اشاره

در صفحه (گام به گام با نانوتکنولوژی ) قصد داریم خوانندگان ماهنامه اطلاعات علمی را هر چه بیشتر با فناوری نانوآشنا سازیم در این راستا طی مقالاتی به معرفی کامل این فناوری پرداخته و کاربردهای آن را در صنایع مختلف به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار خواهیم داد . امید است مورد توجه قرار گیرد .
بشر از همان ابتدای تاریخ تمامی همت خود را معطوف ساخت و ساز در محدوده عادی و مورد دسترس نموده وتوجه زیادی به ساختارهای خیلی بزرگ و یا خیلی کوچک نداشته است . برای اینکه تصور جامع تری نسبت به موضوع ارائه دهیم می توانیم از سیستم si یاد کنیم ، برای مثال در این سیستم واحد طول ، متر انتخاب شده و دیگر اندازه های طولی از آن مشتق می شوند . بشر در ابتدا نه توانایی این را داشت که به محدوده های دیگر وارد شود و نه لزوم کار در چنین محدوده هایی را احساس می کرد . اما این روند که انسان تا به دیروز دنبال می کرد ، دیگر جواب گوی نیاز بشر امروزی نیست . هر چند با اختراع ترانزیستورها و ... توانسته ایم تا حدودی وارد میکروالکترونیک شده و از آن بهره مند شویم ، با این وجود برای ساخت کامپیوترها به مشکل برخورد کرده ایم ، مشکلی به بزرگی کوچک کردن اندازه در حد اتمی که تقریبا تمام استراتژی های حل این مسأله به نوعی با نانوتکنولوژی در ارتباط می باشند .
قرن بیست و یکم ، قرن فناوری نانو بشمار می رود . قرن نانو ، قرن سلامتی ، صرفه جویی و آرامش می باشد . نانو نه یک ماده است نه یک جسم ، فقط یک مقیاس است ، نانو یک میلیاردم متر است ، به اندازه ای کوچک که دیده نمی شود اما تاثیر شگرفی در زندگی انسان دارد .

با توجه به گسترش روزافزون فناوری نانو و ایجاد تحولات بزرگ در صنایع مختلف توسط این فناوری ، لازم است که هر کسی بسته به تخصص خود اطلاعی هر چند کلی از کاربردها و قابلیت های فناوری نانو داشته باشد .
فناوری نانو منحصر به یک رشته خاص نیست ، بلکه موضوعی میان رشته ای است ، یعنی به علوم مختلف وابسته است و با استفاده از پیشرفت های علوم مختلف می توان به پیشرفت های فناوری نانو دست یافت . بنابراین کاربردهای متفاوتی را می توان برای این فناوری متصور شد . مانند کاربردهای الکترونیکی ، پزشکی ، زیستی و ... که از نظر رشته ای ارتباط خاصی با یکدیگر ندارند . لذا ممکن است فناوری نانو رشته ای کاملا گسسته به نظر آید که موضوعات آن هیچ ارتباطی با هم ندارند .در واقع فناوری نانو نگرشی جدید به علوم مهندسی است که توانسته با تاثیری شگرف ، باعث به وجود آمدن مواد جدیدی شود و یا خواص مواد شناخته شده قبلی را به طور کامل عوض کند .
گرچه تا کنون تنها به بخش بسیار محدودی از کاربردهای فناوری نانو در صنایع پرداخته شده است ، اما در همین حد نیز به خوبی روشن است که گسترش این فناوری و محصولات آن تا چه اندازه تحولات شگرفی را در زمینه های گوناگون مهندسی ایجاد کرده و خواهند نمود . بنابراین مهندسان آینده ما علاوه بر این که باید با علم مهندسی در زمینه تخصصی خود آشنایی داشته باشند ، باید در زمینه مواد و قابلیت های جدیدی که فناوری نانو ایجاد می کند نیز آگاهی کافی داشته باشد .

تاریخچه نانوتکنولوژی

تاریخچه و شروع علمی این رشته را مربوط به سخنرانی ریچارد فاینمن می دانند او که به پاس کمک های شایانش به الکترودینامیک کوانتومی (موضوعی بسیار دور از فناوری نانو) جایزه ی نوبل فیزیک را دریافت کرده بود ، در کنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضای زیادی وجود دارد» به بحث در مورد توانایی ها و امکان ساخت مواد در مقیاس نانو پرداخت . وی با این سؤال شروع کرد که :
«چرا نمی توانیم بیست و نه جلد دایره المعارف بریتانیا را بر سر یک سوزن بنویسیم؟»
و ادامه داد :
«قطر ته سوزن 1/61اینچ است . اگر آن را بیست و پنج هزار بار بزرگ کنیم سطح آن با کل سطح صفحات دایره المعارف برابر می شود . پس کافی است همه نوشته ها را بیست و پنج هزار بار کوچک کنیم .»

اگر چه اندیشه های فاینمن بازتاب چندانی توسط دانشمندان آن زمان نداشت ؛ اما هم اکنون بسیاری از فرضیات او به واقعیت پیوسته اند .
همگام با فاینمن ، دانشمندان دیگری نیز مشغول به فعالیت در این حوزه بودند . یکی از این افراد فیزیکدانی نظری به نام راف لندرو بود که در سال 1957 برای ibm کار می کرد . وی ایده هایی پیرامون نانو الکترونیک داشت و به ارزش اثرات مکانیک کوانتومی در این زمینه پی برده بود . در اواسط دهه 70 اریک درکسلر که سخت به افکار و نظرات فاینمن علاقه مند شده بود ، تصمیم گرفت تا در حوزه نانو به کاوش بپردازد . او در اوایل دهه 80 میلادی درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرد و توانست به همراه گروهی از دانشجویان انجمنی را تشکیل دهد . او افکار جوانترها را با یک سری ایده ها که خودش نانو تکنولوژی نامگذاری کرده بود مشغول می داشت . در کسلر اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی (mnt) در سال 1981 ارائه داد . در سال 1986 در کسلر کتاب «موتور خلقت» را به چاپ رساند و در سال 1991 تنها درجه دکتری در نانوتکنولوژی را از دانشگاه mnt دریافت داشت . در کسلر را پدر علم نانوتکنولوژی می دانند .

فناوری نانو

نانوتکنولوژی یعنی فناوری یک میلیاردم متر یا تکنولوژی اتم ها . در زبان یونانی نانو به معنای کوتوله و معادل یک میلیاردم می باشد ، یعنی 50000 بار نازکتر از ضخامت یک تار مو . اگر انسان به این اندازه بزرگ شود طول قدش 2 میلیون کیلومتر می شود یعنی به اندازه 5 برابر ماه تا زمین .
تعاریف مختلفی برای فناوری نانو ارائه می شود که مهمترین آن ها به شرح زیر است :
- فناوری نانو عبارت است از هنر دستکاری مواد در مقیاس اتمی یا ملکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی (مانند روباتهای میکروسکوپی)
- فناوری نانو ، توانمندی تولید مواد ، ابزار و سیستم های جدید با درست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص آنهاست که در آن سطوح ظاهر می شود . فناوری نانو یک رشته جدید نیست ، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست .

- فناوری نانو فناوری است که بر پایه دستکاری تک تک اتم ها و مولکول ها استوار است بدین منظور که بتوان ساختاری پیچیده را با خصوصیات اتمی تولید کرد .
- فناوری نانو ، توانمندی بهره برداری از خصوصیات و پدیده های جدید حاصله در مقیاس نانو می باشد . به طوری که خصوصیات مواد پس از تبدیل به مقیاس نانو کاملا تغییر می کند .
- اهدافی که دانشمندان در حوزه نانو دنبال می کنند عبارتند از :
1- توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی ، مولکولی و یا ماکرو مولکولی در مقیاس اندازه های 1 تا 100نانومتر.
2- خلق و استفاده از ساختارها ، ابزار و سیستم هایی که به خاطر اندازه کوچکشان ، خواص و عملکرد جدیدی دارند .
3- توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی .
آنچه که فناوری نانو رابا فناوری های دیگر متمایز می کند این است که ، در فناوری نانو تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد ، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ ، استحکام ، مقاومت در برابر خوردگی و... تغییر می یابد .
در واقع می توان تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر اینگونه بیان کرد که در فناوری های دیگر سعی در کوچک ساختن ساختارهای بزرگ می کنند ، به طور مثال با جایگزین شدن ترانزیستورها به جای مدارات لامپی اندازه وسایل الکترونیکی کوچک تر شد و نهایتا کیت ها ساخته شد که شامل میلیون ها ترانزیستور می باشند . صنایع میکروالکترونیک از بزرگ به کوچک رسیده اند اما در نانوتکنولوژی از جزء به کل می رسند و بدین ترتیب می توان ساختارهای جدیدی به نام «عناصر پایه» ساخت . عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانو مقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند . این عناصر پایه دارای گوناگونی فراوانی هستند مانند : نانو ذرات ، نانولوله های کربنی ، نانو کپسول ، نانو درخت ، فولرین و... ، که شرح تعدادی از آن ها به اختصار بیان می کنیم .

1- نانو ذرات

اولین و مهمترین عناصر پایه ، نانو ذره است . منظور از نانو ذره ، ذراتی با ابعادی در حدود 1 تا 100 نانومتر و در هر سه بعد می باشد . نانو ذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند ، مانند نانو ذرات فلزی ، سرامیکی و....

2- نانو لوله های کربنی

این عنصر پایه در سال 1991 توسط دانشمندان ژاپنی کشف شد و در حقیقت لوله هایی از جنس گرافیک می باشند . این نانو لوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند . این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای قابل توجهی از آنها می شوند .

3- نانو کپسول ها

سومین عنصر پایه ، نانوکپسول است . همان طوری که از اسم آن مشخص است ، کپسول هایی هستند که قطر نانومتری دارند و می توان موارد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد . از نانو کپسول ها در پزشکی برای دارورسانی به سلول های بیمار استفاده می شود .

4- فولرین ها :

مهمترین نوع فولرین ها ، 60C نام دارد و آن چنان که از نامش پیداست از 60 اتم کربن تشکیل شده است . این اتم ها به گونه ای در کنار یکدیگر قرار گرفته اند که یک ساختار کروی به دست می دهند . این ماده کاربردهای گوناگونی در صنایع مختلف دارند .

کاربردهای نانو

تا کنون نانوتکنولوژی بیشترین کاربرد را در صنایع سنگین ، بهداشت ، نساجی و کشاورزی داشته و در صنایعی نظیر رنگ ، اتومبیل ، کامپیوتر ، شیمی ، تصفیه آب و ... نیز در حال توسعه است . محصولات نساجی حاصل از فناوری نانو در کشورهای آلمان و انگلیس بیشترین رواج را دارند . تولدی کفش ها و لباس هایی که با حفظ گرمای بدن و تاثیر در گردش خون ، باعث کاهش خستگی می شوند نیز از دستاوردهای سحر آمیز علم نانو است . در صنعت الکترونیک با استفاده از نانو تکنولوژی نمایشگرهایی تولید کرده اند که قابلیت دید با زاویه 180 درجه را دارند و پیل های خورشیدی با دوام تر و کارات ، با امید به کاهش واقعی قیمتها ، هم اکنون در حال پیشرفت هستند . برخی از این پیل ها حتی هیدروژن تولید خواهند کرد . در صنعت داروسازی از نانوذرات برای جذب دارو از راه پوست و چشمها (خیلی لذت بخش تر از تزریقات) و استنشاق ، به منظور در امان ماندن از تخریب دارو توسط آنزیم های معده که در شش ها وجود ندارند استفاده می شود ، همچنین از نانوکپسول ها برای پخش تدریجی دارو در بدن برای دارورسانی به سلول های بیمار و کاهش عوارض جانبی استفاده می شود . همچنین به کمک این فناوری ، صنعت رنگسازی توانسته رنگ هایی را تولید کند که با تصفیه هوا به میزان زیادی باعث کاهش آلودگی شهرها می شود .
از فناوری نانو به عنوان «روان کننده جریان سرمایه گذاری» یاد می شود . ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی وتوانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابه جایی های بزرگ اقتصادی خواهد شد .
هم اکنون بخش های دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان مانند ژاپن ، آمریکا ، اتحادیه اروپا ، چین ، هند ، تایوان ، کره جنوبی ، استرالیا ، رژیم صهیونیستی و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر می برند . هم اکنون روی هم رفته حدود 30 کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای «برنامه ملی» یا در حال تدوین آن هستند و طی پنج سال گذشته سرمایه گذاری در آن زمینه را به میزان سه برابر افزایش داده اند .
کشورمان ایران نیز در این سال ها توانسته با برنامه ریزی و سرمایه گذاری گام های مؤثری در این زمینه بردارد . شیب قابل توجه رشد مقالات علمی در حوزه نانو خود گواه گسترش روزافزون این فناوری در میان دانشمندان وجامعه دانشگاهی است . همچنین در سال های اخیر تلاش های موفقیت آمیزی در جهت تولید محصولات نانو صورت گرفته است و با تولید این محصولات استراتژیک ، کشورمان در زمره کشورهای در حال پیشرفت در حوزه نانو قرار گرفته است .
منبع: مجله اطلاعات علمی شماره 368