درآمدی بر مواد نانوحفره‌ای

مواد (Nanoporous Materials)نانوحفره‌ای ‌ دارای‌ حفراتی‌ ‌كوچكتر‌ ازnm ۱۰۰ هستند و مثل اكثر ‌‌‌مواد نانوساختاری‌ از مدت‌ها پیش وجود داشته‌اند. دنیای زیست‌شناسی‌ مملو از غشا‌های‌ نانوحفره‌ای‌‌ - ‌همچون‌ دیواره‌ سلو‌لها – است، ‌هر چند آنها ‌از یك‌سری‌ حفرات‌ نانومقیاس‌‌ ساده، پیچیده‌ترند. با این حال صنعت‌ نفت و ‌دیگر‌ صنایع،‌ سال‌ها‌ از مواد نانوحفره‌ای‌ ‌طبیعی‌ موسوم‌ به زئولیت‌ها به عنوان كاتالیست‌ سود جسته‌اند. در سال‌‌های ‌اخیر درك‌ ‌و توانایی‌ ما در ساخت‌‌ اقسام‌ مواد نانو‌حفره‌ای‌‌‌ پیشرفت‌ ‌كرده است.
‌برخی از كاربرد‌های جالب توجه‌ نانوحفرات‌ دارای‌ اندازه‌ مشخص، ‌توانایی‌ آنها در اجازه‌ عبور دادن به برخی مواد ‌و ممانعت ‌‌‌از بقیه، ‌یا وادار‌‌‌‌كردن مولكول‌هایی چون DNA به عبور‌ تك‌تك است، كه مثال‌های‌ آتی، آن را روشن‌‌تر خواهند كرد.كنترل‌ دقیق اندازه‌ این حفرات‌ نیز یكی از چالش‌های‌ فنی دیگر است.راه‌های‌‌ بسیاری‌ زیادی برای ساخت ‌‌‌مواد نانوحفره‌ای‌ وجود دارد؛ ‌بنابراین‌ ذكر همه آنها میسر ‌‌نبود و تنها ‌‌منتخبی از آنها برای تنویر ذهن ارائه‌ می‌شود. می‌توان به طور انتخابی‌ موادی را از یك جامد ‌استخراج‌ ‌كرده، حفراتی‌ در جای آنها ‌‌‌ایجاد نمود، یا مخلوطی‌ از پلیمر‌‌ها را با حرارت‌دهی به صورت‌ جامدات‌ نانوحفره‌ای‌ ‌‌در آورد، ‌به نحوی كه یكی از پلیمر‌ها تجزیه شده و خارج شود. از روش‌ ‌سل‌ژل‌ نیز می‌توان‌ در ساخت‌ مواد مبتنی‌ ‌‌‌بر ژل‌ سود جست؛ ‌همچون‌ آئروژل‌ها كه انتشار یك گاز‌ در یك ژل‌ به جامد‌ی بسیار سبك‌ ‌‌‌(گاهی‌‌ فقط چهار برابر سنگین‌تر از هوا) منجر می‌شود (راهكار سل ژل در دمای اتاق‌ كار می‌كند، ‌در صورتی كه ‌‌روش‌های‌ اولیه ساخت‌ ‌‌‌‌آئروژل‌ها مستلزم دما‌های بالاست).مثالی از یك پیشرفت نویدبخش جدید (در اوایل ۲۰۰۲) در راهكار‌های مخلوط آلی/ معدنی از محققان ژاپنی سرزده است. آنها از سیلیكا و بنزن ساختاری خودآرا با حفره‌هایی به اندازه ۳ تا ۵ نانومتر ایجاد كرده‌اند. مهم‌ترین خاصیت این مواد این است كه بخش درونی این حفرات، ساختاری كاملاً منظم دارند. مولكول‌های بنزن را می‌توان با افزایش گروه‌های شیمیایی، كاركردی كرد. درنتیجه بدون ازبین‌رفتن نظم حفرات،‌ می‌توان ساختار درونی آنها را به دقت در مقیاس مولكولی طراحی كرد. راهكار‌های مرسوم‌ لیتوگرافی ‌و تلفیق‌ ‌لیتوگرافی‌ نرم با(Etching) حكاكی ‌ ‌ نیز ‌می‌توانند‌ نانوحفره‌ بیافرینند‌. مثلاً ‌راهكار‌ پرتویونی‌ به خوبی حفرات بزرگ، ‌حفرات‌ كوچك را نیز ‌می‌تواند بسازد.از حدود اواسط ۲۰۰۱ گروهی از محققان در فلوریدا و سپس افرادی در فنلاند شروع به انتشار منظم یافته‌های خود در زمینه یك روش رسوبدهی ماده درون قالب حفرات چند ده نانومتری آلومینا كردند. با این فرآیند می‌توان اثرات شیمیایی خاصی را پدید آورد، اندازه حفرات را كاهش داد و حتی با حل‌كردن ماتریس اولیه، نانولوله‌هایی از مواد مختلف را ایجاد كرد.
این راهكار – كه مورد توجه گروه‌های دیگری نیز قرار گرفت- فوق‌العاده ساده و در عین حال قابل انعطاف است، می‌تواند اندازه حفرات را بادقت بالایی كنترل كند و از مواد مختلف برای دستیابی به كاركرد لازم (برای كنترل عبور مواد از حفرات) یا پدیده‌های شیمیایی و فیزیكی رخ‌دهنده در حفرات استفاده می‌نماید. این غشاها می‌توانند به نحوی گزینشی به برخی از مولكول‌ها برحسب اندازه، آبدوستی، یونیزاسیون و دیگر خواص اجازه عبور دهند. مواد محبوس‌شده درون این حفرات ممكن است رفتار متفاوتی با مواد آزاد داشته باشند؛ مثلاً خواص فلورسنت مولكول‌های خاصی در هنگام قرارگرفتن در حفرات nm۵۰ ماتریس آلومینا، ارتقاء می‌یابد. مواد ماتریس دیگری نیز استفاده شده‌اند؛ مثلاً غشا‌های پلی‌كربنات حاوی حفرات nm۱۰ با طلا و مولكول‌های آلی موسوم به تیول‌ها- كه با طلا واكنش می‌دهند- آستر شده‌اند. كنترل اسیدیته روی دو طرف این غشا امكان می‌دهد، تا با استفاده از خواص الكترواستاتیك پروتئین‌های هم‌اندازه از هم جدا شوند. یك راهكا‌ر‌ دیگر، كنترل‌ اندازه‌ حفرات در غشا‌ها در اواخر‌‌‌‌‌ ‌سال ۲۰۰۰ ‌طی یك پروژه‌ مشترك‌ بین آزمایشگاه‌های ملی سندیا و دانشگاه‌ نیو‌مكزیكو‌ ‌پدید آمد. در این روش‌‌ نور ماوراء ‌بنفش،‌ مولكول‌هایی را در یك ‌لایه نازك‌ از سیلیكای خودآرا شده و دارای‌ ساختار متناوب، در هم می‌شكند.محصول‌ حاصل‌ ‌‌از قرار گرفتن ‌در معرض نور موجب‌ (Solidify‌)جمود سیلیكا‌ مطابق الگوی‌ متناوب می‌شود. تغییر تابش به نحوی بسیار منطقی‌ اندازه حفرات‌ را تغییر می‌دهد و محققان‌ امیدوارند‌ به نحوی از این روش برای كنترل بسیار دقیق حفرات‌ استفاده كنند، كه بتوان‌ مولكو‌ل‌های اكسیژن و نیتروژن را-كه فقط دو صدم نانومتر با هم تفاوت دارند - از هم جدا كرد.یكی از مصارف‌ ویژه نانوحفرات‌ كه پتانسیل‌ بالایی دارد، راهكاری است كه گروهی در دانشگاه‌‌ هاروارد ‌ ارائه كردند. در این روش‌ از اعمال ولتاژ در عرض حفر‌ه‌ برای كشاندن‌‌‌ یك رشته واحد از ‌DNA یا RNA‌ ‌به درون‌ نانو‌حفره‌ استفاده می‌شود، تا تغییر جریان الكتریكی‌ ‌‌بر اثر تغییرات‌ جریان‌ یونی، یا تغییر جریان تونل زنی‌ در عرض حفره ‌مد نظر قرار گیرد. این تغییرات‌ ‌‌می‌تواند به صورت‌ یك امضای الكترونیكی‌ برای شناسایی‌ حروف الفبای‌ ژنتیكی‌ و لذا توالی‌سنجی‌ ‌‌‌رشته گذرنده استفاده شود. این محققان‌ ادعا می‌كنند كه می‌توانند كل ژنوم انسانی‌ را در عرض ‌چند ساعت تعیین توالی كنند. ‌هر چند تاكنون از دولایه‌های لیپیدی استفاده شده است، كه چندان برای مصارف تجاری كاربرد ندارند، ‌اما این گروه‌ حفرات‌ ساخته شده از نیترید‌سیلیكون‌ به كمك روش‌های‌ كنده‌كاری‌ پرتویونی‌ -كه آن هم در هاروارد‌ توسعه یافته- را نیز مطالعه كرده‌ است.یك كار‌ ‌ابتدایی‌ دیگر در این عرصه از پروتئین‌ ‌‌طبیعی (hemolysin)‌‌همولیزین‌- ?به عنوان نانوحفره‌ سود ‌‌‌‌‌‌می‌برد، اما این‌ پروتئین‌‌ با مشكلات فنی عدیده‌ای رو به رو بوده و سمی است. ‌‌مركز ‌نانوتكنولوژی‌‌ آمز ناسا نیز به دنبال توسعه یك نانو‌‌‌‌‌حفره‌ مصنوعی‌ قابل كنترل است. این فناوری‌های نانوحفره‌ای مشكلی برای استفاده در آنالیز پروتئین‌ها ندارند، اما تعداد عناصر مورد نیاز برای تفكیك بین ۲۴ اسید آمینه (به جای ۴ باز DNA) كار را كمی مشكل‌تر می‌كند.
مواد نانوحفره‌ای توده‌ای
مساحت سطحی یك جامد با نانوحفره‌ای‌شدن آن افزایش می‌یابد و سبب بهبود خواص كاتالیزوری، جذبی و جذب سطحی آن می‌شود. زئولیت‌ها – كه قسمی از مواد معدنی طبیعی یا مصنوعی دارای حفرات نانومقیاس و بزرگتر هستند- ده‌ها سال به عنوان كاتالیزور‌هایی مؤثر به كار رفته‌اند. مساحت سطحی جامدات نانوحفره‌ای عموماً در حد چندصد مترمربع بر گرم می‌باشد. علاوه بر اثرات كاتالیزوری، هنگامی كه مواد در نانوحفرات قرار می‌گیرند، خواصشان به نحو غیرمنظره‌ای تغییر می‌كند؛ مثلاً نقطه انجماد آب به نحو بارزی افزایش می‌یابد. خواص جذب و جذب سطحی این مواد معرف قابلیت آنها در علاج مشکلات زیست‌محیطی (مثلاً با حذف فلزات سنگین همچون جیوه و آرسنیك) است. این سه خاصیت مشهودترین مزایای مواد نانوحفره‌ای توده‌ای می‌باشند، اما خواص بالقوه ارزشمند دیگری هم وجود دارند.
جامدات نانوحفره‌ای از انواع مواد ازجمله كربن، سیلیكون، سیلیكات‌ها، پلیمرها، سرامیك‌ها، مواد معدنی فلزی و تركیبات مواد فلزی و آلی یا مواد آلی و سیلیكون مثل متیل سیلسزكیوكسان (یكی از اعضای خانواده سیلیزكیوكسان‌های الیگومریك چندوجهی یا POSS كه در نانوكامپوزیت‌ها و دیگر كاربردها به كار می‌روند) ساخته می‌شوند.
آئروژل‌ها- مواد بسیار متخلخلی كه گاهی دانسیته آنها فقط ۴ برابر هواست- دارای حفراتی با اندازه‌های مختلف هستند، اما آئروژل‌های سیلیكا توزیع اندازه‌ باریكی در حول و حوش nm۵ دارند و لذا موادی واقعاً نانوحفره‌ای می‌باشند.اگرچه آئروژل‌ها جذابیت زیادی دارند، اما استحكام اندك و شكنندگی آنها مصارفشان را محدود كرده است. البته آئروژل‌های متداول آنقدر مقاوم هستند كه در مصارفی همچون كاتالیزور و فیلتراسیون به كار روند. آنها همچنین خواص نوری جالبی را عرضه می‌كنند. خواص عایق حرارتی آئروژل‌ها می‌تواند در شیشه‌هایدوجداره- كه وظیفه استحكام بر دوش شیشه‌هاست- مفید واقع شود. با این حال كاربرد‌های جالب دیگری هم وجود دارد، كه ظهور آنها منوط به افزایش استحكام است. برخی از تحقیقات راه‌هایی را برای دستیابی به آن نشان داده است. مهم‌ترین مورد در اواخر ۲۰۰۲ بود كه آئروژل‌هایی با ۱۰۰ برابر مقاومت شكست آئروژل‌های متداول ساخته شدند. سیلیكون نانوحفره‌ای- كه از طریق حكاكی سیلیكون با اسیدها به‌دست می‌آید- توانایی خود را در انتشار نور تحریك‌شده (مشابه لیزرها) نشان داده است و امید‌هایی را به عنوان یك ماده زیست‌سازگار پدید آورده است. یكی از مشكلات سیلیكون نانوحفره‌ای در مصارف نوری ناپایداری آن است. با این حال گروهی در دانشگاه پوردو توانسته‌اند با استفاده از یك واكنش حاصل از تحریك نوری،‌ روكشی پایداركننده را بر آن اعمال كنند. البته ناپایداری در برخی مصارف می‌تواند یك مزیت باشد. مثلاً در قطعات پیوندی جهت مصارف ساختاری یا دارورسانی.
درواقع سیلیكون نانوحفره‌ای خواص جالب متعددی، مثل قابلیت‌ تغییر ضریب شكست آن با نور و توانایی نشر امواج صوتی با تحریك حرارتی دارد. همچنین در اواخر ۲۰۰۲ مشخص شد، این ماده می‌تواند بدون وجود محیط خلاء به نشر الكترون (ایجاد جریانی از الكترون‌ها) بپردازد.
كربن فعال مثالی از یك ماده نانوحفره‌ای مشابه زئولیت است، كه مدت‌های زیادی به كار رفته است. شركت‌‌های بسیار زیادی آن را تولید می‌كنند و ما در اینجا به جز برخی از نوآوری‌های خاص به بحث در مورد آن نمی‌پردازیم. مثلاً در كره جنوبی با یك روش الگوبرداری با استفاده از نانوذرات سیلیكا، كربن‌های فعال با اندازه حفرات یكسان nm۸ و nm۱۲ به‌دست آمده است. این ماده بیش از ۱۰ برابر كربن فعال متداول ظرفیت جذب داشته است. حذف یون‌های فلزی از یك ماتریس بلورین حاوی كربن و فلز در شرایط مختلف نیز مواد كربنی نانوحفره‌ای بدیعی را آفریده است. این راهكار را شركت سوئیسی Skeleton Technologies تجاری کرده است. با روش‌های دیگری، هندسه‌های جدیدی از كربن نانوحفره‌ای ساخته شده است. یك گروه بین‌المللی از محققان در اوایل ۲۰۰۲ شكلی از كربنی بسیار نانوحفره‌ای را ساختند كه هندسه داخلی آن فركتال بود (فركتال‌ها الگو‌هایی مثل خطوط ساحلی یا شاخه‌های درخت هستند كه در مقیاس‌های متفاوت ساختار‌های مشابهی دارند). این گروه معتقد است كه ماده مزبور قابلیت ذخیره‌ متان (گاز طبیعی) را برای خودروها دارد. گروهی از محققان ایتالیایی و انگلیسی در اواخر ۲۰۰۲ شكلی از كربن را ساختند كه یك دهه قبل فرضیاتی در مورد خانواده آنها موسوم به شوارتزیت‌ها مطرح شده بود. در این ماده از حلقه‌های كربنی حاوی بیش از ۶ اتم كربن (مشابه شش‌ضلعی‌های مسطح گرافیت) برای ایجاد یك ساختار درونی واجد انحنای منفی استفاده شده بود. این ماده بسیار متخلخل، و اندازه حفرات آن بسیار بزرگتر از كربن فعال و در دامنه nm۶۰۰-۵۰۰ قرار داشت. یك دسته كاملاً جدید از مواد نانوحفره‌ای كه اخیراً در كرنل توسعه یافته است، یك‌سری از مواد انعطاف‌پذیر حاوی پلیمر و سرامیك است. این ماده بر اثر حرارت به ماده‌ای نانوحفره‌ای با اندازه حفره بین ۱۰ تا ۲۰ نانومتر تبدیل می‌شود. از آنجایی كه از خودآرایی برای ساخت آن استفاده شده است، ساختار آنها از یكنواختی فوق‌العاده‌ای برخوردار است. زئولیت‌ها- با این كه مدت‌ها به كار رفته‌اند- هنوز جزو موضوعات تحقیقاتی‌اند. در اواخر ۲۰۰۲ یك زئولیت اصلاح‌شده به عنوان اولین مثال از خانواده موسوم به الكتریدها تولید شد، كه معدنی و در دمای اتاق پایدار بود. الكتریدها یك ساختار دارای بار مثبت دارند،‌ كه موازنه بار آنها با «گاز» الكترون موجود در حفرات آنها برقرار می‌شود. گذشته از مصارف مشخص كاتالیزوری، این مواد خواص الكتریكی، مغناطیسی و نوری جالبی نیز دارند

نویسندگان :
تیم هارپر,کریستینا رومن,پاول هالیستر

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو