نانو تکنولوژی (فناوری نانو)

حدود 100 سال پیش که برای اولین بار مسئله استفاده از انرژی عظیم هسته ای مطرح شد؛ بشر همواره نمی توانست درک تجربی و صحیحی نسبت به این موضوع داشته باشد، ولی دیری نپایید که دانش و تکنولوژی این انرژی در اختیار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نماید. دیر زمانی اگر کسی مسئله پرواز در آسمان و یا سفر به خارج از این کره خاکی و گردش بدور آن را مطرح می کرد، دیگران حتما او را خیال پرداز و مجنون قلمداد می کردند و یا به خاطر اظهار بعضی حقایق فرد را به توبه در کلیسا وامی داشتند!

زمانی روباتها و ابرکامپیوترها که می توانستند چندین محاسبه ریاضی را در چند ثانیه انجام دهند، فقط در داستانهای تخیلی نویسندگان پیدا می‎شد و اکنون … همیشه در تمامی اعصار وقتی مطلبی فوق دانش و درک مردم آن زمان مطرح می شد در برابر مخالفتها و انتقادات شدیدی قرار می گرفت ولی بعد از طی روزگار، همگام با پیشرفتهای فوق العاده در آن زمینه مواجه می شدند و حتی این پیشرفت را موجب فراهم آمدن آسایش بیشتر خود می دیدند و حالا در عصر ما بحث نانو تکنولوژی مطرح شده است، موضوعی که در تمامی ابعاد زندگی بشر و رشته های مختلف علمی ارتباط مستقیم و موثر خواهد داشت.

نانو تکنولوژی چنان رویکرد و نگرش به تکنولوژی را متحول ساخته که در صورت تحقق و رسیدن به مقصدی که ترسیم شده است، شاید بزرگترین جهش انسان برای صعود به قله های رفیع علم خواهد بود. اکنون جهان متوجه این رویکرد متحول کننده شده و متخصصین و دانشمندان در نقاط مختلف این کره خاکی دست به پژوهش و مطالعات وسیعی در این زمینه زده اند و طبق گفته برخی از آنان پیشرفتهای صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بیش از حد حد انتظار و پیش بینی است.

ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات های نانو می‎توانند به حالت هیجان زده و وحشیانه ای رسیده و شروع به تزاید غیرقابل کنترل نموده به گونه ای که دنیا را به خطر بیاندازند. «تکنولوژی نانو» سال هاست که به وجود آده و می‎توان گفت که تازه دوران آن فرا رسیده است. چون هم اکنون ما می توانیم از آن به عنوان پوشش های ظریف و نازک استفاده کرده و یا در تولید سلول های خورشیدی و حتی ساخت داروهای ضدسرطان استفاده کنیم. البته موارد استفاده زیادتری برای آن متصور بوده، منتهی آنچه که اهمیت حیاتی دارد، این است که تکنولوژی نانو به سرعت رو به جلو پیش می رود و باید در استفاده و بهره وری از آن، تمامی جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقیقاً بررسی شود.

ابتدا اشاره ای به زمینه های نانو می نماییم. «نانو» از یک کلمه یونانی به نام Dwarf که به معنای چیزی که کوچک تر از اندازه معمولی بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتکنولوژی» به معنی مورد استفاده قرار دادن چیزهایی در طیف ابعادی بین یک الی 100 نانومتر است. این تکنولوژی نیز همانند بسیاری از تعاریف تکنیکی سوالات بی شماری را در اذهان ایجاد کرده که برای بسیاری از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشنی وجود ندارد.

برای روشن کردن ذهن خوانندگان گرامی به اندازه یک نانومتر باید بگوییم که طولی است برابر ^9-10*1 یا 000000001/0 متر به زبان دیگر یک میلیاردم متر را یک نانومتر می گویند. باز هم برای این که درک بهتری از مطلب داشته باشیم به نمودار ارائه شده در شکل شماره یک نگاه می کنیم. در قسمت سمت راست تصویر قطر تار موی انسان که معادل 000/100 نانومتر است به نمایش درآمده و در بخش کناری آن یعنی نزدیک ترین تصویر سمت چپ آن یک ذره دود سیگار به نمایش درآمده که قطر آن در حدود 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبی به نمایش گذاشته شده که معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ این نمودار میزان فاصله دیسک خوان با صفحه دیسک در هارد کامپیوتر به نمایش درآمده که معادل 15 نانومتر است. باز هم برای این که موردی برای مقایسه داشته باشیم اشاره می کنیم که ذرات نانو را می‎توان با ویروس ها و حتی تک مولکول های تشکیل دهنده آنها مقایسه کرد.

تحقیق و توسعه در حال پیشرفت در فضاهایی بسیار متفاوت است، از تولید انرژی گرفته تا علم مواد، پزشکی و حتی حمل و نقل. نانوکریستال هایی که قابل جاسازی در پلاستیک های هادی جریان الکتریسیته هستند می‎توانند شرایط لازم را برای تولید برق از خورشید با هزینه ای منطقی به وجود آورند. در این پلاستیک ها، مواد پلاستیکی بین الکترودها به صورت لایه لایه یا ساندویچی قرار داده می‎شوند و تکمیل کننده آن عمل لامینیت کردن، آن هم با یک پوشش نازک بوده و سپس می‎توان آنها را بر روی هر نوع سقفی قرار داد تا بتوانند انرژی خورشید را جذب کرده و آن را تبدیل به الکتریسیته بنمایند.

سایر محققان اقدام به پرورش دادن پوشش هایی نموده اند که شامل گرافیت، الماس، کربن به صورت ذرات بدون شکل و بالاخره کربن به صورت حباب های نانو است. تنوع مواد کربنی در ساخت پوشش های مختلف به آنها خواص استثنایی را اهدا می‌کند. به طور نمونه ماده ای وجود دارد به نام CDC یا کربایدی که از کربن مشتق شده ، نسبت به سایش مقاوم بوده و ویژگی های اصطکاک آن پایین است.

یکی از موارد استفاده CDC در اتومبیل می‎تواند یاتاقان های پمپ آب یا واترپمپ باشد.

استفاده از حسگرهای نانو در تولید پارچه و سایر مواد آنها را هوشمند نموده و قادر خواهند بود چنانچه تحت فشار و یا پارگی و یا استفاده غلط قرار گرفتند بلافاصله اطلاعات این رویداد را منتقل کنند. در حال حاضر حسگرهای نانو برای موارد استفاده در پزشکی وجود دارند که به آنها بیوچیپس اطلاق می گردد که حساسیت آنها ده برابر بیش از سایر وسایل و ابزارها بوده که این برتری فقط ناشی از آن است که سطح گستردگی آنها به دلیل نازک بودن در واحد سطح به مراتب بیش از سایرین است.

بیوچیپس ها باعث می گردند که سرعت تحقیق بر روی داروها بالا رفته و جوابی که از انجام آزمایش های خون به دست می‎آید دقیق تر و سریع تر از روش های معمولی باشد.

در دنیای اتومبیل نیز واقعیت سطح بیشتر سلول های سوختی به معنای افزایش راندمان و کاهش هزینه، کاملاً صدق می‌کند. دانشمندان دانشگاه میشیگان در حال به کارگیری چیزی به نان میکرو فابریکاسیون به منظور رشد لایه هایی از غشا تبادل پروتون هستند که تنها بخش گران و پرهزینه در تولید سلول های سوختی بوده و در صورت موفقیت در این امر به زودی شاهد کاهش قیمت اتومبیل های سلول سوختی خواهیم بود.

نانولیتوگرافی

محققان آزمایشگاه «بروک هاون» وزارت ملی انرژی آمریکا، روش شیمیایی جدیدی را برای نگارش یافته اند که قادر است خطوطی از جوهر به ضخامت تنها چند 10 نانومتر ایجاد کند.

«یانگ کای»، فیزیکدان این آزمایشگاه می‌گوید: این روش جدید نگارش، امکانات زیادی را برای ایجاد الگوها و نقوش بر روی سطوح در مقیاس نانو فراهم کرده است. این دستاورد تأثیر شگرفی بر توسعه فناوری های نانو که شامل الگوسازی در مقیاس نانو، مثل الکترونیک مولکولی (مدارهای ریزی که با استفاده از مولکول های آلی ساده ساخته می‎شوند) هستند، گذاشته است.

نام این روش را «نانولیتوگرافی با قلم الکترونیکی» (EPN)Cآز

گذاشته اند. آنها یک نوک فلزی نازک را در عرض لایه ای از مولکول های آلی لغزاندند، تا در آن یک ولتاژ الکتریکی ایجاد شود که موجب اکسید شدن منطقه زیرین آن خواهد شد، یا واکنشی رخ دهد که ساختار شیمیایی لایه را تغییر دهد.

در یک بار لغزش قلم، مولکول های آلی جوهر، از روی نوک به منطقه های اکسید شده منتقل می‎شوند و در نتیجه یک خط نازک ایجاد می‎شود. هر خط فقط یک مولکول ضخامت دارد، ولی محققان می‎توانند با نگارش بر روی الگوهای موجود، الگوهای چند لایه ای ایجاد کنند. این امر به آنان توانایی ایجاد مناظر سه بعدی در مقیاس نانو را می‎دهد. علاوه بر این با قطع ولتاژ، می‎توانند از نوک مذکور به عنوان «پیمایشگر» جهت «خواندن» و ایجاد تصویری از الگویی که قبلا انگاشته شده، استفاده کنند. با تحقیقات بیشتر، EPN ممکن است به توانایی نگارش مواد زیست مولکولی مثل پروتئین ها بر روی صفحات دست یابد. این رسوب های پروتئینی در مقیاس نانو، به عنوان مثال می‎توانند نقش حسگرهای زیستی را بازی کنند.

اهمیت اندازه

بدون تردید اندازه هر چیزی اهمیت خاصی دارد، ولی نباید تصور کرد که حجم بزرگتر به معنای بهتر است چرا که حتی ستارگانی که شب هنگام در آسمان خداوندی می درخشند انرژی نوری خوش را از ذرات بسیار ریزی به نام اتم ها که ساختار تمام هستی از آنهاست به وجود می آورند. جهان اتم ها و مولکولها امکانات نامحدودی را در اختیار دانشمندان و مهندسین قرار داده که بتوانند به تحقیقات جامع تر و گسترده تر دست پیدا کنند.

یکی از اهداف آنها به زبان ساده عبارت است از ایجاد و ساخت سیستم های کاملاً مستقیم از اتمها و مولکولها تا حداکثر میزان مینیاتوری کردن را بتوانند بدست آورند. هدف دیگر ایجاد ویژگیهایی کاملاً غیرمعمول در مواد با استفاده از افزودن اتم های مختلف به آنهاست؛ نانو واژه ای است که کارشناسان با استفاده از آن می‎توانند به اهدافی که ذکر شد دست پیدا کنند.

این چیزی است که سی سال پیش حتی رویای دست یافتن بدان در تصور بشر نمی آمد؛ بنابراین امپراطوری ریزترین ذرات بوسیله نانومتر یا یک میلیاردم متر اندازه گیری می‎شود. امیدواری بسیاری نسبت به نانو به وجود آمده چرا که با کمک آن می‎توان ماشینهای هرچه کوچکتر ساخت که به وسیله تراشه های هرچه کوچکتر و همینطور ترانزیستورهای خیلی کوچک کنترل شوند. در انتهای زنجیره سازی در تکنولوژی نانو، چیزی که به وجود می‎آید روباتهای بسیار کوچکی هستند که قادرند از مویرگ های بدن انسان نیز عبور کنند و با از میان برداشتن رسوبات چربی اقدام به ترمیم سلول های آسیب دیده بنمایند.

سال 1959 نخستین رجوع به دنیای نانو

در این سال فیزیکدان بسیار معروف آمریکایی یعنی آقای ریچارد فیلیپس فاینمن که برنده جایزه نوبل نیز شده بود در انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا اصول اصول اولیه نانو را پایه گذاری کرد و او اولین فردی بود که دیدگاه هایی در خصوص امکانات دنیای نانو پیدا کرد.

وی اولین کسی بود که نموداری از یک مسیر را در دنیای نانو ترسیم کرد و این راهی بود مستقیم به داخل دنیای اتم ها و مولکولها. همانگونه که به نظر او رسید این موضوع امکان‌پذیر بود که بتوان در اطراف اتمها به طور معلق و شناور در آمد و آنها را به گونه ای آرایش داد که سازه ای که از این آرایش به وجود می‎آید اندازه ای کمتر از ده هزارم میلیمتر داشته باشد. نظرات او تا اواسط دهه هفتاد میلادی به همان صورت اولیه معتبر باقی مانده بود ولی در آن تاریخ زیست شناسان کشف کردند که چگونه می‎توان مولکولهای «دی ان ای» را از یکدیگر تفکیک کرد و این از اهمیت زیادی برخوردار بود چون تمامی اطلاعات اجدادی موجودات زنده بر روی مولکولهای «دی ان ای» ذخیره شده است.

با عنایت به موفقیتهای به دست آمده در قدم های اول در آزمایشگاه های ژنتیک، هدف فینمن در خصوص ساخت ماشین های غیر آلی از اتمها مجدداً در دستور کار قرار گرفت. اما تا قبل از سال 1980 میلادی حتی قویترین و مجهزترین میکروسکوپهای الکترونی نیز تصویری گنگ و نامشخص از اتمها را نشان می دادند و بنابراین لمس آنها و احیاناً اعمال هرگونه تغییری بر روی آنها غیرممکن بود. اما در آن سال میکروسکوپ های اتمی کشف شدند، در این میکروسکوپها از نوک های فوق العاده ظریف و کوچک با عرض حدود یک میلیاردم متر استفاده می‎شد تا بتواند راه خود را به سمت سطوح مختلف پیدا کرده و این اجازه به اتم ها داده شود که اطراف آنها به میل خود بچرخند.

نخستین باری که محققین موفق شدند چنین کاری را انجام دهند سال 1989 بود و آن هم تفکیک کردن 15 اتم «زنون» بود.

فناوری نانو

فناوری نانو به معنی کنار هم قرار دادن اتمها یا مولکولها و تشکیل مواد، ابزار و وسایلی با دقت در حد اتم می‌باشد. بنابراین فناوری نانو یک رویکرد جدید در تمام علوم می‌باشد. در گذشته بخشهایی از علم فیزیک، شیمی کوانتوم و بیوشیمی را در رابطه با دنیای خرد و کهن بررسی می‌کردند و مابقی علوم پدیده‌های اطراف خود را در حد کلان مورد مطالعه قرار می‌دادند، ولی با دیدگاه فناوری نانو که محدوده عمل آن در حد نانومتر می‌باشد همه چیز در سطوح اتمی و مولکولی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

تمام مواد از کنار هم قرار گرفتن اتمها و مولکولهای ساخته می‌شوند ولی نحوه قرار گرفتن اتمها و مولکولها ساخته می‌شوند ولی نحوه قرار گرفتن و نظم ساختاری آنها خواص مواد را تعیین می‌نمایند. مثال بسیار معمول در نحوه قرار گرفتن اتمها در کنار هم و تأثیر آن در خواص نهایی ماده عبارت است از: الماس، گرافیت و دوده. هر سه ماده ذکر شده از کربن خالص تهیه شده‌اند ولی نحوه چیدمان اتمها و ارتباط آنها با یکدیگر باعث تفاوت بسیاری در خواص این سه ماده شده است، در الماس هر اتم کربن با چهار اتم دیگر اتصال داشته ولی در گرافیک هر اتم کربن به سه اتم دیگر متصل می‌باشد، در دوره هر اتم کربن حداکثر به دو اتم دیگر متصل است و دارای ساختار درهم ریخته و غیرمنظم می‌باشد. بدین ترتیب الماس تا چندی قبل سخت‌ترین ماده موجود در جهان بود.

ولی گرافیک بشکل پودر می‌باشد که گاهی اوقات در روان‌سازها مورد استفاده قرار می‌گیرد ونیز دوده بشکل پودر نرم می‌باشد. در فناوری نانو انسان دست به خلاقیت زده و هر طور که اراده می‌نماید اتمها را کنار هم قرار می‌دهد. بنابراین با استفاده از این فناوری می‌توان از طریق استفاده از گازهای گلخانه‌ای کربن‌دار هوا نظیر متان و گاز کربنیک که موجبات آلودگی محیط می‌گردد، کربن را استخراج نمود و یا با کنار هم قرار دادن آنها الماس، گرافیت یا پروتئین و … ساخت.

جوزف استراشیویکی از فیزیکدان هایی که مشغول بررسی و تحقیق روی تکنولوژی نانو هست می‌گوید:

«کسی که هرگز تصورش را هم نمی‌کرد که روزی بتوان اتمی را برداشته و به فاصله قطر چند اتم جابجا کرد. این کار مثل این است که ما به سیارات دیگر رفته یک سیاره را گرفته از مداری به مدار دیگر منتقل کنیم».

وی و رابرت سلوتا از جمله فیزیکدان هایی هستند که در موسسه استانداردها و تکنولوژی در ایالت مریلند در زمینه تکنولوژی نانو فعالیت می‌کنند. یک «نانومتر»، واحدی که دانشمندان در تکنولوژی نانو زیاد از آن یاد می‌کنند برابر است با یک میلیاردم متر و اگر 400 هزار اتم در کنار هم قرار گیرند قطر آنها به اندازه قطر یک تار موی سر انسان می‌شود. تکنولوژی نانو برخی اصول دیرینه فیزیک را برهم زد. اتمها و ذراتی چون الکترونها و فوتونها همیشه مطابق اصول علمی مدرن رفتار نمی‌کنند.

سلوتا می‌گوید: «هنگامی که وارد دنیای نانو می‌شوید مسائل کاملاً فرقمی‌کند».

• مقدمه
• ذرات نانو هم اکنون در اطراف ما وجود دارند.
• آیا ذرات نانو می‎توانند بشریت را نابود کنند؟
• مراقب بودن
• ذرات بسیار کوچک، پتانسیل بسیار بالا
• نانولیتوگرافی
• اهمیت اندازه
• سال 1959 نخستین رجوع به دنیای نانو
• فناوری نانو
• مواد نو
• نانو مواد
• وسایل محاسباتی نانو
• تولید مولکولی و نانو ربات ها
• گستره احتمالات تا سال 2015
• تشدید ماهیت چند رشته ای تکنولوژی
• آهنگ شتابدار تغییر
• ضرورت گسترش و تعمیق روزافزون آموزش
• افزایش طول عمر
• محدود شدن حریم خصوصی افراد
• رقابت بین‌المللی