فیلم های پلیمری نازك با ساختار نانو

[P O U R I A]

[SUB]​[/SUB]یكی از ویژگیهای شاخص یك پوشش، ساختار سطح آن پوشش است. اخیراً، درك ما از ماهیت ساختار سطح در مقیاس نانو گسترش یافته است. پدیده خودچینش پلیمرها (self-assembly polymer) امكان ایجاد ساختارهای نانو با هزینه كم را فراهم كرده است. این ویژگی د رمواردی مثل محافظت از كارت های تجاری و بانكی و همچنین در تولید غشاهای متخلخل نانو كه در رشته های پزشكی و زیستلوژی استفاده میشوند، كاربرد دارد.
یكی از عوامل مهم در تعریف ویژگی های یك پوشش، ساختار سطح آن پوشش است. با اینكه نگاه به ابعاد سطح در حد 10 یا بیشتر از 10 میكرون نگاه جدیدی نیست، اخیرا درك ما درمورد اهمیت ساختارهای نانوی سطح به طور چشمگیری افزایش یافته است. ویژگیهای سایشی سطح (tribological) و خاصیت ترشوندگی، قابلیت جذب زیست ملكولها و یا حتی سلول ها، و نیز ظاهر نوری و ویژگیهای لمسی به شدت تحت تاثیر مكان نگاری (topography) سطح در مقیاس نانو قرار می گیرند. كنترل این ویژگی ها و در نتیجه كنترل ساختار نانوی سطح، اهمیت زیادی برای بهینه كردن كاربردهای امروزی پوشش های پیشرفته دارد.
امروزه، شناخت پدیدۀ خودچینش پلیمرها امكان ایجاد ساختارهای سطوح در مقیاس های مختلف را فراهم كرده است. ساختارهای سطوح با مقیاس نانو بدون روش های لیتوگرافی (حكاكی) گران قیمت ( مانند روش های تولید مدارهای مجتمع در صنعت میكروالكترونیك) نیز قابل دسترسی هستند. هزینۀ این روش ها برای بسیاری از كاربردهای پوششی مقرون به صرفه نیستند، اما از لحاظ كیفیت، برای رسیدن به اثرات مطلوب، كنترل كافی بر روی ساختار سطح دارند. در این مقاله مثال های كاربردی از خودچینش پلیمرها كه با راه حل های ارزان در محیط صنعتی امروز به كار می روند، شرح داده میشود.


چینش خود به خود ملكولی
خودچینشی، قرار گرفتن خود به خود ملكولها د ربهترین ساختار تعریف شده است كه اغلب با برهم كنش ضعیفی در مقایسه با اندازۀ ملكول و با انرژی گرمایی محدود صورت می گیرد. به طور خاص، خودچینشی ملكولی قادر به ایجاد ساختارهایی در مقیاس نانو است و تغییر جالبی برای كم كردن هزینه روش های گران لیتوگرافی ارائه می دهد. این روش ها اغلب به روش پایین به بالا (bottom-up) اشاره دارند، زیرا ساختارهایی از بلوك های اولیه ایجاد می كنند. این روش در مقابل روش بالا به پایین (top-down) كه به ماشین اجازه می دهد از تكۀ بزرگتری شروع كند، قرار می گیرد (مانند قسمتی از فلز كه در دستگاه تراش ساخته میشود).
روش چینش خود به خود پلیمری، بسته به نوع موادی كه برای شروع انتخاب میشوند، در مقیاس میكرون و نانو انجام میشود. در تهیه پلیمرها، پلیمر به صورت ذراتی با اندازۀ 1 میكرون تا 10 میكرون از حلال جدا میشود. اندازه این ذرات وابسته به نوع پلیمر متفاوت خواهد بود و میتوان با انتخاب یك حلال خاص ذراتی از دو نوع پلیمر را به طور برجسته تر؟ از حلال جدا كرد.
به طور مشابه میتوان ذراتی با اندازه 100 نانومتر از محلول بدست آورد. این فرآیند اغلب به جداسازی میكروفاز كوپلیمر اشاره دارد. نمونه های نهایی گسترۀ كوچكی از نظم را نشان می دهند. به طوری كه در مخلوط كردن دو پلیمر نمونه ها به صورت تصادفی هستند، یعنی چینش دقیق ایجاد نمیشود. با این وجود گسترۀ وسیعی از نظم با پیش نمونه های اولیه و در جهت چینش پلیمررسوب داده شده، صورت می گیرد.


منبع: مجله بسپار
برگردان: مهندس علیرضا قرمز چشمه

 

[P O U R I A]

كاربردها:
كنترل ساختار سطح در مقیاس نانو این امكان را به كاربردهای جدید می دهد تا نسبت به پوشش های متداول امكانات بیشتری فراهم آورند. در مورد روش خود چینش پلیمر ها، انتخاب مواد اولیه و نیز پارامترهای پوشش دهی این اجازه را می دهند تا اندازه و كاربرد ساختار نانوی پلیمر نهایی را مشخص كرد. این مشخصات را می توان با دامنه ی وسیعی از ابعاد و دامنه ی متنوعی از گروه های شیمیایی انتهایی بر حسب تقاضا تنظیم كرد.این ساختار به صورت تصادفی است ولی می توان با انتخاب دقیق مواد اولیه و پارامترهای پوشش دهی، ویژگی های آنها را از پیش تعریف كرد. به عنوان مثال این كاربرد در انگشت نگاری می تواند در آینده برای تولید برچسب های شناسایی و امنیتی مورد استفاده قرار گیرد.
اگر یكی از لایه های پلیمری توسط یك حلال انتخابی از سطح زدوده شود، این فیلم های پلیمری می توانند به صورت متخلخل درآیند. این عمل این اجازه را به كاربردهای پوششی كه برداشت سریع یك مایع یا جوهر مورد نظر است را می دهد.

با اینكه همه ی ویژگی های ساختاری از این روش قابل كنترل هستند ولی ساختار جزیی به طور ذاتی تصادفی باقی می ماند.بنابراین، از این ساختارها می توان به عنوان ویژگی امنیتی برای محافظت از كارت های بانكی و تجارتی بهره جست. شبیه ویژگی های انگشت نگاری ، برخی ویژگی های كلیدی برای ساختارهای پلیمری تعریف می شود ، كه می توانند بعد به یك دسته ی خاص از ساختار نانو نسبت داده شوند. به عنوان كاربردی در بازار های دیگر می توان به شناسایی در بخش های هنری و تجملاتی ، علاوه بر كارتهای تجاری اشاره كرد كه اخیراً مورد مطالعه قرار گرفته اند. این سطوح از نظر قیمت ارزان و قابل تغییر هستند . روشهای استاندارد مختلف مثل غوطه وری، اسپری كردن و پوشانش دورانی (spin coating ) برای اعمال این پو ششها بكار می روند . به راحتی می توان برخی از این روش ها را برای پوشش دادن سطوح بزرگ به كار برد. یكی از مزایای اصلی این روش ها ، امكان اعمال بر روی زیرآیندهای 3 بعدی است. برای مثال از این روش ها می توان برای پوشش دادن حفره ها و یا سطوح داخلی قطعات تو خالی استفاده كرد .

بسیاری از تقاضاها در این مورد مقاومت در برابر برخوردهای محیطی است. در مورد ساختارهای پلیمری رسیدن به ماده ای با مقاومت در برابر خراش مشكل است. یك راه حل برای رفع این مشكل جایگزین كردن ماده ای دیگر كه مقاومت بیشتری در برابر خراش دارد به جای ساختار پلیمری است. این كار را می توان با تیزاب كاری شیمیایی توسط یك لایه مناسب انجام داد ، به طوری كه ساختار پلیمری به عنوان یك لایه عمل كند.
با این كار ساختار به صورت ماده ای سخت در می آید . عمق ساختار 4 میكرون است. سطح نهایی هم می تواند به همان صورت كه هست استفاده شود و هم می تواند به عنوان ابزار اصلی برای جور كردن ساختار سطح به كار رود، مثل پوشاندن آن بر روی یك پلاستیك .

مورد دوم مسیر جالبی را برای تولید انبوه ساختارهای نانو باز می كند. برای مثال می توان به استفاده از این فن آوری برای كاربرد هایی مثل پلاستیك های جدید برای كشت سلول یا مهندسی بافت اشاره كرد.ایجاد الگوهای سطح در مقیاس نانو نسبت به مقیاس میكرون ترجیح داده می شود. دسته ی دیگری از پلیمرها برای چینش خود به خود به كار می روند.
كوپلیمرهای بلاك (block ) از دو یا بیشتر از دو پلیمر كه به یكدیگر متصل شده اند ساخته می شوند، كه این كوپلیمرها به وسیله یك فرآیند به نام جداسازی میكروفاز ایجاد می شوند . در اینجا ابعاد نمونه همان ملكول های پلیمری منحصر به فرد هستند كه به پلیمرهایی كه در مقیاس میكرون هستند و در بالا شرح داده شده اند ترجیح داده می شوند . متعاقباً، جرم ملكولی پلیمر تشكیل شده یا طول زنجیرهای آن روی هندسه ی ساختار نانوی پلیمر تاثیر می گذارد و گروه های عاملی ویژگی های شیمیایی سطح را مشخص می كند.
در اینجا ساختار یك سطح خود چیده از كو پلیمر پلی استایرن- پلی اكریلیك اسید به عنوان یك ماسك برای یون واكنش پذیر استفاده شده است. هسته های مایسلی ایجاد شده از پلی اكریلیك اسید با قطری حدود 30 نانومتر مقاومت در برابر حكاكی كردن (ایجاد خلل و فرج روی سطح) بالاتری نسبت به فاز پیوسته ی پلی استایرن دارد. در نتیجه پلی اكریلیك اسید از مواد زیرین در برابر (حكاكی ing) محافظت می كند و یك ساختار ستونی نانو ، مشابه با بعد عرضی ساختار پلی اكریلیك اسید تشكیل می شود.
عمق ساختار (یا به طور معادل بلندای ستون ها) می تواند با تنظیم زمان( حكاكی ing) تغییر كند.

در این روش ساختار بدست آمده نه تنها از نظر مكانیكی از فیلم پلیمری سخت تر است، بلكه می تواند ویژگی های سه بعدی مشخصی نیز داشته باشد این ساختارها اغلب ویژگی تر كنندگی متمایزی از خود نشان می دهند كه می تواند از آب گریز به ابرآبگریز تنظیم شود. علاوه بر این اگر به ساختار عامل پرفلوئوروسیلان اضافه شود این تاثیر تقویت می شود.
كاربرد هایی برای سطوح خود تمیز شونده نیز وجود دارد.برای مثال تماس زاویه ای بزرگ آب، ویژگی ابر آب گریزی سطح ستون نانو را ثابت می كند كه باعث دفع كنندگی آب و خود تمییز شوندگی می شود.

اما الگوی توپوگرافی توسط خود چینشی فقط یك جنبه است. تنوع گسترده ی پلیمرهای موجود امكان انتخاب این پلیمر ها را برای فرایند خود چینش فراهم می كند و وجود گروههای عاملی مختلف در این پلیمرها منجر به رسیدن به هدف مطلوب می شوند.ساختار سطح نهایی یك الگوی شیمیایی در مقیاس نانو است كه دریچه ای به كاربردهای بی شمار دیگر باز می كند. به علاوه، این امكان وجود دارد كه با استفاده از یك حلال كه به طور انتخابی نسبت به مایسل عمل می كند ساختار مایسل را وارونه كرده و منجر به ایجاد مایسل های متورم می شود . ساختار بدست آمده می تواند دوباره به عنوان یك ماسك حكاكی برای ساخت ویژگی های وارونه در مواد سخت به كار رود، یعنی حفره های نانویی به جای ستونهای نانویی.
با پیروی از این رویكرد ، می توان غشاهای متخلخل بر پایه سیلیكون را كه قطری بین 35 تا 80 نانومتر دارند را تولید كرد.ضخامت غشاها بین 100 تا 300 نانومتر است و تركیب سیلیكون ساختار را برای ضمانت پایداری مكانیكی و امكان دستكاری و یكپارچه كردن برای ابزارهای میكروسكوپی، تقویت می كند. در خواست های بسیاری ارایه و مورد ارزیابی قرار می گیرند كه شامل خالص سازی زیست ملكول ها و اولترافیلتراسیون تابشی جزیی است . یكی از چالش های فنی دستیابی به توزیع باریكی از اندازه روزنه های غشا، به منظور رسیدن به فیلتر كردن انتخابی و بهبود خواص مكانیكی غشا است . تعمیم این فرآیند برای غشاهای نانوی متخلخل فلزی و برای كاربرد های پلاسمونیك تحت بررسی است.

در بعضضی از كاربردهای زیست شناسی غشاهای متخلخل، سازگاری زیستی و تجزیه پذیری زیستی مواد غشا یك موضوع مهم است . برخی غشاهای نانوی متخلخل برای فیلتر كردن و كاربردهای حسگری جالب هستند ، به طور خاص چون حفره ها به آسانی می توانند به طور شیمیایی عامل دار شوند ، این امكان وجود دارد كه ویژگی های فیلتر كردن آنها در نظر گرفته شود.
كاربردهای دیگر سطوح با ساختارنانو را می توان در اصلاح سلولی زیرآیند ها یافت. رفتار سلول ها روی سطح فقط از روی شیمی سطح مشخص نمی شود ، بلكه به ساختار نانو و یا میكرو سطح نیز مرتبط است.درك بهتر از مكانیزم مطرح شده امكان اصلاح طراحی سطح كاشت را برای آماده كردن زیرآیند برای مهندسی بافت و طراحی بهتر مواد باند پیچی برای بهبود معالجه زخم فراهم می كند.