طرائق تحضير التراكيب النانوية وفحصها

هناك أسلوبان مختلفان و متعاكسان لتحضير مختلف التراكيب والجسيمات النانوية، ويندرج تحت كل من هذين الأسلوبين أقسام أخرى. ومن الجدير بالذكر أن الأنواع المختلفة من التراكيب النانوية يمكن تحضيرها من مواد مختلفة فلزية أو شبه موصلة أو عضوية أو لا عضوية. إن لكل أسلوب من هذين الأسلوبين محاسنه ومساوؤه بالرغم من وجود صفات وخواص معينة للمادة عند الحجم النانوي، إلا أن اختلاف أساليب وطرائق التصنيع يمكن أن تؤدي إلى ظهور صفات فيزيائية وميكانيكية وكيميائية مختلفة. كما أن التراكيب النانوية يتم فحصها بأجهزة معينة تمتاز بالدقة والكفاءة العاليتين لتحاكي الحجم الصغير للتراكيب النانوية.

أسلوب أعلى . أسفل:

في هذا الأسلوب تُستخدم مادة كبيرة الحجم ومن ثم تخضع لإحدى التقنيات لغرض تصغيرها وصولاً إلى الحجم النانوي. ويؤخذ على هذه الأسلوب أن التراكيب النانوية المحضرة تكون غير متجانسة أو منتظمة بصورة عامة. كما أن التراكيب النانوية المحضرة بهذا الأسلوب يمكن أن تحتوي على شوائب وعيوب بلورية في هيئاتها وسطوحها كما في الأسلاك النانوية، كما يمكن أن تحصل هنالك عيوب أخرى خلال عملية التصنيع ذاتها، وهذه العيوب يمكن أن تؤثر على الخواص الفيزيائية والميكانيكية والكيميائية للتركيب النانوي، ولكن الطرق المنطوية تحت هذا الأسلوب بصورة عامة تمتاز برخص ثمنها ومنها ما يمكن إجرائه بدون استخدام الغرف النظيفة، والتراكيب النانوية ما زالت تحضر بهذا الأسلوب وتطبيقاتها واسعة ومتعددة.

هنالك عدة طرق يمكن استخدامها لغرض الحصول على التراكيب والجسيمات النانوية باستخدام هذا الأسلوب، مثل طريقة القشط الكهربائية الكيميائية، في هذه الطريقة يمكن الحصول على تراكيب نانوية لمواد مختلفة، وذلك باستخدام محاليل كيميائية وحوامض معينة توضع في وعاء يقاوم الحوامض مثل التفلون، ثم توضع الشريحة المطلوب تحويلها إلى مركب نانوي داخل الوعاء بطريقة معينة، بعد ذلك يُسلط تيار كهربائي مناسب لفترة زمنية محددة بحيث يوصل القطب الموجب للتيار بالشريحة والقطب السالب يوصل بسلك بلاتين لان البلاتين يقاوم (الحوامض ويوضع داخل الوعاء المحتوي على المحاليل الكيميائية. ففي هذه الطريقة يتم تحضير تراكيب نانوية وذلك بإزالة بعض الجزيئات من الشريحة فيما تبقى جزيئات أخرى مكانها، فيتكون تركيب نانوي يشبه الاسفنج، وأشهر التراكيب التي يمكن تحضيرها بهذه الطريقة

هو السليكون النانوي أو ما يسمى ايضاً بالسليكون الأسفنجي، والذي تطبيقاته تعد من أهم تطبيقات التراكيب النانوية، حيث يستخدم في صنع المتحسسات النانوية والخلايا الشمسية وغيرهما.

أما الجسيمات النانوية التي تحضر بهذا الأسلوب فيمكن الحصول عليها بعدة طرق مثل طريقة الطحن، ففي هذه الطريقة يُستخدم وعاء اسطواني الشكل مثبت عند قاعدته على ماطور كهربائي له القدرة على الدوران بسرع عة عالية، ثم توضع المادة المراد طحنها وتحويلها إلى أحجام نانوية داخل الوعاء مع كرات من مادة عالية الصلابة كالفولاذ لتساعد على طحن المادة المطلوبة أثناء الدوران فعند دوران الماطور ستصطدم الكرات الفولاذية بالمادة المطلوب طحنها وتسحقها وبعد فترة زمنية طويلة نسبياً وتقدر بالساعات (يعتمد ذلك على طبيعة المادة التي يُراد طحنها والماطور وسرعته والأدوات الأخرى المستخدمة في الطحن يمكن طحن وسحق المادة إلى أبعاد اقل من 100 نانوميتر، بعد ذلك يتم تجميع المادة وبعد عدة مراحل يمكن الحصول على جسيمات منتظمة ومتجانسة الشكل، مثل جسيمات الذهب أو جسيمات الفضة النانوية وغيرهما .

وهنالك طرائق أخرى لتحضير عينات نانوية ضمن هذا الأسلوب باستخدام الليزر والبلازما مثلاً.

أسلوب أسفل ــ أعلى

في هذا الأسلوب يتم تجميع ذرات المادة ذرة تلو أخرى أو جزيئة تلو أخرى لحين الوصول إلى الحجم النانوي المطلوب فالتركيب النانوي. أي البدء بما هو اصغر من النانو إلى حين الوصول إلى الحجم الأكبر الذي يمثل الحجم النانوي في هذه الحالة. وطرائق هذا الأسلوب بصورة عامة غير جديدة، فقد أُستخدم بعضها منذ مئة عام، مثل صناعة الأغشية الرقيقة وتركيب الأملاح ومركبات النتروجين. وتمتاز التراكيب النانوية المحضرة بهذا الأسلوب بكونها تحتوي على عيوب بلورية اقل وأكثر تجانساً من الناحية الكيميائية من الأسلوب السابق، لكن يمكن أن يؤدي إلى إجهاد داخلي في التركيب النانوي إضافةً إلى بعض العيوب بالسطح فضلاً عن التلوث إذ أن بعض طرائق هذا الأسلوب سامة ، وتحضير التراكيب والجسيمات النانوية بهذا الأسلوب أغلى تكلفة من الأسلوب السابق بصورة عامة.

الطرائق المنتمية لهذا الأسلوب تدعى بطرائق الإنماء البلوري، والإنماء البلوري هي عملية يمكن تمثيلها بإعادة بناء الهيكل الداخلي للمادة وذلك بإنماء ذرة تلو أخرى أو جزيئة تلو أخرى بشكل منتظم ويعيد نفسه بشكل دوري، وتتم عملية الإنماء في وسط مفرغ من الهواء وتعتمد جودة البلورة المنماة بدرجة كبيرة على درجة التفريغ. واهم طرق الإنماء هي: طريقة الإنماء بالحزمة الجزيئية (MBC) ، طرق إنماء الطور البخاري الفيزيائية (PVD) وطرق إنماء الطور البخاري الكيميائية (CVD). وبواسطتهم يمكن الحصول على أغشية رقيقة اغلبها من مواد شبه (موصلة ذات سمك بالنانوميتر، كما يمكن الحصول منهم كذلك على أسلاك نانوية متنوعة من خلال تغيير شروط الإنماء. إن هذين الأسلوبين يمكن النظر إليهما كحالتين متعاكستين لصناعة المركبات النانوية، وذلك ما يمكن توضيحه بالشكل 7.

شكل 7: أسلوبا تحضير التراكيب النانوية يمكن النظر إليهما كحالتين متعاكستين.