بسم رب المهدي
ماکرو - میکرو - نانو ساختار
ماکرو - میکرو - نانو ساختار
شکل یک جسم، وظیفه و عملکرد آن را منعکس می کند. چنانچه تفاوت شکل یک ظرف با شکل یک تیغه منجر به تفاوت در کارایی و کاربرد این دو می شود. چیزی که باعث تفاوت در رفتار این دو ماده می شود ساختاری است که با چشم قابل مشاهده است. به چنبن ساختاری ماکروساختار اطلاق می شود. هر ظرف ممکن است متخلخل باشد یا لعاب داشته باشد. این تخلخل مربوط به مقیاس ماکرو است.
شکل1-ساختار ماکرومتری
ماده خواص دیگری هم در ابعاد حجیم دارد که بسیاری از آنها قابل اندازه گیری هستند اما مشاهده نمی شوند. این خواص در محدوده ساختاری به نام میکرو ایجاد می شوند. میکروساختار در مقیاسی بین میلیمتر و میکرومتر قرار دارد. شکل زیر مربوط به یک شبیه سازی از ابعاد میکروساختار ماده است. 
شکل2-میکروساختار
اما ابعاد میکرومتری انتهای کار نیستند و ابعاد بنیادی تر و ریزتری هم وجود دارد. در حال حاضر تراشه های جدید در مقیاس خیلی کمتری نسبت به میکرومتر طراحی می شوند. در ابعاد زیر میکرومتری با سساختارهای متشکل از صدها و هزاران اتم روبروو هستیم که نانوساختار ماده شناخته می شوند. ساختاری متشکل از اتمها که به مراتب در سطحی بنیادی تری از ماکرو و میکروساختار ها قرار دارد. در نانوساختار، نوع اتمها، موقعیت و تعداد و نحوه آرایش آنها مورد توجه قرار میگیرد. 
شکل3-نانوساختار ماده
علاوه بر ساختارهای نانو تا ماکرو ساختار جداگانه ای نیز در سطح ماده ایجاد می شود که وضعیت آن کمی با داخل جسم جامد متفاوت است. اگر اتمهای متفاوتی ساختار کریستال را بسازند، سطوح بیرونی در این کریستال شامل چند نوع اتم هستند. به دلیل قطع پیوند این اتمها, سطح ماده دارای ابری از الکترونها است که در اوربیتالهای الکترونی در سطح بیرونی ماده هستند. این الکترون ها فعالیت و واکنش پذیری را زیاد خواهند کرد. سطوح خارجی، قلب بسیاری از فرایندهای شیمیایی مانند فعالیتهای کاتالیستی و خوردگی هستند که نقش مهمی در کار بسیاری از ابزارهای الکترونیکی و شیمیایی ایفا میکنند. اخیراً تلاشهای زیادی شده است که ابزارهایی نزدیک به مقیاس اتمی به اندازه¬ای کوچکتر از 10 نانومتر بسازند. این کار در محدوده کار فناوری نانو قرار می گیرد. 
شکل4-ساختار سطحی (Surface Structure)
شکل5-ساختار و مقیاس(الف)شکل یک کاسه چینی (ب) ماکروساختار کاسه شامل سطح لعاب و بدنه سرامیکی(ج)میکروساختار سرامیک شامل ذرات کریستال در یک محیط شیشه ای(د)نانوساختار سرامیک شامل چیدمان اتمها که در کریستال به صورت منظم و در بخش شیشه ای سرامیک به طور نامنظم می-باشند. (ه)ساختار سطحی شامل اتمهای مختلف مجاور سطح و اوربیتالهای الکترونی نیمه پر.
جدول1- تفکیک ساختاری و ابعاد هر کدام
شکل6- از چپ به راست: تک کریستالی(شفاف)، پلی کریستال با تخلخل کم(کمی شفاف)، پلی کریستالی با تخلخل بالا (غیر شفاف)
چنانچه اشاره شد نانوساختار یک ماده ساختار آن در مقیاس اتمی است. از نگاهی دقیق نانوذرات و نانوساختارها، ساختارهایی هستند که به اندازه کافی کوچک هستند که خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آنها، تفاوتهایی آشکارا با خصوصیات قبلی و معمولشان در حالت حجیم دارد.
در الکترونیک نوارهای پهن انرژی در مواد جامد گسسته شده و به حالت مجزا تبدیل می شود و پدیده های کوانتومی را رقم می زند. در مورد تاثیرات حرارتی، مرز تغییر در حدود kT است که k ثابت بولتزمن و تقریباً معادل [SUP]21-[/SUP]10×4 ژول است. T دما برحسب کلوین است. در مورد اثرهای نوری(اپتیک)، رفتار غیرکلاسیک وقتی مشاهده می شود که ابعاد جسم به کمتر از اندازه طول موج نور مرئی (در [SUP]7-[/SUP]10×5 متر) می رسد. برای ذراتی مانند الکترونها مقیاس در محدوده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ([SUP]8-[/SUP]10×3 متر) است. این حوزه ها که در آنها تغییرات به وضوح دیده می شود. بخشی از میکروالکترونیک و الکترونیک نوری هستند. از زمانی که ابعاد مدارهای میکروالکترونیک کاهش یافته است، نانوساختارها ظهور بیشتری کرده اند. لایه نازکی از جامد حجیم خواصی دارد که در جهت عمود مشابه خصوصیات یک تک اتم است. لایه نازکی از یک نیمه هادی که بین لایه نیمه هادی دیگری محصور شده یک چاه کوانتومی نامیده می شود. در این ساختار الکترونها محدود به دو صفحه شده اند و این دو حصار مانع حرکت الکترون در بعد سوم می شوند. لذا از دیدگاه میکروالکترونیک به چاههای کوانتومی نانوساختار دو بعدی اطلاق میشود( در آنها الکترون در دو بعد آزاد به حرکت است).
ساختارهایی که در دو بعد نانومتری هستند، سیمهای کوانتومی نامیده می شوند. در این ساختارها، جامد نیمه هادی الکترون را بین دو بعد محدود می کند. از نگاه میکروالکترونیک این سیمها هادی های تک بعدی هستند (الکترون در آنها مجاز به حرکت در یک بعد است). خوشه ای از اتمها (یک ذره نانومتری) ساختاری داردکه وابسته به خصوصیات تک تک اتم ها است. الکترونها در این ساختار در محل مشخصی از فضا محصورند. به این ساختارها نقطه کوانتومی اطلاق می شود. این ساختارها با استفاده از روشهای استاندارد صنعت نیمه هادی ها ساخته می شوند. فولرین، گرافن و نانولوله های کربنی سه ساختار با این سه وضعیت هستند.
شکل7- باکی بال، گرافیت و نانولوله، ساختارهای مختلف از کربن که در نانوساختار متفاوت هستند.
فولرینها مولکولهای کروی از اتم کربن هستند که با پیوند محکم کووالانسی به هم متصل شده اند. باکی-بال(C60 یا باک مینیسترفولرین) ساده ترین نوع فولرین است. باکی بال شبیه به توپ فوتبال است که اضلاع 5 و 6 ضلعی دارد که در گوشه همه آنها یک اتم کربن مشاهده می شود. فولرین ها خواص الکترونیکی نقاط کوانتومی را دارند. نانولوله ها نیز مثل صفحات گرافیتی می مانند که به صورت صفحه درآمده است. نانولوله ها رفتار سیمهای کوانتومی را نشان می دهند. 
شکل 8- نانوساختارهای الکترونیکی: از راست نقطه کوانتومی(0D الکترونیکی)، سیم کوانتومی(1D الکترونیکی)، چاههای کوانتومی، چاه کوانتومی(2D الکترونیکی)
در الکترونیک نوری(اپتوالکترونیک)، هدف از استفاده نور، ایفای نقش الکترون در ساختارهایی جدید برای انتقال داده است. کریستالهای فوتونیک معادل نوری ترانزیستورها هستند. این ساختارهای مصنوعی به روش مشخص و کنترل شده ای با نور رفتار می کنند.
شکل9- ساختارهای فوتونیکی- این ساختارها به ترتیب در سه جهت، دو جهت یا یک جهت قابل تناوب هستند و به آنها 2D، 3D و 1D فوتونیکی اطلاق می شود.
کریستالهای فوتونیکی آرایش متناوب اشیای دی الکتریک هستند که برای امواج الکترومغناطیسی فواصل ممنوعه ای را ایجاد می کنند. خیلی از آنها بر اساس ساختار یک کریستال فوتونیک طبیعی شکل گرفته اند. برای مثال جواهرات و سنگهای قیمتی با نام اُپَل شامل بخشهای سرامیکی کروی هستند که قطری معادل طول موج نور دارند و این باعث تلالو رنگهای مختلف از سنگ می شود. 
شکل 10- تعدادی از کریستالهای فوتونیک در خلقت
نانوساختارها در هر سطحی وجود دارند و در ساخت بسیاری از نانوساختارها می توان از موجودات طبیعت الگو گرفت. تار عنکبوت معمولی (در بین تمام عنکبوتها و انواع تار آنها) ماده ای پلیمری با خواص برجسته است که اگر خواسته باشیم خوب توصیف کنیم به مانند یک تور ماهیگیری می ماند که توان و قدرت مهار کردن یک موشک بالستیک را دارد. این خصوصیات ناشی از نانوساختار و ساختار خاص نانومتری رشته تار است که شامل نواحی کریستالی و غیر کریستالی آمیخته در هم است. بسیاری از ساخته های طبیعی نانوساختار دارند و ویژگی های خاص آنها بسیاری از دانشمندان فناوری نانو و فناوری بیو (فناوری زیستی) را به تکاپو انداخته است. چنانچه ریچارد فاینمن اشاره می کند: "طبیعت با ابزار زنده ای کار می کند که می توان از آن برای توسعه ساختارهای کوچک استفاده نمود".
تا کنون با 1400 رویکرد شناخته شده از خصوصیات و پدیده های مربوط به موجودات مختلف در خلقت کپی برداری شده است.
منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/427
