متن مقاله / گزارش

نانومترولوژی، کلیدی برای توسعه فناوری‌نانو

تاریخ : 1394/12/24 تعداد بازدید : 2335 دسته بندی : استانداردسازی
تهیه شده در کمیته استانداردسازی فناوری نانو
مسئول تهیه: سمیرا گل زردی، کارشناس کمیته استاندارد سازی فناوری نانو
مترولوژی علم اندازه‌گیری بوده و نانومترولوژی بخشی از مترولوژی است که به بررسی و اندازه‌گیری مواد در مقیاس نانومتری می‌پردازد. کشورهای زیادی در سراسر جهان دارای قوانین و برنامه‌های ویژه فناوری‌نانو بوده، با این حال هنوز در حال برداشتن اولین قدم‌ها در مسیر نانومترولوژی هستند. در این گزارش کوتاه به بررسی پروژه نانومت (NanoMet) کمیسیون اروپا می‌پردازیم که یک مثال از اهمیت نانومترولوژی به‌عنوان فناوری با قابلیت کنترل کیفی در مقیاس نانو است.
درحالی که اولین و صریح‌ترین فایده مترولوژی بهبود درک عملی است، دومین مزیت آن که شاید خیلی هم به چشم نیاید، کنترل کیفیت یا ارزیابی انطباق است. به بیان دیگر با استفاده از مترولوژی می‌توان در مورد این که آیا یک محصول یا خدمت شرایط و ویژگی‌های مورد نظر و از پیش تعیین شده را دارد یا خیر، قضاوت کرد.
ارزیابی انطباق اطمینان لازم را به مشتری می‌دهد که ملزومات مورد نظر در یک محصول وجود دارد. این ارزیابی به تولید کننده و تأمین کننده مواد کمک می‌کند تا نسبت به کیفیت محصول نهایی مطمئن باشد. چنین نتایجی برای اطمینان از مسائلی نظیر سلامت عمومی، ایمنی، محافظت از محیط‌زیست و سلامت مصرف‌کننده ضروری است. ارزیابی انطباق موجب می‌شود تا مترولوژی از علم و نوآوری تبدیل به اقتصاد و رفاه شود. ارزیابی انطباق ارتباط تنگاتنگی با کلیه فناوری¬ها از جمله فناوری‌نانو دارد و حوزه‌ای است که در آن چالش‌هایی وجود دارد که برای تجاری‌سازی باید آنها را رفع کرد.
مترولوژی به‌عنوان یک حوزه بین رشته‌ای کلیدی است که در بخش‌های مختلف صنایع نفوذ کرده است؛ برای مثال، یک خلبان باید به‌صورت دائمی ارتفاع، میزان سوخت و مصرف سوخت هواپیما را اندازه‌گیری کند، بازرس موادغذایی مقدار باکتری‌ها را در غذا اندازه می‌گیرد، مهندس محیط‌زیست آلودگی هوا را اندازه می‌گیرد و شرکت‌های خصوصی با ابزارهای مختلف محصولات فروخته شده یا خریداری شده را ارزیابی می‌کنند. فرآیندها و کالاها باید با استفاده از قوانین و دستورالعمل‌ها، نظام‌مند شوند. اندازه‌گیری سیستماتیک و نتایج ارائه شده از آن به همراه یک عدم قطعیت با سطح قابل قبول برای بخش کنترل کیفی صنایع ضروری است.
اخیرا مقاله‌ای با عنوان چشم‌انداز نانومترولوژی اروپا منتشر شده‌است که در آن فعالیت‌های نانومت و یافته‌های مرتبط با آن در این مقاله درج شده‌است. همچنین راهبردهای اتحادیه اروپا در بخش نانومترولوژی به‌عنوان یکی از سیاست‌های اصلی این اتحادیه در توسعه فناوری‌نانو در صنعت در این مقاله تشریح شده‌است.
در این مقاله چند شاخه مختلف برای نانومترولوژی عنوان شده‌است:
- نانومترولوژی ابعادی:
در شکل زیر نمودار مربوط به روش‌های تعیین ابعاد آمده است. در این شکل روش‌های تعیین ابعاد به همراه محدوده کاری آنها درج شده‌است. اخیرا مطالعه‌ای با عنوان « مترولوژوی نانو و میکرومقیاس» انجام شده که در آن بیشتر ادوات مورد استفاده در این حوزه مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از مهمترین انواع تجهیزات مورد استفاده در نانومترولوژی، میکروسکوپ‌های پیمایشی روبشی (SPM) هستند که میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یکی از بارزترین مثال‌های این نوع ادوات است.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde


- نانومترولوژی شیمیایی:
در شکل زیر انواع دستگاه‌های مورد استفاده در آنالیز شیمیایی نانومقیاس آمده است. برای درک بهتر قدرت تفکیک و دامنه آن، برای تمامی روش‌ها، قدرت تفکیک فضایی درج شده‌است.

filereader.php?p1=main_ac627ab1ccbdb62ec

با استفاده از AFM، AES، SIMS، آنالیز میکروپیمایشگر الکترونی، SNOM، STM، TEM، XPS و PEELS می‌توان آنالیز شیمیایی سطح را انجام داد. لازم به ذکر است که هیچ یک از این ادوات نمی‌توانند به تنهایی تمام آنالیزهای شیمیایی را انجام دهند. ترکیب این تجهیزات می‌تواند برای استخراج اطلاعات ساختاری، ترکیب شیمیایی و حالات شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. در میان ادوات فوق، برخی به‌صورت مستقیم قادراند گونه‌ها و عناصر شیمیایی را اندازه‌گیری کنند در حالی که دسته دیگر، معمولا بعد از کالیبراسیون ویژه یا انجام یک مرحله کار اولیه می‌توانند این کار را انجام دهند.
- نانومترولوژی لایه نازک:
کاربردها و اثرات زیست‌محیطی فیلم‌های نازک در محصولات فناوری‌نانو قابل توجه است. لایه‌های نازک، هسته میکروالکترونیک و ادوات ذخیره‌سازی اطلاعات هستند. لایه نازک‌های دارای گروه‌های عاملی برای افزایش مقاومت در برابر خراش، خستگی و اصطکاک استفاده می‌شوند و همچنین کاربردهای وسیعی در بخش ترشوندگی، فعالیت زیستی، پوشش‌های ضد انعکاس و سطوح خود تمیزشونده دارند.
عوامل مورد اندازه‌گیری لایه‌های نازک در حوزه نانومترولوژی متعدد بوده که برخی از آنها عبارتند از: ضخامت، ترکیب شیمیایی، ساختار، یکنواختی، انطباق، خلوص مواد و خواص مکانیکی.
- نانومترولوژی مکانیکی:
نانومترولوژی مکانیکی کلید اصلی صنعت پوشش و لایه نازک است. در این حوزه تجهیزاتی نظیر AFM و نانودندانه‌گذاری نقش بسیار مهمی دارند. نانودندانه‌گذاری یک دستگاه آزمون سطوح نانومقیاس است که می‌تواند خواص پلاستیکی و الاستیکی یک سطح را در حجم‌های بسیار پایین مواد ارائه کند. این ابزار یکی از مهمترین تجهیزات مشخصه‌یابی خواص نانومقیاس سطحی است. با استفاده از نانودندانه‌گذاری امکان تعیین مدول یانگ، خزش، ویسکوالاستیسیته و سختی سطح به‌وجود می‌آید.
در کنار کاربردهای تحقیقاتی نانودندانه‌گذاری، این ابزار در حال حاضر برای تضمین کیفیت در صنعت به ویژه میکروالکترونیک و میکروسیستم‌ها استفاده می‌شود. نانودندانه‌گذاری برای بررسی و مطالعه مواد زیستی و تشخیص بیماری نیز قابل استفاده است.
- نانومترولوژی مواد ساختاری:
مواد نانوساختار دارای ساختار سطحی و درونی در مقیاس نانو هستند. این مواد سال‌هاست که تولید شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما اخیرا تولیدکنندگان موفق به تولید مواد نانوساختار با خواص جدید شده‌اند و باید بتوان این مواد را با دقت بالا مشخصه‌یابی کرد.
این مواد یا به‌صورت مستقل تولید می‌شوند و یا به‌صورت بخشی از یک ساختار کلی تولید می‌شوند. تعیین مشخصات این نوع مواد معمولا با دو هدف انجام می‌شود، یا به‌عنوان بخشی از فرآیند تحقیق و توسعه بوده و یا به‌عنوان کنترل و تضمین کیفیت است.
به عنوان مثال برای تعیین خواص ابعاد نانوذرات به عنوان گروهی از مواد نانوساختار، روش‌های مختلفی وجود دارد. برای این کار سه روش مختلف وجود دارد: در روش اول تعداد زیادی از نانوساختار به‌طور هم‌زمان مورد آنالیز قرار می‌گیرند که روش تفرق نور پویا (DLS) از این نوع روش‌ها است. در روش دوم با تصویربرداری از نانوساختارهای منفرد، مشخصه‌یابی انجام می‌شود. در این دسته روش‌ها (نظیر SPM) اطلاعات زیادی درباره ماده به‌دست می‌آید. در دسته سوم، تعیین مشخصات براساس ابعاد ذرات انجام می‌شود که ترسیب(رسوب سازی) از فاز سیال با سانتریفیوژ از این دسته روش‌ها است.
این روش‌ها برای تحقیق روی مواد جدید بسیار مناسب است ما از نقطه نظر سرعت و هزینه برای بخش کنترل کیفی در فرآیندهای تولید انبوه مناسب نیست. برای چنین شرایطی باید آزمون‌های استاندارد جدیدی در نظر گرفت که با روش‌های رایج در صنعت انطباق داشته باشد.
- نانومترولوژی الکتریکی
تنها عده محدودی در مؤسسه‌های مترولوژی در بخش نانومترولوژی الکتریکی کار می‌کنند. این حوزه به دو قسمت تقسیم می‌شود. در بخش اول، از فعالیت‌های صنعت نیمه‌هادی حمایت می‌شود و در بخش دوم روی اندازه‌گیری‌های کوانتومی کار می‌شود. در حال حاضر فعالیت‌هایی روی بهبود روش‌ها برای کاهش عدم قطعیت اندازه‌گیری‌ها در بخش الکترونیک در حال انجام است. برای مثال، محققان به دنبال ارائه روشی قابل ردیابی برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی در لایه‌های نازک هستند.
- نانومترولوژی زیستی
نانوزیست‌فناوری یکی از حوزه‌های فناوری‌نانو در بخش سلامت است که به استفاده از این فناوری در علوم زیستی و زیست‌فناوری می‌پردازد. مولکول‌ها می‌توانند در مقیاس میکرو و نانومتری به شکل‌های مختلف آرایش پیدا کنند.
درحال حاضر نانوزیست‌فناوری در سه شاخه مختلف وجود دارد: 1) ادوات و تجهیزات پزشکی 2) نانوداروها و داروهای شخصی‌سازی شده 3) ابرمولکول‌های زیستی و نانوزیست‌مواد مهندسی شده. دو مورد اول در دو دهه گذشته بسیار مورد توجه بوده است و ابزارهای مترولوژی به این حوزه کمک شایانی کرده است. هیچ روش منفردی برای استفاده در نانوزیست مترولوژی وجود ندارد و اغلب ترکیب روش‌های مختلف برای آن به کار می‌رود.
منبع:
http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=20923.php