علم سرامیک

سرامیک انعطاف پذیر 18مارس 2002- محققان دانشگاه كُرنل با استفاده از نانوشيمي، يك گروه جديد از مواد تركيبيي را توليد كرده و به نام سراميكهاي انعطاف‌پذير نامگذاري كرده‌اند. مواد جديد، كاربردهاي گسترده‌اي، از قطعات ميكروالكترونيكي گرفته تا جداسازي مولكولهاي بزرگ، مانند پروتئينها خواهند داشت. آنچه در اين زمينه، حتي براي خود محققان، بيشتر جلب توجه مي‌كند آن است كه ساختمان مولكولي مادة جديد در زير ميكروسكوپ الكتروني (TEM) كه به صورت ساختمان مكعبي است، با پيشگوييهاي رياضي قرن گذشته مطابقت مي‌كند. اولريش ويسنر، استاد علوم و مهندسي مواد دانشگاه كُرنل، مي‌گويد: "ما اكنون در تحقيقات پليمري به ساختمانهايي برخورد مي‌كنيم كه رياضيدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوري اثبات كرده‌اند." ساختمان مادة جديد، خيلي پيچيده‌تر از آن ماده‌ا‌ي است كه"Plumber’s nightmare" ناميده شده‌است. ويسنر در گردهمايي سالانة جامعة فيزيك آمريكا در مركز گردهمايي اينديانا، در مورد سراميكهاي انعطاف‌پذير جديد، ‌گفت: "رفتار فازي كوپليمر، موجب جهت دهي تركيبهاي نانوساختاري آلي/معدني مي‌شود." به عقيدة وي، اين ماده يك زمينة تحقيقاتي مهيج و ضروري است كه نتايج علمي و تكنولوژيكي بسيار هنگفتي از آن بدست مي‌آيد. گروه تحقيقاتي ويسنر از طريق شكلهاي كاملاً هندسي كه در طبيعت يافت مي‌شوند، به طرف نانوشيمي هدايت شد. يك مثال كاملاً مشهود براي ساختار ظريف دو اتميها، جلبك تك‌سلولي است كه ديواره‌هاي پوستة آن از حفره‌هاي سيليكاتي كاملاً جانشين‌شده[9] ساخته شده‌است. ويسنر مي‌گويد: "كليد طبيعي اين جانشيني، كنترل كامل شكل آنها از طريق خود ساماني تركيبات آلي، در جهت رشد مواد غيرآلي (معدني) است." محققان دانشگاه كُرنل تصديق كرده‌اند كه ساده‌ترين راه تقليد از طبيعت، استفاده از پليمرهاي آلي -‌مخصوصاً موادي موسوم به كوپليمرهاي دي‌بلاك[10]– است؛ زيرا اين مواد مي‌توانند به‌طور شيميايي به صورت نانوساختارهاي با اَشكال هندسي مختلف ساماندهي شوند. اگر پليمر بتواند به طريقي با مواد غيرآلي (معدني) -‌يك سراميك، خصوصاً يك ماده از نوع سيليكاتي- ذوب شود، مادة تركيبي حاصل، تركيبي از خواص زير را خواهد داشت: ü انعطاف‌پذيري و كنترل ساختار (از پليمر) ü عملكرد بالا (از سراميك). ويسنر مي‌گويد: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پليمرها و سراميك نبوده، حتي ممكن است اين مواد خواص كاملاً جديدي نيز داشته ‌باشند." محققان دانشگاه كُرنل تاكنون فقط تكه‌هاي كوچكي از سراميك انعطاف‌پذير، با وزن چند گرم ساخته‌اند كه البته براي آزمايش خواص مواد، كافي است. مادة حاصل، شفاف و قابل خم‌كردن است، در عين حال مقاومت قابل توجهي داشته و بر خلاف سراميك خالص خُرد نمي‌شود. دربعضي موارد، اين ماده، يك هادي يوني بوده و قابليت كاربرد به صورت الكتروليت‌ باتريهاي با كارآيي بالا را دارد. همچنين مادة جديد ممكن است در پيلهاي سوختي بكار برود. در بعضـي مـوارد هندسـة 6 وجهـي مـاده-كه از طريـق جفت‌شـدن حاصـل مي‌شـود -بسيار بـه ساختـار دو اتميها شبيـه است. در عـوض ويسـنرمي‌گويد: "با دستيابي به اين ساختار مولكولي تقريباً مي‌توان گفت كه به طبيعت كامل‌شده‌ا‌ي دست يافته‌ايم." ساختار متخلخل سراميكهاي انعطاف‌پذير وقتي شكل مي‌گيرد كه ماده در دماهاي بالا عمليات حرارتي شود. به عقيدة ويسز، اين در حقيقت اولين ماده با چنين هندسه و توزيع كم اندازة حفره‌هاست. چون ماده فقط حفره‌هاي 20-10 نانومتري دارد. محققين دانشگاه كُرنل، در تلاشند تا دريابند كه "آيا اين مواد مي‌توانند براي جداسازي پروتئينهاي زنده استفاده شوند؟" ويسنرعقيده دارد كه به‌خاطر قابليت خود ساماندهي اين مواد، مي‌توان آنها را به صورت ناپيوسته و در مقياس زياد توليد كرد. او مي‌گويد: "ما مي‌توانيم ساختار را كاملاً كنترل كنيم. ما مي‌توانيم با كنترل خيلي خوبي اين ماده را به مقياس نانو برسانيم. ما حالا مي‌دانيم كه چگونه مجموعه‌ا‌ي از ساختارهاي با شكل و اندازه حفره‌هاي يكسان، بسازيم." محققان دانشگاه كُرنل اين عمل را با كنترل "فازها" و يا با معماري مولكولي ماده بوسيلة كنترل‌كردن مخلوطي از پليمر و سراميك انجام مي‌دهند. ماده از چند مرحلة انتقالي عبور مي‌كند؛ از مكعبي به 6 وجهي و سپس به ‌نازك و مسطح و بعد به 6 وجهي وارونه و مكعبي وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة 6 وجهي وارونه، به صورت ساختمان مكعبي دوگانه موسوم به Plamber’s nightmare مي‌باشد كه قبلاً در سيستمهاي پليمري يافت نشده‌بود. اين ساختمان اولين ساختار با چنين قابليت انطباق بالايي است كه بوسيلة تركيب خاصي از پليمرها و سراميكها توليد مي‌شود. ويسنرمي‌گويد: "اين شانس وجود دارد كه ما به مجموعه‌ا‌ي از ساختارهاي دوگانة ديگر كه در پليمرها وجود دارد و ديگران چيزي در مورد آنها نمي‌دانند، دست پيدا كنيم. ما راه را براي يافتن هرچه بيشتر چنين ساختارهايي باز كرده‌ايم." اين تحقيقات بوسيلة بنياد ملي علوم، انجمن ماكس-پلانك و مركز تحقيقات مواد دانشگاه كُرنل، پشتيباني شده‌است. منبع: www. cornel. edu نانوذرات هيدروژل نرم 8 آوريل 2002- محققان مؤسسه فناوري جورجيا، خانواده‌اي از نانوذرات با پايه هيدروژل را بوجود آورده‌اند كه مي‌توانند براي تشكيل كريستالهاي فوتوني مورد استفاده قرار گيرند. مي‌توان ويژگيهاي نوري اين كريستالها را بوسيله تنظيم مقدار ذرات موجود در آب -توسط حرارت- دقيقاً تنظيم كرد. اين ذرات كروي يكدست و نرم مي‌توانند مبنايي براي "سيال فوتوني" باشند ؛ اين سيال را مي‌توان به منظور تشكيل ساختارهاي خودسامان كه طول موجهاي ويژه‌اي از نور را از خود عبورمي‌دهند، مورد استفاده قرار داد. موارد كاربرد اين ساختارها عبارتند از: سوئيچهاي نوري، ارتباطات راه دور، روشهاي جديد تشخيص بيماري با استفاده از ذرات حساس به مولكولهاي زيستي. آندرليون، استاديار شيمي و بيوشيمي اين موسسه گفت: " ما روش بسيار ابتدايي و ساده‌اي براي بدست آوردن يك نوع ذره و توليد انواع مواد نوري از آن داريم و ديگر لازم نيست كه براي هر ماده نوري، يك ذرة جديد تهيه كنيم. ما محلولي پليمري داريم كه مي‌تواند به روشهاي معمولي مانند لايه‌نشاني چرخشي، قالبگيري و ريخته‌گري تهيه شود كه اين روشهاي معمولي را نمي‌توان براي انواع ديگر مواد فوتوني كلوئيدي بكار برد." ليون و همكارانش تقريباً صد نوع مختلف از ذرات هيدروژل با قطرهايي حدود 50 نانومتر تا 2 ميكرون را ساخته‌اند. دماي كريستــاله شدن ذرات در طــي فرآيند تشكيــل، بطــور شيميايي در محدوده °C60-10كنترل مي‌شود. اين نانوذرات ازاتصال پلي-ان-ايزوپروپيل اكريل‌آميد (pNIPAm) با متيلنبيس (اكريل‌آميد) (BIS) حاصل مي‌شوند. پس از رسوب پليمر در محلول، ذرات با يك فرآيند گريز از مركز ساده از آب جدا مي‌شوند. نتيجه كار، ماده ژلاتيني شفافي است كه آبي كمرنگ، سبز يا قرمز بوده و گرانروي[11] آن بيشتر از عسل است. به منظور دستيابي به ويژگيهاي نوري مطلوب و دلخواه براي ماده ژلاتيني، بايد آن را تا بالاتر از دماي تغيير فاز ذرات سازنده هيدروژل گرم كرد. در اين حالت، كريستالهاي فوتوني نظم خود را از دست داده و مقداري از آب نانوذرات كاسته مي‌شود. پس از دفع مقدار كمي از آب، اين امكان به ذرات داده مي‌شود كه خنك‌شده، دوباره آب جذب كرده و دوباره كريستاليزه شوند. اين سيكل گرمايي موجب مي‌شودكه ذرات هيدروژل نرم، آرايش شش‌وجهي سه‌بعدي پيدا كرده و ساختاري دي‌الكتريك تناوبي بيابند. -كه براي ويژگيهاي نوري لازم است.- مرحله گرم كردن و دوباره سرد كردن[12] حدوداً 15 مرتبه تكرار مي‌شود تا ساختار كريستالي با ويژگيهاي نوري دلخواه بدست آيد. محققين بوسيله كنترل هيدراته شدن ذرات، مي‌توانند رنگ مواد را تحت كنترل بگيرند. بنا به اظهارات دكتر ليون، آنها كنترل خيلي خوبي در هر دو زمينه دامنه انتقال و دقت فرآيند داشته و توان طراحي رنگ مواد را دارند. در دماي بالاتر از دماي تغيير فاز، مواد سريعاً به حالت مايع در‌آمده و مي‌توان آنها را با استفاده از روشهاي استاندارد تهيه پليمر، بر روي سطوح پخش كرده و شكل‌دهي كرد. با آنكه ممكن است امكان كاربرد عملي اين ذرات تا چندين سال ديگر طول بكشد، اما محققين موارد استفاده‌اي را در صنعت ارتباطات پيش‌بيني مي‌كنند؛ بدين ترتيب كه كريستالهاي فوتوني با قابليت تنظيم دقيق مي‌توانند به منظور استخراج اطلاعات ضبط شده بر روي فيبرهاي نوري در طول موجهاي ويژه، مورد استفاده قرار گيرند. فرستادن سيگنالهاي كددار در طول موجهاي مختلف اين امكان را به فيبرها مي‌دهد كه طي فرآيندي موسوم به multiplexing حجم زيادي از اطلاعات را انتقال دهند. كريستالهاي قابل تنظيم كه از طريق فرآيند جورجيا تهيه مي‌شوند فقط محدوده باريكي از طول موجها را از خود عبور داده وامكان بازيافت جريانهاي خاصي از اطلاعات را از فيبرهاي نوري فراهم ‌كنند. بعلاوه، اين گروه در مواردي كه نانوذرات به دما حساس باشند، ذراتي ساخته‌اند كه انتقال فاز در آنها براساس حساسيت به ميزان PH و حضور يونهاي فلزي صورت مي‌گيرد. آنها همچنين مشغول كار بر روي ذراتي هستندكه به پروتئينهاي خاص يا ديگر مولكولهاي زيستي حساسيت نشان مي‌دهند؛ و اين مي‌تواند در علم پزشكي براي پي بردن به علائم بيماري و تشخيص آنها مفيد واقع شود. با اين وجود هنوز كارهاي زيادي باقي‌مانده كه بايد بر روي مواد مورد بحث انجام شود. ليون معتقد است كه مي‌توان نوعي نانوپودر به همان روش تهيه كريستالها توليد كرد كه قادر به انعكاس طول موجهاي ويژه‌اي باشد. به عقيدة وي، اين مواد به علت خودسامان بودن، پايداري ترموديناميكي زيادي دارند؛ بنابراين خواص نوري اين ذرات حاصل آرايش خاص ترموديناميكي آنهاست و اين، امكان توليد موادي با ماهيت بسيار پايدار را به ما مي‌دهد. سرعت توليد، پايداري و تكرار‌پذيري اين فرآيند از جمله مزاياي آن به شمار مي‌رود. سرمايه مالي اين تحقيق توسط شركت تحقيقاتي فناوري جورجيا تأمين شده است. مقاله‌اي نيز در اين زمينه جهت درج در مجله "Advanced Materials" پذيرفته شده و نتيجه كارهاي قبلي در شماره 13 ژولاي 2000 مجله "Physical Chemistry" به چاپ رسيده است