متن مقاله / گزارش

اهمیت بهره مندی از روش‌های اندازه‌گیری قابل اعتماد در تجاری‌سازی نانومحصولات (بخش دوم)

تاریخ : 1395/11/27 تعداد بازدید : 637 دسته بندی : استانداردسازی
در این گزارش به بررسی فعالیت‌های مؤسسه مترولوژی فرانسه پرداخته شده و همچنین چالش‌های موجود در حوزه نانومترولوژی و اثر آن بر تجاری سازی فناوری نانو مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش اول این گزارش به ارائه برخی از این فعالیت ها پرداخته شده و در اینجا ادامه این بحث ارائه می‌‌شود.

مطالعه روی AFM/SEM به عنوان روش‌های مکمل در اندازه‌گیری ابعادی:
میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM یک ابزار مشخصه‌یابی چند کاره است که می‌تواند با نرخ بالا از مواد و سطوح مختلف تصویربرداری کند. وجود قابلیت تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا برای اندازه‌گیری از نانوساختارها موجب رقابت‌پذیر شدن این ابزار شده است. با این حال، اطلاعات بدست آمده با این دستگاه به دلیل وجود انحراف در الکترون‌های ثانویه موجب محدود شدن تصویربرداری در محور Z می‌شود. دستگاه AFM به صورت گسترده در صنعت و دانشگاه استفاده می‌شود. در این دستگاه نوک مورد استفاده دارای انحنائی در حد 10 نانومتر است که امکان ایجاد تصویر سه بعدی از نمونه‌ها را فراهم می‌کند. این دستگاه قادر است در خلاء، اتمسفر محیط و محیط سیال تصویربرداری کند. قدرت تفکیک محور Z در این دستگاه در حد نانومتری است اما در صفحه XY به دلیل وابستگی نتیجه به ابعاد و شکل نوک، قدرت تفکیک افت می‌کند.
بنابراین در مقایسه دو دستگاه باید گفت، SEM قدرت تفکیک جانبی در صفحه XY ایجاد می‌کند در حالی که AFM قابلیت رسیدن به قدرت تفکیک زیر یک نانومتر را در محور Z (ارتفاع) دارد. در نتیجه این دو دستگاه کاملا مکمل یکدیگر هستند. چنین مکمل بودنی موجب می‌شود تا از این روش‌ها برای مترولوژی هیبریدی در آزمایشگاه‌ها استفاده کرد.
با این شرایط باید روش‌های آماده‌سازی و دستورالعمل‌های انجام کار را به گونه‌ای تعریف کرد که برای استفاده از هر دو دستگاه مناسب باشد. در حال حاضر نرم‌افزاری به نام نانوفوکوس (NanoFocus) وجود دارد که امکان تعیین توزیع اندازه ذرات کروی را از روی تصاویر بدست آمده از AFM و SEM فراهم می‌کند. باید تعیین عدم قطعیت برای نتایج حاصل از هر دو دستگاه بدست آید.
افزایش امکان دسترسی صنایع به ابزارها و تجهیزات نانومترولوژی:
در حال حاضر فناوری نانو به بخش‌های مختلف صنایع رسوخ کرده است به طوری که این فناوری از بخش تحقیق و توسعه در حال وارد شدن به صنعت است. با این حال چالش‌های فنی زیادی در این مسیر وجود دارد. در حال حاضر شرکت‌های نوپا و فناور زیادی هستند که به دلیل مشکلاتی از قبیل عدم امکان وارد کردن نتایج آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی در انجام فعالیت‌های خود به مشکل برخورد کرده‌اند.
در کشور فرانسه فقدان ابزارهای مترولوژیکی و روش‌های استاندارد شده یکی از سدهای شرکت‌های کوچک فناور است. چنین مانعی موجب شده تا کارایی سیستم‌های صنعتی کاهش یابد. اخیرا پروژه‌ای با سرمایه‌گذاری سازمان DGCIS راه‌اندازی شده که هدف از آن افزایش دسترسی صنایع به روش‌ها و فرآیندهای استاندارد در حوزه فناوری نانو است. این پروژه شرایط را برای بیش از 900 شرکت فرانسوی برای دسترسی به دستورالعمل‌های استاندارد برای اندازه‌گیری پارامترهای اصلی در حوزه فناوری نانو فراهم می‌کند. این پروژه از یک سو به صورت ویژه برای شرکت‌های فناوری و نوپا برای دسترسی به روش‌های مشخصه‌یابی استاندارد تعریف شده و از سوی دیگر از آنها برای برآورده سازی نیازها و ملزومات قانونی در حوزه نانو حمایت می‌کند. این پروژه قصد دارد تا روش‌های مشخصه‌یابی مواد را یکسان سازی کند.
در یک فاز تحقیقاتی فعالیت‌های بخش تحقیق و توسعه شرکت‌ها مورد پایش قرار گرفته تا تجهیزات در دسترس آنها برای اندازه‌گیری و مشخصه‌یابی مشخص شود. در این پروژه دو سطح از روش‌های مشخصه‌یابی توسعه می‌یابد. در اولین مرحله روش‌های ارزان و ساده اندازه‌گیری نظیر DLS، BET و SMPS پیاده سازی شده و در مرحله دوم روش‌های میکروسکوپی که نیاز به تجهیزات ویژه، زمان بیشتر و تخصص خاص هستند مورد بررسی قرار می‌گیرند. یک سایت اینترنتی برای به روزرسانی فعالیت‌های این پروژه راه‌اندازی شده است.

درک بهتر انتقال و کنترل گرما در مقیاس نانومتری:
کنترل انتقال گرما موضوع بسیار مهمی در فناوری‌های نوین به ویژه مواد نانوساختار و نانوقطعات است. این چالش روی صنایع به ویژه میکروالکترونیک، نانوسیستم‌ها و ادوات تبدیل انرژی تاثیرگذار است. این صنایع نیاز به ابزارها و تجهیزات قابل اعتمادی دارند که با استفاده از آن اندازه‌گیری‌های خود را انجام دهند.
پروژه‌ای با عنوان QUANTIHEAT با شرکت 20 سازمان از 9 کشور اروپایی به رهبری CNRS فرانسه راه‌اندازی شده است که هدف از آن بهبود درک پدیده‌های گرمایی در مقیاس نانومتری است. یکی از نتایج این پروژه دسترسی به فرآیند نانومترولوژی گرمایی است. در قالب این پروژه، قرار است واژه‌های عمومی برای ادوات مختلف مورد استفاده در مواد و تجهیزات مرجع شناسایی و تعریف شود، ادوات و موادی که برای کالیبراسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این پروژه قرار است تجهیزات جدیدی برای مطالعه انتقال حرارت در مقیاس‌های پایین و در مناطق بسیار محدود و مشخص از نمونه معرفی شود. از این ابزارها در مواد و تجهیزات صنعتی استفاده خواهد شد. این پروژه روی ساخت ابزارهای جدید برای میکروسکوپ‌های گرمایی پیمایشی، از شاخه میکروسکوپ نیروی اتمی، متمرکز خواهد شد. مدل‌های گرمایی در مقیاس اتمی ارتباط مستقیمی با این مدل‌ها در مقیاس‌های بزرگتر دارد که از این ابزار مترولوژی جدید می‌توان برای مطالعه مدل‌های در مقیاس‌های مختلف استفاده کرد. نتایج این پروژه باید بتواند کنترل قابل توجهی روی پدیده گرمایی در مقیاس نانومتری ایجاد کند و همچنین موجب ارتقاء تجهیزات و روش‌های مشخصه‌یابی در حوزه فناوری‌نانو شود.
لازم به ذکر است که این پروژه به صورت منحصر به فرد موجب ارتباط میان محققان و اساتید دانشگاهی در حوزه‌های علم مواد، مدل‌سازی، میکروسکوپی و بخش صنعت، تولیدکنندگان تجهیزات و موسسه‌های مترولوژی می‌شود.

مطالعه نرم افزارهای پردازش تصویر:
اندازه‌گیری ابعاد ذرات یک مسئله مهم در بخش سلامت عمومی جامعه است. تا کنون ابزارهای مختلفی برای اندازه‌گیری این پارامتر ارائه شده که تمامی آنها برای کار در مقیاس‌های زیر 100 نانومتر مناسب نیست. بنابراین باید تجهیزات جدیدی برای مترولوژی در این بخش ارائه شود.
در این پروژه استفاده از دستگاه اندازه‌گیری ذرات با پیماش حرکت (SMPS) برای تعیین ابعاد ذرات بسیار کوچک فاز آئروژل مورد بررسی قرار گرفته شده است. از این دستگاه معمولا برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بسیار کوچک استفاده می‌شود. پیش از این برای تعیین توزیع ابعاد ذرات آئروژل‌ها از دستگاه CNC (شمارشگر هسته متراکم) استفاده شده است. اما دستگاه SMPS یک ابزار مرجع برای این نوع اندازه‌گیری‌ها محسوب می‌شود. با این حال در حال حاضر نیاز به تعیین میزان عدم قطعیت مربوط به این دستگاه در تعیین ابعاد ذرات وجود دارد.
در این پروژه با همکاری موسسه IRSN (موسسه ایمنی هسته‌ای و محافظت رادیویی)، دانشکده برق دانشگاه سوپلیک و موسسه مترولوژی فرانسه نرم افزار ویژه‌ای برای پردازش اطلاعات خام بدست آمده از دستگاه SMPS ارائه شده است که با استفاده از آن می‌توان درجه اطمینان توزیع اندازه ذرات را بدست آورد. محققان با استفاده از این ابزار موفق شدند عدم قطعیت مربوط به تعیین اندازه ذرات با SMPS را شناسایی کنند و تاثیر عوامل مختلف را در عدم قطعیت مشخص کنند. بنابراین الان می‌توان عدم قطعیت را برای پارامترهای اصلی در این فرآیند بدست آورد (قطر میانه و انحراف استاندارد هندسی). توزیع اندازه ذرات را می‌توان با ابزارهای مختلف، بسته به نوع نیاز ما، اندازه‌گیری کرد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی نیز برای تعیین ابعاد مناسب هستد اما درصورتی که روش‌های ساده‌تریی نظیر DLS که قادر به شناسایی ابعاد نباشند باید از آنها استفاده کرد. در استفاده از روش‌های میکروسکوپی یک اشکال رایج برای تعیین توزیع اندازه ذرات مشاهده می‌شود و آن تعداد ذرات مورد استفاده برای محاسبه توزیع اندازه ذرات است.
این محدودیت با استفاده از نرم افزار پردازش تصویر قابل حل است. محققان این پروژه با استفاده از نرم افزار نانوفوکوس اقدام به شناسایی نانوذرات موجود در تصاویر SEM و AFM کرده و سپس در مورد این که کدام ذرات در تحلیل مورد استفاده قرار بگیرند تصمیم‌گیری می‌کنند. با استفاده از این راهبرد مبتنی بر نرم‌افزار می‌توان ذراتی که به دلیل تجمع و آگلومره شدن ابعاد بزرگتری پیدا کرده‌اند را از دایره اندازه گیری خارج کرد و خطای آزمون را کاهش داد. بنابراین با این روش امکان استخراج صدها نانوذره از تصاویر متعددی در مدت زمان چنددقیقه فراهم می‌شود.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

مطالعه ارزیابی خطر نانوالیاف کامپوزیتی در طول آتش‌سوزی برای محیط زیست و سلامت انسان :
انتخاب مواد کامپوزیتی برای طراحی آئروژل‌ها در حال عمومیت یافتن است. این مواد دارای مزایای متعددی نظیر کاهش جرم محصول نهایی و افزایش استحکام ساختاری است. استفاده از کامپوزیت‌ها به دلیل کاهش جرم ماشین‌ها موجب کاهش مصرف سوخت و نشر دی‌اکسید کربن می‌شود.
بررسی این کامپوزیت‌ها موجب می‌شود تا رفتار نانوساختارها در مهار آتش نمایان شود. از سوی دیگر در هنگام آتش‌سوزی افزایش دما موجب رهایش گازهای سمی از کامپوزیت‌ها می‌شود که این موضوع هنوز برای محققان شفاف نیست و باید مورد مطالعه قرار گیرد. بنابراین بررسی اثرات آتش گرفتن کامپوزیت‌ها روی محیط زیست و سلامت انسان از جمله مسائل مورد مطالعه در این پروژه موسسه مترولوژی فرانسه است.
پروژه‌ای توسط سه سازمان مختلف اروپایی با هدف بررسی این موضوع در حال انجام است. رهایش گازها و آئروژل‌ها از سوختن مواد کامپوزیتی توسط ابزارهای مختلفی نظیر SEM، AFM و CNC مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از شبیه‌سازی و مدل‌سازی رفتار این مواد پیش بینی خواهد شد.

مطالعه ارتباط میان نشر گازها با سوزاندن نانوساختارها:
در حال حاضر مواد مختلفی نظیر ترموپلاستیک‌ها، رنگ‌ها و الاستومرها در صنعت استفاده می‌شود که در حال حاضر هیچ روش تایید شده‌ای برای بازیافت آنها وجود ندارد. وارد شدن نانوذرات به داخل این ساختارها می‌تواند انتشار گازهای مختلف از آن را تحت تاثیر قرار دهد. ابهام دیگری نیز در اینجا وجود دارد: آیا نانوساختار خاص می‌تواند موجب تشکیل ذرات درشت نشر یافته از فرآیند سوختن شود؟ بررسی رفتار سوختن نانوساختارها توسط موسسه مترولوژی فرانسه در حال بررسی است. در این پروژه می‌توان ابزارها و روش‌های مورد نظر برای دسته بندی محصولات را بدست آورد و در نهایت فرآیندی برای کاهش خطرات نشر نانوذرات ارائه نمود.