استفاده کردن از دانش سیستم های زنده موجود در طبیعت ، یکی از راهکارهای حل مسائل فنی زندگی بشری و ارتقای سطح تکنولوژی است. روش های تولید ، فرآیندها و ساختارهای موجود در طبیعت ؛ منبع الهام دانشمندان برای طراحی و ساخت مواد هوشمند می باشند. سیستم های زنده با معماری های نانومتری، قابلیت های ویژه ای از خود نشان می دهند. الگوبرداری از این سیستم ها و روش های تولید موجود در طبیعت و پیاده سازی آن ها دنیای جدیدی از مواد و کاربردها را برای بشر به ارمغان آورده است.
روش های ساخت زیست تقلیدانه
طبیعت، سازه های پیچیده ساختاری را به طور ویژه ای ایجاد می کند، این سازه ها ابعاد خاصی دارند که چندین مقیاس ابعادی را در ساده ترین شرایط محیطی و با منابع محدود ایجاد کنند. امروز محققان قادرند ساختارهای نانومتری را زیر میکروسکوپ ها مشاهده یا بازسازی کنند، اما هرگز به قدرت طبیعی در تولید آن ها نمی رسند.
میلیون ها سال قبل از آن که محققان مواد الگوبرداری شده از طبیعت را مهندسی کنند، سیستم های زنده از معماری های نانومتری استفاده می کردند تا قابلیت های ویژه ای را به وجود آورند. امروزه تلاش ها در جهت تقلید سیستم های زنده برای محقق ساختن دسته های زیادی از فناوری ها است. مواد هوشمند پیشرفته ای مانند سطوح فوق آبگریز برگ های لوتوس ساخته شده اند.
قابلیت طبیعت در تولید معماری های پیچیده ساختاری با ابعاد هندسی متنوع در شرایطی محیطی به مراتب ساده و با منابع محدود هنوز توسط انسان محقق نشده است. تحقیقات روی مواد زیستی مشکلات تکنولوژیکی را مورد خطاب قرار می دهد، یا دانش مربوط به یک ساختار زنده با یک قابلیت ویژه را دنبال می کند. تقلید از طبیعت به تجربه ی شیمیدان ها، زیست شناسان، فیزیکدان ها، دانشمندان مواد، و مهندسان تکیه کرده تا رمز مکانیزم ها و اصول طراحی در طبیعت را باز کند.
طبیعت ساختارهای ریز خود را بر اساس خودآرایی می سازد. برای مواد زیستی، فرایندهای خودآرایی در سیستم های زنده به عنوان اهرمی برای ساخت مواد پیشرفته هستند. این رویکردهای پایین به بالای خودآرایی از تکنیک های مبتنی بر شیمی استفاده می کنند تا مواد تلفیقی را تولید کنند.
در الگوبرداری زیستی سیستم های طبیعی مانند داربست استفاده می شوند تا ویژگی های ساختاری پیچیده و عملکردهای ویژه آن ها را بتوان تلفیق کرد. الگوبرداری زیستی، با تکثیر یک ساختار ویژه یا استخراج اصول طراحی نهفته در ساختارهای طبیعی به دست می آید. با استفاده از الگوهایی مانند مولکول های آلی، توده های سوپرمولکولی، کلوییدها، نانوذرات و چیدمان آن ها، مواد الگوبرداری شده زیستی می توانند با ساختارهایی با تکنولوژی پیشرفته در ابعاد طولی نانومتری ساخته شوند. یک راه، کپی برداری مستقیم است. از نانوساختار به عنوان "الگو" یا "تمپلیت" استفاده می شود و با چاپ، ریخته گری، قالب گیری، نفوذ گاز، پوشش دهی، و تکنیک های متعدد دیگر الگوبرداری انجام می شود. این مواد حفره های منظم، مکان های فعال و ویژگی های جذاب دارای مزیتی برای کاربرد در کاتالیست ها، دارورسانی، فوتونیک و الکترونیک مولکولی دارند.
در الگوبرداری واژه هایی مانند مُهرهای توخالی (hollow) و جامد، معکوس، صحیح، منفی، و مثبت معمولاً استفاده می شوند تا ویژگی های ساختاری نمونه های الگوبرداری شده را توضیح دهند.
واژه بیوتمپلیتینگ (الگوبرداری زیستی) را در مواردی استفاده می کنیم که ویژگی های سطحی و هندسی یک ساختار معین (یک الگو یا تمپلیت) را به یک ماده دیگر جابه جا می کنیم. در بیوتمپلیتینگ پایه محلولی، پیش ماده ی مایع برای پوشش دهی سطح یک تمپلیت یا پر کردن فضای حفره ای اطراف یک ساختار تمپلیت استفاده می شود. بعد از سخت شدن پیش ماده برای تشکیل یک ماده ی با ثبات، الگوی اطراف به طور دلخواه برداشته می شود و یک ساختار با ثبات و یکپارچه را که همه ی ویژگی های ساختاری الگوی اولیه را دارد به-جا می گذارد. ساختار نهایی یک مهر (ریپلیکا)ی زیستی است.
یک مهر یا ریپلیکاهای توخالی، کپی پوسته ای شکلی از ساختار اصلی می باشد و با لایه نشانی یک پوشش نازک حول تمپلیت زیستی و در ادامه ی برداشتن تمپلیت به دست می آید. یک مهر جامد، یک کپی مثبت یا منفی طرح اولیه می باشد که از یک چارچوب کاملاً پر تشکیل شده است. مهرهای جامد با پر کردن فضای خالی حول یک الگو با یک ماده ی جدید و برداشتن ساختار اولیه به دست می آیند.
یک مهر منفی، یک کپی معکوس از الگوی اصلی زیستی است. یعنی ساختار اصلی به ترکیب جدیدی تبدیل می شود که هوا تشکیل دهنده ی آن است. یک مهر مثبت، یک کپی دقیق (همان شکل) از الگوی زیستی اولیه است. جدای ساخته شدن از یک جنس متفاوت، مهر و الگوی اصلی مثل هم هستند. یک مهر مثبت میتواند به سادگی با تکرار دو مهر منفی به دست بیاید. یک مهر منفی از مهر منفی (مهر مثبت) با ساختن یک مهر منفی از الگوی اصلی و استفاده از این ساختار به عنوان یک الگوی جدید ساخته می شود.
شکل 1: یک ساختار الگوی معین (الف) می تواند سه نوع مختلف مهر را از روش های نفوذدهی و برداشت الگوی مختلف ایجاد کند (ب-د).
بسته به خواص ساختاری، این کار می تواند با چاپ، ریخته گری، قالبگیری، نفوذ گاز، پوشش و تکنیک های متعدد دیگر انجام شود. قالب گیری و چاپ راه های سریع و قدرتمندی برای انتقال ویژگی های سطوح دو بعدی به مهرهای پلیمری و سرامیکی هستند. برای مثال با استفاده از این رویکرد میتوان ساختار پیچیده ی سطحی برگ های لوتوس و سایر گیاهان، و چشم های حشرات را کپی برداری کرد. از همه مهم تر نمونه های کپی شده نه تنها ساختار سطحی این الگوها را انتقال می دهند بلکه خواص مطلوبی مانند فوق آبگریزی و ضد انعکاس بودن را هم از خود نشان می دهند.
انتقال چارچوب های سه بعدی پیچیده تر مانند آن هایی که در بال های پروانه، پرهای پرندگان و نمونه-های چوبی یافت می شوند به تکنیک های نفوذ و پوشش نیاز دارند. برای پوشش دهی، فضای خالی درون یک ساختار زیستی معین با یک پیش ماده پر می شود و فرایندهای شیمیایی و فیزیکی برای تبدیل این پیش ماده به یک ترکیب جامد که الگوی زیستی را در بر گرفته است اجرا می شود. در گام نهایی الگوی زیستی با حکاکی یا پیرولیز (سوزاندن) برداشته می شود و ماده ای را با همان ویژگی های ساختاری اولیه الگوی زیستی به جا می گذارد که البته کلیت آن از ماده متفاوتی شکل گرفته است.
در حالت عمومی فرایندهای الگوسازی زیستی بر پایه پر کردن و پوشش می تواند به روش لایه نشانی دما پایین- تبخیر و روش های پایه محلولی تفکیک شود. در روش های اول، لایه نشانی لایه اتمی و لایه نشانی بخار فیزیکی به طور خاص مناسب الگوبرداری زیستی هستند. ویژگی معمول این روش ها استفاده از پیش ماده های بخار یا گاز در گام پر کردن است. این پیش ماده ها در ادامه با یک مکانیزم رشد اتم به اتم گام به گام به یک پوشش جامد روی سطح الگوی زیستی تبدیل می شوند. روش های پر کردن بر پایه لایه نشانی یا تبخیر به طور عمده برای تولید ساختارهای مهر پوسته ای شکل به کار می روند. در مقابل روش های پرکردن بر پایه محلول، از پیش ماده های مایع استفاده و به طور کلی کپی های منفی جامدی را از الگوی زیستی اصلی ایجاد می کنند. در این روش ها محلول پیش ماده ی اولیه با نیروهای مویینگی به فضای حفره های بین الگو نفوذ می کنند. بعد از تبخیر حلال، گونه های پیش ماده بسته به نوع پیش ماده و شرایط واکنش، از طریق مسیرهای شیمیایی مختلف به یک شبکه جامد تبدیل می شوند. پر کاربردترین روش های الگوبرداری زیستی پایه محلولی روش شیمیایی سل-ژل می باشد که از پیش ماده های مولکولی استفاده می کند و نانوذرات کلوییدی هستند.
جدا از تولید مهرهای زیستی با ویژگی های ساختاری متفاوت (شبیه به پوسته و چارچوب های جامد)، روش های پر سازی بر پایه محلولی و لایه نشانی – تبخیر در تجهیزات، شرایط فرایندی و دسترسی با هم تفاوت هایی دارند. برای مثال روش های شیمیایی سل-ژل تنها به چند پیش ماده ارزان قیمت و حلال، یک میز آزمایشگاه شیمی و یک کوره نیاز دارند. در مقابل لایه نشانی لایه اتمی یا روش های فیلم تبخیر شده همدیس با چرخش به ابزارهای گران قیمت، گاز و خطوط خلاء، و کاربران بسیار مجرب و متخصص نیازمند است. اما از سویی دقت و قابلیت بازتولید نمونه های الگوهای زیستی به دست آمده با روش های لایه نشانی تبخیر استثنایی هستند و مزیت بالایی بر بیشتر تکنیک های پایه محلولی دارند. برای مثال با استفاده از لایه نشانی، لایه اتمی درجه نفوذ و از این رو ضخامت پوسته مهر غیر آلی می تواند در مقیاس یک لایه اتمی کنترل شود. این کنترل قابل پیش بینی ضخامت پوسته، می تواند برای ایجاد مهرهایی با خواص نوری دقیق استفاده شود. این خروجی برای ساختار فوتونیک فلس بال های پروانه که به اکسید آلومینیوم الگوبرداری شده است را در شکل 2 مشاهده می کنید. با کنترل دقیق ضخامت لایه اکسید آلومینیوم (آلومینا) رنگ انعکاسی نمونه های مهر را از سبز به زرد، صورتی و بنفش تغییر داده اند (رنگ اصلی بال پروانه آّبی است).
شکل 2: تصاویر میکروسکوپ الکترونی (الف) فلس های بال پروانه مورفو که با لایه های آلومینا با ضخامت های مختلف پوشش داده شده و تغییرات تدریجی رنگ آن (ب) تصویر SEM الگوی آلومینای فلس های بال
برخلاف روش های استفاده شده، الزامات کلیدی محدودی وجود دارد که باید برای تشخیص مناسب بودن یک ساختار برای الگوبرداری زیستی برآورده شوند: (1) الگوبرداری همزمان همه ی ابعاد ریز و درشت (2) حفظ هندسه چارچوب و پارامترهای شبکه و (3) پرهیز از تشکیل ترک، خرابی ساختاری و از دست دادن ویژگی های بلند برد ساختاری.
الزام اول – الگوبرداری همزمان اشکال کوچک و بزرگ – اهمیت بالایی در الگوبرداری زیستی دارد زیرا یک مفهوم جذاب بسیاری از ساختارهای زیستی، ساختار سلسله مراتبی آن ها و ویژگی های ابعادی می-باشد که اغلب چند سطح از سطوح ابعادی را در بر گرفته اند. به طور ویژه در روش های پایه محلولی این حفظ شکل های ریز اغلب مشکل آفرین است چون کشش سطحی می تواند ساختارهای نانومتری را به سادگی صاف کند. افزون بر این ویژگی های ریز هم می تواند در زمان برداشت دمای بالای الگوی زیستی (سوزاندن) یا با حکاکی شدید از بین برود.
الزام دوم-حفظ هندسه ی چارچوب و پارامترهای شبکه- برای الگوبرداری ساختار با چارچوب های بلندبرد منظم در رنگ های ساختاری اهمیت بالایی دارند. در این مواد خواص نوری نتیجه مستقیم، هندسه ی چارچوب و پارامترهای شبکه ی آن هستند. در واقع حتی تفاوت های ساختاری بسیار کوچک در حد چند درصد می تواند تغییرات عمده ای را در رنگ و ویژگی های نوری دیگر منجر شود. برای جلوگیری از تغییرات غیر کنترل شده این خواص در این نوع ساختار زیستی، ضروری است که انحراف های ساختاری مانند جمع-شدگی چارچوب یا تورم را به حداقل برسانیم.
خواص رنگ های ساختاری به نقص ها و از دست دادن نظم بلند برد نیز بسیار حساس است. تشکیل ترک ها و خرابی موضعی چارچوب در زمان پر کردن یا برداشتن الگو می تواند کیفیت نوری ساختار الگوبرداری شده را به شدت از بین برده و منجر به از دست رفتن شدت و خلوص نور انعکاس داده شده گردد.
برای رفع این تخریب ساختاری و از دست رفتن ویژگی های ظریف نمونه های الگوبرداری شده، تنظیم دقیق فرایند الگوبرداری زیستی ضروری می باشد.
ویژگی های معمول روش های پایه ی محلولی، سادگی آن ها است. هر چند که آن ها به طور عام در دقت مقیاس اتمی ساختار الگوبرداری شده در مقایسه با روش های تبخیر و لایه نشانی ضعف دارند، اما سرعت آن، ارزان بودن و قابلیت اعمال در سطح بالا، این ضعف را جبران کرده اند. در حالی که دقت مقیاس اتمی و قابلیت باز تولید در ابزارهای الکترونیکی و نیمه رسانا اهمیت بالایی دارند، برای بیش تر کاربردهایی که ساختارهای سطحی الگوبرداری شده زیستی و چارچوب های سه بعدی مطلوب هستند، دقت و قابلیت بازتولید به دست آمده با روش های الگوبرداری پایه ی محلولی کفایت می کند. این کاربردها شامل حوزه-هایی از نور و الکترونیک نوری، کاتالیست، جداسازی و جذب، یا به عنوان داربست هایی در الکترود باتری ها، جذب انرژی و مهندسی بافت است. افزون بر این روش های پایه ی محلولی به ساختارهای قابل دسترس متنوع از مهرهای توخالی تا الگوهای جامد الگوی اصلی با یک چارچوب منفی یا مثبت (مهر اصل) بسط پیدا کرده اند.
فرایند الگوبرداری محلولی هزاران سال است که شناخته شده و برای الگوبرداری از خیلی از ساختارهای مصنوعی و طبیعی با ابعادی که از نانومتر تا چندین متر تغییر می کند مورد استفاده قرار گرفته است.
در تکنیک های الگوبرداری بر پایه ی محلولی از ساختارهای زیستی مثل چوب، استخوان، فلس حشرات، پرها، و حیوانات دریایی به عنوان الگوی اولیه استفاده کرده اند. انگیزه استفاده از الگوهای زیستی، تنوع گسترده ای از ساختارهای پیچیده است که در طبیعت یافت می شوند. برخی از این ساختارها، مانند سلسله مراتب پیچیده آغازیان و اسفنج های دریایی یا شبکه های کریستال های فوتونیک سه بعدی بال های خاص پروانه و فلس های شپش ها، در دامنه ی قابلیت های سنتزی ما وجود دارد. بنابراین این مواد پیچیده می توانند به سبد ساختارهای مصنوعی موجود ما خواص جذابی را اضافه کنند.
مشکل اصلی در استفاده از الگوبرداری این است که برخلاف شبکه های تولید شده مصنوعی که به راحتی قابل دسترس هستند، آن ها در بیشتر موارد خودشان را نگه نمی دارند. این اشکال به مراحل پیش پرسازی اولیه مانند برداشتن اجزای مطلوب از ارگانیسم با ترک دادن، صاف کردن، یا بریدن برای فراهم کردن دسترسی به چارچوب های ساختاری محبوس نیاز دارد. افزون بر این بسیاری از ساختارهای زیستی لایه های محافظ نازکی روی سطح خود دارند. اغلب این لایه ها از مولکول های واکسی و آبگریز برای ممانعت از تر شدن سطح با آب و یا وارد شدن آب به فضای حفره های داخلی ساختار تشکیل شده اند. چون الگوبرداری زیستی بر پایه محلولی اغلب از حلال های آبدوست مانند آب و الکل استفاده می کند و پر کردن فضاهای داخلی حفره ها بر اساس نیروهای مویینگی است، این لایه های محافظ باید با عملیات شیمیایی با حلال های آلی یا اسیدها برداشته شوند. زمانی که این گام های پیش فرایندی کامل شد و ساختار زیستی مطلوب قابل دسترس بود یک الگوی زیستی معین آماده پر شدن با یک محلول حاوی پیش ماده است.
در اصل هر روشی که برای کپی برداری الگوهای مصنوعی استفاده شده است می تواند برای ساختارهای زیستی استفاده شود. این روش ها شامل سُل های نانوذرات کلوییدی، ریخته گری نمک های مذاب یا فوق اشباع، الکتروشیمی، تکنیک های پلیمریزاسیون نمونه مونومرهای آلی و شیمی سل-ژل مولکولی هستند.
سُل نانوذرات کلوییدی معمول محلول های یا سوسپانسیون های آبی یا الکلی می باشد که از نانوذرات اکسیدی با اندازه هایی در محدوده ی چند نانومتر تا ده ها نانومتر تشکیل شده است. یکی از پارامترهای مهم این تکنیک فشردگی سل نانوذرات است. از یک سو این فشردگی می بایست به قدری بالا باشد که بتواند یک چارچوب جامد فشرده را بعد از تبخیر حلال ایجاد کند که هر چه فشردگی نانوذرات کمتر شود تخلخل نانومتری بیشتر خواهد بود. از سوی دیگر فشردگی بالای نانوذرات می تواند تعاملات ذرات با ذرات را بالا ببرد و به افزایش ویسکوزیته محلول منجر شود. چون نیروهای مویینگی روی پرشدگی الگو تاثیرگذار هستند، افزایش ویسکوزیته محلول می تواند به طور چشم گیری درجه پرشدگی را کاهش دهد که به کیفیت پایین مهر منجر می شود. فشردگی بهینه نانوذرات به نوع ذره و شیمی سطح آن ارتباط دارد اما مقادیر معمول در محدوده ی میکرو تا میلیمتر قرار دارند. بعد از پر کردن و تبخیر حلال، نانوذرات یک شبکه متصل به هم ضعیف را با تعامل گروه های هیدروکسیل سطحی ایجاد می کنند. این شبکه می تواند باز هم متراکم تر و با عملیات حرارتی سخت شود و یک ساختار باثبات بر پایه ی نانوذرات را ایجاد کند که با پیوندهای اکسیدی بین ذره ای به هم متصل شده اند.
رویکرد متفاوت دیگر برای خلق الگوهای غیرآلی، پر کردن ساختارهای الگو با محلول های نمکی مذاب یا فوق اشباع است. برای مثال محلول های فوق اشباع نمک هایی چون کلرید سدیم در آب، برای پر کردن الگوهای پلیمری استفاده می شوند. بعد از تبخیر حلال؛ به جای ماندن ماده ی حل شده، و برداشت حرارتی الگو، یک الگوی معکوس از ساختار اصلی شامل نمک سنگی به دست می آید. به طور مشابه قند نیشکر (ساکاروز) می تواند به ساختار آغازیان نفوذ کند، این ساکاروز در ادامه کربنیزه می شود و بعد از انحلال آغازیان، یک الگوی معکوس به دست می آید.
لایه نشانی الکتروشیمیایی، روش جالبی برای الگوبرداری از ساختار الگوی شبکه ی باز به فلزات است. نفوذ فلز با یک دستگاه سلول الکتروشیمیایی مرسوم به دست می آید که الکترود الگو در یک محلول الکترولیت حاوی نمک فلز مطلوب فرو می رود و کنار آن یک الکترود مخالف و مرجع قرار می گیرد. بااین حال این تکنیک به سختی روی الگوهای زیستی قابل پیاده سازی است. چون به الگویی نیاز دارد که روی یک الکترود هادی بنشیند یا شکل بگیرد. این روش با موفقیت برای الگوهای اپل اعمال شده است. مزیت این روش این است که لایه نشانی فلز در سطح هدایت کننده شروع می شود و هر چه زمان لایه نشانی بیشتر می-شود، به مرور و در یک جهت فضای حفره ی الگو را پر می کند. با کنترل زمان لایه نشانی و جریان اعمال شده در زمان فرایند لایه نشانی، این امکان وجود دارد که به طور دقیق درجه ی پرکردن فلزات درون الگو تعیین گردد.
گزینه دیگر برای خلق مهرهای غیرآلی، پر کردن الگو با یک مونومر آلی یا محلول های پیش پلیمری می باشد. در حضور ترکیبات آغاز کننده پلیمریزاسیون، نمونه های پیش ماده در معرض نور ماوراء بنفش UV یا حرارت، شروع به شبکه سازی می کنند و یک الگوی منفی پلیمری را از ساختار اولیه می سازند. پلیمرهای معمول که با این روش استفاده شده اند پر فلوئورو پلی اتر (PFPE)، پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS)، پلی متیل-متاکریلات (PMMA) و رزین های اپوکسی بوده اند. این تکنیک به طور وسیعی در قالب گیری الگو استفاده شده است که یک روش چاپ نرم برای الگوبرداری از ساختارهای دوبعدی مانند برجستگی های سطح برگ ها، بال ها و چشم ها است.
منابع:
نویسنده: حسن سلیمی - کارشناسی ارشد - مهندسی نساجی - دانشگاه صنعتی امیرکبیر
روش های ساخت زیست تقلیدانه
طبیعت، سازه های پیچیده ساختاری را به طور ویژه ای ایجاد می کند، این سازه ها ابعاد خاصی دارند که چندین مقیاس ابعادی را در ساده ترین شرایط محیطی و با منابع محدود ایجاد کنند. امروز محققان قادرند ساختارهای نانومتری را زیر میکروسکوپ ها مشاهده یا بازسازی کنند، اما هرگز به قدرت طبیعی در تولید آن ها نمی رسند.
میلیون ها سال قبل از آن که محققان مواد الگوبرداری شده از طبیعت را مهندسی کنند، سیستم های زنده از معماری های نانومتری استفاده می کردند تا قابلیت های ویژه ای را به وجود آورند. امروزه تلاش ها در جهت تقلید سیستم های زنده برای محقق ساختن دسته های زیادی از فناوری ها است. مواد هوشمند پیشرفته ای مانند سطوح فوق آبگریز برگ های لوتوس ساخته شده اند.
قابلیت طبیعت در تولید معماری های پیچیده ساختاری با ابعاد هندسی متنوع در شرایطی محیطی به مراتب ساده و با منابع محدود هنوز توسط انسان محقق نشده است. تحقیقات روی مواد زیستی مشکلات تکنولوژیکی را مورد خطاب قرار می دهد، یا دانش مربوط به یک ساختار زنده با یک قابلیت ویژه را دنبال می کند. تقلید از طبیعت به تجربه ی شیمیدان ها، زیست شناسان، فیزیکدان ها، دانشمندان مواد، و مهندسان تکیه کرده تا رمز مکانیزم ها و اصول طراحی در طبیعت را باز کند.
طبیعت ساختارهای ریز خود را بر اساس خودآرایی می سازد. برای مواد زیستی، فرایندهای خودآرایی در سیستم های زنده به عنوان اهرمی برای ساخت مواد پیشرفته هستند. این رویکردهای پایین به بالای خودآرایی از تکنیک های مبتنی بر شیمی استفاده می کنند تا مواد تلفیقی را تولید کنند.
در الگوبرداری زیستی سیستم های طبیعی مانند داربست استفاده می شوند تا ویژگی های ساختاری پیچیده و عملکردهای ویژه آن ها را بتوان تلفیق کرد. الگوبرداری زیستی، با تکثیر یک ساختار ویژه یا استخراج اصول طراحی نهفته در ساختارهای طبیعی به دست می آید. با استفاده از الگوهایی مانند مولکول های آلی، توده های سوپرمولکولی، کلوییدها، نانوذرات و چیدمان آن ها، مواد الگوبرداری شده زیستی می توانند با ساختارهایی با تکنولوژی پیشرفته در ابعاد طولی نانومتری ساخته شوند. یک راه، کپی برداری مستقیم است. از نانوساختار به عنوان "الگو" یا "تمپلیت" استفاده می شود و با چاپ، ریخته گری، قالب گیری، نفوذ گاز، پوشش دهی، و تکنیک های متعدد دیگر الگوبرداری انجام می شود. این مواد حفره های منظم، مکان های فعال و ویژگی های جذاب دارای مزیتی برای کاربرد در کاتالیست ها، دارورسانی، فوتونیک و الکترونیک مولکولی دارند.
در الگوبرداری واژه هایی مانند مُهرهای توخالی (hollow) و جامد، معکوس، صحیح، منفی، و مثبت معمولاً استفاده می شوند تا ویژگی های ساختاری نمونه های الگوبرداری شده را توضیح دهند.
واژه بیوتمپلیتینگ (الگوبرداری زیستی) را در مواردی استفاده می کنیم که ویژگی های سطحی و هندسی یک ساختار معین (یک الگو یا تمپلیت) را به یک ماده دیگر جابه جا می کنیم. در بیوتمپلیتینگ پایه محلولی، پیش ماده ی مایع برای پوشش دهی سطح یک تمپلیت یا پر کردن فضای حفره ای اطراف یک ساختار تمپلیت استفاده می شود. بعد از سخت شدن پیش ماده برای تشکیل یک ماده ی با ثبات، الگوی اطراف به طور دلخواه برداشته می شود و یک ساختار با ثبات و یکپارچه را که همه ی ویژگی های ساختاری الگوی اولیه را دارد به-جا می گذارد. ساختار نهایی یک مهر (ریپلیکا)ی زیستی است.
یک مهر یا ریپلیکاهای توخالی، کپی پوسته ای شکلی از ساختار اصلی می باشد و با لایه نشانی یک پوشش نازک حول تمپلیت زیستی و در ادامه ی برداشتن تمپلیت به دست می آید. یک مهر جامد، یک کپی مثبت یا منفی طرح اولیه می باشد که از یک چارچوب کاملاً پر تشکیل شده است. مهرهای جامد با پر کردن فضای خالی حول یک الگو با یک ماده ی جدید و برداشتن ساختار اولیه به دست می آیند.
یک مهر منفی، یک کپی معکوس از الگوی اصلی زیستی است. یعنی ساختار اصلی به ترکیب جدیدی تبدیل می شود که هوا تشکیل دهنده ی آن است. یک مهر مثبت، یک کپی دقیق (همان شکل) از الگوی زیستی اولیه است. جدای ساخته شدن از یک جنس متفاوت، مهر و الگوی اصلی مثل هم هستند. یک مهر مثبت میتواند به سادگی با تکرار دو مهر منفی به دست بیاید. یک مهر منفی از مهر منفی (مهر مثبت) با ساختن یک مهر منفی از الگوی اصلی و استفاده از این ساختار به عنوان یک الگوی جدید ساخته می شود.
شکل 1: یک ساختار الگوی معین (الف) می تواند سه نوع مختلف مهر را از روش های نفوذدهی و برداشت الگوی مختلف ایجاد کند (ب-د).
بسته به خواص ساختاری، این کار می تواند با چاپ، ریخته گری، قالبگیری، نفوذ گاز، پوشش و تکنیک های متعدد دیگر انجام شود. قالب گیری و چاپ راه های سریع و قدرتمندی برای انتقال ویژگی های سطوح دو بعدی به مهرهای پلیمری و سرامیکی هستند. برای مثال با استفاده از این رویکرد میتوان ساختار پیچیده ی سطحی برگ های لوتوس و سایر گیاهان، و چشم های حشرات را کپی برداری کرد. از همه مهم تر نمونه های کپی شده نه تنها ساختار سطحی این الگوها را انتقال می دهند بلکه خواص مطلوبی مانند فوق آبگریزی و ضد انعکاس بودن را هم از خود نشان می دهند.
انتقال چارچوب های سه بعدی پیچیده تر مانند آن هایی که در بال های پروانه، پرهای پرندگان و نمونه-های چوبی یافت می شوند به تکنیک های نفوذ و پوشش نیاز دارند. برای پوشش دهی، فضای خالی درون یک ساختار زیستی معین با یک پیش ماده پر می شود و فرایندهای شیمیایی و فیزیکی برای تبدیل این پیش ماده به یک ترکیب جامد که الگوی زیستی را در بر گرفته است اجرا می شود. در گام نهایی الگوی زیستی با حکاکی یا پیرولیز (سوزاندن) برداشته می شود و ماده ای را با همان ویژگی های ساختاری اولیه الگوی زیستی به جا می گذارد که البته کلیت آن از ماده متفاوتی شکل گرفته است.
در حالت عمومی فرایندهای الگوسازی زیستی بر پایه پر کردن و پوشش می تواند به روش لایه نشانی دما پایین- تبخیر و روش های پایه محلولی تفکیک شود. در روش های اول، لایه نشانی لایه اتمی و لایه نشانی بخار فیزیکی به طور خاص مناسب الگوبرداری زیستی هستند. ویژگی معمول این روش ها استفاده از پیش ماده های بخار یا گاز در گام پر کردن است. این پیش ماده ها در ادامه با یک مکانیزم رشد اتم به اتم گام به گام به یک پوشش جامد روی سطح الگوی زیستی تبدیل می شوند. روش های پر کردن بر پایه لایه نشانی یا تبخیر به طور عمده برای تولید ساختارهای مهر پوسته ای شکل به کار می روند. در مقابل روش های پرکردن بر پایه محلول، از پیش ماده های مایع استفاده و به طور کلی کپی های منفی جامدی را از الگوی زیستی اصلی ایجاد می کنند. در این روش ها محلول پیش ماده ی اولیه با نیروهای مویینگی به فضای حفره های بین الگو نفوذ می کنند. بعد از تبخیر حلال، گونه های پیش ماده بسته به نوع پیش ماده و شرایط واکنش، از طریق مسیرهای شیمیایی مختلف به یک شبکه جامد تبدیل می شوند. پر کاربردترین روش های الگوبرداری زیستی پایه محلولی روش شیمیایی سل-ژل می باشد که از پیش ماده های مولکولی استفاده می کند و نانوذرات کلوییدی هستند.
جدا از تولید مهرهای زیستی با ویژگی های ساختاری متفاوت (شبیه به پوسته و چارچوب های جامد)، روش های پر سازی بر پایه محلولی و لایه نشانی – تبخیر در تجهیزات، شرایط فرایندی و دسترسی با هم تفاوت هایی دارند. برای مثال روش های شیمیایی سل-ژل تنها به چند پیش ماده ارزان قیمت و حلال، یک میز آزمایشگاه شیمی و یک کوره نیاز دارند. در مقابل لایه نشانی لایه اتمی یا روش های فیلم تبخیر شده همدیس با چرخش به ابزارهای گران قیمت، گاز و خطوط خلاء، و کاربران بسیار مجرب و متخصص نیازمند است. اما از سویی دقت و قابلیت بازتولید نمونه های الگوهای زیستی به دست آمده با روش های لایه نشانی تبخیر استثنایی هستند و مزیت بالایی بر بیشتر تکنیک های پایه محلولی دارند. برای مثال با استفاده از لایه نشانی، لایه اتمی درجه نفوذ و از این رو ضخامت پوسته مهر غیر آلی می تواند در مقیاس یک لایه اتمی کنترل شود. این کنترل قابل پیش بینی ضخامت پوسته، می تواند برای ایجاد مهرهایی با خواص نوری دقیق استفاده شود. این خروجی برای ساختار فوتونیک فلس بال های پروانه که به اکسید آلومینیوم الگوبرداری شده است را در شکل 2 مشاهده می کنید. با کنترل دقیق ضخامت لایه اکسید آلومینیوم (آلومینا) رنگ انعکاسی نمونه های مهر را از سبز به زرد، صورتی و بنفش تغییر داده اند (رنگ اصلی بال پروانه آّبی است).
شکل 2: تصاویر میکروسکوپ الکترونی (الف) فلس های بال پروانه مورفو که با لایه های آلومینا با ضخامت های مختلف پوشش داده شده و تغییرات تدریجی رنگ آن (ب) تصویر SEM الگوی آلومینای فلس های بال
برخلاف روش های استفاده شده، الزامات کلیدی محدودی وجود دارد که باید برای تشخیص مناسب بودن یک ساختار برای الگوبرداری زیستی برآورده شوند: (1) الگوبرداری همزمان همه ی ابعاد ریز و درشت (2) حفظ هندسه چارچوب و پارامترهای شبکه و (3) پرهیز از تشکیل ترک، خرابی ساختاری و از دست دادن ویژگی های بلند برد ساختاری.
الزام اول – الگوبرداری همزمان اشکال کوچک و بزرگ – اهمیت بالایی در الگوبرداری زیستی دارد زیرا یک مفهوم جذاب بسیاری از ساختارهای زیستی، ساختار سلسله مراتبی آن ها و ویژگی های ابعادی می-باشد که اغلب چند سطح از سطوح ابعادی را در بر گرفته اند. به طور ویژه در روش های پایه محلولی این حفظ شکل های ریز اغلب مشکل آفرین است چون کشش سطحی می تواند ساختارهای نانومتری را به سادگی صاف کند. افزون بر این ویژگی های ریز هم می تواند در زمان برداشت دمای بالای الگوی زیستی (سوزاندن) یا با حکاکی شدید از بین برود.
الزام دوم-حفظ هندسه ی چارچوب و پارامترهای شبکه- برای الگوبرداری ساختار با چارچوب های بلندبرد منظم در رنگ های ساختاری اهمیت بالایی دارند. در این مواد خواص نوری نتیجه مستقیم، هندسه ی چارچوب و پارامترهای شبکه ی آن هستند. در واقع حتی تفاوت های ساختاری بسیار کوچک در حد چند درصد می تواند تغییرات عمده ای را در رنگ و ویژگی های نوری دیگر منجر شود. برای جلوگیری از تغییرات غیر کنترل شده این خواص در این نوع ساختار زیستی، ضروری است که انحراف های ساختاری مانند جمع-شدگی چارچوب یا تورم را به حداقل برسانیم.
خواص رنگ های ساختاری به نقص ها و از دست دادن نظم بلند برد نیز بسیار حساس است. تشکیل ترک ها و خرابی موضعی چارچوب در زمان پر کردن یا برداشتن الگو می تواند کیفیت نوری ساختار الگوبرداری شده را به شدت از بین برده و منجر به از دست رفتن شدت و خلوص نور انعکاس داده شده گردد.
برای رفع این تخریب ساختاری و از دست رفتن ویژگی های ظریف نمونه های الگوبرداری شده، تنظیم دقیق فرایند الگوبرداری زیستی ضروری می باشد.
ویژگی های معمول روش های پایه ی محلولی، سادگی آن ها است. هر چند که آن ها به طور عام در دقت مقیاس اتمی ساختار الگوبرداری شده در مقایسه با روش های تبخیر و لایه نشانی ضعف دارند، اما سرعت آن، ارزان بودن و قابلیت اعمال در سطح بالا، این ضعف را جبران کرده اند. در حالی که دقت مقیاس اتمی و قابلیت باز تولید در ابزارهای الکترونیکی و نیمه رسانا اهمیت بالایی دارند، برای بیش تر کاربردهایی که ساختارهای سطحی الگوبرداری شده زیستی و چارچوب های سه بعدی مطلوب هستند، دقت و قابلیت بازتولید به دست آمده با روش های الگوبرداری پایه ی محلولی کفایت می کند. این کاربردها شامل حوزه-هایی از نور و الکترونیک نوری، کاتالیست، جداسازی و جذب، یا به عنوان داربست هایی در الکترود باتری ها، جذب انرژی و مهندسی بافت است. افزون بر این روش های پایه ی محلولی به ساختارهای قابل دسترس متنوع از مهرهای توخالی تا الگوهای جامد الگوی اصلی با یک چارچوب منفی یا مثبت (مهر اصل) بسط پیدا کرده اند.
فرایند الگوبرداری محلولی هزاران سال است که شناخته شده و برای الگوبرداری از خیلی از ساختارهای مصنوعی و طبیعی با ابعادی که از نانومتر تا چندین متر تغییر می کند مورد استفاده قرار گرفته است.
در تکنیک های الگوبرداری بر پایه ی محلولی از ساختارهای زیستی مثل چوب، استخوان، فلس حشرات، پرها، و حیوانات دریایی به عنوان الگوی اولیه استفاده کرده اند. انگیزه استفاده از الگوهای زیستی، تنوع گسترده ای از ساختارهای پیچیده است که در طبیعت یافت می شوند. برخی از این ساختارها، مانند سلسله مراتب پیچیده آغازیان و اسفنج های دریایی یا شبکه های کریستال های فوتونیک سه بعدی بال های خاص پروانه و فلس های شپش ها، در دامنه ی قابلیت های سنتزی ما وجود دارد. بنابراین این مواد پیچیده می توانند به سبد ساختارهای مصنوعی موجود ما خواص جذابی را اضافه کنند.
مشکل اصلی در استفاده از الگوبرداری این است که برخلاف شبکه های تولید شده مصنوعی که به راحتی قابل دسترس هستند، آن ها در بیشتر موارد خودشان را نگه نمی دارند. این اشکال به مراحل پیش پرسازی اولیه مانند برداشتن اجزای مطلوب از ارگانیسم با ترک دادن، صاف کردن، یا بریدن برای فراهم کردن دسترسی به چارچوب های ساختاری محبوس نیاز دارد. افزون بر این بسیاری از ساختارهای زیستی لایه های محافظ نازکی روی سطح خود دارند. اغلب این لایه ها از مولکول های واکسی و آبگریز برای ممانعت از تر شدن سطح با آب و یا وارد شدن آب به فضای حفره های داخلی ساختار تشکیل شده اند. چون الگوبرداری زیستی بر پایه محلولی اغلب از حلال های آبدوست مانند آب و الکل استفاده می کند و پر کردن فضاهای داخلی حفره ها بر اساس نیروهای مویینگی است، این لایه های محافظ باید با عملیات شیمیایی با حلال های آلی یا اسیدها برداشته شوند. زمانی که این گام های پیش فرایندی کامل شد و ساختار زیستی مطلوب قابل دسترس بود یک الگوی زیستی معین آماده پر شدن با یک محلول حاوی پیش ماده است.
در اصل هر روشی که برای کپی برداری الگوهای مصنوعی استفاده شده است می تواند برای ساختارهای زیستی استفاده شود. این روش ها شامل سُل های نانوذرات کلوییدی، ریخته گری نمک های مذاب یا فوق اشباع، الکتروشیمی، تکنیک های پلیمریزاسیون نمونه مونومرهای آلی و شیمی سل-ژل مولکولی هستند.
سُل نانوذرات کلوییدی معمول محلول های یا سوسپانسیون های آبی یا الکلی می باشد که از نانوذرات اکسیدی با اندازه هایی در محدوده ی چند نانومتر تا ده ها نانومتر تشکیل شده است. یکی از پارامترهای مهم این تکنیک فشردگی سل نانوذرات است. از یک سو این فشردگی می بایست به قدری بالا باشد که بتواند یک چارچوب جامد فشرده را بعد از تبخیر حلال ایجاد کند که هر چه فشردگی نانوذرات کمتر شود تخلخل نانومتری بیشتر خواهد بود. از سوی دیگر فشردگی بالای نانوذرات می تواند تعاملات ذرات با ذرات را بالا ببرد و به افزایش ویسکوزیته محلول منجر شود. چون نیروهای مویینگی روی پرشدگی الگو تاثیرگذار هستند، افزایش ویسکوزیته محلول می تواند به طور چشم گیری درجه پرشدگی را کاهش دهد که به کیفیت پایین مهر منجر می شود. فشردگی بهینه نانوذرات به نوع ذره و شیمی سطح آن ارتباط دارد اما مقادیر معمول در محدوده ی میکرو تا میلیمتر قرار دارند. بعد از پر کردن و تبخیر حلال، نانوذرات یک شبکه متصل به هم ضعیف را با تعامل گروه های هیدروکسیل سطحی ایجاد می کنند. این شبکه می تواند باز هم متراکم تر و با عملیات حرارتی سخت شود و یک ساختار باثبات بر پایه ی نانوذرات را ایجاد کند که با پیوندهای اکسیدی بین ذره ای به هم متصل شده اند.
رویکرد متفاوت دیگر برای خلق الگوهای غیرآلی، پر کردن ساختارهای الگو با محلول های نمکی مذاب یا فوق اشباع است. برای مثال محلول های فوق اشباع نمک هایی چون کلرید سدیم در آب، برای پر کردن الگوهای پلیمری استفاده می شوند. بعد از تبخیر حلال؛ به جای ماندن ماده ی حل شده، و برداشت حرارتی الگو، یک الگوی معکوس از ساختار اصلی شامل نمک سنگی به دست می آید. به طور مشابه قند نیشکر (ساکاروز) می تواند به ساختار آغازیان نفوذ کند، این ساکاروز در ادامه کربنیزه می شود و بعد از انحلال آغازیان، یک الگوی معکوس به دست می آید.
لایه نشانی الکتروشیمیایی، روش جالبی برای الگوبرداری از ساختار الگوی شبکه ی باز به فلزات است. نفوذ فلز با یک دستگاه سلول الکتروشیمیایی مرسوم به دست می آید که الکترود الگو در یک محلول الکترولیت حاوی نمک فلز مطلوب فرو می رود و کنار آن یک الکترود مخالف و مرجع قرار می گیرد. بااین حال این تکنیک به سختی روی الگوهای زیستی قابل پیاده سازی است. چون به الگویی نیاز دارد که روی یک الکترود هادی بنشیند یا شکل بگیرد. این روش با موفقیت برای الگوهای اپل اعمال شده است. مزیت این روش این است که لایه نشانی فلز در سطح هدایت کننده شروع می شود و هر چه زمان لایه نشانی بیشتر می-شود، به مرور و در یک جهت فضای حفره ی الگو را پر می کند. با کنترل زمان لایه نشانی و جریان اعمال شده در زمان فرایند لایه نشانی، این امکان وجود دارد که به طور دقیق درجه ی پرکردن فلزات درون الگو تعیین گردد.
گزینه دیگر برای خلق مهرهای غیرآلی، پر کردن الگو با یک مونومر آلی یا محلول های پیش پلیمری می باشد. در حضور ترکیبات آغاز کننده پلیمریزاسیون، نمونه های پیش ماده در معرض نور ماوراء بنفش UV یا حرارت، شروع به شبکه سازی می کنند و یک الگوی منفی پلیمری را از ساختار اولیه می سازند. پلیمرهای معمول که با این روش استفاده شده اند پر فلوئورو پلی اتر (PFPE)، پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS)، پلی متیل-متاکریلات (PMMA) و رزین های اپوکسی بوده اند. این تکنیک به طور وسیعی در قالب گیری الگو استفاده شده است که یک روش چاپ نرم برای الگوبرداری از ساختارهای دوبعدی مانند برجستگی های سطح برگ ها، بال ها و چشم ها است.
منابع:
کد:
1. M. Srinivasarao, Nano-optics in the biological world: beetles, butterflies, birds, and moths, Chem Rev 99 (1999), 1935–1961.
2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291
3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.
4. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.
5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
6. P. Vukusic and J.R. Sambles, Photonic structures in biology, Nature 424 (2003), 852–855.
7. M.D. Shawkey, N.I. Morehouse, and P. Vukusic, A protean palette: colour materials and mixing in birds and butterflies, J R Soc Interf 6 (2009), S221–S231.
8. S. Kinoshita, S. Yoshioka, and J. Miyazaki, Physics of structural colors, Rep Prog Phys 71 (2008), 76401–76500.
9. O. Paris, I. Burgert, and P. Fratzl, Biomimetics and biotemplating of natural materials, MRS Bull 35 (2010), 219–225.
[COLOR=#3C3D35][FONT=nassim][SIZE=4]
[/SIZE][/FONT][/COLOR]