیاف‌ نانولوله‌های کربنی استفاده نمود.

این پژوهش در قالب پایان‌نامه کارشناسی ارشد آقای رامین رحمانی (دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه کاشان) و با راهنمایی دکتر علی قربانپور آرانی در گروه مهندسی مکانیک و پژوهشکده علوم و فناوری‌نانو دانشگاه کاشان، انجام شده است.

دکتر قربان‌پور در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری‌نانو، اظهار داشت: "در این تحقیق پایداری نانولوله‌های تک جداره تحت بار محوری با استفاده از نرم‌افزار Ansys مورد مطالعه قرار گرفته و بار بحرانی را برای ابعاد مختلف نانولوله تک جداره به‌دست آوردیم. نتایج به‌دست آمده با نتایج حاصل از روش تحلیلی و تحقیقات دانشمندان دیگر، مطابقت خوبی داشت".

در این کار تحقیقاتی برای محاسبه بار کمانش نانولوله کربنی تک جداره تحت بار محوری از تئوری‌های مکانیک محیط‌های پیوسته و معادلات دانل استفاده شده است. سپس بار بحرانی با استفاده از روش اجزای محدود و نرم‌افزار Ansys به‌دست آمده و با نتایج تحلیلی مقایسه شده‌اند. در این تحقیق از دو نوع کمانش استفاده گردیده است:

1- کمانش پوسته استوانه‌ای که به نسبت شعاع به ضخامت بستگی دارد.

2- کمانش ستونی که توسط طول به قطر کنترل می‌شود.

قربان‌پور هدف اصلی از این پژوهش را افزایش پایداری نانولوله‌های کربنی تک و چند ‌جداره دانست و گفت: "از نتایج این پژوهش می‌توان در ساخت بازوی روبات‌های پلیمری که به‌وسیله الیاف‌ نانولوله‌های کربنی تقویت شده‌اند و همچنین در ساخت ورق‌های نانوکامپوزیتی که بسیار سبک وزن بوده و دارای استحکام فوق‌العاده بالا هستند و در صنایع گوناگونی از قبیل خودروسازی، هوا فضا، کشتی‌سازی، حمل و نقل ریلی، راه و ساختمان و صنایع مربوط به بخش انرژی و ... استفاده می‌شوند و نیز در ساخت مخازن جدار نازک و جدار ضخیم تقویت شده با الیاف‌ نانولوله‌های کربنی، استفاده نمود".

نتایج این پژوهش در مجله Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (جلد40، شماره 7، صفحات 2395-2390، سال 2008) منتشر گردیده است.

پیشرفت در محاسبات کوانتومی به‌وسیلة یک روش خصوصیت‌سنجی جدید

محققانِ MIT امیدوارند که ارائة راهکاری برای خصوصیت‌سنجی کوانتومی در محدوده‌ای فوق‌العاده وسیع از بسامدها، راهی برای رفع یکی از موانع اصلی ساخت رایانه‌های کوانتومی به شمار رود. گفته می‌شود که این روش ابداعی برای مطالعة خصوصیات اتم‌هایی مصنوعی مثل اتم‌های مصنوعی نیمه‌رسانا که احتمالاً در ساخت رایانه‌های کوانتومی به کار گرفته خواهند شد، بسیار مناسب است. این روش با تسهیل روند دستیابی به اطلاعات بیشتری در خصوص این ساختارهای ابررسانا می‌تواند روند ساخت رایانة کوانتومی را تسریع بخشد.

محققان از بیش از دو دهة قبل، پس از اینکه ریچارد فاینمن(فیزیک‌دان و برندة جایزة نوبل فیزیک) برای نخستین بار نظریة محاسبات کوانتومی را مطرح کرد، تلاش کرده‌اند تا چنین رایانه‌ای را بسازند. در یکی از روش‌های مطرح‌شده، از ابزارهای ابررسانا استفاده می‌گردد. این ابزارها پس از سرد سدن که تا دماهای نزدیک صفر مطلق، می‌توانند رفتاری مشابه با اتم‌های مصنوعی داشته باشند. این اتم‌ها جعبه‌های نانومقیاسی هستند که در آنها الکترون‌ها مجبورند تا در ترازهای انرژی ویژه و گسسته‌ای قرار گیرند؛ اما بنا به اظهارات ویلیام اولیور از آزمایشگاه لینکلنِ MIT، روش‌های علمی معمولی‌ که برای خصوصیت‌سنجی و متعاقباً شناخت بهتر اتم‌ها و مولکول‌ها ارائه شده‌اند، همیشه به‌آسانی به اتم‌های مصنوعی تعمیم داده نمی‌شوند. به‌تازگی اولیور و همکارانش روشی ابداع کرده‌اند که می‌تواند این خلأ را پر نماید. این روش، طیف‌نمایی دامنه‌ای(amplitude spectroscopy) نامیده می‌شود.

اتم‌های مصنوعی ترازهای انرژی‌ای دارند که متناظر با باریکة بسیار پهنی از بسامدهاست. پهنای این باریکه می‌تواند به ده‌ها تا صدها گیگاهرتز برسد و به همین دلیل اعمال روش‌های استاندارد طیف‌نمایی برای این اتم‌ها پرهزینه و دشوار است. در روش مکملی که این گروه ابداع کرده‌اند، می‌توان خصوصیات موجودات کوانتومی را در محدودة فوق‌العاده وسیعی از بسامدها بررسی کرد. اولیور عنوان کرد که این شیوه برای مطالعة خصوصیات اتم‌های مصنوعی بسیار مناسب است.

هر اتم مصنوعی می‌تواند به‌عنوان یک بیت کوانتومی عمل نماید و در یک زمان در چندین تراز انرژی مختلف قرار گیرد؛ به عبارت دیگر حالت چنین اتمی همانند کلیدهای الکترونیکی‌ای که در رایانه‌های معمولی استفاده می‌شوند، با صفر یا یک تعیین نمی‌گردد؛ بلکه اتم می‌تواند در برهم‌نهشی(ترکیبی) از هر دو حالت(با احتمال‌های مختلف) قرار داشته باشد. این رفتار عجیب که به ماهیت کوانتومی مواد در سطح اتمی مربوط می‌شود، محاسبات کوانتومی را به‌عنوان یک پیشرفت انقلابی در حوزة محاسبات رایانه‌ای مطرح ساخته‌است.

در طیف‌نمایی دامنه‌ای با استفاده از بررسی پاسخ یک اتم مصنوعی ابررسانا نسبت به یک بسامد منفرد و ثابت، اطلاعات مربوط به اتم‌ گردآوری می‌گردد. انتخاب این بسامد به گونه‌ای است که برای اتم «بی‌خطر» باشد. این فرایند، اتم را به گذارهای ترازهای انرژی وارد می‌سازد و به عبارت دیگر، اتم‌های تحت بررسی می‌توانند از طریق تنظیم دامنة چشمة بسامد ثابت، بین دو باندِ انرژی مختلف، گذار(جهش) داشته باشند. عملاً محدودیتی برای نرخ این گذارها وجود ندارد.

تابش منتشرشده از طریق اتم مصنوعی در پاسخ به این بسامد، دارای الگوهای تداخلی است. این الگوها(که اولیور آنها را «الماس‌های طیف‌نمایی» می‌نامد) به‌دلیل برخورداری از نظم هندسی قابل ‌توجه، اثر انگشت‌های طیف انرژی یک اتم مصنوعی محسوب می‌گردند.
 

اندازه‌گیری استحکام ایروژل با استفاده از تصویرسازی سه‌بعدی

محققان تصویری سه‌بعدی گونه‌ای از مواد معروف به دود مایع (liquid smoke) را ایجاد کردند. ایروژل که با نام دود مایع نیز شناخته شده‌است، یک سلول پلیمری باز با قطر کمتر از 50 نانومتر است.

برای اولین بار محققان "لوریس لیورمور" و" لورنس برکلی"، تحقیقاتی دقیق بر ایروژل‌ها را آغاز کرده و با ایجاد تصاویری سه‌بعدی از اتم‌ها درصدد مشخّص كردن استحکام و پتانسیل آنها در کاربردهای جدید برآمدند.

ایروژل یکی از انواع نانوفوم است که برای نسبت استحکام به وزن بالا طراحی شده‌است. این گونه ساختارهای نانوفوم در زمینه‌های مختلف؛ از جمله زمین‌شناسی، فسفولیپیدها، سلول‌ها، ساختار استخوان، پلیمرها، مواد ساختاری و به‌طور کلی در هر جایی که نیاز به سبک بودن و استحکام است، وجود دارند.

از این مواد بلوری متخلخل با حفراتی به اندازة دو تا50 نانومتر، به‌عنوان کاتالیزور برای سوخت‌های تمیزتر و پراکندن آب و روغن در سنگ‌های متخلخل استفاده می‌شود. ساختار و خصوصیت انتشار نانوفوم‌ها با استفاده از ساختار آنها مشخص می‌شود.

ایروژل‌ها به‌علت ساختار داخلی پیچیده و اتصالات متقاطع پیچیدة داخلی، در بین گونه‌های مختلف مواد شناخته‌شده، از بالاترین سطح داخلی به ازای هر گرم، برخوردارند، همچنین آنها بهترین مشخصات عایق‌های الکتریکی، گرمایی و صوتی را در میان جامدات شناخته‌شده دارند. مشاهدة ساختار درونی ایروژل برای مشخص کردن ساختار در طول‌های نانومقیاس کار ساده‌ای نیست؛ زیرا منفذهای داخلی معمولاً بسیار کوچک هستند و با میکروسکوپ‌های معمولی و مرسوم دیده نمی‌شوند؛ اما محققان لیورمور با برگرداندن طرح پراش پرتو X همدوس، ترتیب شبکة سه‌بعدی را برای یک قطعه ایروژل در ابعاد میکرون به دست آوردند.

تصویرسازی سه‌بعدی با وضوح بالا از یک جسم مستقل، دری به‌سوی کاربردهای فراوانی در فناوری‌نانو ی و زیست‌شناسی سلولی و علم مواد باز کرده‌است.

هم‌اكنون بیست سال از فعالیت لیورمور در زمینة توسعه و بهینه‌سازی ایروژل برای کاربردهای امنیت ملی می‌گذرد. سنتز ایروژل‌های رسانای الکتریکی معدنی برای استفاده در ابرخازن‌ها و یا به‌عنوان خالص‌کننده‌های آب برای جداسازی ناخالصی‌های مضر از پساب‌های صنعتی و یا برای نمک‌زدایی آب دریا و یا حتی استفاده ایروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات از ستاره‌های ابرگونه در طول مأموریت‌های NASA، نمونه‌هایی از کاربردهای ایروژل‌هاست.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که ساختار شبکة درون ایروژل ضعیف‌تر از آنی است كه پیش‌بینی می‌شد. محققان ساختاری را مشاهده کردند که از گره‌هایی تشكیل شده‌است که با باریکه‌های بسیار نازک ارتباط پیدا کرده‌اند. در آینده تحلیل سه‌بعدی توانایی این را خواهد داشت که در مورد مواد تخلخل دیگر نیز اعمال شود و مشکلات مدل‌سازی فیلترهای آب و روغن را در مواد معدنی حل کند.
 

رکوردشکنی در نانولیتوگرافی

اخیراً محققانی از مجارستان و بلژیک روش جدیدی را برای نانولیتوگرافی ابداع کرده‌اند که گفته می‌شود بیشترین دقت را در میان سایر روش‌های موجود داراست. در این روش، با استفاده از نوک میکروسکوپ تونلی روبشی، نانوساختارهای بسیار کوچکی(نوارهایی) بر روی یک صفحة گرافنی ایجاد می‌گردند و به کمک آن می‌توان تمام بخش‌های مدارهای کاری را تولید و از مشکلاتی که روش‌های «پایین‌بالا» در زمینة سرهم ‌کردن اجزای منفرد دارند اجتناب نمود.

این کشف را لونته تاپاستو از مؤسسة فیزیک تجربی و علم مواد در بوداپست و همکارانش انجام داده‌اند. این گروه، نانوساختارهای خود را از طریق بمباران ‌نمودن یک صفحة گرافنی با الکترون‌هایی که از یک نوک تیز اتمی تابش می‌شدند، تولید نمودند. این نوک در بالای سطح گرافن قرار گرفته و تنها چند انگستروم از آن فاصله داشت. این «دسترسی موضعی» موجب می‌شود که دقت این روش بسیار بالا باشد. با حرکت نوک در جهت یک شکل هندسی خاص، می‌توان الگوهایی با اشکال مختلف ایجاد كرد. یکی از مزایای بزرگ این روش، امکان تصویربرداری «در محل» از نمونه‌ها، با دقت اتمی و بلافاصله پس از شکل‌گیری آنهاست.

به کمک روش مذکور می‌توان مواد را با شکل و ابعاد مورد نیاز در مقیاس نانو «برش» داد. بنا به اظهارات تاپاستو، این کشف، گام بسیار بزرگی به‌سوی پیشرفت محسوب می‌شود؛ زیرا تاکنون محققان مجبور بوده‌اند تا اجزایی با خصوصیات مناسب(همانند نانولوله‌های کربنی‌ای با ساختار صحیح) را تهیه کنند و با سرهم‌بندی آنها ابزارهای الکترونیکی نانومقیاسی بسازند. از دیگر مشکلات بزرگ محققان «نابه‌جایی لبه‌ای» نوارها(نانوساختارها) است؛ زیرا این نابه‌جایی‌ها با تأثیر بر روی خصوصیات الکترونیکی نوارها، قابلیت تکثیر را تقلیل می‌دهد. این محققان توانسته‌اند با تولید لبه‌هایی هموار در روشِ STM ابداعی خود بر این مشکل فائق آیند.

این روش، نخستین روشی است که می‌تواند از طریق کنترل عرض و جهت‌گیری بلوری نانونوارهای مذکور، باند‌گپِ(گافِ) الکترونیکی گرافن را کاملاً تغییر داده، اصلاح نماید. تاپاستو گفت:«علاوه بر این، دقت لیتوگرافی STM این امكان را به ما می‌دهد تا محصولاتی ارزان‌قیمت تولید کنیم؛ زیرا با این روش می‌توان گاف‌های انرژی بزرگی برای عملکرد ابزارهای الکترونیکی گرافنی در دمای اتاق تولید نمود.» تاپاستو و گروهش نانوروبان‌هایی با عرض تنها ۲/۵ نانومتر(حدود ۲۰ اتم کربن) تولید کرده‌اند؛ این در حالی است که لیتوگرافی پرتو الکترونی مدرن کنونی تنها می تواند به ابعادی در حدود ۲۰ نانومتر دست پیدا کند. وی با اشاره به اینکه به کمک این روش تمام نانوالگوهای پیچیده(و نه فقط نانوساختارهای منفرد) قابل ساختند، گفت:«روش ما دربرگیرندة تمام راهکارهایی است که برای ساخت مدارهای نانوالکترونیکی وظیفه‌دار از گرافن نیاز هستند».

محققان یادشده هم‌اکنون قصد دارند تا ساختارهای پیچیده‌تری از گرافن بسازند. تاپاستو در این خصوص گفت که گرچه این روش برای الگودهی گرافن ابداع شده‌است؛ اما می‌توان با انجام اصلاحاتی آن را به سایر مواد نیز تعمیم داد. البته این روش هنوز برای فرایندهای صنعتی قابل استفاده نیست و به این منظور باید حجم تولید آن را ارتقا داد.

نتایج این تحقیق در نشریة Nature Nanotechnology به چاپ رسیده‌است.