نانوتکنولوژی چیست؟
نانوتكنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای كنترل آنهاست. هدف اصلی اكثر تحقیقات نانوتكنولوژی شكل‌دهی تركیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتكنولوژی در الكترونیك، زیست‌شناسی، ژنتیك، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بكار برده میشود.
nano كلمه‌ای یونانی به معنی كوچك است و برای تعیین مقدار یك میلیاردیم یا 9- 10 یك كمیت استفاده میشود. چون یك اتم تقریباً" 10 نانومتر است، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولكولی بكاربرده میشود.
از موقعی كه اولین مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژی همانند چوبدست سحرآمیزی برای ساخت كودكان طراح تا ماشینهای تولید اكسیژن برای استعمار كره مریخ، تصور می‌شد. هیجانات از واقعیات جلوتر بود، اما پیشرفت واقعی با مسائلی پیش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پیش محققین در دانشگاههای كالیفرنیا، رایس وMIT موفق به ساخت نانوذراتی شدند، كه به دانشمندان كمك می‌كردند. تعدادی از اساتید این دانشگاهها شركتهایی تأسیس كردند، كه وسایل موردنیاز برای تحقیقات مقیاس نانو را می‌ساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهایشان از طریق ثبت اختراع هستند، تا زمینه تولید فرایندهایشان را فراهم كنند. كاربردهای علمی نانوعلم هنوز كم است. اما مقداری از تولیدات اولیه اكنون وارد بازار میشوند.
علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند که بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شباهت به تنکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های امروزی نانو نیست. پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی، شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند.
اولین بار ریچارد فیمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازی فرایندی برای دستکاری اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهای دقیق سبب شده تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند. در سال 1974، پروفسور نوریو تانیگوشی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوری نانو" را بکار گرفت. او در مقاله ای با نام "مفهوم اساسی فناوری نانو" اشاره می کند که فناوری نانو اساسا مجموعه ای از فرایندهای تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است. در دهه 1980 ایده یاین تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب های موتور خلقت) مورد بررسی قرار گرفت.
فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونلی پیمایشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فلورین در سال 1986 و نانولوله های کربنی در مدت چند سال بعد شد.
تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانوکریستالهای نیمه هادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی نقاط کوانتوم گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی 5 سال بعد از میکروسکوپ تونلی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد.
فناوری نانو یک زمینه بین رشته ای است که در محدوده علوم کاربردی مختلفی نظیر فیزیک، مواد، الکترونیک و غیره وارد شده است. فناوری نانو خود به تنهایی علم نیست بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد.
نانو تکنولوژی یعنی فناوری یک میلیاردم متر یا تکنولوژی اتمها . در زبان یونانی نانو بمعنای کوتوله و معادل یک میلیاردم می باشد یعنی ۵۰۰۰۰ بار نازکتر از ضخامت یک تار مو یعنی اندازه چندین اتم. اگر انسان به این اندازه بزرگ شود ۲ میلیون کیلومتر طول قد او می شد یعنی به اندازه ۵ برابر فاصله ماه تا زمین. قطعات الکترونیکی هر روز کوچکتر می شوند . ما از لامپهای رادیوهای پدربزرگهامان به اجزای نیمه رسانا در مدارهای الکترونیکی رسیدیم ونهایتا کیتها ساخته شد که شامل میلیونها ترانزیستور می باشند. صنایع میکرو الکترونیک از بزرگ به کوچک رسیده اند روش کل به جزء ولی در نانوتکنولوژی از جزء به کل می رسند و بدین ترتیب می توان ساختارهای جدیدی ساخت این مواد که خواص جدیدی دارند مواد هوشمند نامیده میشوند
بطور مثال اگر یک سطح ساخته شده از مولکولهای آب گریز داشته باشیم این سطح خودش را تمیز می کند چون آب با سطح برخورد نمی کند و آلودگی را از خودش دور می کند . دلیل خشک ماندن سطح برگ نیلوفر آبی نیز همین است.آب روی شیشه معمولی پخش می شود ولی آب روی سطحی با ساختار نانو نمی ماند با یکنواخت سازی سطوح می توان سطحی کاملا ضد خش را بوجود آورد . امروزه پنجره هایی ساخته می شود که شفافیتشان با جریان الکتریسیته تغییر می کند یا شیشه هایی که در دماهای بالا عایقند .
رسیدن به ماده را از اتمها شروع می کنیم فرض کنید می توانیم آنها را ببینیم و ابزار لازم را در اختیار داریم ( میکروسکوپ قرن ۲۱ بر اساس پدیده کوانتوم ) . رد شدن توپ از دیوار در مکانیک کلاسیک غیر ممکن است ولی در مقیاس اتمی الکترونها می توانند از لایه ها و ساختارها رد شوند ، اساس کار این میکروسکوپ همین است . به کمک این وسیله سطح مواد را در مقیاس اتمی بررسی میکنیم قلب میکروسکوپ موازی سطح ماده حرکت می کند البته ماده باید رسانای جریان الکتریسیته باشد هرگاه نوک میکروسکوپ از روی یک اتم رد شود الکترونها از ماده وارد نوک میکروسکوپ می شوند بدین شکل جریان ضعیفی بوجود می آید هر چه این نوک به ماده نزدیکتر شود جریان قویتر می شود این جریان را بر حسب ارتفاع محاسبه می کنند نقطه به نقطه و خط به خط این کار انجام می شود و به این شکل تصویر توپوگرافی از سطح ماده بدست خواهد آمد. این تصویر کاملا دقیق بوده و می توان بوسیله آن نه تنها ماده را در مقیاس اتمی دید، بلکه می توان در مقیاس اتمی روی آن کار کرد .
در حقیقت میکروسکوپ الکترونی دقیقترین و بهترین ماشین ابزار دنیاست . با دادن بار الکتریکی می توان اتمها را یک به یک حرکت داد به این ترتیب می توان اجسام بزرگتری ساخت مانند آجر برای ساختن خانه ، قفسه ، سیم ، لوله در مقیاس نانوسکوپی . با استفاده از اتم کربن می توانیم ساختارهایی را بسازیم که قبلا وجود نداشتند.
یکی از ساختارهایی که از کربن می شناسیم گرافیت است که در آن اتمهای کربن بصورت شش ضلعی کنار هم قرار گرفته اند و ساختار ورقه ای ایجاد کرده اند . ودیگری الماس که در آن اتمهای کربن شکل چهارضلعی دارند و در سه جهت فضا تکرار شده اند .
ساختار جدیدی از کربن فولرن است که شامل ۶۰ اتم کربن می باشد. باکی بال شناخته شده ترین فولرن استکه شبیه توپ فوتبال امی باشد و از ۲۰ شش ضلعی و ۱۲ پنج ضلعی ساخته شده است . لوله های بسیار باریک کربنی انواع مختلف فولرن می باشند که به نانوتیوب یا نانو لوله معروفنداین لوله ها بسیار مقاومند وقطر آنها حدود ۱/۴ نانومتر و طول آنها حدود ۱۰-۲۰ میکرون است در مقیاس اتمی میکرون طول زیادی است ولی در مقیاس معمولی خودمان ۱۰۰۰۰۰ بار نازکتر از مو !
برای ساخت لوله های کربنی دمای زیادی نیاز است تا اتمها بتوانند با هم ترکیب شوند که این دما از طریق سوختن گاز استیلن تامین می شود .
یکی از مقاومترین الیافی که بشر ساخته ۶ بار از فولاد سبکتر ولی مقاومت آن ۱۰۰ برابر فولاد است.
محققینی که قوه تخیل قوی دارند به فکر ساخت کابلهایی هستند که بتوان بوسیله آن به فضا رفت.
کاربرد عینی تر آن تلاش برای ساخت پروتزهای استخوان است از آنجا که این پروتزها از کربن هستند با بدن سازگاری دارند.
شیمیدانها و زیست شناسها بمنظور تشکیل خودبخودی درشت مولکولها بدنبال راههایی هستند که مولکولها در مکان مورد نظر آنها قرار گیرد .
سطحی را در نظر بگیرید که مولکولها بر روی آن دو منطقه با خواص متفاوت بوجود می آورند . سپس مولکولهایی فرستاده می شوند که یک منطقه را می شناسند و با بار الکتریکی متصل می شوند . سپس سری بعدی مولکولها فرستاده می شود که روی سری قبل قرار می گیرند و کار ادامه پیدا می کند بدین ترتیب می توان سطوح واسطه ای بین مدارهای الکترونیکی دارای لایه ها و بافتهای زنده درشت مولکولها برقرار کرد یعنی می توان بافتهای زنده را به کامپیوترها متصل کرد.
با ربط دادن زیست شناسی به کامپیوترها می توان نابینا را بینا و ناشنوا را شنوا کرد ویا داروهایی را در شرایط بدنی هر بیمار آزمایش کرد.
برای نانوتکنولوژی باید یک شیمیدان ، زیست شناس ، فیزیکدان ومهندس الکترونیک بود .
محققان رویای نانو روباتها را دارند که می توانند سلولهای آلوده را شناسایی کنند و از بین ببرند . نانو اجزایی که دارویی هستند و روی ویروسها اثر می کنند.در فناوری نانو برای ساخت دو روش در نظر گرفته می شود:
روش ساخت پایین به بالا و روش ساخت بالا به پایین.
در روش ساخت پایین به بالا، وسایل و مواد از سطح مولکولی بر اساس اصول شیمی مولکولی ساخته می شوند درست مانند یک دیوار که از روی هم گذاشتن آجر به آجر ساخته می شود.
در روش ساخت بالا به پایین، اشیاء نانویی بدون کنترل اتمی در مقادیر بزرگتر ساخته می شوند به این طریق که در ساخت آنها از تجهیزات پیشرفته این فناوری مانند میکروسکوپ اتمی و میکروسکوپ تونلی پیمایشی استفاده می شود تا فرایند دستکاری و ایجاد پدیده ها و خصوصیات جدید در اشیاء نانویی ظهور یابند.
امروزه فناوری نانو در ساخت پلیمرهایی با ساختار مولکولی، طراحی تراشه های کامپیوتری کاربرد دارد. همچنین از این فناوری در ساخت مواد آرایشی، انواع پوشش ها و روکش های محافظتی و لباسهای مقاوم نیز استفاده می شود.
1- فناوری نانو محدوده تحقیقات و مطالعه مواد و خصوصیات آنها در محدوده 1- 100 نانومتر را در بر می گیرد.
2- با کمک فناوری نانو ساختارهای نانویی می توان خلق کرد که خصوصیات آنها با ساختارهای ماکروسکوپی همان مواد متفاوت است.
3- با کمک فناوری نانو می توان در اتمها از طریق کنترل خصوصیات تغییراتی ایجاد کرد.
زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند واکنش های و رفتار اتمها در مقایسه با حالتی که مطالعه در سطح مولکولی انجام می شوند کاملا متفاوت است چرا که در این قلمرو خصوصیات فیزیکی مواد تغییر می کند این درست مانند این است که در توپی را در محفظه ای بیندازید و توپی دیگری را از آن محفظه بیرون آورید. تفاوت در قلمرو نانو به اندازه ای است که حتی رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات شیمیایی و غیره مواد در خارج از این محدوده کاملا متفاوت است.
در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، كه باعث پیشرفت های عظیم اقتصادی در كشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین كشورهای جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدلیل فقدان جرات علمی و عدم تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طلائی آن بها داده می شد كه البته سودی هم برای ما به ارمغان نمی آورد، همچون فنآوری الكترونیك و كامپیوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن، هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن نداریم. فناوری نانو جدیدترین این فرصتها ست، كه كشور ما باید برای حضور یا عدم حضور درآن خیلی سریع تصمیم خود را اتخاذ كند.
علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژی) توانائی بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملكولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یك حرف از علم» یكپارچه خواهد كرد.
میلیونها سال است كه در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملكولی ) - مثل یك درخت یا یك میكروب - ساخته می شود. علم بشری اینك در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد كه در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو كاربردهای را به منصه ظهور می رساند كه بشر از انجام آن به كلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسیار سبك و محكم برای مصارف مرسوم یا نو
o ورشكستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
o كاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی
o همه گیر شدن ابر كامپیوترهای بسیار قوی، كوچك و كم مصرف
o سلاحهای سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
o شناسائی فوری كلیه خصوصیات ژنتیكی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
o ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
o از بین بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شیمیائی و میكروبی
o از بین بردن كامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
o سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
o تولید انبوه مواد و ابزارهائی كه تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
o و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!
دكترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتكنولوژی اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژیهای دیجیتالی كپی‌برداری را سریع، ارزان، كامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه میشود. هزینه تولید یك تن تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد میشود".
دكترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و كاشف Buckyballs می‌گوید:
" نانوتكنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معكوس خواهد كرد". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژی كه توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است :
" تصور كنید قادرید با نوشیدن دارو كه در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنید . یك ابر كامپیوتر را كه به اندازه یك سلول انسان است در نظر بگیرید. یك سفینه فضایی 4 نفره كه به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یك خودروی خانوادگی تجسم كنید" .
موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژی هستند. انسان در معرض یك انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است كه ناشی از علم نانوتكنولوژی است. در آینده نزدیك گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند كه قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی كار كنونی از رده خارج خواهند شد. كالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیك و با دوام خواهند شد. دارو یك جهش سریع و كوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبكهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.
از طرفی شاید بتوان گفت تسخیركنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند.
قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی كوچك از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یك فضای بسیار كوچك موضوعی بسیار آشنا می باشد.
در كوچكترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یك موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار كوچكی از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد ( نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یكی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترك این سه فناوری است.