نانوتکنولوژی: اصول و کاربردها (1)

چکیده

نانوتکنولوژی یکی از زمینه های پیش گام امروزی است زیرا این تکنولوژی زمینه های مختلف دانش مانند فیزیک، شیمی، بیولوژی، پزشکی، انفورماتیک و مهندسی را با هم ترکیب کرده است. این تکنولوژی یک زمینه ی تکنولوژیکی با پتانسیل بالقوه ای است که منجر به پیشرفت های بزرگی شده است. این پیشرفت های بزرگ، اثر مستقیمی بر روی زندگی عادی ما انسان ها دارد. مواد بر پایه ی نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی جدید و نانوادوات بوسیله ی ابزارهای نانوتکنولوژیکی و ادوات این علم، تولید و کنترل می شوند. کاربردها و استفاده ها از نانومواد با اندازه ی زیر 100 نانومتر در الکترونیک و ادوات مکانیکی، اجزای نوری و مغناطیسی، محاسبات کوانتمی، مهندسی بافت و سایر زمینه های بیوتکنولوژی، اقتصادی ترین بخش از نانوتکنولوژی کنونی است که احتمالا در آینده نیز ادامه دارد. تعداد محصولات نانویی رشد سریعی داشته است که علت آن تولید و عرضه ی مواد نانومهندسی شده به بازار می باشد. این محصولات روز به روز در حال افزایش می باشند. تغییر و تحول پیوسته در نانوتکنولوژی منجر به ساخت نانوموادی با خواص و عملکردی می شود که اثر مثبت بر روی زندگی شهروندان ما دارد. این اثرها در سلامتی، محیط زیست، الکترونیک و سایر زمینه ها، نمود دارند. در تولید انرژی، چالش هایی مانند کاهش منابع فصیلی و انتشار گازهای گلخانه ای موجب شده است تا تکنولوژی های جدید، با تکنولوژی های موجود در رقابت باشند. تکنولوژی سلول های خورشیدی که در آنها از مواد نانوساختار و سیستم های کامپوزیتی (مانند مواد فوتوولتایی آلی) استفاده می شود، پتانسیل بالقوه ای را ایجاد کرده اند که علت آن، خواص جذاب این مواد مانند پتانسیل ایجاد فرایندهای تولید کم هزینه و گسترده ی این مواد می باشد. مزیت های مربوط به نانومواد ضرورتاً به موازات پیشرفت های مربوط به ابزارها و تکنیک های نانومترولوژی ایجاد می شود. در حقیقت این ابزارها و تکنیک ها برای دستکاری و شناسایی ویژگی های این مواد، استفاده می شود. رویکرد جدید تغییر در نانومترولوژی در آینده نزدیک مورد نیاز می باشد و تکنولوژی های کنونی نیز بهبود می یابد. این بهبود در زمینه ی رزولیشن و حساسیت نسبت به عناصر و گونه های مولکولی می باشد. در نهایت، توسعه در زمینه ی بررسی میزان خطرناک بودن محصولات نانوتکنولوژی بسیار پیشنهاد می شود.

مقدمه

واژه ی نانوتکنولوژی از ترکیب دو واژه ی یونانی ایجاد شده است. نانو در واقع به معنای یک قسمت در میلیارد می باشد و تکنولوژی نیز دارای معنای واضح می باشد. به عنوان یک نتیجه، نانوتکنولوژی و یا تکنولوژی نانومقیاس، عموماً در اندازه هایی کمتر از 0.1 میکرون و یا 100 نانومتر، در نظر گرفته می شود (یک نانومتر، در حقیقت یک بر میلیارد برابر یک متر می باشد (〖10〗^9 m)). علوم نانومقیاس (علم نانو) پدیده ها، خواص و پاسخ مواد در مقیاس اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی را مورد بررسی قرار می دهد که در حقیقت اندازه های موجود در این بخش ها عمووماً بین 1 تا 100 نانومتر می باشد. در این مقیاس و مخصوصاً در مقیاس زیر 5 نانومتر، خواص مواد کاملاً متفاوت می باشد (یعنی اثرات مقیاس کوانتمی نقش اصلی را ایفا می کند). نانوتکنولوژی سپس موجب دستکاری و ایجاد محصولات در این مقیاس می کند. این کار با کنترل شکل و اندازه، پاسخ نسبت به خواص و عملکرد ساختارها، وسایل و سیستم ها در مقیاس نانو، انجام می شود.
نانوتکنولوژی یک تکنولوژی در حال ظهور می باشد. علت این مسئله، احتمال تولید محصولات جدید و همچنین پیشرفته تر شدن محصولات کنونی با استفاده از این تکنولوژی می باشد. علاوه بر استفاده های صنعتی مخلتف، ابداعات بزرگی نیز بوسیله ی نانوتکنولوژی در عرصه ی تکنولوژی اطلاعات و ارتباطات، بیولوژی و بیوتکنولوژی، پزشکی و روش های درمانی، مترولوژی و ... ایجاد شده است. علم نانو و مهندسی نانو در زمینه ی داروها، لوازم آرایشی، محصولات غذایی، مهندسی شیمی، مواد با کارایی بالا، الکترونیک، مکانیک دقیق، اپتیک، مصرف انرژی و علوم محیط زیستی، کاربردهای قابل توجهی دارد.
نانوتکنولوژی یک زمینه ی دینامیک و در حال پیشرفت می باشد که بیش از 50000 مقاله به صورت سالانه و در طی سال های اخیر در این زمینه، به چاپ رسیده است. همچنین سالانه بیش از 2500 ثبت اختراع در اروپا در این زمینه به ثبت می رسد.
نانوتکنولوژی می تواند موجب حل مشکلات انسانی جدی مانند مشکلات مربوط به انرژی، تغییر آب و هوا و یا بیماری های مرگ بار شود. در واقع این زمینه، زمینه ای است که جوانب مورد تأییدی برای موفقیت ابداعات انسانی دارد. این تکنولوژی نه تنها قابلیت رقابت صنعتی دارد، بلکه همچنین محصولات جدیدی بر طبق آن تولید می شود که در واقع موجب ایجاد تغییرات مثبتی در زندگی ما می شود. این تغییرات به صورت مستقیم در پزشکی، محیط زیست، الکترونیک و هر زمینه ی دیگر قابل مشاهده می باشند. مواد جدید و سطوح مهندسی شده ی جدید، به ما اجازه ی تولید محصولات بهتر را می دهد. درمان های دارویی جدید موجب می شود تا بیماری های مرگ بار مانند تومورهای مغزی و آلزایمر، درمان شوند. کامپیوترها بواسطه ی اجزای نانوتکنولوژیکی تولید شده اند و از این رو، کارایی این وسایل بهبود قابل توجهی پیدا کرده است. این بهبود در حقیقت به میزان کوچک سازی بیشتر این وسایل، وابسته می باشد.
نانومواد با خواص استثنایی مانند نانوتیوب های کربنی، فلرن ها، کوانتوم دات ها، سیم های کوانتمی، نانوالیاف و نانوکامپوزیت ها، کاربردهای جدیدی پیدا کرده اند. محصولات حاوی نانومواد مهندسی شده، هم اکنون نیز در بازار موجود می باشند. گستره ی محصولات تجاری موجود بسیار گسترده می باشد. این محصولات می توانند فلز، سرامیک، پلیمر، پارچه های هوشمند، محصولات آرایشی، کرم های ضد آفتاب، الکترونیک، رنگ ها و لاک ها باشند. به هر حال، مترولوژی و ابزارهای جدید، به گونه ای توسعه یافته اند که موجب افزایش دانش و اطلاعات ما در مورد خواص آنها می شود. نانومواد باید از لحاظ اثرات بالقوه بر روی سلامتی، مانند احتیاط های ضروری و همچنین اثرات آنها بر روی محیط زیست، مورد بررسی قرار گیرند. توسعه ی اسناد راهنمای خاص در سطح جهانی به منظور تعیین میزان ایمنی و ارزیابی میزان ایمنی این مواد، یکی از زمینه ی ضروری در نانوتکنولوژی می باشد. دغدغه های اخلاقی در این زمینه نیز باید به موازات توسعه ی تکنولوژی های جدید، آدرس دهی شوند.
در زمینه ی پزشکی مدرن، آرزوهای بزرگ با توسعه ی نانوتکنولوژی همراه شده است. کاربردهای پزشکی بالقوه در واقع در زمینه ی تشخیص (تشخیص بیماری و تصویربرداری)، ارزیابی، موجود بودن و دوام بیشتر و بهتر پروتزها و سیستم های دارورسانی جدید برای درمان با استفاده از داروهای خطرناک، می باشد. در حالی که محصولات بر پایه ی نانوتکنولوژی در حال حاضر واقعا در بازار موجود می باشند، دانش کافی در مورد ریسک های سمیت آنها، هنوز هم مواردی است که مورد بررسی قرار نگرفته است. کاهش اندازه ی ساختارها به سطح نانو، منجر به ایجاد خواص مختلف و متمایزی می شود. مشابه ترکیب شیمیایی، که در حقیقت به طور قابل توجهی موجب تعیین خواص سمیت ذاتی مواد می شود، اندازه های بسیار کوچک نیز شاخص غالب در زمینه ی وجود اثرات سمیت این ذرات می باشد. از نقطه نظر قانونی، استراتژی مدیریت ریسک هم اکنون برای تمام کاربردهای این محصولات در پزشکی، ضروری می باشد.
به منظور صحبت در مورد مزیت های نانوتکنولوژی، ما در ادامه در مورد روش ها و اصول نانوتکنولوژی و فرایندهای مربوطه، صحبت خواهیم کرد. اثر نانوتکنولوژی در زمینه ی الکترونیک، مصرف انرژی و انرژی خورشیدی، تکنولوژی های نوظهور در زمینه ی پلاستیک های فوتوولتایی و تکنیک ها و ابزارهای مورد استفاده در شناسایی و دستکاری نانوساختارها نیز در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

روش ها و اصول مربوط به نانوتکنولوژی

چه چیزی موجب می شود تا نانوسختارها موادی ممتاز باشند
استفاده از مواد نانوساختار در حقیقت به دوره ی اخیر باز نمی گردد. این استفاده به قرن 4 میلادی برمی گردد. در این زمان، رومیان از فلزات نانوسایز برای دکوراسیون شیشه و جام ها استفاده کرده اند. یکی از اولین موارد و شناخته ترین موارد این استفاده، جام Lycurgus است (شکل 1). این جام از نانوذرات طلا و نقره ای ساخته شده است که در واقع در داخل ساختار شیشه ایجاد می شدند. این جام مربوط به شاه Lycurgus از شاهان تراکیه می باشد. تحت تابش نرمال نور، جام سبز به نظر می رسد. به هر حال، وقتی نور از داخل این جام به خارج تابانیده شود، این جام رنگ قرمز پیدا می کند. در این جام و در بسیاری از پنجره های شیشه ای معروف که در قرن 10، 11 و 12 ساخته شده اند، نانوذرات فلزی این ظاهر زیبا را ایجاد کرده اند. برای ایجاد تغییر در ظاهر طلا و ایجاد رنگ قرمز به جای زرد طلایی در جام Lycurgus، طیف جذب از حالت بالک به حالت نانوذره باید متفاوت باشد (شکل 2). لایه ی نازک از جنس فلز طلا بیشتر بخش طیف الکترومغناطیس مرئی را جذب می کند و بخش IR باقی می ماند. این مسئله در طول موج 400-500 nm رخ می دهد. در حقیقت، این لایه ی نازک می تواند به رنگ آبی نیز تغییر رنگ دهد که علت این مسئله، انتقال ضعیف نور در این رژیم طول موج می باشد. برخلاف این مسئله، فیلم های طلای رقیق، انتقال کل را در رژیم های فوتون پایین (زیر 1.8 eV) ایجاد می کنند. این جذب در باند تیز 2.3 eV (520 nm) شدت می گیرد. این باند جذب تیز به عنوان نوار جذب پلاسمای سطحی، نامیده می شود. فلزات از نانوذراتی حمایت می کنند که نوسانات جمعی آنها موجب تحریک الکترون های آزاد شود. این مسئله بواسطه ی فرکاس رزونانس ها، تعیین می شود. این مسئله می تواند برای نانوذرات فلزی تمرکز داشته باشند و یا برای سطوح فلزی مسطح، حالت گسترش دهنده داشته باشند. با دستکاری هندسه ی سطح فلزی، SPR می تواند بسته به کاربرد، تنظیم شود. رزونانس فلزات گران بها اغلب در ناحیه ی مرئی و یا فروسرخ نزدیک قرار دارند که در حقیقت این بخش از طیف الکترومغناطیس، برای کاربردهای دکوراسیونی، مورد نظر می باشد. به دلیل تهییج پلاسمایی الکترون ها در ذرات فلزی موجود در داخل زمینه ی شیشه ای، این جام رنگ های آبی و سبز را از خود ساتع می کند. این رنگ ها، در حقیقت در طول های موجب کوتاه طیف مرئی، قرار دارد. وقتی جام در نور انعکاس یافته مشاهده می شود، پراکندگی پلاسمونیکی موجب می شود تا جام سبز به نظر برسد، اما اگر منبع نور سفید در داخل جام تابیده شود، شیشه قرمز به نظر می رسد زیرا تنها طول موج های طولانی تر عبور می کند و طول موج های کوتاه تر، جذب می شوند.

وابستگی اندازه

قابلیت بیان شده برای طلا و سایر فلزات گران بها و نیمه رساناها، در حقیقت به دلیل محدودیت های کوانتمی ایجاد می شود که مطالعه ی آن یک مدل بسیار موفق در توصیف وابستگی اندازه در ساختارهای الکترونیکی با اندازه ی نانومتری می باشد. با توجه به این تئوری، الکترون ها، در هر سه بعد محدود می شود که این مسئله موجب می شود تا ماده به صورت متفاوت نسبت به حالت بالک، عمل کند. در این حالت خواص نوری و الکترونی ماده متفاوت می شود. وقتی ابعاد یک ماده در یک بعد، یا بیشتر، به اندازه ی طول موج الکترون برسد، ویژگی های مکانیک کوانتمی این الکترون ها که در حقیقت در مواد بالک قابل توجه نیستند، قابل توجه می شوند و بر روی پدیده های فیزیکی، اثرگذار می شوند.
علاوه بر اثرات اندازه ی کوانتمی، نانومواد به صورت متفاوت عمل می کنند که علت آن، اثرات سطحی است که با کاهش اندازه ی نانوکریستال ها، غالب می شود. کاهش در اندازه ی یک کریستال از 30 به 3 نانومتر، موجب می شود تا تعداد اتم های موجود در سطح از 5 % به 50 % افزایش یابد. این مسئله موجب می شود تا تناوب شبکه ی نامحدود، از بین رود. در این مورد، اتم های موجود در سطح، دارای همسایه های مستقیم کمتری نسبت به حالت بالک، داشته باشند و به عنوان نتیجه، پایداری آنها از حالت بالک، کاهش می یابد. منشأ اثرات اندازه ی کوانتمی به طور قابل توجهی به نوع اتصال دهی کریستال وابسته می باشد.

منبع مقاله :
Nanostractured Materials and Their Applications / S. Logothetidis