خودآرایی

1- خودآرایی چیست؟

خودآرایی یکی از انواع روش‌های ساخت پایین‌به‌بالا است. در طی این فرآیند، با برقراری پیوندهای فیزیکی یا شیمیایی بین اجزای اتمی یا مولکولی، یک نانو‌ساختار منظم و به‌هم‌پیوسته به‌وجود می‌آید. بلورهای نمک یا دانه‌های برف نمونه‌هایی از ساختار‌های پیچیده هستند که با خودآرایی تشکیل می‌شوند (شکل 1).

نمونه‌های دیگری از ساختار‌های خودآرایی‌شده در مقیاس‌های کوچک‌تر در شکل 2 نشان داده‌شده است.

پازل به‌هم‌ریخته‌ای را در نظر بگیرید که به‌طور خودبه‌خود در حال چیده‌شدن است. گرچه تصور آن بسیار عجیب به‌نظر می‌رسد، اما رخداد چنین مسئله‌ای در طبیعت چندان عجیب نیست! در واقع، خودآرایی در بسیاری از سیستم‌های زیستی (بیولوژیک) و سیستم‌های فیزیکی مشاهده می‌شود. بسیاری از دانشمندان در زمینه‌های مختلف شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی، مهندسی و ریاضی مجذوب پدیده خودآرایی شده‌اند و تحقیقات فراوانی را به‌منظور طراحی و کنترل رفتار سیستم‌های خودآرا انجام می‌دهند. با پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو و روش‌های ساخت در مقیاس میکرو و نانو، بررسی خودآرایی امکان‌پذیرتر از گذشته شده است. با توجه به اینکه فرآیند خودآرایی ابتدا در مقیاس نانو مشاهده شد و پس از آن در مقیاس‌های بزرگ‌تر شبیه‌سازی شد، این سؤال مطرح می‌شود که چگونه می‌توان یا استفاده از خودآرایی، یک سازه مفید و کارآمد در مقیاس بزرگ‌تر ساخت؟ روش‌های سنتی در ساخت قطعات، دقت محدودی دارند و برای ساخت قطعات بسیار کوچک (در ابعاد نانو) باید روش‌های جدیدی توسعه یابند.

پدیده خودآرایی به‌طور طبیعی پیرامون ما انجام می‌گیرد که از لحاظ علمی و فناوری بسیار مهم هستند. سلول‌ها از مواد پیچیده‌ای مانند بافت‌های چربی، پروتئین‌ها، ساختارهای اسیدی و غیره تشکیل شده‌اند که به‌طرز شگفت‌آوری با خودآرایی در کنار هم قرار‌گرفته و سلول‌ها را ساخته‌اند. خودآرایی روشی برای ایجاد ساختارهای منظم پرکاربردی (مانند کریستال‌های مولکولی، کریستال‌های مایع و نیمه‌کریستال‌ها) است. همچنین، می‌توان از آن در ساخت موادی با اندازه‌های بزرگ‌تر که در مبحث مواد چگال کاربرد زیادی دارند، استفاده کرد. خودآرایی همچنین یکی از پرکاربردترین روش‌های ساخت پایین‌به‌بالا در مقیاس نانو است. بنابراین، می‌توان ادعا کرد که خودآرایی در زمینه‌های مختلفی مانند شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی، علم مواد، فناوری نانو و فرایند‌های ساخت بسیار مهم و پرکاربرد است.

2- مکانیزم‌های خودآرایی

فرایند خودآرایی بر مبنای مکانیزم‌های مختلفی انجام می‌پذیرد. در ادامه، این مکانیزم‌ها به‌همراه مثال‌هایی که حتی در آشپزخانه منزل هم قابل‌انجام هستند، تشرح خواهند شد.

1-2- خودآرایی به‌وسیله نیرو‌های مویینگی
بسیاری از سیستم‌های خودآرا با نیروهای مویینگی انجام می‌شود. گروهی از محققان دانشگاه هاروارد، چند نمونه از این سیستم‌های خودآرا را طراحی و بررسی کرده‌اند. نیروی جاذبه قوی که بین مولکول‌های آب وجود دارد باعث کشش سطحی شده و این نیرو منشأ ایجاد نیروهای موئینگی است که خود می‌تواند باعث خودآرایی شود. اشیای کوچک که بر روی سطح آب شناورند یکدیگر را جذب می‌کنند. در واقع جاذبه بین مولکول‌های آب و جسم و همچنین جاذبه بین خود مولکول‌های آب (کشش سطحی) باعث ایجاد نیروی جاذبه بین ذرات شده و آن‌ها را به سمت هم جذب می‌کند. یکی از اثرات کشش سطحی آب این است که حشرات سبک می‌توانند بدون آنکه در آب فرو روند، برروی سطح آب راه بروند. وقتی دو سطحِ آب‌گریز با یکدیگر برخورد می‌کنند، تماس خود را حفظ می‌کنند که علت این پدیده نیز با نیروی بین دو سطح آب‌گریز و کشش سطحی آب مرتبط است. یک مثال ساده عبارت از تجمع حباب‌های هوا بر روی سطح آب است (شکل 3). اگر یکی از حباب‌های بزرگ‌تر بترکد، خوشه تشکیل‌شده از حباب‌ها آرایش خود را عوض کرده و با ایجاد چینشی جدید و متراکم، جای خالی به‌وجود‌آمده را به‌سرعت پر می‌کند.

چنانچه اندازه حباب‌ها یکسان باشد، الگویی مانند شکل 4 به وجودمی‌آید که به “قایق حبابی [bubble raft]” موسوم است.

در حالت کلی، خودآرایی ذرات شناور در آب به‌وسیله نیروهای موئینگی رخ می‌دهد. ذرات شناور در آب دارای سطوح آب‌گریز یا آب‌دوست هستند و هنگامی‌که محیط شناوری آن‌ها آب باشد، به‌دلیل برهم‌کنش متقابل ذرات و همچنین نیروی بین ذرات و مولکول‌های آب، خودآرایی رخ می‌دهد. چنانچه محیط این ذرات به جای آب، روغن یا الکل باشد، خودآرایی متوقف می‌شود. در این حالت نیروهای دیگری مانند نیروی الکترواستاتیک می‌توانند باعث خودآرایی شوند.

2-2-  خودآرایی به‌وسیله نیروی الکترواستاتیک (الکتریسیته ساکن)
علاوه بر نیروهای موئینگی، نیروهای الکترواستاتیک نیز می‌توانند باعث خودآرایی شوند. تقریباً همه ما با آزمایش شانه و خُرده‌کاغذ آشنا هستیم و زنجیره‌هایی کاغذی را در زیر شانه دیده‌ایم. با انجام یک آزمایش می‌توان این نوع خودآرایی را مشاهده کرد. شکل 5، ظرف حاوی روغن نباتی و ذرات برنج را نشان می‌دهد که پس از اعمال ولتاژ 15 کیلو ولت، میدان الکتریکی حاصل باعث خودآرایی ذرات شناور در روغن شده است.

3-2- خودآرایی به‌وسیله نیروهای مغناطیسی
یکی دیگر از سیستم‌های جالب و مورد توجه، خودآرایی، به‌وسیله نیروهای مغناطیسی است. نمونه‌ای از این نوع خودآرایی در شکل 6 نشان داده شده است. در این مثال، تعدادی آهنربای کوچک به‌طور تصادفی درون یک ظرف قرار دارند و با یک تکان ساده، آهن‌رباها به یکدیگر چسبیده و سیستم منظم‌تری را بوجود می‌آورند و به نوعی خودآرایی می‌کنند.

با توجه به شکل 6، دیده می‌شود که آهنرباها به‌طور تصادفی پخش شده بودند و در اثر تکان‌دادن، سازه‌ای زنجیره‌ای را تشکیل دادند. البته باید به این نکته دقت کرد که پس از تکمیل این فرایند، بی‌نظمی همچنان در سیستم وجود دارد. یعنی اگر آهنرباها را شماره‌گذاری کنیم خواهیم دید که سیستم نهایی ترتیب یکسانی از اعداد نخواهد داشت یا اگر بدنه هر آهنربا را با نوارهای رنگی رنگ کنیم، خواهیم دید که سیستم نهایی از لحاظ رنگ‌آمیزی متفاوت خواهد بود.

خودآرایی با تغییر شرایط محیطی از طریق اعمال میدان مغناطیسی خارجی به سیستم، گامی روبه‌جلو محسوب می‌شود. استفاده از فروسیالات [Ferrofluids] مثالی کلاسیک برای کنترل سیستم از طریق اعمال میدان‌های مغناطیسی است. در فروسیالات، نانوذرات مغناطیسی یا فرومغناطیسی در داخل یک محیط مایع شناور هستند. هنگامی که هیچ میدان مغناطیسی خارجی اعمال نشود، سیال به‌عنوان یک سیال نیوتونی معمولی رفتار می‌کند. ذرات کوچک بوده و هر‌گونه برهم‌کنش بین ذرات ضعیف بوده و موجب تغییر رفتار بالک سیال نمی‌شود. با این حال، با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی، تغییر خواص رئولوژی سیال مشهود خواهد بود. نمونه‌ای از یک فروسیال درون ظرفی که بر روی یک آهنربای دائمی قوی قرار دارد، در شکل 7 نشان داده شده است. در نگاه اول، ممکن است تصور شود که تصویر مشاهده‌شده مربوط به یک سیال نیست. میدان مغناطیسی خارجی باعث هم‌راستا‌‌ شدن ذرات و تشکیل زنجیره‌هایی به‌صورت یک ساختار شبکه‌ای می‌شود که رفتار سیال نیوتونی را به‌طور کامل تغییر می‌دهد. در این شکل، رقابت میان کشش سطحی و تمایل زنجیره‌های ساخته‌شده از ذرات به قرار‌گیری در راستای خطوط میدان منشأ تشکیل مناطق سر‌نیزه‌مانند است. فروسیالات در ضربه‌گیر‌ها، کلاچ و ترمز خودرو‌ به‌کار می‌رود.

3- مبانی خودآرایی مولکولی

تاریخچه خودآرایی به مطالعات مولکولی بر می‌گردد. برای ایجاد خودآرایی در یک سیستم مولکولی، پنج ویژگی مهم وجود دارد که عبارتند از:

· اجزای سیستم: یک سیستم خودآرا از گروه‌های مولکولی یا بخش‌هایی از درشت‌مولکول‌ها تشکیل شده است. این مولکول‌ها یا درشت‌مولکول‌ها می‌توانند یکسان یا متفاوت باشند و با یکدیگر در تعامل هستند. تعامل بین آن‌ها باعث می‌شود که از نظم کمتر (مانند محلول) به نظم بیشتر (مانند کریستال) تغییر حالت دهند.

· تعامل بین اجزا: خودآرایی زمانی انجام می‌شود که نیروهای جاذبه و دافعه بین مولکول‌ها به تعادل برسند. این نیروها ضعیف بوده و معمولاً از نوع غیر‌کووالانسی (مانند نیروهای آب‌گریزی) هستند.

· بازگشت‌پذیری (انطباق‌پذیری): برای ایجاد ساختارهای منظم در فرآیند خودآرایی، تجمع‌های مولکولی بایستی بازگشت‌پذیر باشند، بدین صورت که مولکول‌‌ها بتوانند جای خود را در ساختار اولیه تغییر داده و تنظیم کنند. چنانچه مولکول‌ها به طور بازگشت‌ناپذیر به یکدیگر متصل شوند، ساختار آمورف (مانند شیشه) به جای ساختار بلوری ایجاد می‌شود (شکل 8).

· محیط: خودآرایی مولکولی معمولاً در یک محلول یا محیطی انجام می‌شود که به راحتی بتوانند در آن حرکت کنند. برهمکنش میان مولکول‌ها و محیط بر روی سرعت فرایند خودآرایی مؤثر است.

· انتقال جرم: برای خودآرایی، حرکت مولکول‌ها لازم و ضروری است؛ بنابراین در فرآیند خودآرایی به نوعی انتقال جرم انجام می‌شود.

محصولاتی که به روش خودآرایی ساخته می‌شوند، بسیار متنوع بوده و می‌توان آن‌ها را براساس ویژگی‌ها و خواص ظاهری مانند محصولات و ساختار‌های دو‌بعدی یا سه‌بعدی، تک‌لایه یا چندلایه، با ابعاد نانومتری، میکرونی یا میلی‌متری و غیره تقسیم‌بندی کرد. نحوه تشکیل یک ساختار خودآرای تک‌لایه در شکل 9 نشان داده شده است.

روش‌های مختلفی برای خودآرایی مولکولی مستقیم مورد‌استفاده قرار می‌گیرد که از میان آن‌ها می‌توان به هم‌راستایی با اعمال تنش برشی [Shear alignment]، هم‌راستایی با اعمال میدان الکتریکی، هم‌راستایی با اعمال میدان مغناطیسی، تابکاری موضعی، انجماد جهت‌دار، برهم‌کنش‌های فصل‌مشترکی، تابکاری با بخار حلال، خود‌آرایی به کمک الگو، ریخته‌گری موضعی [Zon casting] و لایه‌نشانی به روش الکترواسپری اشاره کرد. مبانی فیزیکی، مشخصات فرایند و مواد مورد‌استفاده در هر کدام از این روش‌ها در جدول 1 به‌طور خلاصه آورده شده است.

جدول 1- معرفی روش‌های خودآرایی مولکولی مستقیم به‌همراه خلاصه‌ای از اصول فیزیکی حاکم، مشخصات فرایند، مشخصات محصول و مواد قابل‌استفاده در آن‌ها.

4- خودآرایی برای جلوگیری از رشد ترک

نیروهای اعمالی به یک جسم بسته به مقاومت و خواص مکانیکی آن، باعث ایجاد ترک‌های بسیار کوچک میکروسکوپی در آن می‌شوند. چنانچه این میکروترک‌ها به‌هم بپیوندند، اندازه آن‌ها بزرگ و بزرگ‌تر شده و درنهایت باعث شکستن و تخریب جسم می‌شوند.

جلوگیری از ایجاد و رشد ترک در بسیاری از سازه‌ها (پل‌ها، بال هواپیماها، ساختمان‌ها و غیره) بسیار مهم است. زمانی که ترکی ایجاد می‌شود، نیروهای وارد بر سازه باعث رشد ترک می‌شوند. بنابراین یکی از روش‌های جلوگیری از رشد ترک، توزیع و پخش نیروهایی وارده است. تصور کنید که می‌خواهید چوبی را با دست به دو تکه بشکنید. یک چوب ترک‌دار خیلی راحت از یک قطعه چوب با مقطع دایره‌ای شکل بدون ترک شکسته می‌شود. زیرا در چوب ترک‌دار یا زاویه‌دار نیروها متمرکز شده و به‌صورت موضعی عمل می‌کنند؛ در حالی که در چوب گرد، نیروها پخش می‌شوند. در جنگ جهانی دوم برای جلوگیری از رشد ترک‌های بال هواپیما از این روش استفاده می‌کردند، بدین صورت که در هر دو انتهای ترک سوراخ‌هایی ایجاد می‌کردند تا نیروها پخش شده و طول ترک‌ها افزایش پیدا نکند (شکل 10). کفاش‌ها نیز به همین روش عمل می‌کنند و در قسمت‌هایی که تحت تأثیر نیرو هستند (محل عبور بند کفش) از سوراخ‌های دایره‌ای استفاده می‌کنند تا نیروی ناشی از بستن بند کفش، چرم را پاره نکند.

امروزه فناوری نانو راه‌های جدیدی را برای جلوگیری از رشد ترک ارائه داده است. محققان دانشگاه الینویز کامپوزیتی را ساخته‌اند که قابلیت خودترمیمی دارد. در این کامپوزیت میکروکپسول‌هایی وجود دارد که حاوی مواد پلیمری است و هرگاه این میکروکپسول‌ها با ایجاد ترک آسیب ببینند و پاره شوند، محتوای آن‌ها با کاتالیزور موجود در زمینه تماس پیدا کرده و سریعاً سخت می‌شود و بدین صورت باعث ترمیم ترک شده و از رشد آن جلوگیری می‌کند (شکل 11).

کارایی این فرایند در دمای اتاق 100% و در دمای 617 درجه فارنهایت 80% بوده است. محققان همچنان سعی دارند تا با یافتن نسبت مناسبی از کاتالیزور و میکروکپسول‌ها، این فرایند را بهینه کنند.

5- جمع‌بندی

در این مقاله، فرایند خودآرایی به‌عنوان یک روش ساخت پایین‌به‌بالا معرفی شد. مکانیزم‌ها و روش‌های مختلف خودآرایی مورد‌ بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که  این روش‌ها نه تنها در مقیاس نانو بلکه در مقیاس‌های بزرگ‌تری (مانند حباب‌های صابون، ذرات برنج و آهنرباهای دایره‌ای) نیز قابل مشاهده هستند.