موادی مانند گازها، مایعات و جامدات می توانند خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی غیرمعمولی در مقیاس نانو نشان دهند که از جهات مهم با خواص مواد توده ای و اتم ها یا مولکول های منفرد متفاوت است. برخی از مواد نانوساختار در مقایسه با سایر اشکال یا اندازه های یک ماده قوی تر یا دارای خواص مغناطیسی متفاوتی هستند. برخی دیگر در هدایت گرما یا برق بهتر عمل می کنند. آنها ممکن است واکنش شیمیایی بیشتری داشته باشند یا نور را بهتر منعکس کنند یا با تغییر اندازه یا ساختارشان تغییر رنگ دهند
تصویر: نقاط کوانتومی - رنگ فلورسانس بر اساس اندازه ذرات و نوع مواد تعیین می شود.
امروزه دانشمندان محقق در دانشگاه ها و شرکت های سراسر جهان، نانومواد را تولید می کنند تا محصولات و برنامه های جدیدی از دستگاه های پزشکی و داروهایی که ممکن است بیماری را درمان کنند گرفته تا مواد قوی و سبک که هزینه سوخت خودروها و هواپیماها را کاهش می دهند، ارائه دهند.میکروسکوپ های قدرتمند ویژه ای ساخته شده اند تا به دانشمندان امکان مشاهده و دستکاری مواد در مقیاس نانو را بدهند.
بیاموزید که چگونه دانشمندان می توانند مواد را در مقیاس نانو با دقت ایجاد، کنترل، جابجا و دگرگون کنند.
دریابید که چه محصولاتی از فناوری نانو استفاده می کنند، و این فناوری چگونه آنها را بهبود می بخشد و چگونه ساخته می شوند.
فناوری نانو چیست؟
فناوری نانو علم، مهندسی و فناوری انجام شده در مقیاس نانو است که حدود 1 تا 100 نانومتر است.
تصویر: ریچارد فاینمن، فیزیکدان، پدر فناوری نانو.
علم نانو و فناوری نانو مطالعه و کاربرد چیزهای بسیار کوچک هستند و می توانند در سایر زمینه های علمی مانند شیمی، زیست شناسی، فیزیک، علم مواد و مهندسی مورد استفاده قرار گیرند.
چگونه شروع شد
ایده ها و مفاهیم پشت علم نانو و فناوری نانو با بحثی تحت عنوان "فضای زیادی در پایین وجود دارد" توسط فیزیکدان ریچارد فاینمن در جلسه انجمن فیزیک آمریکا در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (CalTech) در 29 دسامبر 1959، مدت ها قبل از اصطلاح فناوری نانو، استفاده شد. فاینمن در سخنرانی خود روندی را توصیف کرد که طی آن دانشمندان قادر به دستکاری و کنترل اتم ها و مولکول های منفرد بودند. بیش از یک دهه بعد، پروفسور نوریو تانیگوچی در اکتشافات خود در زمینه ماشینکاری با دقت بسیار بالا، اصطلاح فناوری نانو را ابداع کرد. تا این که در سال 1981، با توسعه میکروسکوپ تونلی روبشی که می توانست اتم های منفرد را "ببیند"، فناوری نانو مدرن آغاز شد.مفاهیم بنیادی در علم نانو و فناوری نانو
تصویر: پنجره های رنگی قرون وسطایی نمونه ای از نحوه استفاده از فناوری نانو در دوران ماقبل مدرن است.
به سختی می توان تصور کرد که فناوری نانو چقدر کوچک است. یک نانومتر یک میلیاردم متر یا 9-10 متر است. در این جا چند مثال گویا آورده شده است:
25،400،000 نانومتر در یک اینچ وجود دارد.
ضخامت یک ورق روزنامه حدود 100000 نانومتر است.
در مقام مقایسه، اگر یک سنگ مرمر یک نانومتر باشد، یک متر به اندازه زمین خواهد بود.
فناوری نانو فراتر از ترکیب مواد نانومقیاس با یکدیگر است. این فناوری نیاز به توانایی درک و دستکاری و کنترل دقیق آن مواد به روشی مفید دارد.علم نانو و فناوری نانو شامل توانایی مشاهده و کنترل اتم ها و مولکول های منفرد است. همه چیز روی زمین از اتم ها تشکیل شده است - غذایی که می خوریم، لباس هایی که می پوشیم، ساختمان ها و خانه هایی که در آن زندگی می کنیم و بدن خودمان.
اما چیزی به کوچکی یک اتم را نمی توان با چشم غیر مسلح مشاهده کرد. در حقیقت، دیدن آن از طریق میکروسکوپ هایی که معمولاً در کلاس های علمی دبیرستان استفاده می شوند نیز غیرممکن است. میکروسکوپ های مورد نیاز برای دیدن چیزها در مقیاس نانو در اوایل دهه 1980 اختراع شد.
هنگامی که دانشمندان ابزارهای مناسب مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) (scanning tunneling microscope) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) (atomic force microscope) را در اختیار داشتند، عصر فناوری نانو متولد شد.
اگرچه علم نانو و فناوری نانو امروزه کاملاً جدید هستند، اما مواد مقیاس نانو برای قرن ها مورد استفاده قرار گرفته است. ذرات طلا و نقره با اندازه های مختلف صدها سال پیش رنگ هایی در پنجره های شیشه ای رنگ آمیزی شده کلیساهای قرون وسطایی ایجاد کردند. هنرمندان آن زمان فقط نمی دانستند که فرایندی که برای خلق این آثار هنری زیبا به کار برده اند در واقع منجر به تغییراتی در ترکیب موادی شده است که با آنها کار می کردند.
دانشمندان و مهندسان امروزی انواع مختلفی از روش های عمدی برای ساختن مواد در مقیاس نانو را پیدا کرده اند تا از ویژگی های افزایش یافته آنها مانند قدرت بیشتر، وزن سبک تر، افزایش کنترل طیف نور و واکنش پذیری شیمیایی بیشتر نسبت به نمونه های بزرگ تر خود استفاده کنند.
اندازه مقیاس نانو
"نانو" چقدر کوچک است؟ در سیستم بین المللی واحدها، پیشوند "نانو" به معنی یک میلیاردم یا 9-10 است. بنابراین یک نانومتر یک میلیاردم متر است. تصور این که چقدر کوچک است دشوار است ، بنابراین در این جا چند مثال آورده شده است:ضخامت یک ورق کاغذ حدود 100000 نانومتر است.
قطر یک رشته DNA انسان 2.5 نانومتر است.
25 میلیون و 400 هزار نانومتر در یک اینچ وجود دارد.
موی انسان تقریباً 80 تا 100 هزار نانومتر عرض دارد.
قطر یک اتم طلا تقریباً یک سوم نانومتر است.
در مقام مقایسه، اگر قطر یک سنگ مرمر یک نانومتر باشد، قطر زمین حدود یک متر خواهد بود.
یک نانومتر تقریباً به اندازه ای است که ناخن انگشتان شما در یک ثانیه رشد می کند
تصویر زیر دارای سه مثال تصویری از اندازه و مقیاس فناوری نانو است که نشان می دهد که در واقع مقیاس نانو چقدر کوچک است.
تصویر: مقیاس اشیاء. عکسی که مقیاس فناوری نانوDNA ، باکتری، و قطره باران را نشان می دهد.
مشاهده در مقیاس نانو
دانشمندان چگونه می بینند که در دنیای بسیار کوچک فناوری نانو چه می گذرد؟ میکروسکوپ هایی که معمولاً در دبیرستان و کالج استفاده می شوند، این کار را انجام نمی دهند. دانشمندان نانو از میکروسکوپ های قدرتمندی استفاده می کنند که از روش های منحصر به فرد برای مشاهده ویژگی های سطحی در مقیاس اتمی استفاده می کنند و به طور مؤثر در را بر روی فناوری نانو مدرن باز می کنند.کشف جهان از میان میکروسکوپ ها
از اوایل دهه 1930، دانشمندان توانستند در مقیاس نانو با استفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ یونی میدانی به مشاهده بپردازند. جدیدترین و قابل توجه ترین تحولات در میکروسکوپ، میکروسکوپ تونلی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی است.میکروسکوپ الکترونی، که اولین بار توسط مهندسان آلمانی ارنست روسکا و ماکس نول در دهه 1930 ساخته شد، از پرتو ذرات الکترون برای روشن کردن نمونه و ایجاد یک تصویر بسیار بزرگنمایی شده استفاده می کند. میکروسکوپ های الکترونی وضوح بسیار بیشتری نسبت به میکروسکوپ های نوری قدیمی دارند. آنها می توانند تا 1 میلیون بار بزرگنمایی کنند، در حالی که بهترین میکروسکوپ های نوری می توانند یک تصویر را تنها در حدود 1500 بار بزرگنمایی کنند.
تصویر: برنده جایزه نوبل هاینریش روهرر و گرد بینگ
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) یکی از ابزارهایی است که به دانشمندان اجازه می دهد ذرات، اتم ها و مولکول های کوچک را در ابعاد نانو مشاهده و دستکاری کنند. توسعه آن باعث شد که مخترعان آن، گرد بینگ و هاینریش روهرر، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1986 دریافت کنند.
میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFMs) (Atomic force microscopes) اطلاعات را با "احساس" سطح با یک کاوشگر مکانیکی جمع آوری می کنند. گرد بینیگ، به همراه کالوین کویت و کریستوف گربر، اولین AFM را در سال 1986 توسعه دادند.
تصویر: میکروسکوپ نیروی اتمی. این میکروسکوپ ها از حرکات ریز اما دقیق برای امکان اسکن مکانیکی دقیق استفاده می کنند.
کار در مقیاس نانو
فناوری نانو فراتر از ترکیب مواد نانومقیاس با یکدیگر است. این فناوری نیاز به توانایی درک و دستکاری و کنترل دقیق آن مواد به روشی مفید دارد.
تصویر: نگاره کارتونی هموگلوبین. شبیه سازی کامپیوتری هموگلوبین، یک پروتئین طبیعی در مقیاس نانو که در خون یافت می شود.
فناوری نانو شامل یک علم جدید و گسترده است که در آن زمینه های متنوعی مانند فیزیک، شیمی، زیست شناسی، علم مواد و مهندسی در مقیاس نانو همگرا می شوند.
درک این نکته نیز ضروری است که مواد مقیاس نانو در طبیعت یافت می شوند. به عنوان مثال، هموگلوبین، پروتئین منتقل کننده اکسیژن موجود در گلبول های قرمز خون، دارای قطر 5.5 نانومتر است. نانومواد طبیعی در اطراف ما وجود دارد، مانند دود ناشی از آتش، خاکستر آتشفشانی و اسپری دریا. برخی از نانومواد محصول جانبی فعالیت های بشری هستند، مانند خروجی اتوبوس و خودرو و بخارات جوشکاری.
همان طور که در مطلب اندازه مقیاس نانو گفته شد مقیاس نانو حدود 1 تا 100 نانومتر است. کار در مقیاس نانو مستلزم درک انواع و ابعاد مختلف مواد در مقیاس نانو است. انواع مختلف نانومواد به دلیل شکل و ابعاد آنها نامگذاری شده اند. در مورد این ها به سادگی به صورت ذرات، لوله ها، سیم ها، فیلم ها، ورقه ها یا پوسته هایی فکر کنید که دارای یک یا چند بعد نانومتری هستند. به عنوان مثال، نانولوله های کربنی دارای قطری در مقیاس نانو هستند، اما می توانند چند صد نانومتر یا حتی بیشتر طول داشته باشند. نانوفیلم ها یا نانو صفحات دارای ضخامت در مقیاس نانو هستند، اما دو بعد دیگر آنها می تواند بسیار بزرگتر باشد.
نکته اصلی این است که بتوانید نانومواد را هم مشاهده کرده و هم دستکاری کنید تا از خواص ویژه آنها استفاده کنید. همان طور که قبلاً ذکر شد، اختراع میکروسکوپ های ویژه به دانشمندان این توانایی را داد که در مقیاس نانو کار کنند. اولین مورد از این اکتشافات جدید میکروسکوپ تونلی روبشی بود. در حالی که این میکروسکوپ عمدتاً برای اندازه گیری ابعاد اجسام طراحی شده است، می تواند همچنین اجسام کوچکی مانند نانولوله های کربنی را حرکت دهد.
تصویر: عکس زنون - با 35 اتم زنون نوشته شده است آی بی ام. لوگوی IBM با 35 اتم زنون روی یک لایه مس نوشته شده است
اولین نمونه از این نوع فرآیند توسط IBM در 11 نوامبر 1989 انجام شد، زمانی که محقق دان ایگلر و همکارانش لوگوی شرکت را در اتم ها نوشتند. او و تیمش توانستند به معنای واقعی کلمه 35 اتم زنون را در پس زمینه ای از اتم های مس حرکت دهند تا IBM را بنویسند.
اخیراً تیمی از محققان دانشگاه استنفورد به سرپرستی هری مانوهاران توانستند 35 بیت اطلاعات را در هر الکترون رمزگذاری کرده و حروف را آن قدر کوچک بنویسند که از قطعات زیر اتمی ماده که تنها 0.3 نانومتر عرض یا تقریباً یک سوم یک میلیاردم متر عرض داشتند تشکیل شده باشند. به عبارت دیگر، آنها رکوردی را که IBM تعیین کرده بود، شکستند و حروف اول استنفورد (Stanford) را با حروف کوچک تر از اتم نوشتند. این تمرینات نشان می دهد که با چه دقتی می توان ماده را دستکاری کرد.
تصویر: ارائه هنرمندانه از "SU" که با حروف کوچک تر از اتم های منفرد نوشته شده است.
امروزه دانشمندان محقق در دانشگاه ها و شرکت های سراسر جهان، نانومواد را تولید می کنند تا محصولات و برنامه های جدیدی از دستگاه های پزشکی و داروهایی که ممکن است بیماری را درمان کنند گرفته تا مواد قوی و سبک که هزینه سوخت خودروها و هواپیماها را کاهش می دهند، ارائه دهند.
تولید در مقیاس نانو
تولید در مقیاس نانو به عنوان نانوتولید شناخته می شود. تولید نانو شامل تولید به مقیاس، قابل اعتماد و مقرون به صرفه از مواد، ساختارها، دستگاه ها و سیستم ها در مقیاس نانو است. همچنین شامل تحقیق، توسعه و ادغام فرآیندهای از بالا به پایین و فرایندهای پیچیده از پایین به بالا یا فرایندهای خود مونتاژی است.
تصویر: محصولی از تولید نانو: یک سیم 16 گیج (بالا)، با قطر تقریباً 1.3 میلی متر، ساخته شده از نانولوله های کربنی که به صورت نخ ریسیده شده بودند. و همان سیم روی قرقره 150 لا (پایین).
تصویر: سیم 16 گیج ساخته شده از نانولوله های کربنی روی قرقره نشان داده شده است.
علم نانو و فناوری نانو مطالعه و کاربرد چیزهای بسیار کوچک هستند و می توانند در سایر زمینه های علمی مانند شیمی، زیست شناسی، فیزیک، علم مواد و مهندسی مورد استفاده قرار گیرند.به عبارت ساده تر، تولید نانو منجر به تولید مواد پیشرفته و محصولات جدید می شود. همان طور که در بالا ذکر شد، دو روش اساسی برای تولید نانو وجود دارد، از بالا به پایین یا از پایین به بالا. ساخت از بالا به پایین تکه های بزرگی از مواد را تا مقیاس نانو کاهش می دهد، مانند کسی که یک مدل هواپیما را از بلوک چوب کنده است. این رویکرد به مقادیر بیشتری از مواد نیاز دارد و در صورت دور ریختن مواد اضافی می تواند منجر به اتلاف شود. رویکرد از پایین به بالا در تولید نانو، محصولات را با ساختن آنها از اجزای مقیاس اتمی و مولکولی ایجاد می کند، که می تواند زمان بر باشد. دانشمندان در حال بررسی مفهوم قرار دادن اجزای مقیاس مولکولی در کنار هم هستند که خود به خود "از پایین به بالا به ساختارهای مرتب" خود جمع می شوند.
در دسته بندی نانو تولید از بالا به پایین و از پایین به بالا ، تعداد فزاینده ای از فرایندهای جدید وجود دارد که تولید نانو را امکان پذیر می کند. از جمله این موارد عبارتند از:
* رسوب بخار شیمیایی که فرایندی است که در آن مواد شیمیایی با هم واکنش داده و فیلم های بسیار خالص و با کارایی بالا تولید می کنند.
* اپیتاکسی پرتوهای مولکولی که یکی از روش های رسوب فیلمهای نازک بسیار کنترل شده است.
* لیتوگرافی غوطه وری که فرآیندی است که در آن نوک میکروسکوپ نیروی اتمی را در یک مایع شیمیایی "فرو می کنند" و سپس برای "نوشتن" روی یک سطح، مانند یک قلم جوهر قدیمی روی کاغذ از آن استفاده می شود.
* لیتوگرافی نانو چاپ که یک فرایند برای ایجاد ویژگی های مقیاس نانو با "مهر زدن" یا "چاپ" آنها بر روی سطح است.
* پردازش رول به رول که یک فرایند با حجم بالا برای تولید دستگاه های نانومقیاس روی رول پلاستیک یا فلز فوق نازک است.
* خود مونتاژ که فرآیندی را توصیف می کند که در آن گروهی از اجزاء گرد هم می آیند و یک ساختار منظم و بدون جهت بیرونی را تشکیل می دهند.
ساختار و خواص مواد را می توان از طریق این فرایندهای تولید نانو بهبود بخشید. چنین نانوموادی می توانند قوی تر، سبک تر، با دوام تر، ضد آب، ضد انعکاس، خود تمیز کننده، مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش یا مادون قرمز، ضد مه، ضد میکروب، مقاوم در برابر خراش، یا رسانای الکتریکی باشند. با بهره گیری از این ویژگی ها، امروزه محصولات مجهز به فناوری نانو دامنه ای از چوب های بیس بال و راکت های تنیس گرفته تا کاتالیزورهای تصفیه نفت خام و تشخیص و آشکارسازی فوق حساس سموم بیولوژیکی و شیمیایی دارند.
تصویر: ترانزیستور با یک لایه گرافن به ضخامت 1 اتم. تصویری با وضوح بالا از یک ترانزیستور گرافن با ورق کربن که تنها یک اتم ضخامت دارد. این دستگاه الکترونیکی دارای سرعت بالا با استفاده از فرایندهای مقیاس نانو ایجاد شده است و ممکن است روزی برای تراشه های کامپیوتری بهتر مورد استفاده قرار گیرد.
اگرچه علم نانو و فناوری نانو امروزه کاملاً جدید هستند، اما مواد مقیاس نانو برای قرن ها مورد استفاده قرار گرفته است. ذرات طلا و نقره با اندازه های مختلف صدها سال پیش رنگ هایی در پنجره های شیشه ای رنگ آمیزی شده کلیساهای قرون وسطایی ایجاد کردند. ترانزیستورهای مقیاس نانو ممکن است روزی منجر به رایانه هایی شوند که سریع تر، قوی تر و کم مصرف تر از رایانه های امروزی هستند. فناوری نانو همچنین می تواند ظرفیت ذخیره اطلاعات را به صورت تصاعدی افزایش دهد. به زودی کل حافظه رایانه شما می تواند روی یک تراشه کوچک ذخیره شود. در حوزه انرژی، فناوری نانو باتری ها و سلول های خورشیدی با کارایی بالا و هزینه کم را فعال می کند.
منبع: National Nanotechnology Initiative
