تعاریف علوم نانو و نانوتکنولوژی

متداول ترین تعریف کاربردی برای علم نانو، عبارتست از:
علم نانو مطالعه ی پدیده ها و دستکاری مواد در مقیاس اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است. در این مقیاس، خواص مواد نسبت به حالت بالک متفاوت است.
مواد بالک (قطعه های بزرگ از موادی که ما در اطراف خود مشاهده می کنیم) دارای خواص فیزیکی پیوسته هستند. این مسئله درمورد مواد میکرونیزه (مانند دانه های ماسه ی ریز) نیز صادق است. اما وقتی ذرات دارای ابعاد نانویی هستند، اصول مربوط به فیزیک کلاسیک دیگر قادر به توصیف رفتار آنها نمی باشد. در این ابعاد، اصول مربوط به مکانیک کوانتومی عمل می کند. همین مواد در مقیاس نانو می توانند خواص متفاوتی داشته باشند (مثلا طلا در این مقیاس دارای خواص نوری، مکانیکی و الکتریکی متفاوتی است). این خواص می توانند بسیار متفاوت و گاهاً مخالف خواص همان ماده در حالت بالک باشند. بنابراین، نانوتکنولوژی به صورت زیر تعریف می شود:
نانوتکنولوژی طراحی، شناسایی، تولید و کاربرد ساختارها، وسایل و سیستم ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانومتری می باشد.
در بخش بعدی، ما در مورد این تعاریف و معانی آنها و همچنین در مورد مقیاس نانومتری، صحبت خواهیم کرد.

مقیاس نانومتری

مقیاس نانومتری در حقیقت مقیاسی بین یک تا 100 نانومتر است. یک نانومتر یک میلیاردیم یک متر است (〖10〗^(-9) m). این گستره ی اندازه به صورت نرمال در میزان حداقل یک نانومتر، ثابت شده است تا بدین صورت از در نظر گرفتن اتم های منفرد و یا گروه های اتمی در طراحی اجزای نانویی، جلوگیری شود (شکل 1). بنابراین، علم نانو و نانوتکنولوژی در واقع درگیر طراحی کلاسترهای اتمی است که حداقل یک بعد آنها در ابعاد نانومتری باشد. نانومواد چه موادی هستند؟
یک نانوماده در واقع جسمی است که حداقل یک بعد آن در مقیاس نانو قرار دارد. نانومواد با توجه به ابعاد آنها طبقه بندی می شوند (جدول 1). نانومواد به دو گروه طبقه بندی می شوند:
نانو مواد طبیعی (non-intentionally-made nanomaterials): این نوع از مواد در حقیقت ذرات نانومتری و یا مواد نانومتری هستند که به صورت طبیعی در محیط وجود دارند (مانند پروتئین ها، ویروس ها، نانوذرات تولید شده در طی فوران آتشفشانی و ...) و یا مواد هستند که بدون قصد و نیت قبلی بوسیله ی انسان تولید شده اند (مانند نانوذرات تولید شده از احتراق سوخت دیزل).
نانوذرات مصنوعی (intentionally-made): این نانوذرات موادی هستند که از طریق فرایندهای تولید تعریف شده، تولید می شوند.
یک جنبه ی بسیار مهم در این زمینه، کوچک بودن یک نانو می باشد. نانومواد بزرگتر از اتم ها هستند اما اندازه ی آنها کمتر از باکتری ها و سلول ها می باشند. این مفید است که از یک مقیاس مانند آن چیزی که در شکل 2 نشان داده شده است، استفاده کنیم. با نگاه بر روی این تصویر، می توانید رابطه ی میان مواد بالک و نانومواد را تشخیص دهید. برخی از مثال های موجود در این طبقه بندی عبارتند از:
ناخن های ما در هر ثانیه یک نانومتر رشد می کنند.
سر یک سوزن در حدود 1000000 نانومتر قطر دارد.
موی انسان قطری برابر 80000 نانومتر دارد.
یک مولکول DNA عرضی یک تا دو نانومتری دارد.
ترانزیستور مربوط به نسل پنتیوم، دارای اندازه ی 45 نانومتر می باشند.

چه چیزی باعث می شود تا نانو خاص باشد؟

نانو به معنای بسیار ریز می بشد اما چرا این اندازه خاص است؟ دلایل مختلفی وجود دارد که چرا علم نانو و نانوتکنولوژی می تواند مواد مناسبی برای مهندسی و علوم مربوطه، تولید کند. اولاً در مقیاس نانو، خواص ماده مانند انرژی تغییر می کند. این مسئله یکی از نتایج مستقیم از اندازه ی کوچک نانومواد می باشد که در حقیقت به اثرات کوانتمی معروف است. نتیجه این است که یک ماده (مانند یک فلز) وقتی در اندازه ی نانو تشکیل می شود، می تواند خواصی داشته باشد که از خواص آن ماده در حالت بالک، متفاوت است. برای مثال، نقره ی بالک سمی نیست، در حالی که نانوذرات نقره قادر به کشتن ویروس ها را دارند. خواصی مانند رسانایی الکتریکی، رنگ، استحکام و وزن وقتی تغییر می کند که سطح نانومقیاس حاصل شود. در حقیقت همین فلز ممکن است پس از رسیدن به سطح نانو، به نیمه رسانا و یا عایق تبدیل شود. خاصیت مورد انتظار ثانویه ی مربوط به نانومواد، این است که آنها می توانند بواسطه ی فرایند اتم به اتم تولید شوند. این فرایند، فرایند "پایین به بالا" نامیده می شود. اطلاعات مربوط به این فرایند تولید در داخل بلوک های ساختاری مواد نهفته است به نحوی که این مواد می توانند در محصول نهایی، فرایند خود آرایی نیز داشته باشند. این در نهایت، نانومواد دارای نسبت سطح به حجم بالاتری نسبت به مواد بالک هستند. این مسئله نتایج مهمی بر روی سایر فرایندهایی دارد که در سطح یک ماده رخ می دهد. خواصی که موجب می شود نانومواد خاص باشند در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

از علوم نانو تا نانوتکنولوژی

علم نانو یک علم بین رشته ای است. این بدین معناست که علم نانو بیشتر از یک جنبه ی علمی را به خود مشغول کرده است مثلا شیمی، فیزیک و ... . سایر الزامات نیز وجود دارد که در واقع نشاندهنده ی بین رشته ای بودن این علم است؛ مثلا علم مواد و مهندسی آن، که در حقیقت در آن واحد دربرگیرنده ی جنبه های شیمی و فیزیک می باشند. علم نانو با افزوده شدن بیولوژی و شیمی، گسترده تر شده است. بنابراین علم نانو، یک علم بین رشته ای با افقی یکپارچه می باشد که در حقیقت برشی از تمام علوم و مهندسی ها می باشد (شکل 3). کاربردهای علم نانو در وسایل عملی نانوتکنولوژی نامیده می شود. نانوتکنولوژی بر پایه ی دستکاری، کنترل و یکپارچه سازی اتم ها و مولکول ها و تولید مواد، ساختارها، اجزا، وسایل و سیستم ها در مقیاس نانو، بنا شده است. نانوتکنولوژی کاربرد علم نانو مخصوصاً در صنایع و اهداف تجاری می باشد. تمام بخش های صنعتی بر پایه ی مواد و وسایلی پایه گذاری شده اند که از اتم ها و مولکول ها تولید شده اند. بنابراین، در اصل تمام مواد می توانند با استفاده از نانو مواد بهبود یابند. این مسئله می گوید که تمام صنایع می توانند از نانوتکنولوژی بهره ببرند. در حقیقت، به عنوان یک تکنولوژی جدید، روابط مربوط به "هزینه نسبت به مزیت های افزوده" تعیین کننده ی این است که بخش های صنعتی مختلف به چه میزان از نانوتکنولوژی بهره می برند.
بنابرانی، نانوتکنولوژی یک تکنولوژی همگرا و تطبیق پذیر است (شکل 4). این تکنولوژی تطبیق پذیر است زیرا در بخش های صنعتی مختلف مشارکت دارد و بوسیله ی آن می توان پلتفرم های جدید و ابزاری را تولید کرد که بوسیله ی آنها، محصولات خاصی تولید می شوند. این تکنولوژی همگراست زیرا موجب گرد هم آمدن بخش های مختلف علوم می شوند. این بخش های علوم پیش از این، مجزا بودند. برای مثال، چیپ های سیلیکونی DNA که مثالی از همگرایی میان علم نیمه رساناها (شیمی غیر آلی) و بیولوژی با کاربردهای صنعت پزشکی می باشد.

آیا واژه ی نانوتکنولوژی درست است یا نانوتکنولوژی ها

وقتی این واژه اولین بار در سال 1959 مورد استفاده قرار گرفت، نانوتکنولوژی نامیده شد. در سال های اخیر، این زمینه از لحاظ علم و تکنولوژی به صورت پایدار توسعه یافته است. محققین همچنین اثرات ایمنی، اخلاقی و اجتماعی نانوتکنولوژی را آدرس دهی کردند. با انجام این کار، این واضح است که این زمینه نه تنها یک تکنولوژی است بلکه نانوتکنولوژی های مختلف نیز وجود دارند. حتی این مسئله بوسیله ی محققین و متخصصین پیشنهاد شده است که از واژه ی مفرد برای این علم استفاده نشود. در واقع استفاده از واژه ی جمع، بیان بهتری از این تکنولوژی می باشد. امرزه، واژه ی جمع بیشتر متداول است و بوسیله ی بیشتر محققین مورد استفاده قرار می گیرد.

ورود نانو به کلاس های درس، چرا و چگونه ؟

گزارش های متعددی وجود دارد که بر روی نیاز به تسهیل آموزش این علم در مدارس، تمرکز دارند. این آموزش برای دانش آموزان با سن بالاتر از 14 سال مناسب می باشد. این اغلب پیشنهاد می شود که آموزش علمی بر پایه ی پرس و جو (یا یادگیری بر پایه ی طرح مسئله) می تواند مناسب باشد. البته این نوع آموزش در جاهایی خوب جواب می دهد که آموزش بر اساس یک روش استنتاجی انجام می شود (نه یک روش قیاسی). این آموزش باید با فعالیت های یدی مختلف توام شود تا بتواند به دانش آموزان اجازه دهد تا این علم را خودشان ببینند و سپس توصیف های تئوری در مورد چیزی که می بینند را یاد بگیرند. علم نانو و نانوتکنولوژی، یک چنین فرصت هایی را فراهم می آورد.

علم و تکنولوژی پیشرفته

علم نانو و نانوتکنولوژی به معلمین ابزاری جدید ارائه می دهد که بوسیله ی آن، می توانند علم و تکنولوژی را در کلاس درس بیآورند که موجب تهییج آنها می شود. نانوتکنولوژی ها امروزه در وسایل مختلفی استفاده می شوند که دانش آموزان با آنها بسیار آشنا هستند، مثلا کامپیوترها، تلفن همراه و آیپدها. علم نانو امکان بهبود خواص مواد متعددی را فراهم می آورد و همچنین امکان تولید مواد جدید را نیز مهیا می کند. در آینده، ما محصولات مختلفی را خواهیم داشت که در آنها از نانومواد استفاده شده است و یا از تکنولوژی بر پایه ی نانو در ساخت آنها، بهره برده شده است. مطرح نمودن واژه ی نانو در کلاس درس بدین معناست که شما یک تکنولوژی پیشرفته را در کلاس مطرح کرده اید و موجب می شوید تا در آینده، علاقه در زمینه ی تحقیقات بر روی نانومواد، افزایش یابد.

کار دستی در نانو!

یکی از مشخصه های علم نانو این است که اثرات نانویی متعددی می تواند بوسیله ی این اثرات در دنیای ماکرویی ما مشاهده شود. بهترین مثال در این زمینه، نانوذرات طلا می باشد (نانوذرات طلا با قطری در حدود 15 نانومتر که در داخل آب پراکنده شده اند). رنگ این نانوذرات متنوع است و می تواند این رنگ قرمز باشد. وقتی اندکی محلول نمکی به کلوئید طلا اضافه شود، این کلوئید آبی می شود. مشابه این کارها، فعالیت های دستی بسیاری وجود دارد که می توان بوسیله ی آنها خواص نانومواد را به دانش آموزان نمایش دهیم. بنابراین، حتی در مورد جهان ناپیدای نانو نیز ما می توانیم مواردی را مطرح کنیم که مشهود و واضح هستند.

نانو در زمینه ی الزامات علمی متداول

یکی از چالش هایی که یک مدرس نانو ممکن است با آن روبرو باشد، این است که چگونه علم نانو را وارد برنامه ی درسی علوم متداول کنند. آیا این علم جدید می تواند با الزامات مربوط به علوم متداول از جمله شیمی، فیزیک و یا بیولوژی، تطابق پیدا کند؟
بنابراین، سوال مطرح شده در اینجا، این است که : اگر همه ی بخش های این علم، جدید نیست، پس چرا این علم به این حد خاص است؟ در سال های اخیر، محققین قادر شده اند تا پتانسیل های متعدد علم نانو و نانوتکنولوژی ها را کشف کنند. این مسئله در حقیقت به گروه جدیدی از ابزارهای تحلیلی و تولید، وابسته می باشد. در طی سال های اخیر، نانومواد جدید به صورت عمدی تولید و یا کشف شده اند. همچنین نانوابزارها توسعه یافته اند و خواص جدیدی از مواد در سطح نانو، کشف شده اند.
تمام این مسائل، به بررسی سیستماتیک نانومواد و تحقق و ایجاد خواص جالب توجه در ماده، کمک کرده است. در واقع با استفاده از این رویه، مواد، سیستم ها و وسایل جدید با خواص، قابلیت ها و عملکردهایی تولید شده اند که با استفاده از مواد بالک، قابلیت تولید آنها مقدور نبود. خواص استثنایی مواد در سطح نانو محققین را ترقیب کرده است تا راه های مهندسی و تولید مواد را دوباره کشف و بررسی کنند و بدین وسیله، فرصت های مناسبی در زمینه های مخلتف ایجاد شده است.
علم نانو بنابراین یک علم در حال پیشرفت می باشد. زمینه ای که علومی مانند شیمی و فیزیک ریشه دارد. در حقیقت به دلیل اینکه پیشرفت ها و اصول مربوط به این علوم به تکامل مناسبی رسیده است، لذا بسیاری از مباحث این علم، هم اکنون نیز قابل دسترسی است.
به همین دلیل، ما ترجیح می دهیم که علم نانو را به عنوان انقلابی در عرصه ی الزامات علوم سنتی تلقی کنیم. نانو به خودی خود، انقلاب نیست بلکه نانوتکنولوژی ممکن برخی تغییرات را در زندگی ما ایجاد کند. این تغییرات شامل تغییر در کاربردها و یا ابزار موجود می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nanotechnologies Principle, Application and Implication and Hands- on activities / Matteo Bonazzi