نانوتکنولوژي در علوم مختلف

اشاره
 

در صفحه (گام به گام با نانوتکنولوژي ) قصد داريم خوانندگان ماهنامه اطلاعات علمي را هر چه بيشتر با فناوري نانوآشنا سازيم در اين راستا طي مقالاتي به معرفي کامل اين فناوري پرداخته و کاربردهاي آن را در صنايع مختلف به تفصيل مورد بحث و بررسي قرار خواهيم داد . اميد است مورد توجه قرار گيرد .
بشر از همان ابتداي تاريخ تمامي همت خود را معطوف ساخت و ساز در محدوده عادي و مورد دسترس نموده وتوجه زيادي به ساختارهاي خيلي بزرگ و يا خيلي کوچک نداشته است . براي اينکه تصور جامع تري نسبت به موضوع ارائه دهيم مي توانيم از سيستم si ياد کنيم ، براي مثال در اين سيستم واحد طول ، متر انتخاب شده و ديگر اندازه هاي طولي از آن مشتق مي شوند . بشر در ابتدا نه توانايي اين را داشت که به محدوده هاي ديگر وارد شود و نه لزوم کار در چنين محدوده هايي را احساس مي کرد . اما اين روند که انسان تا به ديروز دنبال مي کرد ، ديگر جواب گوي نياز بشر امروزي نيست . هر چند با اختراع ترانزيستورها و ... توانسته ايم تا حدودي وارد ميکروالکترونيک شده و از آن بهره مند شويم ، با اين وجود براي ساخت کامپيوترها به مشکل برخورد کرده ايم ، مشکلي به بزرگي کوچک کردن اندازه در حد اتمي که تقريبا تمام استراتژي هاي حل اين مسأله به نوعي با نانوتکنولوژي در ارتباط مي باشند .
قرن بيست و يکم ، قرن فناوري نانو بشمار مي رود . قرن نانو ، قرن سلامتي ، صرفه جويي و آرامش مي باشد . نانو نه يک ماده است نه يک جسم ، فقط يک مقياس است ، نانو يک ميلياردم متر است ، به اندازه اي کوچک که ديده نمي شود اما تاثير شگرفي در زندگي انسان دارد .

با توجه به گسترش روزافزون فناوري نانو و ايجاد تحولات بزرگ در صنايع مختلف توسط اين فناوري ، لازم است که هر کسي بسته به تخصص خود اطلاعي هر چند کلي از کاربردها و قابليت هاي فناوري نانو داشته باشد .
فناوري نانو منحصر به يک رشته خاص نيست ، بلکه موضوعي ميان رشته اي است ، يعني به علوم مختلف وابسته است و با استفاده از پيشرفت هاي علوم مختلف مي توان به پيشرفت هاي فناوري نانو دست يافت . بنابراين کاربردهاي متفاوتي را مي توان براي اين فناوري متصور شد . مانند کاربردهاي الکترونيکي ، پزشکي ، زيستي و ... که از نظر رشته اي ارتباط خاصي با يکديگر ندارند . لذا ممکن است فناوري نانو رشته اي کاملا گسسته به نظر آيد که موضوعات آن هيچ ارتباطي با هم ندارند .در واقع فناوري نانو نگرشي جديد به علوم مهندسي است که توانسته با تاثيري شگرف ، باعث به وجود آمدن مواد جديدي شود و يا خواص مواد شناخته شده قبلي را به طور کامل عوض کند .
گرچه تا کنون تنها به بخش بسيار محدودي از کاربردهاي فناوري نانو در صنايع پرداخته شده است ، اما در همين حد نيز به خوبي روشن است که گسترش اين فناوري و محصولات آن تا چه اندازه تحولات شگرفي را در زمينه هاي گوناگون مهندسي ايجاد کرده و خواهند نمود . بنابراين مهندسان آينده ما علاوه بر اين که بايد با علم مهندسي در زمينه تخصصي خود آشنايي داشته باشند ، بايد در زمينه مواد و قابليت هاي جديدي که فناوري نانو ايجاد مي کند نيز آگاهي کافي داشته باشد .

تاريخچه نانوتکنولوژي
 

تاريخچه و شروع علمي اين رشته را مربوط به سخنراني ريچارد فاينمن مي دانند او که به پاس کمک هاي شايانش به الکتروديناميک کوانتومي (موضوعي بسيار دور از فناوري نانو) جايزه ي نوبل فيزيک را دريافت کرده بود ، در کنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضاي زيادي وجود دارد» به بحث در مورد توانايي ها و امکان ساخت مواد در مقياس نانو پرداخت . وي با اين سؤال شروع کرد که :
«چرا نمي توانيم بيست و نه جلد دايره المعارف بريتانيا را بر سر يک سوزن بنويسيم؟»
و ادامه داد :
«قطر ته سوزن 1/61اينچ است . اگر آن را بيست و پنج هزار بار بزرگ کنيم سطح آن با کل سطح صفحات دايره المعارف برابر مي شود . پس کافي است همه نوشته ها را بيست و پنج هزار بار کوچک کنيم .»

اگر چه انديشه هاي فاينمن بازتاب چنداني توسط دانشمندان آن زمان نداشت ؛ اما هم اکنون بسياري از فرضيات او به واقعيت پيوسته اند .
همگام با فاينمن ، دانشمندان ديگري نيز مشغول به فعاليت در اين حوزه بودند . يکي از اين افراد فيزيکداني نظري به نام راف لندرو بود که در سال 1957 براي ibm کار مي کرد . وي ايده هايي پيرامون نانو الکترونيک داشت و به ارزش اثرات مکانيک کوانتومي در اين زمينه پي برده بود . در اواسط دهه 70 اريک درکسلر که سخت به افکار و نظرات فاينمن علاقه مند شده بود ، تصميم گرفت تا در حوزه نانو به کاوش بپردازد . او در اوايل دهه 80 ميلادي درجه استادي خود را در رشته علوم کامپيوتر دريافت کرد و توانست به همراه گروهي از دانشجويان انجمني را تشکيل دهد . او افکار جوانترها را با يک سري ايده ها که خودش نانو تکنولوژي نامگذاري کرده بود مشغول مي داشت . در کسلر اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتکنولوژي مولکولي (mnt) در سال 1981 ارائه داد . در سال 1986 در کسلر کتاب «موتور خلقت» را به چاپ رساند و در سال 1991 تنها درجه دکتري در نانوتکنولوژي را از دانشگاه mnt دريافت داشت . در کسلر را پدر علم نانوتکنولوژي مي دانند .

فناوري نانو
 

نانوتکنولوژي يعني فناوري يک ميلياردم متر يا تکنولوژي اتم ها . در زبان يوناني نانو به معناي کوتوله و معادل يک ميلياردم مي باشد ، يعني 50000 بار نازکتر از ضخامت يک تار مو . اگر انسان به اين اندازه بزرگ شود طول قدش 2 ميليون کيلومتر مي شود يعني به اندازه 5 برابر ماه تا زمين .
تعاريف مختلفي براي فناوري نانو ارائه مي شود که مهمترين آن ها به شرح زير است :
- فناوري نانو عبارت است از هنر دستکاري مواد در مقياس اتمي يا ملکولي و به خصوص ساخت قطعات و لوازم ميکروسکوپي (مانند روباتهاي ميکروسکوپي)
- فناوري نانو ، توانمندي توليد مواد ، ابزار و سيستم هاي جديد با درست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص آنهاست که در آن سطوح ظاهر مي شود . فناوري نانو يک رشته جديد نيست ، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته هاست .

- فناوري نانو فناوري است که بر پايه دستکاري تک تک اتم ها و مولکول ها استوار است بدين منظور که بتوان ساختاري پيچيده را با خصوصيات اتمي توليد کرد .
- فناوري نانو ، توانمندي بهره برداري از خصوصيات و پديده هاي جديد حاصله در مقياس نانو مي باشد . به طوري که خصوصيات مواد پس از تبديل به مقياس نانو کاملا تغيير مي کند .
- اهدافي که دانشمندان در حوزه نانو دنبال مي کنند عبارتند از :
1- توسعه فناوري و تحقيقات در سطوح اتمي ، مولکولي و يا ماکرو مولکولي در مقياس اندازه هاي 1 تا 100نانومتر.
2- خلق و استفاده از ساختارها ، ابزار و سيستم هايي که به خاطر اندازه کوچکشان ، خواص و عملکرد جديدي دارند .
3- توانايي کنترل يا دستکاري در سطوح اتمي .
آنچه که فناوري نانو رابا فناوري هاي ديگر متمايز مي کند اين است که ، در فناوري نانو تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نيست بلکه زماني که اندازه مواد در اين مقياس قرار مي گيرد ، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ ، استحکام ، مقاومت در برابر خوردگي و... تغيير مي يابد .
در واقع مي توان تفاوت اين فناوري را با فناوري هاي ديگر اينگونه بيان کرد که در فناوري هاي ديگر سعي در کوچک ساختن ساختارهاي بزرگ مي کنند ، به طور مثال با جايگزين شدن ترانزيستورها به جاي مدارات لامپي اندازه وسايل الکترونيکي کوچک تر شد و نهايتا کيت ها ساخته شد که شامل ميليون ها ترانزيستور مي باشند . صنايع ميکروالکترونيک از بزرگ به کوچک رسيده اند اما در نانوتکنولوژي از جزء به کل مي رسند و بدين ترتيب مي توان ساختارهاي جديدي به نام «عناصر پايه» ساخت . عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانو مقياسي هستند که خواص آنها در حالت نانو مقياس با خواص شان در مقياس بزرگتر فرق مي کند . اين عناصر پايه داراي گوناگوني فراواني هستند مانند : نانو ذرات ، نانولوله هاي کربني ، نانو کپسول ، نانو درخت ، فولرين و... ، که شرح تعدادي از آن ها به اختصار بيان مي کنيم .

1- نانو ذرات
 

اولين و مهمترين عناصر پايه ، نانو ذره است . منظور از نانو ذره ، ذراتي با ابعادي در حدود 1 تا 100 نانومتر و در هر سه بعد مي باشد . نانو ذرات مي توانند از مواد مختلفي تشکيل شوند ، مانند نانو ذرات فلزي ، سراميکي و....

2- نانو لوله هاي کربني
 

اين عنصر پايه در سال 1991 توسط دانشمندان ژاپني کشف شد و در حقيقت لوله هايي از جنس گرافيک مي باشند . اين نانو لوله ها داراي اشکال و اندازه هاي مختلفي هستند و مي توانند تک ديواره يا چند ديواره باشند . اين لوله ها خواص بسيار جالبي دارند که منجر به ايجاد کاربردهاي قابل توجهي از آنها مي شوند .

3- نانو کپسول ها
 

سومين عنصر پايه ، نانوکپسول است . همان طوري که از اسم آن مشخص است ، کپسول هايي هستند که قطر نانومتري دارند و مي توان موارد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد . از نانو کپسول ها در پزشکي براي دارورساني به سلول هاي بيمار استفاده مي شود .

4- فولرين ها :
 

مهمترين نوع فولرين ها ، 60C نام دارد و آن چنان که از نامش پيداست از 60 اتم کربن تشکيل شده است . اين اتم ها به گونه اي در کنار يکديگر قرار گرفته اند که يک ساختار کروي به دست مي دهند . اين ماده کاربردهاي گوناگوني در صنايع مختلف دارند .

کاربردهاي نانو
 

تا کنون نانوتکنولوژي بيشترين کاربرد را در صنايع سنگين ، بهداشت ، نساجي و کشاورزي داشته و در صنايعي نظير رنگ ، اتومبيل ، کامپيوتر ، شيمي ، تصفيه آب و ... نيز در حال توسعه است . محصولات نساجي حاصل از فناوري نانو در کشورهاي آلمان و انگليس بيشترين رواج را دارند . تولدي کفش ها و لباس هايي که با حفظ گرماي بدن و تاثير در گردش خون ، باعث کاهش خستگي مي شوند نيز از دستاوردهاي سحر آميز علم نانو است . در صنعت الکترونيک با استفاده از نانو تکنولوژي نمايشگرهايي توليد کرده اند که قابليت ديد با زاويه 180 درجه را دارند و پيل هاي خورشيدي با دوام تر و کارات ، با اميد به کاهش واقعي قيمتها ، هم اکنون در حال پيشرفت هستند . برخي از اين پيل ها حتي هيدروژن توليد خواهند کرد . در صنعت داروسازي از نانوذرات براي جذب دارو از راه پوست و چشمها (خيلي لذت بخش تر از تزريقات) و استنشاق ، به منظور در امان ماندن از تخريب دارو توسط آنزيم هاي معده که در شش ها وجود ندارند استفاده مي شود ، همچنين از نانوکپسول ها براي پخش تدريجي دارو در بدن براي دارورساني به سلول هاي بيمار و کاهش عوارض جانبي استفاده مي شود . همچنين به کمک اين فناوري ، صنعت رنگسازي توانسته رنگ هايي را توليد کند که با تصفيه هوا به ميزان زيادي باعث کاهش آلودگي شهرها مي شود .
از فناوري نانو به عنوان «روان کننده جريان سرمايه گذاري» ياد مي شود . ورود محصولات متکي بر اين فناوري جهشي بس عظيم در رفاه و کيفيت زندگي وتوانائي هاي دفاعي و زيست محيطي به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابه جايي هاي بزرگ اقتصادي خواهد شد .
هم اکنون بخش هاي دولتي و خصوصي کشورهاي مختلف جهان مانند ژاپن ، آمريکا ، اتحاديه اروپا ، چين ، هند ، تايوان ، کره جنوبي ، استراليا ، رژيم صهيونيستي و روسيه در رقابتي تنگاتنگ بر سر کسب پيشتازي جهاني در لااقل يک حوزه از اين فناوري به سر مي برند . هم اکنون روي هم رفته حدود 30 کشور دنيا در زمينه فناوري نانو داراي «برنامه ملي» يا در حال تدوين آن هستند و طي پنج سال گذشته سرمايه گذاري در آن زمينه را به ميزان سه برابر افزايش داده اند .
کشورمان ايران نيز در اين سال ها توانسته با برنامه ريزي و سرمايه گذاري گام هاي مؤثري در اين زمينه بردارد . شيب قابل توجه رشد مقالات علمي در حوزه نانو خود گواه گسترش روزافزون اين فناوري در ميان دانشمندان وجامعه دانشگاهي است . همچنين در سال هاي اخير تلاش هاي موفقيت آميزي در جهت توليد محصولات نانو صورت گرفته است و با توليد اين محصولات استراتژيک ، کشورمان در زمره کشورهاي در حال پيشرفت در حوزه نانو قرار گرفته است .
منبع: مجله اطلاعات علمي شماره 368