شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو

 ریزسازى ‌مشکلات فراوانى‌ را براى‌ صنعت‌ به ‌وجود آورده‌ است.‌ دانشمندان‌ نیز همچون صنعتگران‌ معضلات‌ بسیاری در پیش‌برد ایده‌هاى‌ خود براى‌ کاهش‌ ابعاد یا ریزسازى‌ دارند. در این  مقاله، به بررسی ایده‌ای می‌پردازیم که در نانوشکل‌دهی فلزات کاربرد دارد.نانو شکل‌دهی نانوفناوری، با کنار هم‌ قرار دادن‌ اتم‌ها یا مولکول‌ها، محصولاتی‌ با کیفیت‌های دلخواه به دست می‌دهد. این‌‌ اصلى‌ترین‌ هدف‌ فناوری و علوم نانو است. اما مشکلات‌ ــ یا به‌ بیان‌ بهتر، فاصلة ــ زیادی تا رسیدن به این هدف وجود دارد. در واقع، همواره می‌توان بهترین نظرات را ارائه کرد، اما وقتی به مرحلة عمل می‌رسیم، مشکلات رخ می‌نمایند.

این مطلب شبیه به آن است که بگوییم انسان‌ها سوار بر مرکب خیال از کهکشان‌ها می‌گذرند و به بیگ‌بنگ هم می‌رسند، اما در عمل هنوز هیچ انسانی پا در یکی از سیارات دمِ دست منظومه شمسی نگذاشته است. درست است که فرایند صنعتى‌ شدن‌ و تولید انبوه‌‌ محصولات‌ در مقیاس‌ مایکرو، به خصوص‌ به روش شکل‌دهى ‌فلزات، کُند‌ بوده است،‌ اما پژوهش‌هاى‌ گسترده‌اى‌ در سراسر جهان‌ در این‌ مورد در حال‌ انجام‌ هستند. شاید در نگاه اول، پرداختن‌ به‌ شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقیاس‌ نانو، در حالی که هنوز این کار در مقیاس مایکرو توسعه نیافته است، کارى ‌غیرممکن‌ به ‌نظر آید، اما پیش از این گفتیم که به روش حکاکی و پرتودهى‌ الکترونى‌ وسایلى‌ به‌ ابعاد 200 نانومتر براى‌ برجسته‌کارى‌ ساخته‌ شده‌اند. بر اساس‌ تعاریف ارائه‌شده برای فناوری نانو، محدودة این فناوری از نظر مقیاس 0.1 تا 100 نانومتر در نظر گرفته شده است. بنابراین، گام‌هاى‌ بیشترى‌ باید برداشت تا به محصولاتی در ابعاد مورد نظر رسید. شاید اساسى‌ترین‌ نیاز براى‌ دستیابى‌ به‌ فناورى‌ شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقیاس‌ نانو، دستیابى‌ به‌ نانوکامپیوتر و نانواسمبلر باشد. در صورت‌ دستیابى‌ به‌ نانوکامپیوتر، مى‌توان‌ مولکول‌ها را بر اساس‌ یک الگوریتم‌ مشخص‌ برنامه‌ریزى‌ کرد و توسط نانواسمبلر، آنها را طبق نمونة شبیه‌سازی‌شده کنار هم‌ قرار داد تا محصول‌ِ ازپیش‌طراحی‌شده حاصل ‌شود. دانشمندان‌ هنوز نتوانسته‌اند این‌ دو وسیلة‌ ضروری را بسازند، اما راه‌ دیگری هم برای این مشکل وجود دارد:‌ به‌ جاى‌ کنار هم گذاشتن ذرات‌، ابعاد آنها را در یک فرایند ریزسازى‌ آن‌قدر کاهش می‌دهیم تا محصول مورد نظر را تولید کنیم. ارائة‌ چارچوب‌ عملکرد در این‌ نوشتار چارچوب‌ روشن‌ و مشخصى‌ را دربارة ملزومات‌ دستیابى‌ به‌ نانوشکل‌دهی ارائه می‌دهیم. این چارچوب شامل سطح‌بندى‌ ایده‌ها، خواسته‌ها و اهداف‌ است. سطح‌بندى،‌ گام‌ اول‌ در نانوشکل‌دهی است. به‌ این‌ معنا که‌ در سطوح ‌مختلف‌ علمى‌، صنعتى‌، اقتصادى‌ و مدیریتى‌ نیاز به‌ تعیین‌ اهداف‌ و افق‌هاى‌ مشخصى‌ وجود دارد. 1. سطح‌ اول‌: پیشرفت‌ علوم‌ در حوزة نانو لازم است برای شفاف‌ شدن‌ دنیاى‌ نانو نزد صنعتگران‌، دانشگاهیان‌، مدیران‌ و اقتصاددانان، مطالعات‌ گسترده‌اى‌ درحوزة علوم و فناوری‌های نانو صورت‌ بگیرد. این‌ شفاف‌سازى‌ در اثر مطالعات‌، پژوهش‌ها و آزمایش‌های‌ گوناگون‌ حاصل می‌شود و احتیاج‌ به‌ تأمین‌ اهداف‌ مشخص‌ و روشنى‌ دارد، مثل ترغیب مدیران، صنعتگران و سرمایه‌گذاران در حمایت از فناوری نانو، ایجاد قوانینی‌ برای پیشبرد فناورى‌‌ نانو و برنامه‌ریزی طولانی‌مدت. اگرچه‌ در این‌ سطح‌ اغلب‌ اهداف‌ و اولویت‌ها به‌ فناورى‌ نانو وابسته‌اند،‌ اما همین‌ سازوکارها در مورد شکل‌دهى‌ فلزات‌ نیز باید اعمال‌ شوند و از بسترهاى‌ ایجادشده‌ در مورد فناورى‌ نانو در جهت‌ نانوشکل‌دهی نیز بهره‌گیرى‌ شود. 2. سطح‌ دوم‌: مطالعات‌ در زمینة نانو شکل‌دهی در سطح دوم باید ابتدا گروه‌هایی شکل بگیرند. این‌ گروه‌ها‌ شامل‌ استادان دانشگاه‌، صنعت‌گران‌ و دانشجویانی‌ هستند که‌ با کمک‌ یکدیگر روى‌ موضوع‌ نانوشکل‌دهی متمرکز می‌شوند. رشته‌هاى‌ مختلف‌ مهندسى،‌ نظیر مهندسى‌ مکانیک‌، متالورژى‌، صنایع‌ و شیمى‌ باید در این‌ گروه‌ها حضور داشته‌ باشند تا نانوشکل‌دهی از ابعاد مختلف آن بررسی شود. رشته‌هایى‌ مانند کامپیوتر و فیزیک‌ نیز لازم است این گروه‌ را همراهى‌ کنند. صنایعى‌ هم هستند که‌ می‌توانند از این‌ دستاوردها بهره‌هاى‌ فراوانى‌ ببرند، نظیر صنایع‌ هواپیماسازى‌، خودروسازى‌، پزشکى‌، مخابرات‌، دفاعى‌ و صنایع مشابه.‌ آنها نیز باید‌ در این‌ گروه‌ها، اولویت‌هاى‌ مورد نظرشان را ارائه‌ کنند و به‌ دانشجویان‌ و استادان در جهت‌دهى‌ مناسب‌، ارائة‌ اهداف‌ صنعتى‌ و فضاى‌ آزمایشگاهى‌ یارى‌ رسانند. از سوی‌ دیگر، در حوزة شکل‌دهى‌ در مقیاس‌ نانو، لازم است تعاریف‌ نوینی‌ در مورد فرایندها، ابزارآلات‌، ماشین‌آلات‌ و مواد صورت بگیرد. به‌ بیان‌ دیگر، مفاهیم‌ و تعاریف‌ رایج‌ در شکل‌دهى‌ سنتى‌، توان‌ جهت‌دهى‌ مناسب‌ و افزایش‌ شتاب‌ مطالعاتى‌ در این‌ حوزه‌ را ندارند. یعنى‌ لازم است بستر و زیرساخت جدیدی برای فعالیت در این حوزه فراهم شود تا بتوان‌ بر اساس‌ آن‌،‌ گام‌هاى‌ بعدى‌ را برداشت. همان‌طور که‌ با مفاهیم ‌فیزیک‌ کلاسیک‌ یا نیوتنى‌ نمى‌توان‌ دنیاى‌ نسبیت‌ را به ‌طور کامل‌ درک‌ کرد، نانوشکل‌دهی را نیز نمى‌توان‌ با تعاریف ‌شکل‌دهىِ‌ سنتى‌ به نحو قابل توجهی پیش برد و توسعه داد. براى‌ اینکه‌ مطالعات‌ نظری در مورد نانوشکل‌دهی به شکل روش‌مند و منظم پی‌گیرى‌ شوند، ‌باید‌ سیستم‌ شکل‌دهى‌ نانو طراحى‌ شود. اجزای این سیستم مانند اجزای حالت مایکرو هستند و در شکل زیر به طور خلاصه ارائه گردیده‌اند. در این نوبت فقط به اشاره‌ای در این زمینه اکتفا می‌کنیم. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر در این زمینه می‌توانید به منابعی که در انتهای مقاله آمده است، مراجعه کنید. این‌ سیستم‌ به‌ گروه‌هاى‌ مطالعاتى‌ کمک‌ مى‌کند تا در مسیرهاى‌ مشخصى‌ حرکت‌ کنند و شامل‌ چهار بخش‌ بنیادى‌ زیر است: 1. مواد 2. ابزار 3. فرایند 4.ماشین‌آلات و تجهیزات سیستم نانو شکل‌دهی و چالش های موجود در اجزای آن 3. سطح‌ سوم‌: فعالیت‌هاى‌ آزمایشگاهى‌ و تحقیقاتى‌ برای رسیدن به اطلاعات مناسبی که نقایص بررسی‌ها و محاسبات نظری را مشخص کنند، باید انواع آزمایش‌ها صورت بگیرد، مانند آزمایش‌های‌ پایه‌اى‌ در حوزة‌ نانوشکل‌دهى‌، آزمایش‌‌ بر روى‌ نمونه‌هاى‌ اولیه‌، آزمایش‌ بر روى‌ مواد مختلف‌ و آزمایش‌های مرتبط‌ با فناورى‌ها. این فعالیت‌ها و پروژه‌های تحقیقاتی ملزومانی هم دارند، مثل دستگاه‌هاى‌ دقیق‌ و پیشرفتة‌ آزمایشگاهى‌، ابزار دقیق‌ اندازه‌گیرى‌، استانداردسازی، اتاق‌ تمیز، نیروى‌ انسانى‌ِ آزمایشگاهى‌ در حوزة‌ نانو و منابع‌ مالى‌. نمونه ای از دقت مورد نیاز در وسایل اندازه گیری و دستگاه ها 4. سطح‌ چهارم‌: جمع‌بندى‌ نتایج‌ نظری و داده‌هاى‌ حاصل‌ از مطالعات‌ آزمایشگاهى‌ در این‌ بخش‌ براى‌ جمع‌بندى‌ نتایج‌ نظری و تجربی، لازم است پژوهش‌هاى‌ مختلفی‌ بر روی ‌داده‌هاى‌ تجربى‌ و پیش‌بینى‌هاى‌ تئوریک‌ صورت بگیرند. در این‌ پژوهش‌ها نقایص پیش‌بینى‌هاى‌ نظری مشخص می‌شوند و نتایج حاصل از آن، دقت گروه را در زمینة نانوشکل‌دهی افزایش می‌دهد و مسائلی را که فراموشی شده‌اند، آشکار می‌کند. 5. سطح‌ پنجم‌: رویکرد صنعتى‌ کردن‌ مطالعات‌ در این‌ سطح‌، عوامل مختلفی وجود دارند که در فرایند صنعتی کردن یک فناوری ضروری‌‌اند، مثل سیستم‌هاى‌ انتقال‌، ساخت‌ ماشین‌آلات‌ جدید، نحوة چیدمان ماشین‌آلات، نرخ تولید مناسب، کیفیت محصولات، سیستم‌هاى‌ بسته‌بندى‌، استانداردسازى‌ محصولات‌، نرم‌افزارهای صنعتی، نیروى‌ انسانى‌ ماهر و نیز توجه‌ به‌ شاخص‌هاى‌ زیست‌ محیطى‌، انرژى ‌و هزینه‌ها. جمع‌بندى‌ سعی ما در این مجموعه مقالات از ابتدا بر آن بود که با مفاهیم شکل‌دهی، مایکروشکل‌دهی و کلیات نانوشکل‌دهی آشنا شوید. امیدواریم با استفاده از منابعی که نشانی آنها در انتهای همین مقاله آمده است، و نیز جست‌وجو در منابع اینترنتی، بیش از پیش بر دانش خود بیفزایید. منابع: [1]- Tiesler, N., and U. Engel, ‘‘Microforming—Effects of Minaturization,’’Metal Forming 2000, Balkema, Rotterdam, pp. 355–360, 2000. [2]- Geiger, M., M. Kleiner, R. Eckstein, N. Tiesler, and U. Engel, ‘‘Microforming,’’CIRP Ann., 50(2), pp. 445–462, 2001. [3]- Cao, Jian et al, “Microforming: Experimental Investigation of the Extrusion Process for Micropinsand its Numerical Simulation Using RKEM” Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, p642-652, Vol. 126, NOVEMBER 2004. [4]- McLaughlin, James, Metallurgy and Materials, pp,2000. [5]- Hosford, William F. and Robert, M.,Caddell, Metal Forming, Second Edition , Prentice Hall,1993. [6]- Kannangaro, K., M. Simmons, B. Raguse, M. Wilson, and G. Smith, Nanotechnology: Basic Science and Emerging Technologies, 2002. 7- شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقیاس‌ نانو (با نگاهى‌ بر فناورى‌ نانو)، پایان‌نامه‌ کارشناسى، دانشکده‌ فنى‌ ـ دانشگاه تهران، فاضل‌ انصارى‌، تهران‌ ـ سال ۱۳۸۴. 8- شکل دهی در مقیاس مادون ریز (نانوفرمینگ)، مقاله، دکتر کارن ابری نیا، مهندس فاضل انصاری،دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران، سومین کنفرانس شکلدهی مواد و فلزات ایران، سال ۱۳۸۵ .