التجميع الموجه للهياكل الميكروية والنانوية

يُعدّ التجميع الموجّه للهياكل الميكروية والنانوية من أساليب الإنتاج الكمّي للأجهزة والمواد الميكروية والنانوية. ويتيح التجميع الموجّه التحكم الدقيق في تجميع الجسيمات الميكروية والنانوية لتشكيل حتى أكثر الأجهزة أو المواد تعقيدًا وكفاءة. ^{[ 1 ]}

التجميع الذاتي الموجه (DSA) هو نوع من التجميع الموجه يستخدم بنية البوليمر المتجانس لإنشاء خطوط وفراغات وأنماط ثقوب، مما يتيح تحكمًا أكثر دقة في أشكال العناصر. ثم يستخدم التفاعلات السطحية، بالإضافة إلى الديناميكا الحرارية للبوليمر، لإتمام تشكيل الأشكال النهائية للنمط. ^{[ 1 ]} وللتحكم في التفاعلات السطحية التي تُمكّن من تحقيق  دقة أقل من 10 نانومتر، طوّر فريقٌ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة شيكاغو ومختبر أرغون الوطني في عام 2017 طريقةً لاستخدام طبقة علوية بوليمرية مُرَسَّبة بالطور البخاري على غشاء البوليمر المتجانس. ^{[ 2 ]}

لا تُعدّ تقنية التجميع الذاتي الموجه (DSA) عمليةً مستقلة، بل هي مُدمجة مع عمليات التصنيع التقليدية لإنتاج الهياكل الدقيقة والنانوية بكميات كبيرة وبتكلفة أقل. وتُستخدم هذه التقنية بشكل رئيسي في صناعات أشباه الموصلات ومحركات الأقراص الصلبة. تستخدم صناعة أشباه الموصلات هذه الطريقة لزيادة الدقة (عن طريق محاولة استيعاب المزيد من البوابات المنطقية)، بينما تستخدم صناعة محركات الأقراص الصلبة تقنية التجميع الذاتي الموجه لتصنيع وسائط تخزين مُنمّطة وفقًا لكثافات التخزين المُحددة. ^{[ 3 ]}

تتعدد تطبيقات التجميع الموجه على المستوى الميكروي، بدءًا من هندسة الأنسجة وصولًا إلى الأغشية الرقيقة البوليمرية. في هندسة الأنسجة، استطاع التجميع الموجه أن يحل محل أسلوب بناء الأنسجة باستخدام الدعامات. ويتحقق ذلك من خلال التحكم في موضع وتنظيم الخلايا المختلفة، التي تُعدّ "وحدات بناء" النسيج، لتكوين هياكل ميكروية مختلفة مرغوبة. وهذا يُزيل مشكلة عدم القدرة على إعادة إنتاج النسيج نفسه، وهي مشكلة رئيسية في أسلوب بناء الأنسجة باستخدام الدعامات. ^{[ 4 ]}

توفر تقنية النانو طرقًا لتنظيم مواد مثل الجزيئات والبوليمرات ووحدات البناء، وغيرها، لتشكيل هياكل نانوية دقيقة ذات تطبيقات عديدة. ^{[ 5 ]} في عملية وتطبيق التجميع الذاتي للببتيدات في أنابيب نانوية، تُعد أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مثالًا على ذلك، وهي تتكون من طبقة من الجرافين ملفوفة بسلاسة على شكل أسطوانة. يتم إنتاج هذه الأنابيب في تيار خارجي من الكربون، ويتم الحصول عليها عن طريق التبخير الليزري للجرافيت المُخصب بمعدن انتقالي. ^{[ 6 ]}

تُعدّ الطباعة النانوية طريقة شائعة لتصنيع أنماط على مقياس النانومتر. تُصنع هذه الأنماط عن طريق التشكيل الميكانيكي لمادة مقاومة للطباعة (مادة أحادية أو بوليمرية) وعمليات لاحقة. بعد ذلك، تُعالَج بالحرارة أو الأشعة فوق البنفسجية، ويُتحكّم بدقة في كلٍّ من المادة المقاومة والقالب وفقًا للظروف المناسبة حسب الغرض. إضافةً إلى ذلك، تتميز الطباعة النانوية بدقة عالية وإنتاجية كبيرة بتكلفة منخفضة. أما عيوبها فتتمثل في زيادة وقت إجراءات القوالب، وعدم وجود إجراءات قياسية مما يؤدي إلى تعدد طرق التصنيع، ومحدودية الأنماط التي يمكن تشكيلها.

بهدف التخفيف من هذه العيوب عند تطبيق تقنية النانو على الإلكترونيات، قام باحثون في مركز علوم وهندسة النانو التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم في جامعة نورث إيسترن، بالتعاون مع شركائهم من جامعة ماساتشوستس لويل وجامعة نيو هامبشاير، بتطوير عملية تجميع موجهة لشبكات أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (SWNT) لإنشاء قالب دائرة يمكن نقله من ركيزة إلى أخرى. ^{[ 7 ]}

تتكون الطبقات الأحادية ذاتية التجميع (SAMs) من طبقة من الجزيئات العضوية التي تتشكل بشكل طبيعي على هيئة شبكة منتظمة على سطح الركيزة المطلوبة. ترتبط جزيئات هذه الشبكة كيميائياً من أحد طرفيها (المجموعة الرأسية)، بينما يشكل الطرف الآخر (المجموعة الطرفية) السطح المكشوف للطبقة الأحادية ذاتية التجميع.

يمكن تكوين أنواع عديدة من طبقات التجميع الذاتي (SAMs). على سبيل المثال، تُشكّل الثيولات طبقات SAMs على الذهب والفضة والنحاس، أو على بعض أشباه الموصلات المركبة مثل InP و GaAs . بتغيير المجموعة الطرفية للجزيئات، يمكن الحصول على خصائص سطحية مختلفة؛ لذا يمكن استخدام طبقات SAMs لجعل الأسطح كارهة للماء أو محبة للماء، بالإضافة إلى تغيير حالات سطح أشباه الموصلات. مع التجميع الذاتي ، يُستخدم تحديد موضع طبقات SAMs لتحديد النظام الكيميائي بدقة للعثور على الموقع المستهدف في جهاز جزيئي غير عضوي. بفضل هذه الخاصية، تُعدّ طبقات SAMs مرشحة جيدة للأجهزة الإلكترونية الجزيئية، حيث يُمثّل استخدامها في بناء الأجهزة الإلكترونية، وربما الدوائر، احتمالًا واعدًا. وذلك لقدرتها على توفير الأساس لتخزين البيانات بكثافة عالية جدًا والأجهزة عالية السرعة. ^{[ 8 ]}