نانو‌تكنولوژي به زبان ساده

معرفي

نانو تكنولوژي را مي‌توان بسط قوانين دانش‌هاي موجود در ابعاد نانو يا حتی طرح‌ريزي جديد دانش‌هاي موجود با رويکردي نوين دانست.

مفاهيم بنيادين

يك نانومتر (nm) يك ميليارديم متر است . براي آن‌كه تصوري از اين ابعاد داشته‌ باشيد مي‌توانيد فرض كنيد 10 اتم هيدروژن پشت سر هم به خط شده‌اند (لطفا نگران امكان فيزيكي‌ي اين فرض نباشيد! ). طول اين قطار هيدروژني،1 نانومتر است. اگر تصوري از اندازه‌ي اتم هيدروژن نداريد به اين مثال توجه كنيد:نسبت نانومتر به متر تقريبا مثل نسبت شعاع يك تيله‌ي كوچك است به شعاع كره‌ي زمين.

معرفي رشته

نانو‌تكنولوژي زمينه‌اي از دانش كاربردي است كه مباحث متنوعي را پوشش مي‌دهد وهدف اصلي آن كنترل ماده در ابعاد 1 تا 100 نانومتر ونيز ساخت ومهندسي وسيله‌هايي در اين ابعاد است.
اين دانش يك دانش ميان‌رشته‌اي است كه از رشته‌هاي متعدد و متنوعي مشتق شده ‌است، رشته‌هايي نظير فيزيك، مهندسي مواد، پليمر، مهندسي برق، و مهندسي مكانيك. البته به فراخور نياز از رشته‌هاي ديگر نيز بهره مي‌گيرد.
نانو تكنولوژي را مي‌توان بسط قوانين دانش‌هاي موجود در ابعاد نانو يا حتا طرح‌ريزي جديد دانش‌هاي موجود با روي‌كردي نوين دانست. دو روي‌كرد اصلي در نانو تكنولوژي مورد توجه قرار مي‌گيرد: روي‌كرد از بالا به پايين و روي‌كرد از پايين به بالا كه در اولي يك نانوشيء از موجودات بزرگ‌تري بدون كنترل بر سطح اتمي تشكيل مي‌شود در حالي‌كه در دومي مواد از تركيبات مولكولي كه خود را به طور شيميايي خود‌آرايي مي‌كنند تشكيل مي‌شود.
پيشرفت علم و تكنولوژي وتوليد ابزارهاي دقيق سنجشي نظير ميكروسكپ نيروي اتمي(AFM) و ميكروسكپ تونل‌زني‌ي پيمايشي(STM) به پژوهش ونو‌آوري در عرصه‌ي نانو شتاب قابل ملاحظه‌اي بخشيد.

كمي تاريخچه...

نخستين جرقه‌ي شكل‌گيري‌ي نانوتكنولوژي به عنوان يك دانش فراگير در نشست انجمن فيزيك امريكا در29 دسامبر1959 زده شد. جايي‌كه ريچارد فاينمن«Richard Feynman» (اطلاعات خود را مرور كنيد! نام اورا قبلا جايي نديده‌ايد؟) سخن‌راني مشهور خود را باعنوان« در آن پايين فضاي زيادي هست!» ايراد كرد. او در اين سخن‌راني فر‌آيندي را پيش‌بيني و توصيف كرد كه با پي‌گيري‌ي آن انسان قادر به دست‌كاري‌ي اتم‌ها و مولكول‌هاي منفرد است.
بااين‌وجود واژه‌ي نانوتكنولوژي «Nano technology» نخستين‌ بار توسط نوريو تاني‌گو‌چي «Norio Taniguchi» در سال 1974 ميلادي به‌ كار برده شد. او نانوتكنولوژي را چنين توصيف مي‌كند: نانوتكنولوژي به‌طور عمده شامل فرآيند تفكيك، تقويت، وتغيير شكل مواد به صورت تك‌اتم يا تك‌مولكول است.....
شش سال بعد يعني در سال 1980 ميلادي اريك دريكسلر«Eric Drexler» ايده‌ي زير‌بنايي اين تعريف را مورد كاوش قرار داد. او اهميت فناوري پديده‌هاي در ابعاد نانو را توسعه داد و در همين راستا كتاب «موتور آفرينش» را به رشته‌ي تحرير در‌آورد.
فناوري و دانش نانو در اوايل دهه‌ي 80 ميلادي با تولد دانش خوشه‌اي«cluster science» (شاخه‌اي از فيزيك كه به ذرات كوچك چند اتمي مي‌پردازد.) واختراع ميكروسكوپ تونل‌زني‌ي پيمايشي (STM) با تواني بيش از پيش وارد مرحله‌ي جديدي از حيات خود شد....

دورنمايي از ماده

بسياري از ويژگي‌هاي فيزيكي‌ي ماده تحت تأثير اندازه‌ي سيستم است. يعني بسياري از اين ويژگي‌ها با كوچك شدن اندازه‌ي سيستم تغيير مي‌كند.
مكانيك آماري ونيز كوانتم مكانيك اين تغييرات را پيش‌بيني و توصيف مي‌كنند.
اثرهاي كوانتمي با گذار از ابعاد متر به ميكرومتر مشاهده نمي‌شوند. اما وقتي به ابعاد نانومتر برسيم قوانين حاكم بر رفتار سيستم كما‌بيش كوانتمي خواهد‌بود.
به‌علاوه شمار زيادي از ويژگي‌هاي فيزيكي، مكانيكي، الكتريكي، نوري و...در مقايسه با همين ويژگي‌ها در اندازه‌هاي ماكروسكپي(درشت مقياس) تغيير خواهد كرد. ضمن آن‌كه در ابعاد نانو ويژگي‌هاي خاص ذرات، دريچه‌اي به سوي تعامل با زيست‌مواد (biomaterial) مي‌گشايد.
همان‌طور كه در بالا اشاره شد مواد در ابعاد نانو نسبت به ابعاد ماكروسكپي ويژگي‌هاي متفاوتي از خود به نمايش مي‌گذارند. به عنوان نمونه:
ماده‌ي كدر شفاف مي‌شود(مس).
ماده‌ي ساكن متحرك مي‌شود(پلاتينيم).
جامد در دماي اتاق به مايع تبديل مي‌شود(طلا).
نارسانا ،رسانا مي‌شود(سيليكون). و...
بسياري از ويژگي‌هاي جذاب و فريبنده‌ي نانو تكنولوژي از همين پديده‌هاي رويه‌اي وكوانتمي منحصر به فردي ناشي مي‌شود كه مواد در ابعاد نانو از خود به نمايش مي‌گذارند.

نانو در پزشكي، شيمي و انرژي

- مواد نانو متخلخل نمونه‌اي از موادي هستند كه در‌حالي‌كه از ملكول‌هاي كوچك دارو ونگه‌داري مي‌كنند، آن‌هاي را به محل موردنظر كه از پيش تعيين شده، انتقال مي‌دهند ... - روش‌هاي كاتاليز و فيلتراسيون (تصفيه) شيميايي دو مثال برجسته از زمينه هايي هستند كه نانوتكنولوژي همواره در آن‌هاي موثر بوده است ... - نانوتكنولوژي بازده تبديل انرژي را به كمك استفاده از نانوساختارهايي با پيوستاري از شكاف‌هاي انرژي، افزايش مي‌دهد.

كاربردهاي نانو در پزشكي

در پزشكي و زيست‌شناسي، ويژگي‌هاي منحصر به فرد نانومواد به منظورهاي مختلفي به كار گرفته مي‌شوند. واژه‌هايي نظير نانوتكنولوژي زيست‌داروها،‌ بيونانوتكنولوژي و نانوپزشكي براي توصيف اين دانش تلفيقي به‌كار مي‌روند.
كارآيي ساختارها و مولكول‌هاي زيستي هنگامي كه نانومواد به آن‌ها اضافه مي‌شوند،‌افزايش مي‌يابد. مقياس اندازه‌ي نانومواد در حدود مقياس ساختارها و مولكول‌هاي زيستي است. بنابراين نانو مواد مي‌توانند براي كاربردها و تحقيقات زيست‌پزشكي هم در محيط‌هاي طبيعي و هم در محيط‌هاي مصنوعي به‌كار گرفته شوند.
تركيب در زمينه‌ي نانومواد و زيست‌شناسي به ايجاد و توسعه‌ي ابزارهاي تشخيصي، عامل‌هاي هم‌سنجي ابزارهاي تحليل، كاربردهاي درمان فيزيكي و حامل‌هاي تحويل دارو و ... منجر شده است..

تحويل دارو

كل مصرف دارو و نيز عوارض جانبي آن به‌وسيله‌ي جاي‌گزيني مناسب حامل فعال دارو صرفا در موضع درد و محل تمركز بيماري به طور قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌يابد. اين دسترسي انتخابي به محل مورد نظر، هزينه‌هاي مادي و نيز رنج‌هاي انساني بسياري را كاهش مي‌دهد. مواد نانو متخلخل نمونه‌اي از موادي هستند كه در‌حالي‌كه از ملكول‌هاي كوچك دارو نگه‌داري مي‌كنند، آن‌ها را به محل موردنظر كه از پيش تعيين شده، انتقال مي‌دهند.
روش ديگري براي كاهش مصرف دارو به‌كارگيري سيستم‌هاي الكترومكانيكي كوچك است.هدف از بكارگيري اين سيستم‌ها، آزاد كردن فعال داروهاست. مثلا از اين روش براي درمان سرطان به‌وسيله‌ي نانوذرات آهن يا پوسته‌هاي طلا استفاده‌مي‌شود.

مهندسي بافت

نانوتكنولوژي مي‌تواند به بازتوليد و نيز بازسازي بافت‌هاي تخريب ‌شده و معيوب كمك كند. اين كار توسط «مهندسي بافت» انجام مي‌شود. مهندسي بافت به زودي جاي‌گزين درمان‌هاي متعارف امروزي نظير پيوند عضو، القاء مصنوعي و .. مي‌شود.
بخشي از عمليات مهندسي بافت استفاده از نانومواد براي تكثير سلول‌هاي برانگيخته به روش مصنوعي است.
بايد توجه كرد كه راه‌بردها و دستاوردهاي مهنديسي بافت،‌ بايد در چارچوب موازين اخلاقي قرار داده شود. به همين منظور بحث‌هاي گسترده‌اي در سطح بين‌المللي مطرح است و به تدريج قوانين متعددي در اين زمينه به تصويب مي‌رسد.

كاربردهاي نانو در شيمي

روش‌هاي كاتاليز و فيلتراسيون (تصفيه) شيميايي دو مثال برجسته از زمينه هايي هستند كه نانوتكنولوژي همواره در آن‌هاي موثر بوده است.
همان‌طور كه مي‌دانيم تركيب مواد مختلف،‌فر‌اورده‌هاي جديدي با ويژگي‌هاي متفاوت شيميايي ( و اگر بتوانيم فرآيند واكنش را به نوعي كنترل كنيم موادي با ويژگي‌هاي متفاوت و مناسب )‌توليد مي‌كند.
بنابراين به اين معنا شيمي در حقيقت با دانش نانو ارتباطي نزديك دارد.
به طور مختصر، شيمي نانومواد جديدي توليد مي‌كند. به يك معني همه‌ي تركيبات شيميايي مي‌توانند توسط نانوتكنولوژي توضيح داده شوند.

كاتاليز

سودمندي استفاده از نانومواد به عنوان كاتاليزگرهاي شيميايي به‌دليل نسبت بزرگ سطح به حجم اين مواد است. نانوذرات مي‌توانند در كاتاليز در سلول‌هاي سوختي، مبدل‌هاي كاتاليك و حتي ابزارهاي كاتاليز نوري به‌كار گرفته شوند.

فيلتراسيون (تصفيه)

نانوشيمي در فرآيند تصفيه فاضلاب‌ها، تصفيه‌ي هوا، در دستگاه‌هاي ذخيره‌سازي انرژي و ... نقش مهمي بازي مي‌كند.
روش‌هاي مكانيكي و شيميايي مي‌توانند براي تكنيك‌هاي تصفيه مورد استفاده قرار گيرند. يكي از اين مراحل تصفيه استفاده از غشاهايي با سوراخ‌هايي به اندازه‌ي مناسب است، به‌وسيله‌ي اين روش مايع در ميان غشا فشرده مي‌شود. غشاهاي نانومتخلخل براي تصفيه‌ي مكانيكي مي‌توانند از نانولوله‌ها تشكيل شوند و منافذي بسيار كوچك،‌ حتي كوچك‌تر از 10 نانومتر داشته باشند.
اساسا نانو تصفيه براي تفكيك يون‌ها و جداسازي سيالات به‌كار گرفته مي‌شود.
نانوذرات مغناطيسي روشي كارآمد و موثر براي زدودن آلاينده‌هاي فلزهاي سنگين از فاضلاب‌ها به كمك استفاده از شگرد جداسازي مغناطيسي است.
استفاده از ذرات نانومغناطيس، بازده جذب آلاينده‌ها را افزايش مي‌دهد و نسبت به روش‌هاي سنتي تصفيه، ارزان‌تر است.

كاربردهاي نانو در انرژي

پيشرفته‌ترين طرح‌هاي نانوتكنولوژي كه به نوعي به انرژي مربوط‌اند عبارت‌اند از:
ذخيره‌سازيف تبديل، توليد بهينه بوسيله‌ي كاهش آهنگ فرآيندها و مواد، صرفه‌جويي انرژي (به عنوان مثال به وسيله‌ي عايق‌سازي گرمايي بهتر) و منابع انرژي تجديد‌پذير پيشرفته.

كاهش مصرف انرژي

روشي عملي براي كاهش مصرف انرژي،‌عايق‌بندي بهتر سيستم‌هاست.
اين كار با استفاده از سيستم‌هاي كارآمدتر سوخت و روشنايي، استفاده از مواد سبك‌تر با استحكام بيشتر در صنعت حمل و نقل و ... قابل حصول است.
لامپ‌هاي متداول امروزي صرفا حدود 5 درصد انرژي الكتريكي را به نور تبديل مي‌كنند. دستاوردهاي نانوتكنولوژي نظير ديودهاي گسيل نوري (LED) به كاهش شديد مصرف انرژي در وسايل روشنايي ‌زا مي‌انجامد.

افزايش كارآيي توليد انرژي

بهترين سلول‌هاي خورشيدي امروزي لايه‌هايي از چندين نيمه‌رساناي مختلف است كه روي هم قرار دارند و به اين ترتيب نور با انرژي‌هاي مختلف (بسامدهاي مختلف) را جذب مي‌كنند.
اين سلول‌ها ، صرفا از 40 درصد انرژي خورشيدي استفاده مي‌كنند.
نانوتكنولوژي بازده تبديل انرژي را به كمك استفاده از نانوساختارهايي با پيوستاري از شكاف‌هاي انرژي، افزايش مي‌دهد.
ميزان بازده موتور احتراق داخلي حدود 30 درصد تا 40 درصد در لحظه است.
نانوتكنولوژي مي‌تواند اين بازده را به‌وسيله‌ي طراحي كاتاليزگرهاي ويژه‌اي با بيشينه سطح ممكن افزايش دهد.

استفاده از سيستم‌هاي انرژي دوست‌دار محيط

سلول‌هاي سوختي كه توان خود را از سوخت هيدروژن تامين مي‌كنند نمونه‌اي از چنين سيستم‌هايي هستند.
اين سلول‌ها بر مبناي استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير توليد شده‌اند (البته به طور ايده‌آل).
نانوتكنولوژي مي‌تواند در كاهش بيشتر آلاينده‌هاي توليد شده در موتورهاي احتراق نقش موثري داشته باشد. اين كار توسط فيلترهاي نانومتخلخل، يا با پوشش‌ كاتاليزوري روي ديواره‌هاي سيلندر و يا با نانوذرات كاتاليزوري به عنوان ماده افزودني به سوخت، انجام مي‌شود.

باتري‌هاي بازيافتي

به خاطر چگالي انرژي نسبتا پايين باتري‌ها، زمان كاركرد آن‌هاي محدود است. بنابراين آن‌ها به تعويض يا شارژ مجدد نياز دارند.
به كمك صنعت نانو مي‌توان باتري‌هايي با ظرفيت انرژي بالاتر يا باتري‌هايي قابل شارژ و يا حتي ابرخازن‌هايي با ميزان شارژكنندگي بيشتر – كه از نانو مواد در آن‌ها استفاده مي‌شود – طراحي و توليد كرد.

كاربرد نانو در صنايع سنگين، فناوري اطلاعات و كالاهاي مصرفي

- مواد سبك‌تر و با استحكام بيشتر كاربردهاي وسيعي در سازه‌هاي حمل و نقل، هوانوردي و نيز در فضانوردي دارند. - در فناوري اطلاعات نوين، دستگاههاي الكتريكي آنالوگ قديمي به وسيله‌ي دستگاه‌هاي الكترونوري يا نوري جايگزين مي‌شوند. زيرا اين دستگاه‌ها به ترتيب پهناي باند و ظرفيت بيشتري نسبت به دستگاه‌هاي قبلي دارند. - نانوتكنولوژي به سرعت بازار كالاهاي مصرفي را با توليد محصولاتي با كارايي‌هاي نوين تحت سلطه‌ي خود در مي‌آورد.

كاربرد نانو در صنايع سنگين

برخي كاربردهاي قطعي و اجتناب‌ناپذير نانوتكنولوژي در صنايع سنگين است:

هوانوردي

مواد سبك‌تر و با استحكام بيشتر كاربردهاي وسيعي در سازه‌هاي هوانوردي و نيز در فضانوردي دارند. زيرا در هر دو مورد وزن شاخص مهمي در فرآيندها و دستگاه‌هاي هوانوردي و فضانوردي است.

پالايش‌گاه‌ها

با استفاده از كاربردهاي نانوتكنولوژي محصولات پالايش‌گاه‌ها (نظير فولاد و آلومينيوم) با خلوص بيشتري توليد خواهند شد.

صنعت حمل و نقل

مواد سبكي كه در عين حال از استحكام خوبي هم برخوردار باشند، در صنعت حمل و نقل نيز به‌كار گرفته مي‌شوند. وسايلي كه از اين مواد ساخته شده باشند، هم سرعت بيشتري دارند و هم از امنيت بيشتري برخوردارند.

سازه‌هاي ساختماني

بتن يكي از مهم‌ترين سازه‌هاي ساختماني است كه هرچه مقاومت و نفوذپذيري آن بالاتر باشد، ‌مرغوب‌تر است. با اضافه كردن نانوذرات ويژه‌اي به سنگ‌هاي متخلخل بتن و پخش يكنواخت اين ذرات مي‌توان بتني با مقاومت بالا، نفوذپذيري كم و البته به طور قابل‌ملاحظه اي سبك توليد كرد.

كاربردهاي نانو در فناوري اطلاعات و ارتباطات
دستگاه‌هاي نيمه‌رساناي جديد

دستگاه‌هايي كه ساختار آنها بر اسپينوترنيك مبتني است نمونه‌اي از به‌كارگيري نانوتكنولوژي در صنعت ارتباطات و فناوري اطلاعات است. مقاومت ماده در برابر ميدان خارجي كه از اسپين الكترون‌ها ناشي مي‌شود، مقاومت مغناطيسي نام دارد. اين مقاومت مي‌تواند به طور قابل ملاحظه‌اي در اشياء نانومقياس تقويت شود. اين مقاومت مغناطيسي كه به GMR موسوم است ميزان چگالي ذخيره‌اي داده‌ها را در ديسك سخت افزايش مي‌دهد.
نوع ديگري از مقاومت مغناطيسي، مقاومت مغناطيسي تونل‌زن (TMR) است و به دليل وابستگي اسپين الكترون‌ها به تونل‌زني آن الكترون از لايه‌هاي فرومغناطيس مجاور اتفاق مي‌افتد.
اثرات GMR و TMR هردو مي‌توانند در ساخت يك حافظه‌ي اصلي غير فرار براي كامپيوترها مورد استفاده‌ي علمي قرار گيرند. چنين كاربردي در ساختار حافظه دسترسي تصادفي مغناطيسي (MRAM) ديده مي‌شود.
در فناوري اطلاعات نوين، دستگاههاي الكتريكي آنالوگ قديمي به وسيله‌ي دستگاه‌هاي الكترونوري يا نوري جايگزين مي‌شوند. زيرا اين دستگاه‌ها به ترتيب پهناي باند و ظرفيت بيشتري نسبت به دستگاه‌هاي قبلي دارند.
در اين عرصه بلورهاي فوتونيك و نقاط كوانتومي دو موضوعي هستند كه نتايج تحقيقات در باره‌ي آنها بسيار اميدبخش است.
بلورهاي فوتونيك موادي هستند با يك متغيير تناوبي در شاخص انكساري با يك شبكه كه نصف طول‌موج نوري است كه مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
اين بلورها شبيه نيمه‌رساناها عمل مي‌كنند، با اين تفاوت كه نيمه‌رساناها با الكترون‌ها سروكار دارند ولي اين بلورها با نور و فوتون‌ها.

كامپيوترهاي كوانتمي

تمام دستاوردهاي جديد در زمينه‌ي كامپيوتر از قوانين كوانتم برايكامپيوترهاي كوانتمي جديد استفاده مي‌كند. اين كامپيوترها سبب كوتاه شدن زمان انجام الگوريتم مي‌شوند.

كالاهاي مصرفي

نانوتكنولوژي به سرعت بازار كالاهاي مصرفي را با توليد محصولاتي با كارايي‌هاي نوين تحت سلطه‌ي خود در مي‌آورد:

مواد غذايي

نانوتكنولوژي در زمينه‌ي توليد، فناوري و بسته‌بندي محصولات غذايي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. فرآيند پوشش توسط نانوكامپوزيت‌ها مي‌تواند صنعت بسته‌بندي غذاها را دگرگون كند. اين روش بدين ترتيب انجام مي‌شود كه عوامل ضد ميكروب به طور مستقيم در سطح لايه‌ي پوشش قرار مي‌گيرند. نانوكامپوزيت‌ها مي‌توانند گذردهي گاز از ميان فيلترهاي مختلف را به فراخور شرايط و برحسب نياز براي محصولات مختلف افزايش يا كاهش دهند. ضمنا مي‌توانند ويژگي هاي مكانيكي و مقاومت در برابر گرما را بهبود بخشند و نيز ميزان عبور اكسيژن را كاهش دهند.

محصولات خانگي

برجسته‌ترين كاربرد فناوري اطلاعات توليد شيشه‌ها يا سراميك‌هايي با سطوح خودتميزكن (Self-Cleaning) است.
ذرات نانو سراميك همواري و مقاومت گرمايي ابزارهاي متداول خانگي را بهبود مي‌بخشد.

نور

نانواپتيك امروزه مي‌تواند دقت انواع اعمال جراحي بر روي چشم به كمك ليزر را افزايش دهد.

منسوجات

با استفاده از نانوالياف لباس‌هاي ضدآب، ضدلك و ضد چروك توليد مي‌شود. چنين لباس‌هايي نياز به شستشوي كمتري و نيز نسبت به لباس‌‌هاي معمولي با آب با دماي كمتري شسته مي‌شوند.