مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فناوري نانو چيست؟

از اهداف مهم فناوري نانو ــ و شايد مهم‌ترين آنها ــ به وجودآوردن ساختارهايي از مواد است كه در آنها آرايش مولكول‌ها از پيش طراحي شده باشد. روش‌هاي مرسوم توليد، مثل روش ذوب فلزات و سرد كردن آنها در قالب، چنين امكاني رافراهم نمي‌كنند. پس چگونه مي‌توان چنين ساختارهايي را به وجود آورد؟ اين مقالهمي‌خواهد به همين سؤال پاسخ بگويد.

فرض كنيد تعدادي آجر خانه‌سازي داريد ومي‌خواهيد با آن چيزي ــ بهتر است بگوييم «ساختاري» ــ مانند شكل 1 بسازيد.

شكل 1

چگونه اينكار را انجام مي‌دهيد؟ احتمالاً روش شما هم با ما يكي است: چهار آجر دو در دو راكنار هم مي‌گذاريد و بعد چهار آجر دو در دوي ديگر را به صورت عمودي به آنها متصلمي‌كنيدتا ساختار مورد نظر شكل بگيرد.

بسيار خوب، حالا فرض كنيد كه وقتيآجرهاي خانه‌سازي را از فروشگاه مي‌خريد، آنها به شكل يك مكعب بزرگِ پيش‌ساخته مثلشكل دو باشند.

شكل 2

حالا اگربخواهيم به شكل يك برسيم چه كنيم؟ اجازه دهيد جواب را ما به روش خودمان بدهيم: آجرهاي اضافيِ مكعب بزرگ را حذف كنيد تا شكل يك كم‌كم خودش را نشان بدهد. (مثل شكل 3)

شكل 3

در روشاول با استفاده از قطعات كوچك يك قطعة بزرگتر ساختيم. به اين روش، «ساختن از پايينبه بالا» مي‌گوييم. در روش دوم قطعات زائدِ يك قطعة بزرگ را حذف كرديم تا به ساختارمورد نظر برسيم. به اين روش، «ساختن از بالا به پايين» مي‌گوييم.

حالا فرضكنيد يك ساختار جديد براي ساختن پيشنهاد شود، مثل شكل 4.

شكل 4

سؤال: ازكدام روش براي ساختن اين ساختار استفاده كنيم؟ نظر شما چيست؟

اوضاع كميپيچيده شد، اما غم به خود راه ندهيد! اين مقاله براي ساده كردن همين پيچدگي نوشتهشده است. يكي از عوامل تعيين‌كنندة جواب، اين است كه ماده‌ي اوليه‌ي ما به چه شكلاست؟ اگر مادة دمِ دست ما تعدادي قطعه‌ي كوچك و ريز باشد، از روش پايين به بالااستفاده مي‌كنيم؛ اگر مادة اوليه يك قطعه‌ي بزرگ باشد، از روش بالا به پاييناستفاده مي‌كنيم. در عين حال، ممكن است هر دو روش هم به كار رود. مثلاً اگر ماده‌ياوليه براي ساختن شكل پنج به صورت مكعب بزرگي با آجرهاي دو در چهار، يعني همان شكلدو باشد، نمي‌توان با حذف بعضي آجرها مستقيماً به ساختار نهايي رسيد. در اين حالت،مي‌توانيم آجرهاي بالا و پايين ساختار شكل چهار را برداريم (ساختن از بالا بهپايين) و بعد دو آجر دودردوي مورد نياز را به جاي آنها متصل كنيم. ( ساختن از پايينبه بالا)

در صنعتهم از هر دو روش با هم استفاده مي‌شود. به مثال‌هاي زير توجه كنيد:

o يكنجار مي‌خواهد مجسمه‌اي چوبي بسازد. او يك قطعه‌ي بزرگ چوب را برمي‌دارد و با رندهو سوهان آن را مي‌تراشد و پرداخت مي‌كند تا مجسمه ساخته شود. اين كدام روش است؟

o نجار مي‌خواهد يك صندلي بسازد. او پايه‌هاي ميز و قطعات مربوط بهتكيه‌گاه صندلي را جداگانه مي‌سازد و بعد آنها را به هم متصل مي‌كند. اين كدام روشاست؟

حالا به نانوفناوري فكر كنيد: به نظر شما كدام روش ساختن درنانوفناوري كاربرد دارد؟

تا چند سال پيش، راه دست‌كاري و جابه‌جا كردنتك‌مولكول‌ها و ساختارهاي نانويي يك‌طرفه بود. يعني براي ساختن چيزها در مقياسكوچك، مي‌بايست يك قطعه‌ي بزرگ‌تر را با تراشيدن و خرد كردن يا حل كردن بخش‌هاياضافي با اسيد و… آن‌قدر كوچك مي‌كرديم تا به قطعه‌ي نهايي برسيم. به عيارت ديگر،روش‌ توليد ساختارهاي كوچك، از نوع بالا به پايين بود.

در چند سال اخيرفنوني ابداع شده‌اند كه اجازه مي‌دهند مولكول‌ها يا ذرات نانويي را جابه‌جا و آنهارا به هم متصل كنيم. مثل جابه‌جا كردن ذرات نانويي با ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) يا فنون ساختن نانولوله‌هاي كربني. اين فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پايين بهبالا هستند.

فنون گفته‌شده در بالا، براي ساختن محصولاتي كه بسيار كوچك‌اندمناسب به نظر مي‌رسند، اما اگر بخواهيم يك ديوار چندسانتي‌متريِ يكدست را به اينروش بسازيم، چند ده سال طول مي‌كشد تا مولكول‌ها را تك‌تك كنار هم بچينيم و ديوارمورد نظر را بسازيم. در عين حال، اگر بخواهيم ديوار را با استفاده از مواد موجود،مانند فلزات و سنگ‌هاي ساختماني، بسازييم، ديوار يكدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ينانوفناوري چيست؟، ساختار مواد و عيوب كريستالي را ببينيد.) پس چه كار كنيم؟

پيدا كردن فنون توليد مناسب در نانوفناوري موضوعي است كه در چند سال اخيربه‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوري هم از روش‌ساختن از بالا به پايين استفاده مي‌شود (به كمك فنوني مانند ليتوگرافي و آسياب كردنذرات) و هم از روش ساختن از پايين به بالا (به كمك فنوني مانند خودآرايي يارسوب‌دهي بخار). منتظر مقاله‌هاي بعدي باشگاه نانو در اين موضوع باشيد.

شاخه هاي فناوري نانو

هنگامي كه درباره نانوفناوري شروع به جستجو و مطالعه كنيد، به موضوعات ومواد مختلفي بر مي خوريد مانند:"نانولوله ها، شبيه سازي مولكولي، نانوداروها، سلولهاي سوختي، كاتاليزورها، نانوذرات و..." بنابراين ممكن است نانوفناوري رشته ايكاملا گسترده به نظر آيد كه موضوعات آن ربط چنداني به هم ندارند.

به طوركلي مطالعات نانوفناوري را مي توان به سه دسته تقسيم كرد. اگرچه روشهاي تحقيقاتي درآن ها بايكديگر متفاوت است، اما اين سه شاخه كاملا به يكديگر مرتبط هستند و پيشرفتدر يكي از شاخه ها مي تواند در شاخه هاي ديگر نيز كاملا موثر باشد.

اين سه شاخه عبارتند از:

1 - نانوتكنولوژيمرطوب: اين شاخه به مطالعه سيستم هاي زنده اي مي پردازد كه اساسا در محيطهاي آبيوجود دارند. در اين شاخه ساختمان مواد ژنتيكي، غشاءها و ساير تركيبات سلولي درمقياس نانومتر مورد مطالعه قرار مي گيرد. پژوهشگران موفق شده اند ساختارهاي زيستيفراواني توليد كنند كه نحوه عملكرد آنها در مقياس نانويي كنترل مي شود. اين شاخهدربرگيرنده علوم پزشكي،دارويي و به طور كلي علوم و روشهاي مرتبط با زيست فناورياست.

2- نانوتكنولوژي خشك: اين شاخه از علوم پايه شيمي و فيزيك مشتق مي شودو به مطالعه تشكيل ساختارهاي كربني، سيليكون و مواد غير آلي و فلزي مي پردازد. نكتهقابل توجه اينست كه الكترونهاي آزاد كه در فناوري مرطوب موجب انتقال مواد و انجامواكنشها مي گردند، در فناوري خشك خصوصيات فيزيكي ماده را پديد مي آورند. درنانوتكنولوژي خشك كاربرد مواد نانويي در الكترونيك، مغناطيس و ابزارهاي نوري موردمطالعه قرار مي گيرد. براي مثال طراحي و ساختن ميكروسكوپ هايي كه بتوان با استفادهاز آنها مواد را در ابعاد نانومتر ديد.

3 - نانوتكنولوژي محاسبه اي: دربسياري از مواقع ابزار آزمايشگاهي موجود براي انجام برخي از آزمايشها در مقياسنانومتر مناسب نيستند و يا آنكه انجام اين آزمايشها بسيار گران تمام مي شود. در اينحالت از رايانه ها براي شبيه سازي فرآيندها و واكنش هاي اتم ها و مولكول ها استفادهمي شود. شناختي كه به وسيله محاسبه به دست مي آيد، باعث مي شود كه زمان پيشرفتنانوتكنولوژي خشك به چند دهه كاهش يابد و البته تأثير مهمي در نانوتكنولوژي مرطوبنيز خواهد داشت.

نانو تكنولوژي علم خواص عجيب مواد

ازنانوتكنولوژي، بيوتكنولوژي و فناوري اطلاع رساني به عنوان سه قلمرو علمي نام ميبرند كه انقلاب سوم صنعتي را شكل مي دهد. از همين روست كه كشورهاي در حال توسعه كهاغلب از دو انقلاب قبل جا مانده اند، مي كوشند با سرمايه گذاري در اين سه قلمرو،عقب ماندگي خود را جبران كنند. همان گونه كه در اين گزارش مي خوانيد، نانوتكنولوژيكاربردهاي گسترده اي در تمام حيطه هاي زندگي دارد و از اين رو توسعه آن مي تواند بهبهبود و تسهيل زندگي كمك فراوان كند.

اتم سنگ بناي بنيادي ماده است و درنتيجه اتم ها بسيار كوچك هستند. توصيف و تصور جهان در سطح اتم و ملكول دشوار است. اين حيطه از علم به قدري عجيب است كه بخشي خاص از فيزيك به آن اختصاص يافته شده كهمكانيك كوانتم نام دارد. هدف اين علم براي توصيف رخدادها در سطح اتم است.اگر قراربود توپ تنيس را به طرف ديوار پرتاب كنيد و توپ از آن بگذرد و به سوي ديگر ديواربرود، حتماً تعجب مي كرديد. اما اين دقيقاً همان اتفاقي است كه در مقياس كوانتم رخمي دهد. در مقياس بسيار كوچك، خواص ماده مانند رنگ، مغناطيس و توانايي انتقال برقنيز به شكل غيرمنتظره تغيير مي كند. ديدن جهان اتم به معناي عادي كلمه ميسر نيست،چون خواص آن كوچكتر از طول موج نور قابل ديدن است. اما در سال 1981 پژوهشگران شركتآي بي ام نوعي ميكروسكوپ ساختند كه نام آن STM بود. اسم اين ميكروسكوپ در واقع ازيك خاصيت در مكانيك كوانتم گرفته شده بود كه در ميكروسكوپ ياد شده به كار مي رود. اين دستگاه مي توانست پستي و بلندي هاي در مقايس جهان نانو را نشان دهد. ميكروسكوپ STM اين امكان را به دانشمندان داد كه براي اولين بار اتم ها و ملكول ها را ببينند. تصاوير اين ميكروسكوپ به زيبايي و وضوح تصاوير طبيعت اما در مقياس تصورناپذيرنانومتر بود.

يك نانومتر يك ميليارديم متر يا حدوداً به طول 10 اتم هيدروژناست. با وجودي كه دانشمندان از سال هاي دهه 1950 درباره بررسي مواد در اين مقياستلاش كرده بودند، آنان ناچار شدند تا اختراع ميكروسكوپ STM صبر كنند تا به هدف خودبرسند.

عموماً در اين باره توافق وجود دارد كه نانوتكنولوژي اشياء بين يكتا 100 نانومتر را در بر مي گيرد، هر چند كه اين تعريف تا حدي قراردادي است. برخيافراد اجسامي به كوچكي يك دهم نانومتر را نيز در نظر مي گيرند كه به اندازه پيوندبين دو اتم كربن است. در ديگر سوي اين گستره در اجسام بزرگتر از 50 نانومتر قوانينفيزيك كلاسيك صدق مي كند.

مواد بسياري هستند كه داراي خواص اجسام در مقياسنانو هستند اما اسم نانوتكنولوژي به آنها اطلاق نمي شود. نانوتكنولوژي در پي آن استتا از خواص عجيب اجسام در مقياس بسيار كوچك استفاده كند.

جورج اسميت سرپرستبخش علم مواد در دانشگاه آكسفورد گفت در مقياس نانو، خواص «جديد، هيجان انگيز ومتفاوتي» يافت مي شود. با كوچك تر شدن اجسام، نسبت بين فضاي سطح و حجم آن افزايش مييابد. اين امر بدان علت مهم است كه اتم هاي موجود در سطح يك ماده معمولاً بيشتر ازاتم هاي مركز آن واكنش نشان مي دهند. از اين رو، اگر نقره به ذرات بسيار كوچك تبديلشود، خواص ضدميكروبي پيدا مي كند كه در حجم انبوه آن وجود ندارد. يك شركت با توليدذرات ريز از تركيب اكسيد سديم از اين خاصيت استفاده مي كند و ماده اي توليد مي كندكه خاصيت كاتاليزوري آن بيشتر است.

در اين جهان ناديدني، ذرات كوچك طلا دردماي چند صد درجه پايين تر ذوب مي شود و مس كه معمولاً رساناي خوب الكتريسيته است،ممكن است در لايه هاي نازك و در مجاورت ميدان مغناطيسي مقاوم شود.

الكترونها (مانند همان توپ تنيس خيالي) مي توانند از نقطه اي به نقطه ديگر بجهند و ملكولها مي توانند همديگر را از مسافت هاي متوسط جذب كنند. اين خاصيت به برخي حشراتاجازه مي دهد روي سقف راه بروند، چون موهاي ريز كف پايشان به سقف مي چسبد.

اما يافتن خواص جديد در مقياس نانو گام نخست است. گام بعدي استفاده از ايندانش است. توانايي ساخت اجسام با دقت اتمي اين امكان را به دانشمندان مي دهد كهموادي با خواص بهتر يا جديد نوري، مغناطيسي، حرارتي يا الكتريك توليد كنند.

اكنون انواع جديدي از ماده توليد مي شود. مثلاً شركت نانوسونيك در ويرجينيالاستيك فلزي توليد كرده است. اين ماده مانند لاستيك انعطاف و انحنا مي پذيرد اماالكتريسيته را مانند فلزي محكم منتقل مي كند. مركز تحقيقاتي جنرال الكتريك در پيساخت سراميك انعطاف پذير است. در صورت موفقيت، از اين ماده مي توان در ساخت قطعاتموتور جت استفاده كرد و موتورهايي ساخت كه در دماي بيشتر با كارايي بهتري كار كند. چندين شركت مشغول كار روي موادي هستند كه روزي به صورت رنگ به سلول هاي خورشيدي بدلخواهد شد.

از آنجايي كه نانوتكنولوژي كاربردهاي گسترده اي دارد، بسياري ازافراد فكر مي كنند اين علم اهميتي به مانند برق يا پلاستيك پيدا كند. مطالعات نشانمي دهد نانو تكنولوژي با بهبود مواد و محصولات و توليد مواد كاملاً جديد بر تمامصنايع تأثير خواهد گذاشت. افزون براين، فعاليت در حد كوچكترين مقياس ها به پيشرفتهاي مهم در عرصه هايي مانند الكترونيك، انرژي و پزشكي زيستي خواهد انجاميد.

آغاز نانوتكنولوژي

نانوتكنولوژي از يك رشته علمي خاص مشتق نمي شود. با وجودي كه نانو تكنولوژي بيشترين وجهمشترك را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملكول شالوده بسياري از علوم است و در نتيجهدانشمندان حوزه هاي علمي به آن جذب مي شوند. برآورد مي شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تكنولوژي كار مي كنند. تحقيقات در مقياس بسيار ريز در رشته هايالكترونيك، نوروبيوتكنولوژي به ترتيب نانوالكترونيك، نانو اپتيكس و نانوبيوتكنولوژي نيز ناميده مي شود.

پيشوند نانو از كلمه يوناني به معنايكوتوله مشتق مي شود. براساس برآورد شركت لاكس ريسرچ در نيوريورك، بودجه كل تحقيق وتوسعه نانو تكنولوژي دولت ها و شركت ها در سراسر جهان در سال 2004 بيش از 6/8ميليارد دلار بود. نيمي از اين بودجه از جانب دولت ها تأمين مي شد. اما به پيشبيني لاكس ريسرچ در سال هاي آينده، شركت ها احتمالاً بودجه بيشتري از دولت ها صرفاين علم خواهند كرد.

در آمريكا، پس از طرح فرستادن انسان به كره ماه، نانوتكنولوژي بيشترين بودجه را از دولت فدرال دريافت كرده است. در سال ،2004 دولتآمريكا 6/1ميليارد دلار صرف نانو تكنولوژي كرد، يعني دو برابر بودجه طرح ژنوم انساندر اوج انجام آن. در سال 2005 قرار است 982ميليون دلار ديگر صرف آن شود. در مكاندوم بودجه نانو تكنولوژي ژاپن قرار دارد. بسياري از كشورهاي در حال توسعه مانندهند، چين، آفريقاي جنوبي و برزيل جزو كشورهايي هستند كه بيشترين بودجه را در اينزمينه صرف مي كنند.

در خلال شش سال پيش از ،2003 سرمايه گذاري در نانوتكنولوژي توسط سازمان هاي دولتي هفت برابر شده است. اين حجم سرمايه گذاري انتظاراترا به اندازه اي افزايش داده است كه شايد قابل تحقق نباشد. برخي معتقدند شركت هاينانو تكنولوژي مانند حباب شركت هاي اينترنت در سال هاي اخير از بين خواهند رفت. امادلايلي وجود دارد كه نشان مي دهد درباره مخاطرات آن گزافه گويي شده است. سرمايهگذاران خصوصي اكنون بسيار محتاط تر از دوره رونق شركت هاي اينترنت هستند و بيشترپولي كه دولت ها در اين زمينه اختصاص مي دهند، صرف علوم پايه و فناوري هايي مي شودكه تا سال ها در اختيار همگان قرار نخواهد گرفت.

با اين حال كيفيت برخيمحصولات موجود با كاربرد نانو تكنولوژي بهبود يافته است و در چند سال آينده برتعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ريز نقره، بانداژ ضد سوختگيخاصيت ضد ميكروبي پيدا كرده است. با اتصال ملكول هاي ايجاد كننده مانع به فيبرپنبه، پارچه هايي توليد شده است كه ضد لكه و بو است. راكت هاي تنيس با افزودن ذراتريز تقويت شده است. در درازمدت نانو تكنولوژي به نوآوري هاي بزرگتري خواهد انجاميد،از جمله انواع جديد حافظه كامپيوتر، فناوري پزشكي و روش هاي توليد انرژي بهتر مانندسلول هاي خورشيدي.

طرفداران اين فناوري مي گويند نانو تكنولوژي به توليدانرژي پاك و توليد بدون مواد زائد و غيره خواهد انجاميد. مخالفان آن معتقدندنانوتكنولوژي باعث ايجاد نوعي نظام شناسايي بين المللي و آسيب به فقرا، محيط زيست وسلامت انسان خواهد شد. به نظر مي رسد هر دو گروه در مورد استدلال هاي خود گزافهگويي مي كنند، اما به هرحال بايد از نانو تكنولوژي استقبال كرد.