تصویر سه‌بعدی از ساختارهای طبیعی

فناوری نانوفرمینگ دقیقا چیست و از چه زمانی استفاده شده است؟

سال‌هاست در صنایع مهندسی، الکتروفرمینگ یعنی فرم‌دهی فلزات به کمک الکتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین علت علم مهندسی سطح هم که به بررسی رابطه سطوح با خواص مهندسی مواد می‌پردازد را دهه‌هاست می‌شناسیم؛ اما فناوری نانوفرمینگ، یکی از زیرشاخه‌های فناوری نانو محسوب می‌شود که همانند فناوری نانو، رویکردی جدید به دانش‌های قدیمی است و عمر چندانی ندارد.

این تکنیک در الکتروفرمینگ و علم مهندسی سطح، تحول بزرگی را ایجاد خواهد کرد و ظرفیت‌های جدیدی را در این دو رشته پدید خواهد آورد. خوشبختانه کشور ما در دستیابی به این تکنیک، جزو اولین‌هاست و با این تکنیک، بسیاری از ساختارها و سطوح نانویی را می‌توان برای اولین بار در دنیا تولید کرد و پس از بررسی، این خواص جدید را در قالب مقالات علمی گزارش کرد.

اما چه ویژگی‌ها و قابلیت‌هایی باعث شده‌اند تا این فناوری بتواند خواص جدیدی را با استفاده از توانایی‌های خاص موجودات طبیعی الگوبرداری کند؟

مهم‌ترین ویژگی طرح و ایده ما، استفاده از نانوساختارهای طبیعی به عنوان مدل و نمونه اولیه جهت ساخت نانوساختارهای جدید فلزی است که این ساختارهای جدید برای ما خواص مهندسی جدید و مهمی را ایجاد خواهند کرد. روشن است که بسیاری از خواص استثنایی مواد طبیعی به خاطر شکل و فرم آنهاست، به همین دلیل هم توانمندی کپی‌برداری سه‌بعدی از ریز ساختارهای طبیعی ظرفیت‌های جدید و بسیار متنوعی را برای دستیابی به خواص جدید پدید خواهد آورد و ما خواهیم توانست خواص بی‌نظیر مواد طبیعی را به دست‌ساخته‌های خود منتقل کنیم، به طور مثال خاصیت آب‌گریزی برگ گیاه نیلوفر آبی که باعث تمیز شدن خودکار سطح برگ می‌شود، به خاطر نانوساختارهای سطح برگ این گیاه است که ما با کپی‌برداری سه‌بعدی از این نوع سطوح خواهیم توانست سطوحی فلزی دقیقا با همان خاصیت برگ گیاه نیلوفر آبی بسازیم یا میکروپرزهای سطح پوست بدن کوسه که از نوعی آیرودینامیک مولکولی برخوردار است، یکی از عوامل مهم در سرعت عمل بالای این جانور است. با تکنیک نانوفرمینگ خواهیم توانست این ساختارها را به سطوح فلزی منتقل کنیم و از روی نمونه فلزی، نمونه‌های صنعتی بسازیم و به این ترتیب، تحول بزرگی در علم مهندسی سطح ایجاد کنیم. همچنین در این روش خواهیم توانست سطوحی با نانوکریستال‌های جهتدار که با روش‌های شناخته‌شده فعلی به هیچ وجه امکان ساخت آنها وجود ندارد، ساخت. قابلیت دیگر این روش، امکان ساخت میکرو و نانولوله‌های فلزی با طول بسیار زیاد و آرایه‌بندی‌های انتخابی است که این ویژگی از ویژگی‌های بسیار مهم در ساخت نانولوله‌ها محسوب می‌شود؛ چراکه در روش‌های دیگر ساخت نانولوله‌ها، این امکان وجود ندارد.

کپی‌برداری سه‌بعدی به کمک این فناوری چگونه و در چه مراحلی انجام می‌شود؟ حتما این نوع کپی‌برداری که در ابعاد نانو انجام می‌شود، پیچیده‌تر از روش‌های مرسوم فعلی است.

حدودا از 4000 سال پیش کار روی این طرح شروع شده و در برخی محصولات، توانایی تولید صنعتی نیز وجود دارد؛ اما با توجه به این‌که بسیاری از ساختارها برای صنایع ناآشنا و جدید هستند، لازم است ابتدا در قالب طرح‌های تحقیقاتی مورد ارزیابی قرار گیرند تا بتدریج قابلیت کاربردی شدن را پیدا کنند.

مراحل طراحی را توضیح دهید.

در این تکنیک، ابتدا ساختار یا سطح موردنظر را به عنوان مدل اولیه و الگو انتخاب می‌کنیم و با پوشش دادن یک لایه فلز روی آن (با روش‌های شیمیایی، فیزیکی یا الکتروشیمیایی) دقیقا ساختارهای مدل در ابعاد نانو به پوشش فلزی منتقل خواهند شد. در این تکنیک، اتم‌ها همانند آجرهایی روی سطح مدل اولیه قرار گرفته و به هم متصل می‌شوند؛ چون اتم‌ها در ابعاد آنگسترم هستند، براحتی خواهند توانست سطوح نانویی را کپی‌برداری کنند. در نهایت پس از رسیدن به ضخامت و استحکام مورد نظر با استفاده از حلال‌های شیمیایی یا حرارت، نمونه مدل اولیه را از درون ساختار فلزی خارج می‌کنیم.

در این طرح، از چه فناوری و تجهیزاتی استفاده شده است؟ اهمیت اجرای این طرح از لحاظ علمی، اقتصادی و... چیست؟

به عنوان اصلی‌ترین تکنیک‌ها در نانوفرمینگ به طرحی به نام CVD-PVD-ELECTROLESS-ELECTROPLATING می‌توان اشاره کرد. به طور کلی این طرح از لحاظ علمی یک جریان تحقیقاتی را در مهندسی مواد و مهندسی سطح به دنبال خواهد داشت؛ چراکه بررسی خواص مهندسی ساختارها و سطوح جدید ‌باید در قالب طرح‌‌های تحقیقاتی و دانشجویی ارزیابی و در نهایت به‌صورت مقاله به مجامع علمی گزارش شوند. بدیهی است این مواد و ساختارهای جدید پس از طی مراحل تحقیقاتی و تایید اثربخشی در بازده فرآیندها، بازارهای داخلی و خارجی مناسبی برای فروش پیدا خواهند کرد؛ زیرا در بسیاری از حوزه‌های مهندسی، استفاده از قابلیت جدیدی به نام شکل و فرم مواد، خواص و بازده فرآیندها را بهینه خواهد کرد و همین مساله در اقتصادی شدن آنها موثر خواهد بود.

یکی دیگر از کاربردهای این روش در کشورهای پیشرفته صنعتی در هرباریوم‌های گیاهی است؛ چون برگ‌ها خشک و شکننده هستند و رنگشان تغییر می‌کند و براحتی از میان می‌روند، می‌توان با تبدیل آنها به شکل فلز از نابودی آنها جلوگیری کرد؛ البته ممکن است کاربرد عمده نانوفرمینگ ‌مختص موارد گفته شده نباشد؛ اما کار درخصوص میکرولوله‌های فلزی به عنوان حسگر در کارهای تحقیقاتی در حال انجام است که البته هنوز به مرحله صنعتی نرسیده است.

چه سازمان‌ها یا مراکزی این طرح را حمایت کرده‌اند؟

بیشتر دانشگاه‌ها برای انجام طرح‌‌های تحقیقاتی به منظور بررسی خواص مواد و ساختارهای جدید ساخته شده از این طرح حمایت می‌کنند.

امکان صادرات دانش فنی یا محصولات حاصل از این طرح هم وجود دارد؟

بله، هم‌اکنون برخی محصولات تولید شده با این روش امکان صادرات دارند، به عنوان مثال میکرولوله‌های فلزی به عنوان مبدل‌های کاتالیستی یا شیمیایی مورد ارزیابی قرارگرفته‌اند که نتایج کاملا بیانگر موثر بودن این ساختارها و اقتصادی بودن استفاده از آنهاست و همین مساله زمینه‌های صادرات و فروش این محصولات را فراهم خواهد کرد.

از نتایج آن مقاله‌ای در نشریات بین‌المللی به چاپ رسیده؟

روش ساخت برخی مواد به کمک این تکنیک به صورت گزارش‌های علمی در نشریات دانشگاهی قبلا چاپ شده و در حال حاضر مقالاتی برای چاپ در نشریات بین‌المللی در دست تدوین است.

آینده این طرح را چگونه ارزیابی می‌کنید؟

با توجه به اهمیت روزافزون علم نانو، این طرح (نانوفرمینگ) به یکی از شاخه‌های بسیار مهم مهندسی نانو تبدیل خواهد شد؛ زیرا طبیعت به عنوان منبع عظیمی از ریزساختارها با خواص استثنایی الگوی تمام‌نشدنی از مدل‌ها را در اختیار ما قرار داده است و به کمک این تکنیک، ما به آنها دست خواهیم یافت و از این طریق به ارتقای دانش و توانمندی‌های بشری کمک خواهیم کرد.

بهاره صفوی