کلمه "فناوری نانو" چه چیزی را به ذهن شما متبادر می کند؟
من بهترین قسمت یک هفته را در مورد اصطلاح "فناوری نانو" و این که آیا این یک رشته واقعی است، و یک اصطلاح واقعی است یا نه صحبت کردم.
فناوری نانو برای بهبود عملکرد و ظرفیت باتری بسیار مهم است.در ساده ترین مفهوم آن، فناوری نانو به معنای کار با مواد در مقیاس یک میلیاردم متر است. پیشوند "nano" به یک میلیاردم اشاره دارد: این بخشی از مقیاس علمی اندازه گیری است.
من از اصطلاح فناوری نانو به عنوان اصطلاحی مناسب برای توصیف حوزه تحقیق خود استفاده می کنم. تحقیقات من در زمینه ساخت نانو ذراتی است که می توانند به صورت کپسول هایی کوچک برای رساندن دارو به سلول ها مورد استفاده قرار گیرند. من با پروتئین ها و طیف وسیعی از نانو ذرات طلا کار می کنم تا به این هدف دست پیدا کنم.
فروش فناوری نانو
مانند بسیاری از اصطلاحات علمی و دانشگاهی، فناوری نانو (که همچنین با عنوان تنهای "نانو" نیز شناخته می شود) اصطلاحی بیش از حد استفاده شده و بیش از حد بزرگ شده در رسانه های جمعی است.زمینه رو به رشد علوم مواد همچنان درک ما را از چگونگی طراحی و مهندسی مواد برای تبدیل آنها به موادی قوی تر، سبک تر، از لحاظ شیمیایی واکنش پذیرتر و با هدایت پذیری بیشتر، تغییر داد.شرکت های آرایشی و بهداشتی محصولات خود را با عنوان "فناوری نانو" تبلیغ می کنند - شاید امیدوارند بتوانند این گونه به ذهن شما برسانند که این روبات های کوچک هستند که پوست شما را ترمیم می کنند. با این حال، این محصولات به احتمال زیاد فقط شامل لیپوزوم ها هستند - حباب های ریز و دو لایه لیپید. آنها نانو ذرات هستند، نه کاملاً روبات های نانو که از داستان های علمی تصور می کنیم.
ماشین Tata Nano در هند و پخش کننده موزیک iPod Nano اپل نیز از پسوند "nano" استفاده می کنند. این عبارت تبدیل به یک پسوند راحت و مناسب شده است، به همان روشی که "میکرو" و "هوشمند" (یا "smart") بیش از حد استفاده می شوند و از اصطلاحات بازاریابی هستند که به طور مؤثر معنی دار نیستند.
برای پیچ و تاب دادن بیشتر به مسائل، اکنون فناوری نانو و علوم نانو نزد عوام مترادف با "روبات های کوچکی که جهان را به گِرِی گو (grey goo) تبدیل خواهند کرد" یا تهدیدهای نامرئی ریز برای سلامتی و محیط زیست ما تلقی می شوند. (گِرِی گو (grey goo) یک سناریوی فرضی جهانی فاجعه بار است که شامل فناوری نانو مولکولی است که در آن ماشین های خود تکرارِ خارج از کنترل، تمام زیست توده را روی زمین مصرف می کنند در حالی که تعداد بیشتری از خودشان را می سازند.)
فناوری نانو رشته گسترده ای است که تحقیقات و اختراعات استفاده شده از اثرات کوانتومی را که در مقیاس نانو - یعنی در سطح نانومتر یا میلیاردم متر - اتفاق می افتند، پوشش می دهد.این درست است که در مورد اثرات بالقوه زیست محیطی و دفع نامناسب نانو مواد نگرانی هایی وجود دارد. سم شناسی مواد نانو و مسائل نظارتی در مورد استفاده و دفع آنها بحثی مداوم است.
اما ناامیدکننده است که به عنوان یک ارتباط دهنده علوم و دانشمند شاهد باشی که از اصطلاح "نانو" در برخی از این شیوه ها استفاده می شود - نه به خاطر این که فاقد شوخ طبعی هستند بلکه به این دلیل که تلاش زیاد لازم برای مقابله با این باورهای غلط اغلب با سهولتی که با آن از آنها سوء استفاده می شود نامتناسب است.
آیا "نانو" معنایی ندارد؟
بنابراین آیا اصطلاح فناوری نانو برای همه چیز کاربرد دارد و بنابراین دیگر معنایی ندارد؟ گر چه نانو در تبلیغات و رسانه ها یک واژه باب روز است، اما درک ویژه تری از آن چه این اصطلاح در علم، یا بهتر بگوییم در مهندسی، مستلزم آن است وجود دارد؟مولکول های زیستی و ویروس ها، نانو فناوری طبیعی هستند.فناوری نانو رشته گسترده ای است که تحقیقات و اختراعات استفاده شده از اثرات کوانتومی را که در مقیاس نانو - یعنی در سطح نانومتر یا میلیاردم متر - اتفاق می افتند، پوشش می دهد.
به دلیل اندازه مواد و ذرات در این سطح، اثرات کوانتومی در مقیاس نانو بارزتر می شوند و می توان از آنها برای تولید مواد کاملاً نازک و جدید استفاده کرد.
اصطلاح "اثرات کوانتومی" در این جا به خصوصیاتی از مواد که نقطه ذوب، فلورسانس، رسانایی الکتریکی و واکنش شیمیایی را شکل می دهند اشاره دارد.
به عنوان مثال، در مقیاس نانو، ویژگی های نوری جدیدی وجود دارد - یعنی واکنش هایی بین نور و مواد - که می توانند برای کاربردهایی مانند بارکد گذاری نانویی مورد استفاده قرار گیرند.
فناوری نانو از این خصوصیات برای تولید مواد و دستگاه های جدید استفاده می کند – هر چیزی از الکترونیک نرم، و ابرشبکه های پلاسمونیک (نانو مواد فوق نازک که با نور برهم کنش دارند) گرفته تا نانو ذرات طلا، نقره و پلیمر، و سیم های نانو و غیره.
در حقیقت، مولکول های زیستی و ویروس ها، نانو فناوری طبیعی هستند. مولکول های زیستی مانند DNA ممکن است کد ژنتیکی حیات را ذخیره کنند، اما می توان از ساختار DNA برای تولید نانو سیم ها استفاده کرد و DNA می تواند به عنوان پلی بین ذرات برای اتصال آنها به یک دیگر استفاده شود.
از پروتئین ها می توان به عنوان داربست هایی برای ساختن ساختارهایی فلزی به نام چارچوب های فلزی - آلی استفاده کرد که می توانند به عنوان فیلتر یا برای رساندن روش های درمانی مورد استفاده قرار گیرند، اگر بخواهیم فقط دو کاربرد آنها را نام برده باشیم.
ما همچنین می توانیم این گونه مواد را از مواد غیر آلی مانند طلا و نقره بسازیم - اکنون قلم هایی در دسترس است که به شما امکان می دهد مدارهای نانو سیم را ترسیم کنید.
نانو گردونه ای از حکایت مقیاس های کوچک و ویژگی های منحصر به فرد را چرخاند که بیشتر کارشناسان آن زمان می دانستند جنبه‌ی تبلیغاتی آن بیش از علم است.ضد آفتاب دارای نانو ذرات است و از نانو ذرات نقره به عنوان عوامل ضد باکتری در بسیاری از وسایل روزمره استفاده می شود. باتری های لیتیوم برای ذخیره سازی بهتر، از فناوری نانو استفاده می کنند: در واقع، فناوری نانو برای بهبود عملکرد و ظرفیت باتری بسیار مهم است.
و فناوری نانو در کوچک سازی دستگاه ها و بهبود عملکرد آنها مفید است. اکنون ما توالی سنج های دستی DNA را داریم که می توانند در این زمینه مورد استفاده قرار گیرند. دیگر لازم نیست نمونه ها را به آزمایشگاه ارسال کنیم و منتظر نتایج بمانیم - به لطف استفاده هوشمندانه از پروتئین ها در دستگاه های کوچک سازی شده، می توان DNA را در محل تعیین توالی کرد.
بیشتر تحقیقات فناوری نانو، بین رشته ای است (و تخصص های مختلفی را با هم ترکیب می کند)، و حتی فوق رشته ای است (و در بسیاری از زمینه های علمی فعالیت می کند). این امر مستلزم این است که شما در شیمی (معدنی و آلی)، الکترونیک، شیمی تحلیلی، شیمی سطح، شیمی پروتئین و ساختار، شیمی اسید نوکلئیک (هر دو DNA و RNA)، لیپیدها (چربی ها) و بسیاری از تکنیک های دیگر جستجو کنید.
بنابراین، هنگام توصیف این نوع تحقیق که شامل بسیاری از رشته ها است، غالباً استفاده از اصطلاحِ همه کاره‌ی "نانو تکنولوژی" آسان تر است.
ما از ویژگی های نانو مقیاس مواد، خلاقیت و ابداع برای ایجاد فناوری جدید، مواد جدید، ساختارهای جدید و شاید در آینده، روش های جدیدِ بودن استفاده می کنیم.
به این روش فکر کنید: اگر بخواهید دستگاه ها را کوچک کنید، اجزای این دستگاه ها را کوچک تر می کنید. فناوری نانو با استفاده از اثرات کوانتومی برجسته در این مقیاس، از اجزای نانو اندازه برای ساخت این دستگاه ها استفاده می کند.
در مقیاس نانو، ویژگی های نوری جدیدی وجود دارد - یعنی واکنش هایی بین نور و مواد - که می توانند برای کاربردهایی مانند بارکد گذاری نانویی مورد استفاده قرار گیرند.فناوری نانو همه این ویژگی ها را برای کاربردهای مفید با هم جمع می کند.
همه‌ی نانو مهمل نیست
در سطح ذغال سنگ، تحقیقات، عمدتاً ایده های جذابی است که نیاز به بهینه سازی خسته کننده دارد، با تلاش برای ساخت اقلام ریز از یک فرآیند از پایین به بالا (یعنی ساخت در مقیاس نانو) و نه از بالا به پایین (تصفیه مواد موجود).در فناوری نانو، لازم نیست که مواد بزرگ را به قطعات کوچک تبدیل کنیم، ما سعی می کنیم آنها را از پایین به بالا با استفاده از شیمی تولید کنیم. این نوع کارها ممکن است خسته کننده باشند، اما وقتی برای اولین بار کار می شوند، مثل جادو هستند.
بنابراین گر چه فناوری نانو، گاهی اوقات، آن چنان که الون ماسک می رساند، می تواند یک اصطلاح همه کاره"مهمل" باشد، اما همچنین زمینه ای است که بسیاری از دانشمندان و مهندسان هر روز در آن کار می کنند و بسیاری از دانشگاه ها آن را تصدیق می کنند. این یک زمینه رو به رشد، در حال رشد و پر از اختراعات جدید مهیج و هوشمندانه است.
بدون شک، فراخوان تجمع فناوری نانو طی دو دهه گذشته علم و مهندسی را متحول کرده است.
از بسیاری جهات، این یک تلاش واقعاً جدی برای عبور از هر دوی مواد آلی و غیر معدنی با هم، به طرف دستگاه هایی است که تصفیه های عالی طبیعت را تقلید می کنند. دشوار است - و نشاط آور.
اعتبار علم فناوری نانو
تصویر: نانو لوله های کربنی یکی از محصولاتی است که از مهندسی در مقیاس نانو ایجاد شده است. از سایت www.shutterstock.com
پس می پرسیم فناوری نانو چیست، و مهمل کجا پایان می یابد و علم از کجا شروع می شود؟
بسیاری از فناوری های موجود در اتومبیل ها، سلول های خورشیدی و موشک ها به علم و مهندسی در مقیاس نانو متکی است. چند ده سال است که در علم مقیاس نانو کار کرده ام، و باید اعتراف کنم که مانیتور مهمل من نیز گاهی اوقات در مورد بحث فناوری نانو کمی سراسیمه می شود.
"انقلاب صنعتی بعدی"
فناوری اصلی نانو از حدود 20 سال پیش روی سن آمد، زیرا دولت ایالات متحده تلاش های بین آژانسی را برای سرمایه گذاری در آن چه "انقلاب صنعتی بعدی" عنوان کرد آغاز نمود.هنوز هم فرضیات گسترده ای در بین محققان نانو وجود دارد که گویا چیزی کاملاً متفاوت در مقیاس نانو وجود دارد.
دانشمندان در آن زمان از این هیجان زده بودند که چگونه ممکن است از برخی از خصوصیات غیر معمول مواد بهره برداری کنند که هنگامی ظاهر می شوند که دقیقاً در یک مقیاس واقعاً کوچک طراحی و ساخته شوند، مانند تغییرات ناگهانی در رفتار الکترونیکی یا ظهور ساختارهای فوق العاده قوی. و از آن جا که اگر یک مارک تجاری واضح و یک پیام کامل کننده داشته باشید فروش ایده به سرمایه گذاران و سیاستگذاران همیشه آسان تر خواهد بود، اصطلاح "فناوری نانو" فراخوان یک گرد هم آیی دو باره برای این "انقلاب صنعتی" شد.
اگر بخواهیم ساده بگوییم، تعاریف اولیه فناوری نانو متمرکز بر بهره برداری از "ویژگی های جدید" است که برخی از مواد وقتی در مقیاس بین 1 تا 100 نانو متر مهندسی می شوند شروع به نمایش آن می کنند. این روزها، تعریف ها بسیار روان هستند. اما هنوز هم فرضیات گسترده ای در بین محققان نانو وجود دارد که گویا چیزی کاملاً متفاوت در مقیاس نانو وجود دارد.
بدون شک، فراخوان تجمع فناوری نانو طی دو دهه گذشته علم و مهندسی را متحول کرده است. این فراخوان، محرک مقدار زیادی سرمایه گذاری روی تحقیق و توسعه شده است. این امر منجر به ایده ها و موفقیت های جدیدی شده است که اغلب شامل تحقیقات میان رشته ای است، و نسل جدیدی از دانشمندان و مهندسان را شیفته خود کرده و به آنها الهام بخشیده است.
اما هیچ علمی بیان نمی کند که چیزی به طور کلی منحصر به فرد و خاص در محدوده اندازه بین 1 نانومتر و 100 نانومتر وجود دارد. و این همان جایی است که ریسک های برند نانو از واقعیت علمی جدا می شوند.
علم بازار یابی
مشکل این است که روشی که فناوری نانو در ابتدا توپ زد علم را فریفت که این ایده را بفروشد. نانو گردونه ای از حکایت مقیاس های کوچک و ویژگی های منحصر به فرد را چرخاند که بیشتر کارشناسان آن زمان می دانستند جنبه‌ی تبلیغاتی آن بیش از علم است. با این حال آنها به دلیل وعده بودجه با آن همراه شدند.فناوری اصلی نانو از حدود 20 سال پیش روی سن آمد، زیرا دولت ایالات متحده تلاش های بین آژانسی را برای سرمایه گذاری در آن چه "انقلاب صنعتی بعدی" عنوان کرد آغاز نمود.تقریباً یک شبه، دانشمندان مواد به فناوری نانو رو آوردند. همان طور که شیمی دانان کلوئیدی، متخصصان کاتالیزور ناهمگن، میکروسکوپ الکترونی، زیست شناسان مولکولی، و حتی سم شناسان چنین کردند. ناگهان کاری که دانشمندان و مهندسان برای دهه ها انجام داده بودند، به عنوان فناوری جدید نانو تغییر نام یافت. دلهره بزرگی در مهندسانی مانند اریک درکسلر، که دیدگاه بسیار متفاوتی از فناوری نانو را در دهه 1980 رواج داد و متعاقباً با هجوم جدید طلای نانو به حاشیه رانده شد، ایجاد شد.
با این سابقه، جای تعجب نیست که نانو را بعضا مهمل خطاب می کنند. با این حال این پایان داستان نیست، زیرا در زیر هیاهو و چرخش، یک علم و مهندسی واقعاً شگفت انگیز وجود دارد که در این مقیاس کوچک اتفاق می افتد. و این وقتی شروع می کند که حس خیلی بیشتری را به دست دهد که برند نانو را حذف کنیم و شروع به صحبت در مورد علم و مهندسی در مقیاس نانو نماییم.
کار در مقیاس نانو
علم در مقیاس نانو ریشه در اوایل دهه 1900 دارد، زیرا در آن موقع دانشمندان شروع به ساخت ابزارها و نظریه هایی کردند که روشن می کرد که چگونه نحوه قرار گیری اتم ها در مواد در خصوصیات آنها تأثیر دارد. از دهه 1930، تکنیک هایی مانند میکروسکوپ الکترونی و پراش اشعه X به دانشمندان اجازه داد نقشه برداری از ساختار در مقیاس نانو مواد را شروع کنند. و از حدود این زمان، آنها عمداً شروع به تولید و بهره برداری از خواص ذرات در مقیاس نانو کردند (به عنوان مثال نانو ذرات مهندسی شده دی اکسید سیلیکون از دهه 1940 با عنوان Aerosil® در دسترس بودند).در طول دهه های 1970 و 1980، زمینه رو به رشد علوم مواد همچنان درک ما را از چگونگی طراحی و مهندسی مواد برای تبدیل آنها به موادی قوی تر، سبک تر، از لحاظ شیمیایی واکنش پذیرتر و با هدایت پذیری بیشتر، تغییر داد. نیمه هادی ها، مدارهای مجتمع و ریز پردازنده ها از این موج نو آوری ظهور کردند، که از جمله در بر گیرنده مقاومت های مغناطیسی عظیم - فناوری پشت درایوهای دیسک سخت با ظرفیت عظیم – بودند.
فناوری نانو چیست، و مهمل کجا پایان می یابد و علم از کجا شروع می شود؟این گرایش در علم، فناوری و مهندسی است که در دهه 1990 به عنوان فناوری نانو تغییر نام یافت و دو باره راه اندازی شد. طلوع یک انقلاب صنعتی جدید نبود. ظهور یک فناوری جدید نیز نبود. در عوض، برند سازی تجاری جدیدی بود برای آن چه که محققان برای دهه ها در تلاش آن بودند.
با این وجود، و با وجود همه بدبینی های من، برند نانو اتفاق خاصی را به وجود آورد: این برند، موانع بین رشته هایی را که قبلاً به طور خاص به آنها بیشترین توجه می شد از بین برد و موج جدیدی از تحقیقات میان رشته ای را تحریک کرد به گونه ای که منجر به پیشرفت هایی باور نکردنی از جمله در تعیین توالی ارزان DNA و درمان های جدید سرطان، ایجاد سلول های خورشیدی با بازده بالا و ایجاد تحول در فناوری های باتری شد.
فرضیات چالش برانگیز
اکنون، فناوری نانو در جریان اصلی علم و فناوری گنجانده شده است و نسل جدیدی از فناوری های نانو با اشتیاق در حال خلق زمین جدید نانو هستند. بسیاری از خالقین این فناوری، دانشمندان شگفت انگیزی هستند که کارهای خارق العاده ای انجام می دهند.با این حال من نگرانم که قسمتی از تاریخچه چگونگی رسیدن به این جا با نهادینه شدن نام تجاری نانو از بین رفته باشد. و به همین دلیل، لزوماً چیز بدی نیست که هر چند وقت یک بار، فرضیه های نانو زمینه ایِ این تاریخچه به چالش کشیده شود.
در پایان باید گفت که همه کارهایی که به نام نانو انجام می شود، خاص، منحصر به فرد یا جالب نیست. و از نظر علمی، هیچ چیز خاصی در مورد آن مرز روشن بین جهان های زیر و بالای 100 نانومتر وجود ندارد.
علی رغم این، هر چه بیشتر یاد بگیریم، از طریق اتم های ساخته شده از پایین به سمت بالا، و دنیای اطراف خود را درک، طراحی و مهندسی کنیم، در ایجاد فناوری هایی که زندگی ما را بهبود می بخشند، تواناتر خواهیم شد.
ما از ویژگی های نانو مقیاس مواد، خلاقیت و ابداع برای ایجاد فناوری جدید، مواد جدید، ساختارهای جدید و شاید در آینده، روش های جدیدِ بودن استفاده می کنیم.این قدرت واقعی علم و مهندسی در مقیاس نانو است. و به من اعتماد کنید، این مهمل نیست.
منبع: آپولی دیویسِکِرا، آندرو مِینارد، Monash University، Arizona State University