دوران رویاهای بزرگ سپری شده است. بر مبنای همین اصل، دانشمندان علم نانو را که معمولاً نانوتکنولوژی نامیده می شود ( NT ) به وجود آورده اند. (1) بسیاری پیش بینی می کنند که آینده جهان احتمالاً با این تکنولوژی اداره شود. در چند دهه اخیر، دانشمندان سراسر جهان پژوهش هایی به ویژه درباره استفاده از این تکنولوژی در پزشکی و الکترونیک انجام داده اند. در واقع محصولات جانبی نانوتکنولوژی پیشرفت های چشمگیری در حوزه هایی مانند تراشه های کامپیوتر، لوازم آرایشی مانند کرم های ضد آفتاب، شیشه های خود شوی ( Self – cleaning window ) و لباس های ضد لک گذاشته است.
نانوتکنولوژی با کاربردهای چندگانه اش قابلیت کاهش قیمت ها و توانایی ذاتی تولید مواد جدیدی را مانند آهن انعطاف پذیر و ضد زنگ دارد. این تکنولوژی در سراسر جهان به عنوان « نیروی صنعتی » پدیدار شده است. گروه بازرگانی اتحاد تجارت نانو برآورد می کند که در سال 2004 محصولاتی با ارزش سیزده میلیارد دلار آمریکا با دخالت نانوتکنولوژی تولید شده اند که این میزان کمتر از 0/1 درصد تولید جهانی است. ولی تا سال 2014، انتظار می رود این رقم نزدیک به 3 تریلیون دلار آمریکا، یا 15 درصد تولید کارخانجات برسد (2). این برآوردها پیش از فروپاشی اقتصادی جهان در سال های 2008 – 2009 بوده است. با این وجود، امیدواریم سرمایه گذاری در این زمینه کاهش شدیدی نداشته باشد، شاید صنعت خصوصی بتواند از طریق پژوهش و پیشرفت هزینه ها را کاهش دهد.
در دو سال گذشته بخش های مختلف صنعتی، از جمله مجتمع نظامی – صنعتی (3)، بر روی نانوتکنولوژی سرمایه گذاری کرده اند. مهمترین وجه این سرمایه گذاری ها، اکثراً سرمایه گذاری های چشمگیر در بخش غیرنظامی است. این سرمایه گذاری ها با دیدگاه قبلی که از جنگ جهانی دوم آغاز شد رقابت می کنند؛ دیدگاهی که پژوهش نظامی اصولاً به پیشرفت تکنولوژی های مختلف کمک می کند و این تکنولوژی ها پس از یک دوره زمانی در زمینه غیرنظامی نیز بکار گرفته می شوند. شایان ذکر است که ترانزیستورها، مدارهای مجتمع ( ICها )، کامپیوترها و اینترنت همگی نتیجه فعالیت های گران پژوهشی و پیشرفته متمرکز نظامی هستند. با این وجود، در قرن 21 بسیاری از تکنولوژی های نوپدید وارد بازار غیرنظامی می شوند و متعاقباً آن نظامیان از ویژگی های کاربری دوگانه بهره می برند. همین موضوع درباره نانوتکنولوژی نیز صدق می کند. در ابتدا، به این تکنولوژی به عنوان سکویی برای خلق شگفتی ها نگریسته می شد و به دلیل کاربردپذیری تجاری آن، بیشتر تمرکزش بر روی موضوعات غیرنظامی و تجاری بود. با این وجود، به تدریج بخشی از این تمرکز به سمت کاربرد پذیری نظامی آن نیز سوق پیدا می کند.
از آنجایی که این تکنولوژی در رابطه با سرمایه گذاری بر روی تحقیق و توسعه خیلی پرهزینه نیست، بسیاری از کشورهای درحال توسعه به این زمینه علاقه نشان می دهند. از آن مهمتر، کشورهای در حال توسعه دریافته اند که نباید در این زمینه عقب بیافتند و به جهان پیشرفته اجازه دهند تا همان طور که در سایر زمینه های مختلف در خیلی سال های گذشته مسلط بوده اند در این زمینه نیز چیره شوند. به همین دلیل، چند کشور در حال توسعه نیز اصولاً با تمرکز به کاربردپذیری غیرنظامی آن به عرصه نانوتکنولوژی می تازند (4).
جنبه تأسف باری که در مورد نانوتکنولوژی مشاهده شده است، افراط بیش از حد توانایی واقعی و اثبات شده آن است. تعریف نانوتکنولوژی تا حدودی مبهم به نظر می رسد، زیرا بسیاری از پژوهشگران، از جمله کسانی که روی سیستم های دارای مقیاس میکرومتر کار می کنند، می کوشند تا خود را زیر چتر نانوتکنولوژی بگنجانند. این افراط شامل پیش بینی های خوش بینانه درباره آینده نانوتکنولوژی نیز می شود. گواه این مدعا بحثی است که چند دانشمند مطرح کرده اند که « می توان دستگاه های برنامه ریزی شده روباتیک کوچکتر از 100 نانومتر ساخت تا به راحتی در جریان خون انسان گردش کنند، سلول های سرطانی را تشخیص دهند و پیش از این که تشکیل تومور دهند، آنها را از بین ببرند (5) ». اساساً این موضوع به این دلیل اتفاق می افتد که نانوتکنولوژی شامل بسیاری از مفاهیم پیچیده ای می شود که به آسانی دیده یا احساس نمی شوند و به نظر می آید این دانشمندان در نتیجه گیری عجله می کنند. به همان طریق مشاهده شده است که برخی ادعاها بیشتر بر اساس خیال و تصورات بنا شده است تا بر پایه واقعیت و علم.
به طور کلی، می توان گفت که درک نانوتکنولوژی دشوار نیست. علم ممکن است پیچیده باشد، اما اصول اولیه آن چنین نیست. 116 نوع یا عنصر اتم شناخته شده است. جهان و هر آنچه در آن است از اتم های یک یا چند عنصری این چنینی ساخته شده است. آرایش و ترکیب این اتم ها تعیین می کند که هر شی چه خواهد شد. عنصر کربن را در نظر بگیرید؛ گروهی از اتم های کربن را به شیوه ای خاص آرایش کنید تا شما گرافیت به دست آورید؛ آنها را کمی متفاوت بچینید، الماس به دست می آورید؛ آن را با اتم های اکسیژن ترکیب کنید، تا تبدیل به گازی شوند که در سرتاسر جو معلق است (6). در یک کلمه نانوتکنولوژی را می توان شیوه ای برای سازماندهی مصنوعی اتم ها نامید. این فصل بیشتر بر روی « آن حوزه از نانوتکنولوژی » تمرکز می کند که کاربردی، مرتبط و دست یافتنی باشد. تمرکز اصلی این فصل بر جنبه های نظامی نانوتکنولوژی است. تعداد اندکی از موضوعات مرتبط با آینده نانوتکنولوژی در سطح عمومی و به منظور نشان دادن طرز تفکر در این عرصه بحث می شود، ولی در حال حاضر غیر قابل دوام به نظر می رسد.

نانوتکنولوژی: تعریف و مفهوم

نانوتکنولوژی علم نوپدید قرن بیست و یکم است که با مهندسی مواد در مقیاس اتم ها و مولکول های مجزا سرو کار دارد. مواد نانوفاز ( nanophase ) که گاهی با این نام خوانده می شوند، به دلیل روش بسیار دقیقی که در آن ذرات تشکیل دهنده آن آرایش شده اند و شکل گرفته اند، اغلب ویژگی های جدیدی را نشان خواهند داد (7).
در واقع، نانوتکنولوژی دو مفهوم متفاوت ولی مهم دارد. یک معنای گسترده و وسیع آن شامل هر تکنولوژی است که با چیزی کمتر از اندازه 100 نانومترسرو کار داشته باشد. معنای دیگر آن، معنای اصلی است – طراحی و ساخت ماشین هایی است که در آن هر اتم و پیوند شیمیایی به دقت تعیین می گردد (8). ناریو تانیگوچی ( Nario Taniguchi )، استاد دانشگاه علوم توکیو، در سال 1974 واژه نانوتکنولوژی را معرفی کرد تا براده برداری ( تولیدات ماشینی – machining ) با اندازه های 0/1 تا 100 نانومتر را دربر گیرد (9). وی معتقد بود که نانوتکنولوژی اکثراً شامل « پردازش، جداسازی، ترکیب و تغییر شکل مواد با یک اتم یا یک مولکول » می شود (10).
در سال های اخیر کتاب بنیادی اریک درکسلر ( K. Eric Drexler )، با نام موتورهای تکوین ( 1986 ) این تکنولوژی را معرفی کرده و نظر بسیاری از پژوهشگران بخش های صنعتی و نظامی را جلب کرده است. با این وجود، تمرکز وی بیشتر بر روی بخشی از نانوتکنولوژی، به نام نانوتکنولوژی مولکولی است.
به طور کلی، نانوتکنولوژی را می توان به دو بخش متفاوت تقسیم کرد. نخست، نانوتکنولوژیِ ساختاری که به ساختارهای بسیار کوچکی مانند نانوکریستال ها و مولکول های پیچیده مرتبط می شود. در حال حاضر، اکثر پژوهشگران نانوتکنولوژی بر این مطلب متمرکز شده اند. نوع دیگر نانوتکنولوژی که اریک درکسلر آن را نانوتکنولوژی مولکولی نامیده به ماشین های بسیار کوچک، روبات ها، موتورها و کامپیوترهایی که اتم به اتم، کوچکتر از یک سلول ساخته شده اند مرتبط می شود. این نوعی از نانوتکنولوژی است که امید به تولید آزاد و ترس از نابودی محیط را افزایش داده است. نانوتکنولوژی ساختاری فقط در چند سال گذشته زمینه قابل قبولی برای پژوهش شد، ولی برای کاربردپذیری در سایر عرصه های پژوهش به سرعت در حال پیشرفت است. نانوتکنولوژی ساختاری عمدتاً کاربردهای تجاری دارد. انتظار می رود که نانوتکنولوژی ساختاری ما را در انجام بهتر کارهای موجود کمک کند. سرانجام پیشرفت ها در این زمینه می تواند به کامپیوترهای سریع تر، داروهای مؤثرتر، مواد قوی تر و موتورهای کارآمدتر منجر شود.
نانوتکنولوژی مولکولی (11) مسائل مختلفی را مطرح می کند. نخست آن که این تکنولوژی هنوز وجود ندارد! امروزه، ما می توانیم روبات هایی به اندازه حشرات بسازیم نه به اندازه سلول که مدنظر نانوتکنولوژی مولکولی است. بسیاری از ترس های مرتبط با نانوتکنولوژی به خاطر امکان خوهمتاسازی ( Self-replication ) است؛ ماشینی که می تواند کپی هایی را از خودش بسازد. اگر این مسئله به واقعیت بپیوندد، نمی دانیم با این اختراعات چه می توان کرد؟ آیا نانوتکنولوژی واقعاً می تواند « ماده چسبناک خاکستری » (12) تولید کند که تمام محیط را ببلعد و آیا می توان به آسانی جلوی چنین چیزهایی را گرفت؟ (13) در این مرحله، بسترسازی کردن تأثیر چنین احتمالات مبهمی برای کاربرد نظامی آنها غیرممکن است. هدف این فصل بررسی جزییات جنبه های قابل پرسش علمی و مرتبط با آینده نانوتکنولوژی نیست.
نانوتکنولوژی اغلب به تکنولوژی همه منظوره اطلاق می شود. این بدین دلیل است که در شکل تکامل یافته اش، ممکن است تأثیر چشمگیری بر بسیاری از صنایع و جامعه در سطح کلان بگذارد. به طور کلی نانوتکنولوژی محصولاتی با ساخت بهتر، بادوام تر، تمیزتر، ایمن تر و هوشمندتری را برای مصارف خانگی، ارتباطی، پزشکی، ترابری، کشاورزی و صنعتی عرضه می کند. همانند برق و کامپیوتر که پیش از نانوتکنولوژی پا به عرصه وجود گذاشتند، از نانوتکنولوژی نیز انتظار می رود که در اکثر جنبه های زندگی کارآیی خوبی داشته باشند. نانوتکنولوژی به عنوان یک تکنولوژی همه منظوره – هم برای مصارف تجاری و هم نظامی استفاده دوگانه ای دارد؛ برای ساخت سلاح و ابزار تجسسی قدرتمند (14).
صرف نظر از زمینه فعالیت یا اصول فیزیکی درگیر، نانوتکنولوژی در صدد توجه به مقیاس های کوچکتر از ویژگی های دائمی مواد پرحجم و طراحی جزییات دانه ای مولکول ها و اتم ها است. انجام کارها به این شیوه مزایای زیادی دارد. یکی از آنها، افزایش کارایی، سرعت و سایر عوامل اجرایی مرتبط با کوچک سازی است که این رویه در کامپیوترقابل توجه است. پژوهشگران پیش بینی کرده اند که مقیاس های نانویی جایگزین اجزای ریزتراشه می شود؛ به عنوان مثال، ترانزیستورهای مولکولی و سیم هایی که انرژی کمتری مصرف می کنند و می توانند با دقت بیشتری ساخته شوند. با این اجزای مولکولی، طراحان تراشه می توانند نه فقط میلیون ها، بلکه میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه پیاده کنند و عملکرد کامپیوتر را هزار برابر کنند (15).
مفهوم اصلی نانوتکنولوژی آرایش مجدد اتم ها بر اساس نیاز است. هر چیزی در این جهان از مولکول هایی ساخته می شود که آن ها نیز در حقیقت از اتم های کوچکتری تشکیل شده اند. ویژگی های یک ماده بیشتر به آرایش اتمی آن بستگی دارد. برای مثال به مورد دو اتم کربن، زغال سنگ و الماس دقت کنید. بنابراین، اگر شخصی بتواند آرایش اتمی داخل زغال سنگ را تغییردهد، می تواند از آن الماس به دست آورد! این جایی است که نانوتکنولوژی در آن گام می نهد. با کمک این تکنولوژی، حداقل از لحاظ تئوری، این امر دست یافتنی است (16).
قدرت واقعی نانوتکنولوژی این است که نه تنها محصولات بهتر، بلکه یک روند ساخت بسیار پیشرفته ای را ارائه دهد. به همین دلیل انتظار می رود که نانوتکنولوژی انقلاب صنعتی بعدی را به ارمغان آورد (17). از آنجایی که راه کارهای اصلی نانوتکنولوژی را می توان با هر مواد خامی استفاده کرد، کاربردهای بالقوه نانوتکنولوژی تنها با سرمایه گذاری، ساعت ها پژوهش و ابتکار معین می شود (18).

وضعیت کنونی نانوتکنولوژی

در اویل دهه 1980، وقتی که دو دانشمند IBM در سوئیس میکروسکوپ تونل زنی پویشی ( STM ) را اختراع کردند، نانوتکنولوژی کاربردی پا به عرصه ظهور گذاشت. میکروسکوپ تونل زنی پویشی، ابزار فوق العاده ساده ای است که تصاویری با جزییات جدید سطوح اتمی، رسانای برق را تولید می کند. میکروسکوپ های اتمی و مغناطیسی و نیز اختراعات IBM، دید مقیاس اتمی به سطوح غیررسانا را گسترش دادند و موجب چشم انداز مستقیم نیروهای سطحی مانند مغناطیس و اصطکاک می شوند. در سال 1990، IBM نشان داد که می توان STM را نه تنها برای تصویربرداری، بلکه برای تثبیت و استقرار اتم ها نیز استفاده کرد. اولین نمایش کاربرد نانوتکنولوژی توجه به لوگوی IBM با 35 اتم زنون بود و بلافاصله، این نماد معروفی از دقت مقیاس نانویی شد (19).
امروزه، پژوهشگران نانوتکنولوژی رویکردی دوگانه در ساخت دستگاه های نانویی دارند. اهداف رویکرد « بالا – پایین » ادامه کوچک سازی وسایل و ماشین های کنونی با بهبود شیوه های موجود و بکارگیری پیشرفت های اخیر تکنولوژی مانند لیتوگرافی با اشعه ایکس و نگارنده های پرتوی الکترونی است. در اینجا اتم ها و مولکول ها از مواد حجیم و گاهی غشاهای نازیک زدوده می شوند تا ساختار نانویی مطلوب به دست آید. در رویکرد « پایین – بالا » تلاش می شود که با تقلید از طبیعت و از طریق تحریک اتم ها و مولکول ها برای خود سامان دهی یا خودمونتاژی در سیستم های پیچیده ای که به صورت دستگاه ها و ماشین ها عمل می کنند، دقیقاً همانند درون سلول های زیستی شود. در این رویکرد اجزا توسط نیروهای فیزیکی / شیمیایی خود را آرایش می کنند (20). در این پیوستگی، اتم ها و مولکول ها به شیوه ای جفت می شوند که از طریق رسوب کنترل شده ( Controlled deposition ) بر روی پارامترهای واکنشی، مواد نانویی از اندازه و شکل مورد نیاز برخوردار شوند. این شیوه پایین به بالای ساخت « اتم به اتم » که قلمروی رویایی نانوتکنولوژیست ها است، هنوز برای ساخت دستگاه های الکترونیکی به واقعیت نپیوسته است زیرا آنها نمی توانند الگوهای متصل طراحی شده ای را تولید کنند.
هر رویکردی با چالش های خاص خود مواجه می شود. امروزه علم نانو به طور مساوی بین دو رویکرد تقسیم شده و انتظار می رود تا رویکردهای ترکیبی که خودمونتاژی در تکنولوژی های بالا – پایین موجود را در هم ادغام می کند پدیدار شوند (21). با این وجود، صنعت در این عرصه منتظر هیچ کشف مهمی نمی ماند، ولی به سرعت نوآوری های جدید ( در دسترس بودن، امکان پذیر بودن، و عملاً آزمایش شده ) را وارد عمل می کند. از این رو، کاربردهای نانوتکنولوژی به واقعیت پیوسته است.
تولید کنندگان اتومبیل در ایالات متحده بیش از یک دهه از لاستیک های نانونیی (22) برای بهبود ایمنی خطوط سوخت در وسایل نقلیه مسافربری استفاده می کنند و صنعت الکترونیک بر لاستیک های نانویی در مواد بسته بندی « برای مصونیت بهتر کالاها » و برای کمک به برداشت هرگونه بار الکتریکی پیش از این که به حد تخلیه جرقه ای برسد تکیه کرده است. امروزه، کار در زمینه نانو محدود به چند کشور خاص نمی شود. در عوض، در قسمت های مختلف جهان با سطوح مختلف پشتیبانی تخصصی و مالی اجرا می شود. ژاپن، کره، تایوان و کشورهای اروپایی از جمله اسکاتلند و هلند نیز نقش های مؤثری در گسترس توانمندی های نانوتکنولوژی ( غیر از ایالات متحده ) ایفا کرده اند – و جلب نظر به این تکنولوژی در سرتاسر جهان همچنان ادامه دارد (23).
میکروالکترونیک ها امروزه به طور روتین ساختارهای حدود 100 نانومتری را می سازند. بنابراین عصر ساخت نانویی، از یک جهت پیش از این وجود داشته، « و عصر علم نانو آغاز شده است، ولی عصر استفاده های عملی یافته های نانوتکنولوژی از ساختارهای نانویی هنوز ( تا شروع قرن 21 ) آغاز نشده است (24) ». ولی پیشرفت های زیادی در ربع دهه گذشته صورت گرفته است. پیشرفت در گسترش علم درمان شناسی ترکیبی نیز با اندازه نانو و سیستم های تحویل داروهایی با اندازه نانو در طول دهه گذشته قابل توجه بوده است (25).
به طور کلی، شناسایی اختصاصی تفصیلی بسیار جزیی گسترش در حوزه این تکنولوژی بسیار دشوار است. به این دلیل که نانوتکنولوژی موضوعی میان رشته ای است. از این رو، شیوه های مختلف فیزیکی، شیمیایی، زیستی و ترکیبی مختلفی برای آمیختن مواد نانویی وجود دارد. در تمامی این صحنه ها به طور همزمان کارهای مختلفی در حال انجام است و دستاوردهای آنها با سطوح مختلف موفقیت دیده می شوند.