برگردان: مهندس علیرضا قرمز چشمه
یکی از ویژگی های شاخص یک پوشش، ساختار سطح آن پوشش است. اخیراً، درک ما از ماهیت ساختار سطح در مقیاس نانو گسترش یافته است. پدیده‌ی خود چینش پلیمرها (polymer self-assembly) امکان ایجاد ساختارهای نانو با هزینه کم را فراهم کرده است. این ویژگی در مواردی مثل محافظت از کارتهای تجاری و بانکی و همچنین در تولید غشاهای متخلخل نانو که در رشته های پزشکی و زیستلوژی استفاده می‌شوند، کاربرد دارد.
یکی از عوامل مهم در تعریف ویژگی های یک پوشش، ساختار سطح آن پوشش است. با اینکه نگاه به ابعاد سطح در حد 10 یا بیشتر از 10 میکرون نگاه جدیدی نیست، اخیرا ً درک ما در مورد اهمیت ساختارهای نانوی سطح به طور چشم‌گیری افزایش یافته است. ویژگی های سایشی سطح(tribological) و خاصیت ترشوندگی، قابلیت جذب زیست‌مولکولها و یا حتی سلول‌ها، و نیز ظاهر نوری و ویژگی‌های لمسی به شدت تحت تاثیر مکان نگاری(topography) سطح در مقیاس نانو قرار می‌گیرند. کنترل این ویژگی‌ها و در نتیجه کنترل ساختار نانوی سطح، اهمیت زیادی برای بهینه کردن کاربردهای امروزی پوشش‌های پیشرفته دارد.
امروزه، شناخت پدیده‌ی خود چینش پلیمرها امکان ایجاد ساختارهای سطوح در مقیاس‌های مختلف را فراهم کرده است. ساختارهای سطوح با مقیاس نانو بدون روشهای لیتوگرافی (حکاکی) گران قیمت (مانند روش های تولید مدارهای مجتمع در صنعت میکروالکترونیک) قابل دسترسی هستند. هزینه‌ی این روش‌ها برای بسیاری از کاربردهای پوششی مقرون به صرفه نیستند، اما از لحاظ کیفیت، برای رسیدن به اثرات مطلوب، کنترل کافی بر روی ساختار سطح دارند. در این مقاله مثال های کاربردی از خودچینش پلیمرها که با راه حل های ارزان در محیط صنعتی امروز به کار می‌روند، شرح داده می‌شود.
چینش خود به خود ملکولی
خود چینشی، قرار گرفتن مولکولها در بهترین ساختار تعریف شده است که اغلب با برهم‌کنش ضعیفی در مقایسه با اندازه ی ملکول و با انرژی گرمایی محدود صورت می‌گیرد. به طور خاص، خود چینشی ملکولی قادر به ایجاد ساختارهایی در مقیاس نانو است و تغییر جالبی برای کم کردن هزینه روشهای گران لیتوگرافی ارائه می‌دهد. این روش ها اغلب به روش پایین به بالا(bottom-up) اشاره دارند، زیرا ساختارهایی از بلوک‌های اولیه ایجاد می‌کنند. این روش در مقابل روش بالا به پایین(top-down) که به ماشین اجازه می‌دهد از تکه‌ی بزرگتری شروع کند، قرار می‌گیرد (مانند قسمتی از فلز که در دستگاه تراش ساخته می‌شود).
روش چینش خود به خود پلیمری، بسته به نوع موادی که برای شروع انتخاب می‌شوند، در مقیاس میکرون و نانو انجام می‌شود. در تهیه پلیمرها، پلیمر به صورت ذراتی با اندازه‌ی 1 میکرون تا 10 میکرون از حلال جدا می‌شود. اندازه این ذرات وابسته به نوع پلیمر متفاوت خواهد بود و می‌توان با انتخاب یک حلال خاص ذراتی از دو نوع پلیمر را به طور برجسته تر؟ از حلال جدا کرد. با متن اصلی چک شود
به طور مشابه می‌توان ذراتی با اندازه‌ی 100 نانومتر از محلول بدست آورد. این فرآیند اغلب به جداسازی میکروفاز کوپلیمر اشاره دارد. نمونه‌های نهایی گستره‌ی کوچکی از نظم را نشان می‌دهند. به طوری که در مخلوط کردن دو پلیمر نمونه‌ها به صورت تصادفی هستند، یعنی چینش دقیق ایجاد نمی‌شود. با این وجود گستره‌ی وسیعی از نظم با پیش نمونه‌های اولیه و در جهت چینش پلیمر رسوب داده شده، صورت می‌گیرد.
کاربردها
کنترل ساختار سطح در مقیاس نانو این امکان را به کاربردهای جدید می‌دهد تا نسبت به پوشش‌های متداول امکانات بیشتری فراهم آورند. در مورد روش خود چینش پلیمرها، انتخاب مواد اولیه و نیز پارامترهای پوشش دهی این اجازه را می‌دهند تا اندازه و کاربرد ساختار نانوی پلیمر نهایی را مشخص کرد. این مشخصات را می‌توان با دامنه‌ی وسیعی از ابعاد و دامنه‌ی متنوعی از گروه‌های شیمیایی انتهایی بر حسب تقاضا تنظیم کرد. شکل 1 ساختار نانوی بدست آمده از مخلوط کردن پلی استایرن و پلی‌متیل‌متاکریلات که به صورت چرخشی روی زیرآیند ریخته شده‌است را نشان می‌دهد. این ساختار به صورت تصادفی است ولی می‌توان با انتخاب دقیق مواد اولیه و پارامترهای پوشش‌دهی، ویژگی‌های آنها را از پیش تعریف کرد. به عنوان مثال این کاربرد در انگشت‌نگاری می‌تواند در آینده برای تولید برچسب‌های شناسایی و امنیتی مورد استفاده قرار گیرد.
اگر یکی از لایه‌های پلیمری توسط یک حلال انتخابی از سطح زدوده شود، این فیلم‌های پلیمری می‌توانند به صورت متخلخل درآیند. این عمل این اجازه را به کاربردهای پوششی که برداشت سریع یک مایع یا جوهر مورد نظر است را می‌دهد.
با اینکه همه‌ی ویژگی‌های ساختاری از این روش قابل کنترل هستند ولی ساختار جزئی به طور ذاتی تصادفی باقی می‌ماند. بنابراین، از این ساختارها می‌توان به عنوان ویژگی امنیتی برای محافظت از کارتهای بانکی و تجارتی بهره جست. شبیه ویژگی‌های انگشت نگاری، برخی ویژگی‌های کلیدی برای ساختارهای پلیمری تعریف می‌شود، که می‌توانند بعدا ً به یک دسته‌ی خاص از ساختار نانو نسبت داده شوند. به عنوان کاربردی در بازارهای دیگر می توان به شناسایی در بخش‌های هنری و تجملاتی، علاوه بر کارتهای تجاری اشاره کرد که اخیرا ً مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. این سطوح از نظر قیمت ارزان و قابل تغییر هستند. روشهای استاندارد مختلف مثل غوطه‌وری، اسپری کردن وپوشانش دورانی(spin coating)برای اعمال این پوشش‌ها به کار می‌روند. به راحتی می توان برخی از این روش‌ها را برای پوشش دادن سطوح بزرگ به کار برد. یکی از مزایای اصلی اکثر این روش‌ها، امکان اعمال بر روی زیرآیندهای 3 بعدی است. برای مثال از این روش‌ها می‌توان برای پوشش دادن حفره‌ها و یا سطوح داخلی قطعات توخالی استفاده کرد.
بسیاری از تقاضاها در این مورد مقاومت در برابر برخوردهای محیطی است. در مورد ساختارهای پلیمری رسیدن به ماده‌ای با مقاومت در برابر خراش مشکل است. یک راه حل برای رفع این مشکل جایگزین کردن ماده‌ای دیگر که مقاومت بیشتری در برابر خراش دارد به جای ساختار پلیمری است. این کار را می‌توان با تیزاب کاری شیمیایی توسط یک لایه‌ی مناسب انجام داد، به طوری که ساختار پلیمری به عنوان یک لایه عمل کند. شکل 2 همان ساختار نانوی نشان داده شده در شکل 1 را نشان می‌دهد با این تفاوت که پلیمر به صورت لایه‌ای بر روی سیلیکون و با فرآیند RIE قرار گرفته است. با این کار ساختار به صورت ماده‌ای سخت درمی‌آید. عمق ساختار 4 میکرون است.
سطح نهایی هم می‌تواند به همان صورت که هست استفاده شود و هم می‌تواند به عنوان ابزار اصلی برای جور کردن ساختار سطح به کار رود، مثل پوشاندن آن بر روی یک پلاستیک. مورد دوم مسیر جالبی را برای تولید انبوه ساختارها ی نانو بازمی‌کند. برای مثال می‌توان به استفاده از این فن آوری برای کاربردهایی مثل پلاستیک‌های جدید برای کشت سلول یا مهندسی بافت اشاره کرد.
ایجاد الگوهای سطح در مقیاس نانو نسبت به مقیاس میکرون ترجیح داده می‌شود. دسته‌ی دیگری از پلیمرها برای چینش خود به خود به کار می‌روند. کوپلیمرهای بلاک (block) از دو یا بیشتر از دو پلیمر که به یکدیگر متصل شده‌اند ساخته می‌شوند، که این کوپلیمرها به وسیله‌ی یک فرآیند به نام جداسازی میکروفاز ایجاد می‌شوند. در اینجا ابعاد نمونه همان ملکول‌های پلیمری منحصر به فرد هستند که به پلیمرهایی که در مقیاس میکرون هستند و در بالا شرح داده شده اند ترجیح داده می‌شوند. متعاقبا ً، جرم ملکولی پلیمر تشکیل شده یا طول زنجیرهای آن روی هندسه‌ی ساختار نانوی پلیمر تاثیر می‌گذارد و گروه‌های عاملی ویژگی‌های شیمیایی سطح را مشخص می‌کند.
شکل 3 (سمت چپ) ساختاری را درSi3N4نشان می دهد که به وسیله‌ی فرآیندی به نام لیتوگرافی کوپلیمر ساخته شده‌است. در اینجا ساختار یک سطح خودچیده از کوپلیمر پلی‌استایرن – پلی‌اکریلیک اسید به عنوان یک ماسک برای یون واکنش‌پذیر استفاده شده‌است. هسته‌های مایسلی ایجاد شده از پلی‌اکریلیک اسید با قطری حدود 30 نانومتر مقاومت در برابر حکاکی کردن (ایجاد خلل و فرج روی سطح) بالاتری نسبت به فاز پیوسته‌ی پلی‌استایرن دارد. در نتیجه پلی‌اکریلیک اسید از مواد زیرین در برابر (حکاکیing) محافظت می‌کند و یک ساختار ستونی نانو، مشابه با بعد عرضی ساختار پلی‌اکریلیک اسید تشکیل می‌شود. عمق ساختار (یا به طور معادل بلندای ستون‌ها) می‌تواند با تنظیم زمان (حکاکیing) تغییر کند. در این روش ساختار بدست آمده نه تنها از نظر مکانیکی از فیلم پلیمری سخت‌تر است، بلکه می تواند ویژگی‌های سه بعدی مشخصی نیز داشته باشد. این ساختارها اغلب ویژگی ترکنندگی متمایزی از خود نشان می‌دهند که می‌تواند از آب‌گریز به ابرآبگریز تنظیم شود. علاوه‌براین اگر به ساختار عامل پرفلوئوروسیلان اضافه شود این تأثیر تقویت می‌شود.
کاربردهایی برای سطوح خود تمیز شونده نیز وجود دارد. در شکل 3 (سمت راست)، برای مثال تماس زاویه‌ای بزرگ آب، ویژگی ابر آب‌گریزی سطح ستون نانو را ثابت می‌کند که باعث دفع کنندگی آب و خود تمیزشوندگی می‌شود.
اما الگوی توپوگرافی توسط خود چینشی فقط یک جنبه است. تنوع گسترده‌ی پلیمرهای موجود امکان انتخاب این پلیمرها را برای فرآیند خود چینش فراهم می‌کند و وجود گروه‌های عاملی مختلف در این پلیمرها منجر به رسیدن به هدف مطلوب می‌شوند. ساختار سطح نهایی یک الگوی شیمیایی در مقیاس نانو است که دریچه‌ای به کاربردهای بی‌شمار دیگر باز می‌کند. به علاوه، این امکان وجود دارد که با استفاده از یک حلال که به طور انتخابی نسبت به مایسل عمل می‌کند ساختار مایسل را وارونه کرده و منجر به ایجاد مایسل های متورم می‌شود. ساختار بدست آمده می‌تواند دوباره به عنوان یک ماسک حکاکی برای ساخت ویژگی‌های وارونه در مواد سخت به کار رود، یعنی حفره‌های نانویی به جای ستون‌های نانویی.
با پیروی از این رویکرد، می‌توان غشاهای متخلخل بر پایه‌ی سیلیکون را که قطری بین 35 تا 80 نانومتر دارند را تولید کرد. ضخامت غشاها بین 100 تا 300 نانومتر است و ترکیب سیلیکون ساختار را برای ضمانت پایداری مکانیکی و امکان دستکاری و یکپارچه کردن برای ابزارهای میکروسکوپی، تقویت می‌کند. درخواست‌های بسیاری ارایه و مورد ارزیابی قرار می‌گیرند که شامل خالص‌سازی زیست ملکول‌ها و اولترافیلتراسیون تابشی جزئی است. یکی از چالش‌های فنی دستیابی به توزیع باریکی از اندازه روزنه‌های غشا، به منظور رسیدن به فیلترکردن انتخابی و بهبود خواص مکانیکی غشا است. تعمیم این فرآیند برای غشاهای نانوی متخلخل فلزی و برای کاربردهای پلاسمونیک تحت بررسی است.
در بعضی از کاربردهای زیست شناسی غشاهای متخلخل، سازگاری زیستی و تجزیه‌پذیری زیستی مواد غشا یک موضوع مهم است. شکل 4 (سمت چپ) یک غشای نانوی متخلخل را نشان می‌دهد که از طریق قالب‌گیری ساختار ستون نانویی در پلاستیک شکل گرفته‌است که منجر به یک فیلم پلیمری با روزنه‌هایی در اندازه‌ی نانو شده است. برخی غشاهای نانوی متخلخل برای فیلترکردن و کاربردهای حسگری جالب هستند، به طور خاص چون حفره‌ها به آسانی می‌توانند به طور شیمیایی عامل دار شوند، این امکان وجود دارد که ویژگی‌های فیلتر کردن آنها در نظر گرفته شود.
کاربردهای دیگر سطوح با ساختار نانو را می توان در اصلاح سلولی زیرآیندها یافت. رفتار سلول‌ها روی سطح فقط از طریق شیمی سطح مشخص نمی‌شود، بلکه به ساختار نانو و یا میکرو سطح نیز مرتبط است. درک بهتر از مکانیزم مطرح شده، امکان اصلاح طراحی سطح کاشت را برای آماده کردن زیرآیند برای مهندسی بافت و طراحی بهتر مواد باندپیچی برای بهبود معالجه زخم، فراهم می کند. شکل 4 (شکل میانی) دنباله ی یک سلول بافت رابط جنینی را نشان می دهد که روی یک سطح پلی دی متیل سیکلوکسان (با ساختار نانو) قرار دارد، که این سطح از طریق چینش خود به خودی و فرایندهای انعکاس؟ که در بالا توصیف شده است آماده شده است. چسبندگی خوب سلول‌ها به منظور کاشت می‌تواند به بهبود یکپارچگی آنها در بدن کمک کند و زمان بهبودی بیمار را کاهش دهد.
