تقسیم‌بندی حوزه‌های فعالیت در نانومترولوژی (3)

تقسیم‌بندی حوزه‌های فعالیت در نانومترولوژی

با نگاهی به تاریخچه مراکز مترولوژی در دنیا می‌توان مشاهده کرد که این مراکز اعم از دولتی یا خصوصی، فعالیت اولیه خود را معمولاً با ارائه خدمات در حوزه‌های مورد نیاز کشور و صنعت‌شان در آن زمان آغاز کرده‌اند.
مراکز مترولوژی عموماً در ابتدا با دو نوع فعالیت شروع به کار کرده‌اند:

  • مراکز ارائه خدمات کالیبراسیون.
  •  مراکز آزمایشگاهی تحقیق و توسعه یا آزمون.

در خصوص نانومترولوژی باید به این نکته اشاره کرد که مبحث نانومترولوژی به علت این که در چند سال اخیر توسعه یافته و شناخت نسبت به کل حوزه کاربردی آن در سیستم مترولوژی هنوز حاصل نشده است، مبحثی است که فعلاً در بیشتر مراکز مترولوژی به عنوان بخشی از واحدهای تحقیق و توسعه مراکز مترولوژی در حال توسعه است؛ بنابراین، نانومترولوژی زیرمجموعه‌ای از مؤسسات ملی مترولوژی در سراسرجهان است و از نظر حوزه‌های فعالیت مانند مترولوژی به سه بخش کلی تقسیم می‌شود (شکل 1):

شکل 1. تقسیم‌بندی حوزه‌های فعالیت در نانومترولوژی

نانومترولوژی علمی
نانومترولوژی علمی عبارت است از دانش و به کارگیری روش‌های اندازه‌گیری برای تعریف و تحقیق کمیت‌های قابل اندازه‌گیری در سطح مقیاس نانومتر. در شکل 2 بخش‌های اصلی در یک سیستم نانومترولوژی علمی نشان داده شده است [1].

شکل 2. ارکان اصلی سیستم نانومترولوژی علمی

نانومترولوژی قانونی
تمام فعالیت‌هایی که در زمینه مقررات قانونی اندازه‌شناسی انجام می‌شود و حوزه‌های مختلف اندازه‌گیری مانند واحدهای اندازه‌گیری، تجهیزات و روش‌های اندازه‌گیری، قابلیت ردیابی، حمایت از مصرف‌کننده و ارزیابی انطباق را شامل می‌شود.
این فعالیت‌ها برای رسیدن به سطح قابل اطمینان از اعتبار اندازه‌گیری، یا مستقیماً توسط دولت انجام شده یا به وسیله نهادی از طرف دولت انجام می‌شود. در شکل 3 بخش‌های اصلی در سیستم اندازه‌شناسی قانونی نشان داده شده است [2].

شکل 3. ارکان اصلی سیستم نانومترولوژی قانونی

نانومترولوژی صنعتی
دانش ساخت، استفاده، نگهداری و کنترل عملکرد وسایل اندازه‌گیری مورد استفاده در صنعت نانو و نیز در فرایندهای تولید و آزمایش محصولات نانو است. بخش‌های مهم در سیستم نانومترولوژی صنعتی در شکل 4 آورده شده است [1].

شکل 4. ارکان اصلی سیستم نانومترولوژی صنعتی

قابلیت ردیابی در اندازه‌گیری‌های مقیاس نانو

ایجاد استانداردها و روش‌های مترولوژی نانومقیاس ابعادی گامی مهم در مسیر پیاده‌سازی نانومترولوژی زیرساختی است. قابلیت‌ رهگیری یا ردیابی از مهمترین ویژگی‌های این حوزه است. ردیابی یک اندازه‌گیری به این معناست که ویژگی اندازه‌گیری شده را بتوان با مقادیر یک ماده رفرنس مرجع ارتباط داد که این ماده مرجع می‌تواند استاندارد بین‌المللی یا ملی باشد. ردیابی باید از طریق زنجیره‌ای از مقایسه‌ها انجام شده باشد که هر یک از این مقایسه‌ها باید حاوی عدم قطعیت باشد.
قابلیت ردیابی نانومترولوژی ابعادی شامل فرآیندی است که در آن از یک نمونه مرجع با ویژگی‌های ابعادی استاندارد در مقیاس نانو استفاده می‌شود. کیفیت این فرآیند با استفاده از مقایسه‌های بین‌المللی قابل پیگیری است.

تعریف SI از متر مبتنی بر طولی است که پرتو نور در خلأ در مدت زمان 1 بر 299792458 ثانیه طی می‌کند. این طول استاندارد از طریق طول موج نوری که از منبع لیزر هلیم پایدار شده با ید ایجاد می‌شود، پیاده‌سازی می‌شود.
قابلیت ردیابی اندازه‌گیری طول با استفاده از این لیزرها انجام شده و همچنین فرکانس‌های لیزر مورد استفاده در تجهیزات مختلف با این لیزر کالیبره می‌شود. 
ایجاد قابلیت ردیابی در اندازه‌گیری‌های مقیاس نانو نیازمند به تصویر کشیدن نانوساختارها بوده و همچنین لازم است سیستم اندازه‌گیری طولی به این سیستم تصویربرداری اضافه شده و سپس خود این طول نیز دوباره کالیبره شود. در شکل 5 قابلیت ردیابی نانومترولوژی ابعادی در مرکز ملی اندازه‌شناسی استرالیا نشان داده شده است. شکل 6 نیز زنجیره قابلیت ردیابی به استاندارد بین‌المللی متر را نشان می‌دهد. نظام‌مند کردن فعالیت‌های اندازه‌گیری مقیاس نانو و بهره‌مندی از خدمات نانومترولوژی با هدف برقراری قابلیت ردیابی اندازه‌گیری‌ها در مقیاس نانو به سیستم اندازه‌گیری بین‌المللی SI و برآورد قابل اطمینان از عدم قطعیت اندازه‌گیری، انجام می‌گیرد [3].

شکل 5: قابلیت ردیابی نانومترولوژی فیزیکی در مؤسسه اندازه‌شناسی ملی استرالیا [4]

شکل 6: زنجیره قابلیت ردیابی به استاندارد بین‌المللی متر [4]

چالش‌های پیش روی استانداردسازی و اندازه‌شناسی در مقیاس نانو 

مهم‌ترین چالش‌های موجود در فرایند استانداردسازی و اندازه‌شناسی در مقیاس نانو را می‌توان به این شرح بیان کرد:

  • ایجاد توافقات جهانی برای ادبیات نانوتکنولوژی و نانومترولوژی؛
  • رشد روز افزون نانوتکنولوژی و ورود سریع مقیاس نانو به بسیاری از محصولات صنعتی؛
  • انعقاد معاهدات بین‌المللی در زمینه پاسخ‌گویی به محیط زیست، بهداشت و سلامت؛
  • ایجاد توافقات استانداردشده برای ارزیابی نانوذرات موجود در محیط زیست؛
  • تنوع زیاد روش‌های اندازه‌گیری و آنالیز و تعریف روش‌های استاندارد آزمایش برای ابزارآلات مقیاس نانو؛
  • نیاز به بهبود تکنیک‌های اندازه‌گیری و ابزارهای استاندارد شده؛
  •  تدوین روش‌های جدید کالیبراسیون برای تجهیزات و استفاده از مواد مرجع کالیبره در زمان آزمایش با ابرازآلات نانو مقیاس؛
  • نیاز به تدوین استانداردهای جدید در سیستم‌های اندازه‌گیری نانومقیاس و ابزارآلات آن‌ها؛
  • نیاز شدید به تدوین آیین‌نامه‌ها و مقررات ملی، منطقه‌ای و بین‌المللی؛

به این ترتیب می‌توان بیان کرد که ساخت تجهیزات و استانداردسازی روش‌های اندازه‌گیری و کالیبراسیون شامل مجموعه‌ای از فناوری‌ها و شیوه‌های توانمند است که استفاده مفید از نانوفناوری بستگی به برخورداری از این توانمندی‌ها خواهد داشت. موضوع نانومترولوژی در علوم مختلف پایه، مهندسی و پزشکی از اهمیت خاصی برخوردار است و محققین را در انجام اندازه‌گیری‌ها و تعیین ویژگی‌های مواد یاری می‌رساند. به عنوان مثال ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی محصولات به مواد اولیه آن و ساختار میکروسکوپی به دست آمده از فرایند تولید بستگی دارد و برای شناسایی مواد اولیه و ساختار نهایی، نیازمند دستگاه‌های اندازه‌گیری و تعیین مشخصات مواد در مقیاس نانو هستیم. در واقع بهره‌برداری موفقیت‌آمیز از فناوری نانو به کاربرد این تجهیزات بستگی دارد زیرا چنین ابزارهایی چشم را برای دیدن و انگشتان را برای کنترل ساختارهایی در مقیاس نانو توانمند می‌سازد.
از آن جا که توسعه تجهیزات آزمایشگاهی فناوری نانو جزء تفکیک‌ناپذیر نانومترولوژی بوده و در واقع مقدمه و سنگ بنای نانومترولوژی به حساب می‌آید، ضرورت فعالیت در زمینه نانومترولوژی و توسعه تجهیزات آزمایشگاهی فناوری نانو به جد احساس می‌شود. امید است که با انجام برنامه‌ریزی‌های دقیق در ایجاد نظام ملی نانومترولوژی شاهد پیشرفت‌های روزافزون صنعت نانوفناوری در کشورمان باشیم.

منابع:

1- Co-nanomet (co-ordination of nanometrology in Europe) documents.
2- OIML, D1. (2004), Elements for a law on metrology. Paris, OIML, 2004. 24.
3- NMI TR 12: Nanometrology: The Critical Role of Measurement in Supporting Australian Nanotechnology, Dr John Miles, First edition — November 2006.
4- NMI TR 12: Nanometrology: The Critical Role of Measurement in Supporting Australian Nanotechnology, Dr John Miles, First edition — November 2006.

نویسنده: رعنا سلیمانی، کارشناس ارشد شیمی کاربردی: کارشناس متخصص واحد شیمی.