ابزارهای نانویی و روش های تولید

با توجه به گفته ی Freedonia، 245 میلیون دلار ارزش بازار مربوط به ابزارهای صنعت نانو می باشد که این میزان سالانه 30 % رشد می کند. میکروسکوپ ها و ابزارهای مربوطه امروزه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند اما ابزارهای اندازه گیری، تولید و شبیه سازی نیز به سرعت در حال رشد می باشند. الکترونیک و علوم زیستی، پیشگامان این بازار می باشند. دو روش برای تولید مواد نانوساختار، وجود دارد. هر دوی این روش ها، ابتدا بوسیله ی صنعت نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفته اند. در روش بالا به پایین، یک ماده ی بزرگتر مانند یک ویفر سیلیکونی تحت فراوری قرار گرفته و کوچک تر می شود تا بدین صورت عوارض نانومتری بر روی آن باقی بماند.

میکروسکوپ ها

نانوتکنولوژی از دو نوع اصلی از میکروسکوپ، بهره می برد. اولین مورد از میکروسکوپ ها، میکروسکوپ هایی هستند که نمونه ی ثابت را با استفاده از تفنگ الکترونی با سرعت بالا، روبش می کنند. هر دو نوع از میکروسکوپ های روبشی الکترونی و میکروسکوپ عبوری الکترونی، بدین شیوه کار می کنند. گروه دوم از میکروسکوپ ها، شامل یک اسکن کننده ی ثابت هستند و نمونه در آنها متحرک است. دو میکروسکوپ از این گروه از میکروسکوپ ها، عبارتند از: میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ تونل زنی- روبشی (STM).
میکروسکوپ ها یک نقش متناقض در نانوتکنولوژی دارند؛ اگر چه این ابزارها یک مورد کلیدی در یادگیری اطلاعات در مورد مواد و فرایندها می باشند، می توانند موجب تخریب نمونه نیز شوند. علت این مسئله، برخورد الکترون های پر انرژی با سطح ماده می باشد. این مسئله در مورد STM مشکل آفرین نیست اما محدودیت های دیگری نیز برای تمام میکروسکوپ ها، ذکر شده است. در واقع در برخی موارد، نیازمند آماده سازی های سخت برای نمونه می باشیم. SEM، TEM و STM نیازمند آماده سازی نمونه هستند و نمونه ی مورد استفاده در آنها باید از لحاظ الکتریکی، رسانا باشد. راه هایی وجود دارد که می توان نمونه را رسانا کرد اما این حقیقت وجود دارد که آماده سازی نیازمند صرف وقت و هزینه می باشد.

روش های سنتز از بالا به پایین و روش های پایین به بالا

دو روش برای تولید مواد نانوساختار، وجود دارد. هر دوی این روش ها، ابتدا بوسیله ی صنعت نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفته اند. در روش بالا به پایین، یک ماده ی بزرگتر مانند یک ویفر سیلیکونی تحت فراوری قرار گرفته و کوچک تر می شود تا بدین صورت عوارض نانومتری بر روی آن باقی بماند. بدبختانه، این روش نیازمند استفاده از فرایند لیتوگرافی است که نیازمند استفاده از ماسک هایی است که به صورت انتخابی بخشی از زیرلایه را تحت محافظت قرار می دهند. فاصله ی بین ماسک از ویفر و اندازه ی بخش های ایجاد شده در این روش، در واقع بسیار مهم می باشد و استفاده از نور فرابنفش در این روش می تواند موجب تولید عوارضی با اندازه ی 90 نانومتر شود اما این مقیاس نزدیک به حد اساسی مربوط به لیتوگرافی می باشد. با وجود این، لیتوگرافی می تواند برای ایجاد الگو بر روی زیرلایه مورد استفاده قرار گیرد و بدین صورت نانومواد تولید شود مثلا رشد کوانتوم دات ها و نانوسیم ها.
مواد نانومقیاس، همانگونه که گفته شد، برای زمان متمادی و بوسیله ی برخی از کاربردها، مورد استفاده قرار گرفته است. در بین شناخته ترین این کاربردها، می توان به شیشه های مورد استفاده در پنجره ها، اشاره کرد. این شیشه ها با استفاده از پوشش نانوذرات تیتانیم اکسید پوشش داده می شوند. این ماده با واکنش با نور خورشید، موجب تجزیه ی کثیفی ها می شود. وقتی آب با شیشه برخورد می کند، موجب خارج شدن ذرات تجریه شده از سطح می شود. نانوتکنولوژی بوسیله ی صنعت اتومبیل نیز مورد استفاده قرار گرفته است. در این صنعت از نانوتکنولوژی برای بهبود خاصیت ضربه گیری اتومبیل و بهبود خاصیت چسبندگی چسب ها، استفاده شده است. سایر استفاده ها از نانوتکنولوژی در این محصولات، عبارتند از:

عینک آفتابی

در عینک آفتابی از پوشش های پلیمری ضد انعکاس و بسیار نازک، استفاده می شود. نانوتکنولوژی همچنین موجب تولید پوشش های ضد خشی می شود که بر پایه ی نانوکامپوزیت های شفاف تولید می شوند.

پارچه ها

در پارچه ها نیز می توان از نانوتکنولوژی استفاده کرد. بدین وسیله، می توان خواصی همچون ضد آب بودن در پارچه، بهبود یابد. همچنین با استفاده از نانوتکنولوژی می توان پارچه هایی تولید کرد که در برابر چروک و یا کثیفی، مقاوم هستند. خواص مربوط به ضد آب بودن و ضد هوا بودن یک لباس اسکی، بوسیله ی پوشش دهی ایجاد نمی شود بلکه در این کاربرد از نانوالیاف استفاده می شود. این مشخص شده است که کشورهای در حال توسعه، سهم بیشتری از تولید پوشاک را به خود اختصاص داده اند و در حقیقت کشورهای توسعه یافته به دنبال تولید پارچه های با تکنولوژی بالا رفته اند. در این روش ها، نانوتکنولوژی حرف اول را می زد. پروژه های دیگری همچون تولید پارچه های با عملکردهای الکتریکی اضافی که در واقع پارچه های هوشمند نامیده می شوند، نیز مطرح می باشند. این لباس ها می توانند شامل سنسورهایی باشند که بوسیله ی آنها قابلیت ارزیابی عملکرد بدن انسان و یا رهایش دارو در زمان و مقادیر مورد نیاز، مقدور می شود.

بیشتر بخوانید: نانومواد چگونه ساخته می‌شوند؟

 

ادوات ورزشی

تولید کننده های ادوات ورزشی همچنین به سمت استفاده از نانوتکنولوژی تمایل پیدا کرده اند. یک واکس اسکی با کارایی بالا که موجب تغییر در خواص سطحی می شود، هم اکنون با استفاده از این تکنولوژی تولید و مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش های بسیار نازک عمر مفید بیشتری نسبت به واکس ها دارند. راکت های تنیس با استفاده از نانوتیوب های کربنی تولید شده اند و بدین صورت استحکام خمشی و کششی راکت تنیس، به طور قابل توجهی افزایش یافته است. این راکت ها صلبیت بیشتری دارند و نیروی قابل توجهی را به توپ انتقال می دهند. توپ تنیس نیز با استفاده از نانوکامپوزیت های رس- پلیمر، پوشش داده می وشند تا بدین صورت عمر مفید آنها نسبت به توپ های معمولی، دو برابر شود.

کرم ضد آفتاب و مواد بهداشتی

ضد آفتاب ها و مواد بهداشتی تولید شده بر پایه ی نانوتکنولوژی هم اکنون به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. مشتری های این محصولات، محصولاتی را می پسندند که شفاف باشند زیرا به نظر آنها، هر چه شفافیت بیشتر باشد، خلوص و تمیزی نیز بیشتر می شود. L’Oréal فهمید که وقتی لوسیون ها تا 50 الی 60 نانومتر آسیاب شوند، آنها نور را از خود عبور می دهند. برای کرم ضد آفتاب، نانوذرات معدنی مانند دی اکسید تیتانیم چندین مزیت ایجاد می کنند. محافظت سنتی در برابر UV، در دراز مدت افت می کند. نانوذرات دی اکسید تیتانیم دارای خاصیت محافظت در برابر UV قابل قبولی برخورد می باشد و همچنین خاصیت سفیدی خود را نیز از دست می دهد. برای کرم های ضد چروک، یک کپسول پلیمری برای انتقال عوامل فعال مانند ویتامین ها به پوست، استفاده می شود.

تلویزیون ها

تلویزیون هایی که در آنها از نانوتیوب های کربنی استفاده شده است، از اواخر سال 2006 بوسیله ی سامسونگ وارد بازار شد. تولید کننده ها انتظار داشتند که این "صفحات نمایش اثر میدانی" (FED) انرژی کمتری نسبت به تکنولوژی های پلاسما و کریستال مایع (LCD) مصرف کنند. همچنین آنها انتظار داشتند که میزان کیفیت تصویر در این تلویزیون ها نیز بهبود یابد. الکترون ها در یک FED در میان یک بخش خلأ پرتاب می شوند و به لایه ی شیشه ای فسفراسانس پوشیده شده با پیکسل ها، برخورد می کنند. اما برخلاف صفحات نمایش معمولی CRT، منبع الکترونی در این نوع جدید از تلویزیون ها، کربن است. این منبع در فاصله ی یک تا دو میلی متری از شیشه ی هدف قرار گرفته است (برخلاف CRT ها که در فاصله ی 30 سانتیمتری صفحه قرار دارند). در رواقع در این تکنولوژی به جای وجود تفنگ الکترونی به عنوان منبع الکترونی، هزاران تفنگ وجود دارد. FED شامل تکنولوژی ساده تری نسبت به LCD ها می باشد و می توان این صفحات را به اندازه های مختلف، تولید کرد. برای مثال، توشیبا صفحات نمایشی ارائه کرده است که حداقل 50 اینچ (حدود 130 سانتیمتر) می باشد.

کاربردهای پیش بینی شده چیست؟

لیست زیر در واقع بررسی خلاصه ای از بسیاری از زمینه هایی می باشد که در آنها، نانوتکنولوژی می تواند تغییرات اساسی ایجاد کند. برخی از این استفاده ها، به صورت جزئی در بخش بعدی، مورد بررسی قرار می گیرند.

الکترونیک و ارتباطات

استفاده از نانولایه ها، دات ها، صفحات نمایش مسطح، تکنولوژی وایرلس، وسایل و فرایندهای جدید در کل مسائل ارتباطاتی و تکنولوژی اطلاعات، موجب بهود قابل توجهی در قابلیت ذخیره سازی اطلاعات و سرعت پردازش شده است. این استفاده ها همچنین موجب کاهش هزینه ها و بهبود میزان انرژی مصرفی در کاربردهای مختلف شده است.

مواد شیمیایی و علم مواد

کاتالیست ها که در واقع بهره وری انرژی مربوط به کارخانه های مواد شیمیایی را افزایش می دهند و موجب بهبود بهره وری سوخت می شوند، در واقع بواسطه ی نانوتکنولوژی تغییر قابل توجهی پیدا خواهند کرد. از جمله این موارد می توان به استفاده از پوشش های فوق سخت و با تافنس بالا بر روی سری های برشی و مته ها و استفاده از سیال های مغناطیسی هوشمند برای آب بندی خلا و روان سازی، اشاره کرد.

داروسازی، درمان و علوم زیستی

داروهای نانوساختار، سیستم های دارورسانی و ژن رسانی برای مکان های خاص بدن، کاشت بخش های مختلف برای بخش های آسیب دیده ی بدن، سیستم های تشخیصی مورد استفاده در خانه، سنسورهای آزمایشگاه بر روی چیپ، مواد مورد استفاده در ترمیم استخوان و بافت از جمله مواردی هستند که در آینده تحت تأثیر نانوتکنولوژی قرار می گیرد.

تولید

مهندسی دقیق بر پایه ی نسل های جدید از میکروسکوپ ها و روش های اندازه گیری، موجب می شود تا فرایندها و ابزارهای جدیدی برای دستکاری ماده در سطح اتمی ایجاد شود و بدین صورت نانوپودرهایی با خواص خاص تولید شود. این بخش ها می توانند شامل سنسورهایی باشند که می تواند خرابی های ایجاد شده را تشخیص دهد.

تکنولوژی های مربوط به انرژی

انواع جدید از باتری ها، فوتوسنتز مصنوعی برای تولید انرژی تمیز، سلول های خورشیدی چاه پتانسیل، ذخیره سازی ایمن هیدروژن، صرفه جویی در انرژی با استفاده از مواد سبک تر و مقاوم تر، و تولید بردهای کوچکتر، از جمله مواردی است که نانوتکنولوژی اثرگذار می باشد.

اکتشاف های فضایی

وسایل فضایی سبک، مصرف و مدیریت انرژی از لحاظ اقتصادی، سیستم های رباتیک کوچک و با قابلیت بالا، از جمله مواردی است که در زمینه ی اکتشاف های فضایی، تحت تأثیر نانوتکنولوژی قرار خواهد گرفت.

محیط زیست

غشاهای انتخابی که می توانند برای حذف آلودگی های محیط زیستی و نمک از آب مورد استفاده قرار گیرند، در واقع به صورت نانومتری می توانند آلودگی ها را از فاضلاب های صنعتی خارج کنند. این غشاها همچنین می توانند اثرات نانوساختارها در محیط زیست و حفظ پایداری صنعتی را بواسطه ی کاهش قابل توجه در استفاده از مواد و انرژی را به همراه دارند. در حقیقت با استفاده از این غشاها، میزان منابع آلودگی کاهش و فرصت ها برای بازیافت مواد افزایش می یابد.

امنیت ملی

تشخیص و خنثی کردن عوامل شیمیایی و بیولوژیکی، به طور چشمگیری با استفاده از بردهای الکترونیکی انجام می شود. همچنین این تشخیص ها می تواند با استفاده از پوشش های نانوساختار سخت، مواد پوشش دهنده، جایگزینی خون، و سیستم های ارزیابی کننده ی کوچک، انجام شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Opportunities and risks of nanotechnologies/ Report in co-operation with the OECD international futures programme