نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه پنجم
اهداف جلسه:
1- چگونه نانوساختارها را تولید کنیم؟
2- مغناطیس
1-5) چگونه نانو ساختارها را تولید کنیم؟
حال که به اهمیت مواد در مقیاس نانو پی بردید، احتمالا این سوال برایتان پیش آمده است که با کدامین ابزار می توان مواد را در این مقیاس کوچک تولید کرد؟ تا به امروز روش های گوناگونی برای ساخت نانو مواد وجود دارد که بعضی شیمیایی و بعضی فیزیکی هستند. این روش ها را می توان در دو گروه کلی روش های از بالا به پایین و از پایین به بالا تقسیم بندی کرد. منظور از بالا و پایین در این جا، مقیاس است، بالا به معنی مقیاس های بزرگ تر از نانو می باشد، بنابراین روش های از بالا به پایین شامل روش هایی است که در آن ها، نانوساختارها مستقیما از مواد معمولی و درشت مقیاس تهیه می شوند. به عبارت دیگر با استفاده از این روش ها مواد را خرد و آن ها را به ابعاد نانو تبدیل می کنند. روش های از پایین به بالا به معنی شروع کردن از مقیاس های زیر نانو و رسیدن به ابعاد نانو است.
از اهداف مهم فناوری نانو – و شاید مهم ترین آن ها به وجود آوردن ساختارهایی از مواد است که در آن ها آرایش مولکول ها از پیش طراحی شده باشد. روش های مرسوم تولید، مثل روش ذوب فلزات و سرد کردن آن ها در قالب، چنین امکانی را فراهم نمی کنند. پس چگونه می توان چنین ساختارهایی را به وجود آورد؟
در این بخش به این سوال پاسخ داده می شود. فرض کنید تعدادی آجر خانه سازی دارید و می خواهید با آن چیزی – بهتر است بگوییم “ ساختاری” مانند شکل (1) بسازید.
شکل (1)
چگونه این کار را انجام میدهید؟ احتمالا روش شما هم با ما یکی است: چهار آجر دو در دو را کنار هم میگذارید و بعد چهار آجر دو در دوی دیگر را به صورت عمودی به آنها متصل میکنید تا ساختار مورد نظر شکل بگیرد.
بسیار خوب، حالا فرض کنید که وقتی آجرهای خانه سازی را از فروشگاه میخرید، آنها به شکل یک مکعب بزرگِ پیشساخته مثل شکل2 باشند.
شکل (2)
حال اگر بخواهید به شکل (1) برسید چه می کنید؟ آجرهای اضافی مکعب بزرگ را حذف کنید تا شکل (1) کم کم خودش را نشان دهد. (مانند شکل 3 )
شکل (3)
در روش اول با استفاده از قطعات کوچک یک قطعه بزرگ تر ساخته شد. به این روش، ساختن از پایین به بالا گفته می شود و در روش دوم قطعات زائد یک قطعه بزرگ حذف شد تا ساختار مورد نظر حاصل شود. این روش، ساختن از بالا به پایین گفته می شود. حالا فرض کنید یک ساختار جدید برای ساختن پیشنهاد شود، مانند شکل 4.
شکل (4)
حال از کدام روش برای ساختن این ساختار باید استفاده شود؟ این بخش برای ساده کردن همین پیچیدگی نوشته شده است. یکی از عوامل تعیین کننده ی جواب، این است که ماده اولیه بخش به چه شکل است؟ اگر ماده در دسترس تعدادی قطعه ی کوچک و ریز باشد، از روش پایین به بالا استفاده می شود. اگر ماده اولیه یک قطعه ی بزرگ باشد، از روش بالا به پایین استفاده می شود. در عین حال، ممکن است هر دو روش نیز به کار می رود. مثلاً اگر ماده اولیه برای ساختن شکل (5) به صورت مکعب بزرگی با آجرهای دو در چهار، یعنی همان شکل( 2 ) باشد، نمی توان با حذف بعضی آجرها مستقیما یه ساختار نهایی رسید. در این حالت، می توان آجرهای بالا و پایین ساختار شکل (4) را برداشت (ساختن از بالا به پایین) و بعد دو آجر با ابعاد 2×2 به جای آن ها متصل کرد. (ساختن از پایین به بالا)
در صنعت از دو روش با هم استفاده می شود. به مثال های زیر توجه کنید:
یک نجار می خواهد مجسمه های چوبی بسازد. او یک قطعه ی بزرگ چوب را برمی دارد و با رنده و سوهان آن را می تراشد و پرداخت می کند تا مجسمه ساخته شود. (ساختن از بالا به پایین)
نجار می خواهد یک صندلی بسازد. او پایه های میز و قطعات مربوط به تکیه گاه صندلی را جداگانه می سازد و بعد آن ها را به هم متصل می کند. (ساختن از پایین به بالا)
حال به فناوری نانو فکر کنید: به نظر شما کدام روش ساختن در این فناورری کاربرد دارد؟
تاچند سال پیش، راه دست کاری و جابه جا کردن تک مولکول ها و ساختارهای نانویی یک طرفه بود. یعنی برای ساختن چیزها در مقیاس کوچک، می بایست یک قطعه ی بزرگ تر را با تراشیدن و خرد کردن یا حل کردن بخش های اضافی با اسید و ... آن قدر کوچک می کردیم تا به قطعه ی نهایی برسیم. به عبارت دیگر، روش تولید ساختارهای کوچک، از نوع بالا به پایین بود.
در چند سال اخیر روش هایی ابداع شده اند که اجازه می دهند مولکول ها یا ذرات نانویی را جابه جا و آن ها را به هم متصل کنیم. مثال جابه جا کردن ذرات نانویی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یا روش های ساختن نانو لوله های کربنی، این روش ها در مجموع روش ساختن از پایین به بالا هستند.
روش های گفته شده در بالا، برای ساختن محصولاتی که بسیار کوچک اند مناسب هستند. اما اگر بخواهیم یک دیوار چند سانتی متری یکدست را با این روش بسازیم، چند ده سال طول می کشد تا مولکول ها را تک تک کنار هم بچینیم و دیوار مورد نظر را بسازیم. در عین حال، اگر بخواهیم دیوار را با استفاده از مواد موجود، مانند فلزات و سنگ های ساختمانی، بسازیم، دیوار یک دست و منظم نخواهد بود. پس چه کار کنیم؟
پیدا کردن روش های تولید مناسب در فناوری نانو موضوعی است که در چند سال اخیر به شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. درواقع، در فناوری نانو هم از روش ساختن از بالا به پایین استفاده می شود و هم از روش ساختن از پایین به بالا.
2-5) مغناطیس
مغناطیس نیرویی است که باعث میشود آهنربا مادهی مغناطیسی را جذب کند. مغناطیس انواع مختلفی دارد که با توجه به رفتار مغناطیسی نشان داده شده توسط آهنربا طبقه بندی میشود.
مغناطیس به عنوان پدیدهای توصیف میشود که در آن ذرات باردار آهنربا نیرو تولید میکنند. به عبارت سادهتر، یک مادهی مغناطیسی برای مثال آهن توسط آهنربا با نیروی مغناطیس جذب میشود. نیروی تولیدشده ممکن است از نوع جاذبه با دافعه باشد. نوع نیروی تولید شده به جهت گیری ذرات باردار بستگی دارد.
هر ذرهی باردار هنگام حرکت میدان مغناطیسی ایجاد میکند. از اینرو، الکترونی که در اطراف هسته در حال گردش است نیز میدان مغناطیسی ایجاد میکند. تفاوت میان آهنربا با مواد دیگر آن است که در آهنربا همهی الکترونها در یگ جهت حرکت میکنند و به این ترتیب در اطراف آهنربا میدان مغناطیسی تولید میکنند. در مورد مواد دیگر الکترونها به طور نامنظم در گردش هستند و از اینرو، میدان مغناطیسی در جهتهای مختلف پراکنده میشود. در چنین شرایطی تأثیر مغناطیسی عمیقی وجود ندارد.
تأثیر مغناطیسی آهنربا در دو انتها که قطب نامیده میشود قویتر است. هر آهنربا صرف نظر از اندازهی آن دارای دو قطب است – قطب شمال و قطب جنوب. میدان مغناطیسی قطب شمال را ترک میکند و وارد قطب جنوب میشود. آهنربا دو قطبی نامیده میشود زیرا، دارای دو انتهاست که به طور متفاوت عمل میکنند; قطبهای مخالف همدیگر را جذب میکنند و قطبهای موافق همدیگر را دفع میکنند. از آهنربا در وسایل الکتریکی ، قطب نما ، آهنرباهای صنعتی ، ساخت و ساز ، کارتهای اعتباری و غیره استفاده میشود.
مطالب مرتبط:
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه اول
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه دوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه سوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه چهارم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه پنجم
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه و تنظیم: اعظم اژدری