فناوری نانو عبارت است از هنر دستکاری مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی (مانند روبات‌های میکروسکپی)

1. پزشکی و بدن انسان:

رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی]، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.

• فراتر از سهل‌شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو(Drug Delivery) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.

• مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی(مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلول‌ها وارد نمود.

• افزایش توان محاسباتی به‌وسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

1. دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:

نانوتکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد؛ در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها؛ در توسعه فنّاوری‌های «سبز» جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ??? نانومتر) و هوا (زیر ?? نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.

در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت‌های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل‌ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه ??? میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به همراه داشته‌باشد.

همچنین انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ای در فنّاوری روشنایی در ?? سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی(LED‌ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریباً ??? کل برق تولیدی، صرف روشنایی(چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ?? تا ?? سال آینده، پیشرفت‌هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ??? کاهش دهد که ??? میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ??? میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت.

1. هوا­ و­ فضا:

محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.

«نانوساختن»(Nanofabrication) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ای یا خورشیدی، تعیین‌کننده‌است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم‌های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت‌های شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو –که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.

1. امنیت ملّی:

برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارت‌اند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته به‌عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارآیی بالاتر(وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طرّاحی در سیستم‌های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای. در بسیاری موارد، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.

1. کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک

ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌العاده کوچک: با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ???? برابر یا بیشتر افزایش داد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، و این امر موجب ذخیره‌ سازی ?? عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه­های فوق­العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه­های ?? تا ?? نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ??? گیگابایتی در اندازه‌­های کوچک نیز می­باشد.

1. شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ

شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می‌سال ????، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده‌است. بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی ?? سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده‌است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ?? سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده‌است که در سال ???? پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.

در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده‌است تا ?? الی ?? سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار ??? میلیارد دلاری کاتالیست‌ها که تا ?? سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست‌های نانوساختاری خواهد بود، برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است. موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی(Carbon NanoTubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.

در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است

تدوین تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن در مقیاس نیمه صنعتی و صنعتی

تدوین تکنولوژی ساخت نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن در مقیاس نیمه صنعتی و صنعتی توسط پژوهشکده علوم و تکنولوژی پلیمر پژوهشگاه صنعت نفت در دستور کار قرار گرفت و تهیه این پلیمر در مقیاس های مذکور با موفقیت انجام شد.

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از پژوهشگاه صنعت نفت، دکتر شریعت پناهی - مسئول پروژه گفت : نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن با توجه به ویژگی های مناسب و پتانسیل مصرف بالا در صنایع حمل و نقل، لوازم الکترونیکی پرتابل و بسته بندی به شدت مورد توجه قرار گرفته اند و آینده ای روشن همراه با رشدی فزاینده برای آنها پیش بینی می شود به طوری که صنایع خودروسازی عمده ترین مصرف کنندگان این نانوکامپوزیت ها به شمار می روند. وی تاکید کرد : محققان معتقدند بهره گیری از این گروه از مواد می تواند انقلابی در تولید قطعات سبک و ارزان همراه با خلوص بهبود یافته در خودروها ایجاد کند و از این طریق به هر چه سبک تر شدن خودرو و در نتیجه به کاهش مصرف سوخت و آلودگی محیط زیست کمک شایانی خواهد کرد. شریعت پناهی افزود: از خواص برتر این نانوکامپوزیت ها می توان به کیفیت ظاهری مناسب سطح قطعات، فرآیندپذیری عالی، آتش گیری کم، خواص ضربه پذیری خوب با مقاومت در برابر خراش بالا، رنگ پذیری خوب، مقاومت بالا در دمای کم و بهبود مقاومت کششی و خمشی اشاره کرد. با توجه به ویژگی های مناسب این نوع نانوکامپوزیت انتظار می رود در آینده نزدیک این مواد جایگزین حداقل 20 درصد از کل پلاستیک های مورد مصرف در خودرو شوند. شریعت پناهی خاطرنشان کرد: مقایسه خواص نانوکامپوزیت های حاصله با کامپوزیت های معمولی پلی پروپیلن بیانگر برتری خواص نانوکامپوزیت ها نسبت به کامپوزیت های معمولی از جمله فرآیند پذیری بهتر، سبکی بالاتر و شفافیت بالاتر است. وی گفت: ماحصل این کار تولید گونه ای از نانوکامپوزیت های پلی پروپیلن است که می توان از آن قطعاتی با قیمتی معادل کامپوزیت های عادی و خواصی برتر و نیز سبک تر تهیه کرد که علاوه بر رفع نیاز قطعات مختلف خودرو و لوازم الکترونیکی پرتابل می تواند کمک موثری به گسترش و توسعه کاربرد پلی پروپیلن کند.

کاربردهایی صنعتی از نانوکامپوزیت ها و نانوبلورها نانوتکنولوژی یک فناوری تخیلی دوردست نیست، بلکه هم‌اکنون جای خود را در عرصة اقتصاد باز کرده است. هم‌اکنون صنعت پوشاک، اثرات نانوتکنولوژی را حس کرده است. مثلاً Eddie Bauer تن‌پوش‌های نظامی دافع لک را با استفاده از نانوذرات تولید می‌کند. این نوآوری تأثیرات بدی بر خشک‌شویی‌ها، سازندگان دترجنت‌ها و لک‌زداها خواهد داشت. در ذیل مثال‌هایی از بخش‌های مختلف نانوتکنولوژی را ارائه می‌دهیم: نانوکامپوزیت‌‌ها محققین آزمایشگاه ملی نورث‌وسترن پاسیفیک یک فرآیند روکش‌دهی را توسعه داده‌اند، که سیلیکای اسفنجی‌شکل حاصل از آن، ‌فلزات سمی آب را جذب می‌کند. تک‌لایه‌های خودسامان بر روی پایه‌های میان‌حفره‌ای (SAMMS) فلزاتی همچون سرب و جیوه را به‌راحتی به دام می‌اندازند. این فلزات را می‌توان بازیافت کرد یا برای همیشه در توده فوق‌الذکر نگه داشت. یک خوشه شش‌ضلعی از حفرات لوله‌ای در شکل (1) دیده می‌شود. یک حفره واحد دراین مثال با تک‌لایه‌ای از مرکاپتوپروپیل سیلکوکسی و یک مولکول فعال سطحی در پس‌زمینه شکل قابل مشاهده است. برای جزئیات بیشتر به مقاله ذیل مراجعه کنید: آیا مس می‌تواند آلودگی رادیواکتیو را رفع کند؟ از یک نانوکامپوزیت پلاستیکی در رکاب خودروی سفری جنرال موتورز و ون‌آسترو استفاده می‌شود. این ماده سبک‌‌وزن، ضدخراش و ضدپوسیدگی است. افزایش استحکام و کاهش وزن آن باعث صرفه‌جویی در سوخت و افزایش طول عمر می‌شود. در سال 2001 شرکت تویوتا شروع به استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در یک سپر خودرو نمود. این سپر 60% سبک‌تر و دوبرابر مقاوم‌تر به تورفتگی و خراش بود. اثرات: احتمال دارد از این نانوکامپوزیت‌ در مدل‌های دیگر تویوتا و جنرال موتورز و همچنین بخش‌های دیگری از خودروهای دیگر شرکت‌ها استفاده شود، تا و زن و مصرف سوخت آنها کاهش و مدت کارکرد آنها افزایش یابد. احتمالاً تعمیرگاه‌ها (با کاهش نیاز به تعمیر) و مؤسسات بیمه (با کاهش ادعای خسارت) نیز از این فناوری متأثر خواهند شد. همچنین در هرجایی که سبکی، مقاومت به فرسایش، دوام و استحکام از اهمیت برخوردار باشند، به احتمال قوی این نانوکامپوزیت‌ها وارد خواهند شد. انتظار می‌رود ناسا، آژانس فضایی اروپا و غیره نگاهی جدی به آن‌ها داشته باشند، زیرا هزینه‌های پرتاب موشک کاهش یافته و محموله‌های سنگین‌تری را می‌توان به فضا فرستاد. نانوبلورها نانوبلورها نور را جذب و با رنگ متفاوتی منتشر می‌کنند. اندازه آنگسترومی نانوبلورها تعیین‌کننده این رنگ است. شش محلول نشان‌ داده شده در شکل (3) حاوی نقاط کوانتومی متفاوتی هستند. این محلول‌ها در معرض لامپ ماوراء بنفش موج بلند قرار گرفته‌اند. نقاط کوانتومی، نشان‌گرهای نوری مقیاس مولکولی محسوب می‌شوند. نانوبلورهای Qdot ™ مثل LED های معمولی عمل می‌کنند و برحسب اتصالات زیستی مختلف، رنگهای متفاوتی را از خود بروز می‌دهند. (عکس از شرکت Quantum Dot ) شکل2- در این میکروگراف الکترونی از سطح مقطع یک نانوکامپوزیت سیلیکونی، توزیع یکنواخت یک شبکه از نانولوله‌های کربنی رسانا قابل مشاهده است. عکس از نیروی هوایی آمریکا نانوبلورهای فلزی را می‌توان در سپر خودروها وارد کرد تا استحکام آنها بیشتر شود، یا می‌توان آنها را به آلومینیوم اضافه کرد تا مقاومت آن نسبت به فرسایش بیشتر شود. از نانوبلورهای فلزی می‌توان برای تولید یاتاقان‌های بادوام‌تر از نمونه‌های مرسوم، انواع حسگرهای جدید و اجزای سخت‌افزاری وسایل الکترونیکی و رایانه استفاده کرد. ثابت شده است که، نانوبلورهای فلزات مختلف 100، 200 و حتی 300 درصد توده فلزی مشابه سختی دارد. به علت این که مقاومت فرسایشی یک فلز اغلب تابع سختی آن است، قطعات ساخته‌شده از نانوبلورها عمر بیشتری نسبت به قطعات مرسوم خواهند داشت. شرکت Smith & nephew یک روکش ضدمیکروب پوشیده‌شده از نانوبلورهای نقره را به بازار عرضه می‌کند (نانوبلورهای فوق حاصل ثبت اختراع شرکت دارویی NUCRYST می‌باشند). روکش نانوبلورین نقره به سرعت در عرض نیم ساعت انواع باکتری‌ها را می‌کشد. نانوبلورها اجزای ایده‌‌آلی برای قطعات فتوولتائیک می‌باشند. آنها نور خورشید را بیشتر از مولکول‌های رنگی یا مواد نیمه‌هادی توده‌ای جذب می‌کنند درنتیجه با یک فیلم نازک از آنها می‌توان به دانسیته نوری بالایی دست یافت. نانوبلورهای کاملاً بلورین CdSe نیز یک کانون مصنوعی انجام واکنش به شمار می‌رود، که جفت الکترون‌ حفره را در یک مقیاس زمانی فمتوثانیه‌ای از هم جدا نگه می‌دارد. نانوبلورهای فلورسنت نسبت به مولکول‌های رنگی آلی در زیست‌شناسی، مزایای زیادی به عنوان نشانگرهای فلورسنت دارند. آنها به‌شدت درخشان‌اند و براثر نور تجزیه نمی‌شوند. نانوبلورهای قابل الصاق به داروها می‌توانند با الصاق به یک پروتئین در خارج از سلول، جابجایی آن را به صورت یک فیلم سینمایی نشان دهند. آنهاهمچنین در کشف دارو، پایه‌ای برای سنجش بسیار سریع فلورسانس به شمارمی‌روند.   نقش نانوکامپوزیت های پلیمری در صنعت خودرو تشریح شد پژوهشگاه صنعت نفت در تشریح نقش نانوکامپوزیت های پلیمری در صنعت خودرو اعلام کرد : کاهش وزن قطعات و مصرف سوخت خودرو و در نتیجه کاهش میزان آلایندگی از مزیت های نانوکامپوزیت های پلیمری در صنعت خودرو به شمار می آید. به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از پژوهشگاه صنعت نفت، اعلایی - محقق پژوهشگاه صنعت نفت با بیان این مطلب افزود : نانوکامپوزیت های پلیمری نسل جدیدی از محصولات پلیمری به شمار می روند که در قرن گذشته وارد بازار شده و متشکل از مواد پلیمری به صورت زمینه و مواد تقویت کننده با ابعاد نانو (یک میلیاردیم متر) به صورت پراکنده هستند. وی اضافه کرد : اصولا مهمترین ویژگی پلیمرها، سبکی و قابلیت فرآیند پذیری آنها در دماهای پایین است. با این حال پلیمرها از استحکام زیادی برخوردار نیستند و تقویت کردن آنها با مواد معدنی ضروری است. در نتیجه تقویت معمولی، سبکی و فرآیند پذیری پلیمرها در دماهای پایین تا حد زیادی از بین می رود. در کامپوزیت های نانو ساختاری، فاز تقویت کننده در مقیاس نانو بوده و توزیع یکنواخت این ذرات در پلیمرها باعث می شود با مقادیر بسیار کم تقویت کننده نانو، خواص پلیمر از نظر استحکام بهبود قابل توجه ای نشان دهد. این محقق افزود : هم اکنون در پژوهشگاه صنعت نفت، تحقیقاتی در زمینه استفاده از نانوکامپوزیت ها در صنعت خودرو، بسته بندی محصولات کشاورزی و غشاهای پلیمری در حال انجام است. وی گفت: مهمترین نتیجه استفاده از نانوکامپوزیت ها در صنعت خودرو، کاهش وزن قطعات و مصرف سوخت و در نتیجه کم شدن میزان آلایندگی خودرو است. در بخش بسته بندی محصولات کشاورزی با استفاده از فیلم های نانوکامپوزیتی از نفوذ گازهای خارجی همچون اکسیژن و دی اکسید کربن به داخل بسته بندی برای مدت های طولانی جلوگیری و افزون بر آن استحکام مکانیکی و عمر مفید بسته بندی شیر افزایش می یابد. اعلایی تاکید کرد : نانوکامپوزیت ها به عنوان غشاهای پلیمری جهت جداسازی گازهای مختلف خروجی از چاه در صنعت نفت استفاده می شوند. به عنوان مثال به منظور خالص سازی گاز متان در مصارف گاز شهری از این غشاها می توان استفاده کرد. وی افزود: همچنین کاربرد هیدروژل های نانوکامپوزیتی و تزریق آنها در درون چاه های نفتی موجب ازدیاد برداشت نفت با مسدود کردن مسیرهای آب خروجی در مخازن نفتی خواهد شد. اعلایی اضافه کرد : بی شک فناوری نانوکامپوزیت های پلیمری در بهبود توسعه صنایع و تنوع بخشیدن به محصولات پلیمری جایگاه ویژه ای دارد.