دست‌یافتن به روش‌هایی برای شکل‌دهی به سطوحی در ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر از زمان‌های دور، قابل توجه دانشمندان بسیاری بوده است و آن‌ها پیوسته راه‌های گوناگونی را برای دست‌یابی به چنین هدفی امتحان کرده اند؛ زیرا چنین دستاوردی قابلیت کنترل همه جانبه‌ی سطوح از نظر ترکیب و ساختار فیزیکی را فراهم کرده و دانشمندان عرصه‌های گوناگون از جمله الکترونیک، زیست‌شناسی، یا داروسازی را در ورود به دنیای پر از ندانسته‌های نانوتکنولوژی توانمند می‌سازد. با این وجود، متأسفانه تنها تکنولوژی‌های انگشت‌شماری وجود دارند که قادر به اعمال تغییرات در سطوح مختلف، آن هم با چنین قدرت و کنترلی هستند؛ که اغلب آن‌ها نیز محدودیت‌های بسیاری از قبیل محیط انجام کار، مواد قابل استفاده، و هزینه‌ی تولیدی دارند.
مقاله مرتبط: نانوتکنولوژی در گذر زمان: تاریخی بزرگ برای پدیده‌ای کوچک
پس از اختراع میکروسکوپ STM، دانشمندان به ذنبال راهی برای تبدیل این میکروسکوپ با رزولوشن بالا به ابزاری برای شکل‌دهی سطوح بوده اند، و در همان روزهای اول، همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، ایگلر و تیمش با تصویربندی لوگوی شرکت IBM با اتم‌های زنون، امکان‌پذیربودن این کار را به تصویر کشیدند، با این وجود، علی‌رغم سطح بالای کنترلی که بدین وسیله برای اولین بار در مقیاس نانو ارائه شد، این تکنیک محدودیت‌های بسیار زیادی داشت؛ از جمله نیاز به انجام آن در دماهای هلیوم مایع (۴ درجه‌ی کلوین)، و خلآ بسیار شدید و محدودبودن آن به سطوح رسانا.
با اختراع میکروسکوپ AFM، ۴ رویکرد جدید برای طراحی سطوح، به روال زیر ایجاد شد:
- اکسیداسیون آندی: که با اکسیدکردن سطح، طری را برروی آن ایجاد می‌کنند.
- نانوگرافت: که در آن لایه‌ای به ضخامت یک مولکول روی سطح را پوشش داده و از یک سوزن نوک تیز برای حذف آن و ایجاد طرح استفاده می‌شود.
- طراحی نانوالکتروشیمیایی: که در آن از سوزن نوک تیز پروب برای تبدیل گروه انتهایی یک ماده تک لایه به ساختاری دارای عملکرد که متعاقباً از نظر شیمیایی قابل تغییر است، استفاده می‌شد.
- نوشتن ترمومکانیکی: که در آن سوزن نوک تیز پروب همراه با گرمکنی موضعی برای بازآرایی گرمایی یک سوبسترای پلیمری استفاده می‌شود.
التبه تمام این تکنیک‌ها به طرز قابل توجهی دارای یک وجه اشتراک خاص هستند و آن هم وابستگی آن‌ها به رساندن انرژی به جای مولکول‌ها به سطوح برای ایجاد طرح است.این یعنی چنین روش‌هایی به معنای عام تخریب‌کننده‌ی سطوح، و نه سازنده‌ی آن‌ها هستند و این ویژگی، نوع طرح‌های قابل اجرا با آن‌ها را محدود می‌کند.
تا اینکه در سال ۱۹۹۹، چاد میرکین (Chad A. Mirkin) و همکارانش در دانشگاه نورث وسترن، روشی جدید به نام نانولیتوگرافی قلم آغشته (DPN) را معرفی کردند که حرکتی مهم در راستای استراتژی‌های استفاده از میکروسکوپ‌های روبشی برای طراحی سطوح به شمار می‌آید. این تکنیک اولین روش طراحی براساس پروب روبشی بود که در آن مولکول‌ها به طور مستقیم و متداوم از سطح یک سوزن نوک تیز آغشته به مولکول، به گونه‌ای سازنده، و نه تخریبی برروی سطوح افزوده می‌شدند.
با استفاده از نانولیتوگرافی قلم آغشته مولکول‌هایی که به عنوان جوهر استفاده می‌شوند، سطح نوک سوزن پروب میکروسکوپ AFM را پوشانده و از طریق تماس پروب با سطوح، و حرکت آن، برروی سطوح مختلف منتقل می‌شوند. این جوهرها معمولاً موادی با وابستگی (Affinity) بالا به سطوح هستند و لذا طرح‌های ایجادشده توسط آن‌ها ضخامتی به نازکی یک مولکول را خواهند داشت که پارامترهای فیزیکی آن‌ها از جمله ضخامت و قدرت تفکیک، با چگونگی حرکت پروب برروی سطح قابل کنترل است. در این روش از قوس آب که به طور طبیعی هنگام تماس نقطه‌ای بین نوک سوزن و سطح تشکیل می‌شود برای کنترل انتقال جوهر استفاده می‌شود و لذا بسیاری از انواع ابزار نانولیتوگرافی قلم آغشته، در محیطی با قابلیت کنترل رطوبت و دما استفاده می‌شوند تا امکان تنظیم انتقال جوهر وجود داشته باشد.
از چه موادی می‌توان به عنوان جوهر در روش نانولیتوگرافی قلم آغشته استفاده کرد؟
اولین ساختارهای شکل گرفته توسط نانولیتوگرافی قلم آغشته، شامل آلکالن تایول‌ها برروی سطح طلا بودند؛ اما پس از آن این روش نظر دانشمندان زیادی را به خود جلب کرده و آزمایش‌های بسیاری پیرامون آن صورت گرفت که در نتیجه‌ی آن‌ها مواد مختلف بسیاری به عنوان جوهر برای این روش معرفی شدند. برخی از این مواد جوهری شامل بسیاری از انواه مولکول‌های کوچک، یون‌های فلزی، نانوذرات، پلیمرها، الیگونوکلئوتیدها، پپتیدها، و پروتئین‌ها هستند. علاوه بر طلا نیز سطوح دیگری از جمله شیشه، کوارتز، سیلیکون، ژرمانیوم، و گالیوم آرسنید استفاده شده است.
البته شایان ذکر است، در سال ۱۹۹۵ دانشمندان دیگری درصدد انتقال ۱-اکتادکان تایول برروی سطح طلا بودند اما نتیجه گرفته شد که انتقالی صورت نمی‌گیرد. علت عدم موفقیت این روش واضح نیست و می‌تواند به علت عدم عملکرد صحیح دستگاه، یا اطلاعات کم درمورد نقش رطوبت و دما در صورت‌گرفتن انتقال بوده باشد. اما آنچه که مسلم است، این است که این نتیجه‌ی منفی، کشف، اختراع، و توسعه‌ی نانولیتوگرافی قلم آغشته را برای چندسال به تأخیر انداخت.
مزایای نانولیتوگرافی قلم آغشته
- بی‌نیازی از خلأ: این خاصیت به ویژه در کاربردهای زیستی که در محیط‌های خلأ آسیب‌پدیر هستند بسیار اهمیت دارد.
- قدرت تفکیک بالا: نانولیتوگرافی قلم آغشته توانایی ترسیم نقوشی با ابعاد کوچک‌تر از ۱۲ نانومتر و با دقتی برابر ۵ نانومتر را دارد.
- تنوع مواد قابل استفاده: همانطور که گفته شد می‌توان از مواد بسیار متنوعی به عنوان جوهر و یا سطح در تکنیک DPN استفاده نمود.
- طراحی سازنده‌ی الگوها به جای روش‌های تخریب‌کننده
کاربردهای نانولیتوگرافی قلم آغشته
در طی سالیان اخیر، نانولیتوگرافی قلم آغشته، نقشی محوری را به عنوان ابزاری جدید و کارآمد در امر تحقیقات، در زمینه‌های متناقضی مثل بیولوژی یا علم مواد بازی کرده، و در حال گسترش زمینه‌های کاربردی نانوآرایه‌هاست. نانولیتوگرافی قلم آغشته با ویژگی‌های منحصر به فرد خود، توجه بسیاری از دانشمندان را در امر تحقیقات به خود جلب کرده که نتیجه‌ی ان توسعه‌ی کاربردها، و تکنیک‌های جدید برای به کارگیری DPN است که در ادامه برخی از آن‌ها ذکر خواهند شد:
نانولیتوگرافی قلم آغشته برای طراحی نانوآرایه‌های زیستی
باتوجه به اینکه علوم زیست‌شناختی در مقیاس نانو، و نه میکرو، تعریف می‌شوند، نانوآرایه‌ها شانس بیشتری برای پاسخ‌دهی به سؤالات بی پاسخ علم زیست‌شناسی را دارند. از طرفی اندازه‌ی کوچک این آرایه‌ها در مقایسه با نمونه‌های متشابه میکرونی آن‌ها امکان آنالیز محدودتر و دقیق‌تر سطوح را نیز فراهم می‌کند که دقت مطالعات صورت‌گرفته را افزایش می‌دهد. این مزایا سبب شده تا نانوآرایه‌های مولکول‌های زیستی به سکویی جدید برای انجام تحقیقات بیولوژیکی تبدیل شوند. و تا کنون مولکول‌های زیستی بسیاری از جمله DNA، پپتیدها، ویروس‌ها، باکتری‌ها، و پروتئین‌ها با روش‌های مستقیم یا غیرمستقیم نانولیتوگرافی قلم آغشته، طراحی شده اند؛ که مثال بارز آن، استفاده از آنزیم‌های طراحی‌شده توسط این روش، برای تعیین محل دقیق وقوع بسیاری از واکنش‌های غشایی بوده است.
ساخت الگوهای تکرارشونده از مواد
نانولیتوگرافی قلم غشته، روشی به مراتب سریع‌تر نسب به روش‌های دیگر را برای ایجاد الگوهای قابل دستکاری از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار به شمار می‌رود که راهی قدرتمند را برای بررسی پدیده‌های نانومقیاس در زمینه‌های علمی گوناگون نظیر کریستالیزاسیون تا دخیره‌ی مغناطیسی اطلاعات در مقیاس نانو ایجاد می‌کند. نکته‌ی قابل توجه در این مورد این است که با استفاده از نانولیتوگرافی قلم آغشته امکان طراحی هرگونه الگو با ترکیب و ساختار و شکل دلخواه وجود دارد تا بتوان پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی بسیاری را بررسی کرد.
نانولیتوگرافی قلم آغشته گرمایی
این روش از جمله تکنیک‌های توسعه‌یافته‌ی نانولیتوگرافی قلم آغشته به شمار می‌رود که در مرکز تحقیقات نیروی دریایی آمریکا برپایه‌ی روش DPN طراحی شده است که در آن انواع جدیدی از جوهرهای خشک با روش‌هایی کنترل‌شده بروی سطوح موردنظر نشانده می‌شوند.
در این روش، دمای سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی با سازوکارهایی کنترل شده، و افزایش دمای آن، جوهر خشک روی پروب را ذوب کرده و برروی سطح می‌نشاند؛ که با سردشدن شدن سوزن این روند قطع شده و امکان اعمال کنترل وسیعی را در طراحی الکوهای گوناگون فراهم می‌کند. مزیت مهم این روش در مقایسه با نوع جوهر مرطوب، امکان به کارگیری آن در خلأ و نیز ترسیم نقوشی ظریف‌تر با ابعادی کمتر از ۱۰ نانومتر است.
منابع
– Binnig, G.; Rohrer, H.; Gerber, C.; Weibel, E. Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy. Phys. Rev. Lett. 1982, 49 (1), 57–۶۱.
– Eigler, D. M.; Schweizer, E. K. Positioning Single Atoms with Scanning Tunnelling Microscope. Nature 1990, 344 (6266), 524–۵۲۶.
– Weiss, P. S.; Eigler, D. M. Adsorption and Accommodation of Xenon on Platinum {111}. Phys. Rev. Lett. 1992, 69 (15), 2240–۲۲۴۳.
– Binnig, G.; Gerber, C.; Stoll, E.; Albrecht, T. R.; Quate, C. F. Atomic Resolution with Atomic Force Microscope. Surf. Sci. 1987, 189–۱۹۰, ۱–۶.
– Minne, S. C.; Manalis, S. R.; Atalar, A.; Quate, C. F. Independent Parallel Lithography Using the Atomic Force Microscope. J. Vac. Sci. Technol. B 1996, 14 (4), 2456–۲۴۶۱.
– Liu, G. Y.; Xu, S.; Qian, Y. L. Nanofabrication of Self-Assembled Monolayers Using Scanning Probe Lithography. Acc. Chem. Res. 2000, 33 (7), 457–۴۶۶.
– Maoz, R.; Cohen, S. R.; Sagiv, J. Nanoelectrochemical Patterning of Monolayer Surfaces. Toward Spatially Defined Self-Assembly of Nanostructures. Adv. Mater. 1999, 11 (1), 55–۶۱.
– Vettiger, P.; Despont, M.; Drechsler, U.; Durig, U.; Haberle, W.; Lutwyche, M. I.; Rothuizen, H. E.; Stutz, R.; Widmer, R.; Binnig, G. K. The “Millipede”—More Than One Thousand Tips for Future Afm Data Storage. IBM J. Res. Dev. 2000, 44 (3), 323–۳۴۰.
– Piner, R. D.; Zhu, J.; Xu, F.; Hong, S. H.; Mirkin, C. A. “Dip-Pen” Nanolithography. Science 1999, 283 (5402), 661–۶۶۳.
– Ginger, D. S.; Zhang, H.; Mirkin, C. A. The Evolution of Dip-Pen Nanolithography. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43 (1), 30–۴۵.
– Salaita, K.; Wang, Y.; Mirkin, C. A. Applications of Dip-Pen Nanolithography. Nature Nanotechnol. 2007, 2 (3), 145–۱۵۵.
– Jaschke, M.; Butt, H.-J. Deposition of Organic Material by the Tip of a Scanning Force Microscope. Langmuir 1995, 11 (4), 1061–۱۰۶۴.
– Demers, L. M., Ginger, D. S., Park, S. J., Li, Z., Chung, S. W. & Mirkin, C. A. Direct patterning of modifi ed oligonucleotides on metals and insulators by dip-pen nanolithography. Science 296, 1836–۱۸۳۸ (۲۰۰۲).
– Chung, S. W. et al. Top-down meets bottom-up: Dip-pen nanolithography and DNA-directed assembly of nanoscale electrical circuits. Small 1, 64–۶۹ (۲۰۰۵).
– Lee, K. B., Lim, J. H. & Mirkin, C. A. Protein nanostructures formed via direct-write dip-pen nanolithography. J. Am. Chem. Soc. 125, 5588–۵۵۸۹ (۲۰۰۳). Lee, M. et al. Protein nanoarray on ProlinkerTM surface constructed by atomic force microscopy dip-pen nanolithography for analysis of protein interaction. Proteomics 6, 1094–۱۱۰۳ (۲۰۰۶).
– Cho, Y. & Ivanisevic, A. TAT peptide immobilization on gold surfaces: A comparison study with a thiolated peptide and alkylthiols using AFM, XPS, and FT-IRRAS. J. Phys. Chem. B 109, 6225–۶۲۳۲ (۲۰۰۵).
– Jiang, H. Z. & Stupp, S. I. Dip-pen patterning and surface assembly of peptide amphiphiles. Langmuir 21, 5242–۵۲۴۶ (۲۰۰۵). Lee, K. B., Kim, E. Y., Mirkin, C. A. & Wolinsky, S. M. The use of nanoarrays for highly sensitive and selective detection of human immunodeficiency virus type 1 in plasma. Nano Lett. 4, 1869–۱۸۷۲ (۲۰۰۴).
– Cheung, C. L. et al. Fabrication of assembled virus nanostructures on templates of chemoselective linkers formed by scanning probe nanolithography. J. Am. Chem. Soc. 125, 6848–۶۸۴۹ (۲۰۰۳).
