مترجم :حبیب الله علیخانی
واژه ی نانومواد برای توصیف بهره برداری و ایجاد موادی با ویژگی های ساختاری، مورد استفاده قرار می گیرد که این ویژگی های ساختاری ویژگی های بینابینی میان ویژگی های مواد بالک و اتم ها دارند. البته باید این نکته را به توصیف بالا افزود که حداقل یکی از ابعاد این گونه مواد در گستره ی نانومتر( یک نانومتر برابر 10-9 متر می باشد). در جدول 1، ما نمونه ای از نانومواد با ابعاد مختلف را به طور لیست وار آورده ایم. ویژگی های مواد دارای ابعاد نانومتری به طور قابل ملاحظه ای نسبت به اتم های و حالت بالک آن ها، متفاوت است. کنترل مناسب بر روی ویژگی های ساختاری مواد در مقیاس نانو می تواند منجر به ایجاد شاخه های جدیدی در علم و همچنین تولید وسایل و تکنولوژی های جدید شود. موضوع اصلی نانوتکنولوژی کوچک سازی( miniaturization ) است. اهمیت نانوتکنولوژی بوسیله ی ریچارد فایمن و در اوایل سال 1959 مورد اشاره قرار گرفت. گفته ی معروف این دانشمند بزرگ که در منابع به آن اشاره شده است، این اس: فضاهایی زیادی در عمق وجود دارد( there is a plenty of room at the bottom). در این میان چالش موجود فایق آمدن بر قانون مور است. بر طبق این قانون هر چهار سال یک بار، اندازه ی وسایل میکروالکترونیکی نصف می گردد. این مسئله بر این دلالت دارد که در سال 2020، این اندازه در مقیاس نانو قرار می گیرد و ما باید قادر باشیم 1000 سی دی را در یک ساعت مچی جای دهیم( این مسئله بوسیله ی Whitesides پیش بینی شده است).
رشد بسیار سریعی در علم و تکنولوژی نانو در چند سال اخیر رخ داده است. که این مسئله ابتدائا به دلیل ایجاد استراتژی های جدید برای سنتز نانومواد و ابزارهای جدید برای شناسایی و استفاده از این گونه مواد می باشد( جدول 2 ). نمونه های زیادی وجود دارد که بوسیله ی آنها دست آوردها و پیشرفت های این عرصه نشان داده می شود. تصاویر میکروسکوپ تونلی – روبشی( STM) از نقاط کوانتمی( مانند هرم های ژرمانیومی بر روی سطح سیلیسیمی) و حصارهای کوانتمی از 48 اتم آهن که در یک دایره به شعاع 7.3nm قرار داده شده اند، مثال های آشنایی از این گونه دست آوردها می باشد( شکل 1). چندین روش برای سنتز نانوذرات، نانوسیم ها، نانو لوله ها و مونتاژ آنها کشف شده است. بنابراین نانو لوله ها و نانو سیم ها از مواد غیر آلی متنوعی و همچنین کربن، تولید شده است. آرایه های منظم یا ابر شبکه های تولید شده از نانوکریستال های فلزی و نیمه رساناها نیز آماده و تولید شده اند. پلیمرهای نانوساختار بوسیله ی مونتاژ خود به خودی کوپلیمرهای تری بلوک و مواد نانوساختار با استحکام بالا نیز مثال های دیگری از این مواد است.
علاوه بر تکنیک های میکروسکوپ الکترونی مورد استفاده، روش های تفرقی و ابزارآلات اسپکتروسکوپی، میکروسکوپ های پروبی- روبشی ابزاری قدرتمند برای مطالعه ی نانوساختارها می باشند. روش های جدید برای تولید نانوساختارهای با الگوهای معین و وسایل جدید و همچنین جنبه های تولید آنها به طور مداوم کشف شده اند. نانوساختارها همچنین برای شبیه سازی و مدل سازی محاسبات ایده آل هستند و اندازه ی آنها به اندازه ی کافی کوچک می باشد به نحوی که می توان از آنها برای اندازه گیری های با دقت بالا استفاده نمود. در محاسبات مربوط به نانومواد، اندازه های مورد بررسی در حد 1 آنگسترم تا 1µm است و همچنین زمان های مورد بررسی در آنها از 1s تا 1fs می باشد. حد دقت مورد بررسی در محاسبات بزرگتر از 1 kcal mol-1 است. نمونه های آزمایشی از مداراتی که در آنها از نانوذرات و نانو لوله ها استفاده شده است، ساخته شده و از آنها در ساخت وسایل نانوالکتریکی استفاده گردیده است. محاسبات کوانتمی الگوریتم های مقدماتی و مناسبی را ارائه کرده است.
نباید فراموش کنید که همه ی چیزها در عمل نانو جدید نیستند. بسیاری از تکنیک های کنونی از فرایند هایی در مقیاس نانو بهره برداری می کنند مثلا مثال هایی آشنا از این قبیل استفاده ها عبارتند از کاتالیست ها و صنعت عکاسی. به هر حال قابلیت ما برای سنتز، سازماندهی و ایجاد مواد مقاوم در مقیاس نانو از جمله کارهای جدید در این زمینه است. شیمی جدید بوسیله ی استفاده از نانوذرات، نانوسیم ها و سایر نانوساختارها ایجاد گردیده است. این زمینه از علم شامل جنبه های الکتروشیمیایی، فوتوشیمیایی، کاتالیستی و سایر جنبه های دیگر است. اهداف ضروری علم و تکنولوژی نانومواد عبارتند از:
1) آگاهی و افزایش توان سنتز نانوساختارهای ایزوله شده( بلوک های ساختاری) و منتاژ آنها به منظور بدست آوردن ساختارهایی با خواص مناسب
2) بررسی و آگاهی از نحوه ی عملکرد و معماری وسایل و سیستم های نانویی
3) تولید گروه جدیدی از مواد با کارایی بالا
4) ایجاد ارتباط میان علم نانو و الکترونیک ملکولی و بیولوژی
5) بهبود ابزارهای شناخته شده و کشف وسایل بهتر برای بررسی و شناسایی نانوساختارها
اثر اندازه
اثر اندازه یک جنبه ی حیرت انگیز در نانومواد به شمار می آید. این اثر با الگوی اندازه تعیین می شود و ساختار، ترمودینامیک، الکترونیک، طیف سنجی، الکترومغناطیس، و ویژگی های شیمیایی این سیستم های محدود، را متحول می کند. اثرات اندازه می تواند به دو نوع تقسیم بندی شود. یکی از این اثرات مربوط به اثرات اندازه ی ویژه( مثلا اعداد مغناطیسی اتم ها در خوشه های اتمی، اثرات مکانیک کوانتم در اندازه های کوچک) می باشد و دیگری مربوط به قابلیت کاربرد مقیاس اندازه برای نانوساختارهای نسبتا بزرگتر می باشد. مورد آخری شامل ظهور ویژگی های جدید در ساختارهای الکترونی می باشد. در شکل 2 ما نحوه ی تفاوت ساختارهای الکترونی نانوکریستال های فلزی و نیمه رسانا را با مواد بالک و اتم های مجزای آنها، نشان داده ایم. در شکل 3، وابستگی ابعادی فاصله ی سطوح انرژی متوسط سدیم را در قالب گاف کوبو( Kubo gap)( Ef/N) را در مدار K نشان می دهد. در این شکل، ما همچنین درصدهای مؤثر اتم های سطحی را به عنوان تابعی از قطر ذرات نشان داده ایم. توجه کنید که در اندازه های کوچک، ما دارای درصد اتم های سطحی بیشتری هستیم.
اندازه بر روی ساختار نانوذراتی مانند CdS، CdSe و همچنین ویژگی های آنها مانند نقطه ذوب، طیف جذب الکترونی آنها اثر می گذارد. در شکل 4 و 5، ما اثرات اندازه را نشان داده ایم. این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که حتی فلزات در زمانی که قطر نانوکریستال های آنها در گستره ی 1-2nm است، دارای گاف های نواری غیر فلزی هستند. خوشه های جیوه گاف نواری غیر فلزی از خود نشان می دهد که این گاف با افزایش اندازه ی خوشه ها کاهش می یابد. این به نظر می رسد که حدودا 300 اتم برای بسته شدن گاف ضروری است. این مسئله همچنین قابل توجه می باشد که ذرات فلزی با قطر 1-2nm همچنین از خود فعالیت کاتالیستی غیر منتظره ای نشان می دهند همانگونه که برای نانوکریستال های طلا این مسئله دیده شده است.
سنتز و مونتاژ
سنتز نانومواد و مونتاژ نانوساختارها و ایجاد آرایه های به منظور ایجاد عملکردهای خاص در آنها یکی از جنبه های اساسی علم نانو می باشد. این مواد یا ساختارها شامل نانوذرات، نانوسیم ها، نانو لوله ها، نانو کپسول ها، آلیاژها و پلیمرهای نانوساختار جامدهای نانومتخلخل و تراشه های DNA می باشد. مسئله ی دیگری که قابل توجه می باشد، این است که شیمی دان ها مولکول هایی را سنتز می کنند که ذاتا در ابعاد نانومتری هستند. در شکل 6 ما یک آرایه ی کریستالی دو بعدی از نانوکریستال فلزی تیول دار شده را نشان داده ایم که نشاندهنده ی یک آرایه ی خود منتاژ می باشد.
تکنیک ها
ورود دنیای نانو در بر گیرنده ی ورود روش های جدید و ممتاز به منظور بررسی ساختارها و سیستم ها می باشد. که در بحث شناسایی علاوه بر میکروسکوپ ها، روش های تفرقی و طیف سنجی نیز مطرح می باشد. فواصلی به کوچکی اتم ها و مولکول های منفرد به عنوان سوئیچ های مورد بررسی و استفاده قرار می گیرد. میکروسکوپ های پروبی- روبشی کنترل شده با کامپیوتر قادرند تا نانوساختارها را به طور آن لاین دستکاری و مورد بررسی قرار دهند. بازوهای نانویی برای استفاده در میکروسکوپ های الکترونی عبوری و روبشی طراحی شده است. یک بازوی نانویی( nanomanipulator) وضعیت حقیقی سطح را با فاکتور مقیاس یک میلیون تا یک، به طور بصری برای ما نشان می دهند. انبرک های اپتیکی یکی دیگر از روش های نگهداری و انتقال ساختارهای نانویی است که قابلیت خاصی در زمینه ی بررسی دینامیک ملکول ها و ذرات را به ما نشان می دهد. سوالاتی مانند اینکه چگونه یک پلیمر حرکت می کند، نحوه ی تولید نیرو، نحوه ی پاسخ های ایجاد شده در برابر این نیرو و نحوه ی آشکارسازی آنها، سوالاتی است که با استفاده از انبرک های اپتیکی می توان به آنها پاسخ گفت. این مسئله باید مورد توجه قرار گیرد که قرار گیری دقیق و مطمئن نانوذرات بر روی یک سطح با استفاده از سری( tip) میکروسکوپ انرژی اتمی( به عنوان یک ربات)، هم اکنون نیز انجام می شود. کار در مقیاس بزرگ با این سری ها، نیازمند آرایه هایی مواری از این سری ها می باشد که در چند آزمایشگاه این کار مورد بررسی قرار گرفته است.
کاربردها و توسعه ی تکنولوژی
برخی از کاربردهای و تکنیک های مهم که بر اساس نانومواد پایه گذاری شده اند، عبارتند از:
1) تولید نانوپودرهای سرامیکی و نانوپودرهای تولیدی از سایر مواد
2) نانوکامپوزیت ها
3) توسعه ی سیستم های نانوالکترومکانیکی( NEMS)
4) استفاده از نانو لوله ها برای ذخیره سازی هیدروژن و سایر کاربردها
5) تراشه های DNA و تراشه های مورد استفاده در سنجش های شیمیایی/ بیوشیمیایی
6) ژن رسانی و دارو رسانی هدف مند
7) نانوالکترونیک و وسایل در ابعاد نانو
مورد آخر که به احتمال زیاد پر چالش ترین زمینه می باشد، شامل تولید لیزرهای جدید، نانوسنسورها، نانو کامپیوترها( بر پایه ی نانو لوله ها و سایر مواد)، الکترونیک بدون نقص برابر کامپیوترهای ملکولی آینده، وسایل تونل زنی نوسانی، اسپین ترونیک و اتصال موتورهای بیولوژیک با وسایل نانویی غیر آلی است.
نانوالکترونیک
ماهیت چندگانه ی نانوالکترونیک دارای دو هدف است:
1) استفاده از نانوساختارهای منفرد( مانند نانوکریستال ها، کوانتوم دات ها، و نانولوله ها) برای پردازش سیگنال های الکتریکی، نوری و شیمیایی
2) استفاده از مواد نانوساختار به منظور منتاژ نانوساختارهای برای کاربردهای الکترونیک، اپتوالکترونیک و شیمیایی
در حالی که غالبا ایجاد وجه تمایز میان این دو هدف مشکل است، گروه اول مربوط به بدست آوردن وسایل تک الکترونی و گروه دوم برای اهداف کوچک سازی در ذخیره سازی اطلاعات و سایر موارد، است. مثال های نمونه وار از وسایل نانوساختار منفرد آنهایی هستند که در وسایل بلوکه کننده ی کلمبی( Coulomb blockade) یا ترانزیستورهای تک الکترونی کاربرد دارند. آرایه ای از کوانتوم دات ها، سری های روبش و نانو لوله ها مثال هایی از مورد دوم تلقی می شوند. در بلوکه کننده ی کلمبی، افزودن یک الکترون منفرد به یک نانوذره ی با شعاع R باعث افزایش انرژی باردارشدن می شود( W=W(∞)+[b/R] که در اینجا W(∞) به انرژی باردارشدن ماده ی بالک وابسته است). ولتاژ حداقل( Vmin) به منظور تزریق الکترون اضافی به نانوذرات، ضروری است. این کار باعث می شود تا نانوذره به پله ی کلمبی با ولتاژ مینیمم Vmin=W(∞)/e]+[b/R] پرش کند. مشاهدات این پله ها یک بیان مستقیم از ساختار الکترونی گسسته در یک چنین سیستم های محدودی( نانویی) است. در شکل 7، ما مشخصه ی v-I را برای یک نانوکریستال پالادیومی ایزوله شده نشان دادیم که دارای قطری برابر با 3.3nm است. این شکل نشاندهنده ی پدیده ی پله ای کلمبی می باشد. وابستگی انرژی باردار شدن بر روی اندازه ی ذرات نیز در شکل 7 نشان داده شده است.
جنبه های دیگر
نانوساختارهای یکپارچه ی که هم می توانند از نوع سرامیکی و هم فلزی باشند، به عنوان یک مقوله ی بسیار مهم در ایجاد مواد با استحکام بالا، مواد با بافت ساختاری محکم، انواع جدید از فرومگنت ها، سرمت های سخت و چکش خوار و پروتزهای بیولوژیک، در نظر گرفته می شوند. نمونه ای از مواد نانوساختار سخت، نانوکامپوزیت های Co/WC و Fe/TiC هستند. پلیمرهای استحکام یافته با نانوذرات برای ساخت بخش های اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر مواد با استحکام بالا، مواد با خاصیت پراکنده شونده و پودرهایی تولید شده است که دارای مرفولوژی های خاص است. پوشش هایی با ویژگی های بهبود یافته با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.
سیستم های نانوالکترومکانیکی( NEMS) به احتمال زیاد در آینده جایگزین سیستم های میکرو آنالوگ ها( MEMS) می شوند. یک جنبه ی وابسته به نانومواد موتورهای مولکولی است. موتورهای ملکولی مسئول کپی برداری از DNA، انتقال های سلولی و انقباض ماهیچه ای هستند. ابزارهای تولید جدید ما را قادر می سازند تا در مورد این موتورها بیشتر بدانیم. در واقع این موتورها محرک سیستم های نانوالکترومکانیکی هستند. این مسئله ممکن است منجر به تولید وسایل بیولوژیک مصنوعی و سایر وسایل نانویی شوند و از این رو علاقه ی زیادی در زمینه ی مطالعه ی آنها بوجود آمده است.
تراشه های DNA و میکروآرایه ها بیان کننده ی یک تکنولوژی با کاربردهایی در زمینه ی تحقیقات تشخیصی و ژنتیک است. تراشه های DNA و آرایه ها وسایلی هستند که در آنها توالی های مختلف DNA بر روی یک زیرلایه ی جامد بوجود آمده است. این آرایه ها عموما دارای 100 تا 100000 پیکسل مختلف( سایت های DNA) بر روی سطح تراشه، هستند. این تراشه ها در تحقیقات ژنتیک، کشف داروها، تشخیص های قانونی و سایر تشخیص ها کاربرد دارند. میکروآرایه های DNA که به طور الکتریکی فعال شده اند و تکنولوژی آرایش خود به خودی و مستقیم DNA می تواند در وسایل الکترونیکی و فوتونیکی و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد. نانوذرات مناسب که دارای DNA می باشند، ممکن است به منظور اهداف رسانش مورد استفاده قرار گیرد. تفنگ های ژنی هم اکنون برای رسانش مواد ژنتیکی در سلول های گیاهی و جانوری مورد استفاده قرار می گیرد.
نانوکریستال های نیمه رسانا به عنوان برچسب های بیولوژیکی فلورسانس مورد استفاده قرار می گیرد. این محتمل است که سنسورهایی بر پایه ی نانوتکنولوژی، انقلابی در زمینه ی سلامت، کنترل محیط زیست و ردیابی مواد سمی، پدید آورد. این مسئله امکان پذیر به نظر می رسد که ما نانو تراشه هایی داشته باشیم که بوسیله ی آنها آنالیز شیمیایی کاملی انجام دهیم. یک چنین سیستم های آنالیز نانویی را می توان برای بررسی و تحقیق در شیرها، لوله ها، پمپ ها مورد استفاده قرار گرفت.
اطلاعات مفید در زمینه ی فرایند های وابسته به ساختارهای نانومقیاس( خواه ساختارهای طبیعی و خواه ساختارهای ساخت بشر)، برای یادگیری جنبه های انتقال و سایر جنبه های این مواد، مفید هستند. اینگونه اطلاعات برای توسعه ی تکنیک های جلوگیری و کاهش مضرات محیط زیستی، نیز مفیدند. استفاده از کاتالیست های هموژن و غیر هموژن( که دارای نانوکاتالیست ها هستند)، برای بهبود بازده ی مصرف انرژی و کاهش آلودگی ها، بوسیله ی محققین مورد بررسی قرار گرفته است. طراحی نانوکامپوزیت های بی خطر، استفاده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و سایر نانوذرات برای فرایندهای پاکسازی محیط زیست و استفاده از جامدهای نانو متخلخل در جذب آلودگی ها، مثال هایی از کاربردهای نانوتکنولوژی برای محافظت و بهبود محیط زیست است. استفاده از پلیمرهای نانو متخلخل برای خالص سازی آب و خالص سازی مایعات بوسیله ی فوتوکاتالیست های تولیدی از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم دو مثال دیگر در این زمینه است.
ملاحظات آخر
موضوع نانومواد یکی از موضوعات مهم تلقی می گردد و فرصت های ممتازی را برای ما فراهم می آورد. این زمینه از علم یک زمینه ی بین رشته ای تلقی می گردد و شامل شیمی، فیزیک، بیولوژی و مهندسی مواد است. میانکنش میان دانشمندان مختلف که دارای سوابق مختلفی هستند، بدون تردید علم جدیدی را ایجاد می کند. مسئله ی قابل توجه این است که نانوتکنولوژی به احتمال زیاد نه تنها در زمینه ی الکترونیک دارای مزیت است، بلکه در سایر زمینه ها مانند صنعت هوایی و شیمیایی، پزشکی و سلامت نیز دارای مزیت های بیشماری است. شیمی به نسبت سایر رشته ها در علم و تکنولوژی نانو دخالت بیشتری دارد.
1) آگاهی و افزایش توان سنتز نانوساختارهای ایزوله شده( بلوک های ساختاری) و منتاژ آنها به منظور بدست آوردن ساختارهایی با خواص مناسب
2) بررسی و آگاهی از نحوه ی عملکرد و معماری وسایل و سیستم های نانویی
3) تولید گروه جدیدی از مواد با کارایی بالا
4) ایجاد ارتباط میان علم نانو و الکترونیک ملکولی و بیولوژی
5) بهبود ابزارهای شناخته شده و کشف وسایل بهتر برای بررسی و شناسایی نانوساختارها
اثر اندازه
اثر اندازه یک جنبه ی حیرت انگیز در نانومواد به شمار می آید. این اثر با الگوی اندازه تعیین می شود و ساختار، ترمودینامیک، الکترونیک، طیف سنجی، الکترومغناطیس، و ویژگی های شیمیایی این سیستم های محدود، را متحول می کند. اثرات اندازه می تواند به دو نوع تقسیم بندی شود. یکی از این اثرات مربوط به اثرات اندازه ی ویژه( مثلا اعداد مغناطیسی اتم ها در خوشه های اتمی، اثرات مکانیک کوانتم در اندازه های کوچک) می باشد و دیگری مربوط به قابلیت کاربرد مقیاس اندازه برای نانوساختارهای نسبتا بزرگتر می باشد. مورد آخری شامل ظهور ویژگی های جدید در ساختارهای الکترونی می باشد. در شکل 2 ما نحوه ی تفاوت ساختارهای الکترونی نانوکریستال های فلزی و نیمه رسانا را با مواد بالک و اتم های مجزای آنها، نشان داده ایم. در شکل 3، وابستگی ابعادی فاصله ی سطوح انرژی متوسط سدیم را در قالب گاف کوبو( Kubo gap)( Ef/N) را در مدار K نشان می دهد. در این شکل، ما همچنین درصدهای مؤثر اتم های سطحی را به عنوان تابعی از قطر ذرات نشان داده ایم. توجه کنید که در اندازه های کوچک، ما دارای درصد اتم های سطحی بیشتری هستیم.
سنتز نانومواد و مونتاژ نانوساختارها و ایجاد آرایه های به منظور ایجاد عملکردهای خاص در آنها یکی از جنبه های اساسی علم نانو می باشد. این مواد یا ساختارها شامل نانوذرات، نانوسیم ها، نانو لوله ها، نانو کپسول ها، آلیاژها و پلیمرهای نانوساختار جامدهای نانومتخلخل و تراشه های DNA می باشد. مسئله ی دیگری که قابل توجه می باشد، این است که شیمی دان ها مولکول هایی را سنتز می کنند که ذاتا در ابعاد نانومتری هستند. در شکل 6 ما یک آرایه ی کریستالی دو بعدی از نانوکریستال فلزی تیول دار شده را نشان داده ایم که نشاندهنده ی یک آرایه ی خود منتاژ می باشد.
ورود دنیای نانو در بر گیرنده ی ورود روش های جدید و ممتاز به منظور بررسی ساختارها و سیستم ها می باشد. که در بحث شناسایی علاوه بر میکروسکوپ ها، روش های تفرقی و طیف سنجی نیز مطرح می باشد. فواصلی به کوچکی اتم ها و مولکول های منفرد به عنوان سوئیچ های مورد بررسی و استفاده قرار می گیرد. میکروسکوپ های پروبی- روبشی کنترل شده با کامپیوتر قادرند تا نانوساختارها را به طور آن لاین دستکاری و مورد بررسی قرار دهند. بازوهای نانویی برای استفاده در میکروسکوپ های الکترونی عبوری و روبشی طراحی شده است. یک بازوی نانویی( nanomanipulator) وضعیت حقیقی سطح را با فاکتور مقیاس یک میلیون تا یک، به طور بصری برای ما نشان می دهند. انبرک های اپتیکی یکی دیگر از روش های نگهداری و انتقال ساختارهای نانویی است که قابلیت خاصی در زمینه ی بررسی دینامیک ملکول ها و ذرات را به ما نشان می دهد. سوالاتی مانند اینکه چگونه یک پلیمر حرکت می کند، نحوه ی تولید نیرو، نحوه ی پاسخ های ایجاد شده در برابر این نیرو و نحوه ی آشکارسازی آنها، سوالاتی است که با استفاده از انبرک های اپتیکی می توان به آنها پاسخ گفت. این مسئله باید مورد توجه قرار گیرد که قرار گیری دقیق و مطمئن نانوذرات بر روی یک سطح با استفاده از سری( tip) میکروسکوپ انرژی اتمی( به عنوان یک ربات)، هم اکنون نیز انجام می شود. کار در مقیاس بزرگ با این سری ها، نیازمند آرایه هایی مواری از این سری ها می باشد که در چند آزمایشگاه این کار مورد بررسی قرار گرفته است.
کاربردها و توسعه ی تکنولوژی
برخی از کاربردهای و تکنیک های مهم که بر اساس نانومواد پایه گذاری شده اند، عبارتند از:
1) تولید نانوپودرهای سرامیکی و نانوپودرهای تولیدی از سایر مواد
2) نانوکامپوزیت ها
3) توسعه ی سیستم های نانوالکترومکانیکی( NEMS)
4) استفاده از نانو لوله ها برای ذخیره سازی هیدروژن و سایر کاربردها
5) تراشه های DNA و تراشه های مورد استفاده در سنجش های شیمیایی/ بیوشیمیایی
6) ژن رسانی و دارو رسانی هدف مند
7) نانوالکترونیک و وسایل در ابعاد نانو
مورد آخر که به احتمال زیاد پر چالش ترین زمینه می باشد، شامل تولید لیزرهای جدید، نانوسنسورها، نانو کامپیوترها( بر پایه ی نانو لوله ها و سایر مواد)، الکترونیک بدون نقص برابر کامپیوترهای ملکولی آینده، وسایل تونل زنی نوسانی، اسپین ترونیک و اتصال موتورهای بیولوژیک با وسایل نانویی غیر آلی است.
نانوالکترونیک
ماهیت چندگانه ی نانوالکترونیک دارای دو هدف است:
1) استفاده از نانوساختارهای منفرد( مانند نانوکریستال ها، کوانتوم دات ها، و نانولوله ها) برای پردازش سیگنال های الکتریکی، نوری و شیمیایی
2) استفاده از مواد نانوساختار به منظور منتاژ نانوساختارهای برای کاربردهای الکترونیک، اپتوالکترونیک و شیمیایی
در حالی که غالبا ایجاد وجه تمایز میان این دو هدف مشکل است، گروه اول مربوط به بدست آوردن وسایل تک الکترونی و گروه دوم برای اهداف کوچک سازی در ذخیره سازی اطلاعات و سایر موارد، است. مثال های نمونه وار از وسایل نانوساختار منفرد آنهایی هستند که در وسایل بلوکه کننده ی کلمبی( Coulomb blockade) یا ترانزیستورهای تک الکترونی کاربرد دارند. آرایه ای از کوانتوم دات ها، سری های روبش و نانو لوله ها مثال هایی از مورد دوم تلقی می شوند. در بلوکه کننده ی کلمبی، افزودن یک الکترون منفرد به یک نانوذره ی با شعاع R باعث افزایش انرژی باردارشدن می شود( W=W(∞)+[b/R] که در اینجا W(∞) به انرژی باردارشدن ماده ی بالک وابسته است). ولتاژ حداقل( Vmin) به منظور تزریق الکترون اضافی به نانوذرات، ضروری است. این کار باعث می شود تا نانوذره به پله ی کلمبی با ولتاژ مینیمم Vmin=W(∞)/e]+[b/R] پرش کند. مشاهدات این پله ها یک بیان مستقیم از ساختار الکترونی گسسته در یک چنین سیستم های محدودی( نانویی) است. در شکل 7، ما مشخصه ی v-I را برای یک نانوکریستال پالادیومی ایزوله شده نشان دادیم که دارای قطری برابر با 3.3nm است. این شکل نشاندهنده ی پدیده ی پله ای کلمبی می باشد. وابستگی انرژی باردار شدن بر روی اندازه ی ذرات نیز در شکل 7 نشان داده شده است.
جنبه های دیگر
نانوساختارهای یکپارچه ی که هم می توانند از نوع سرامیکی و هم فلزی باشند، به عنوان یک مقوله ی بسیار مهم در ایجاد مواد با استحکام بالا، مواد با بافت ساختاری محکم، انواع جدید از فرومگنت ها، سرمت های سخت و چکش خوار و پروتزهای بیولوژیک، در نظر گرفته می شوند. نمونه ای از مواد نانوساختار سخت، نانوکامپوزیت های Co/WC و Fe/TiC هستند. پلیمرهای استحکام یافته با نانوذرات برای ساخت بخش های اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر مواد با استحکام بالا، مواد با خاصیت پراکنده شونده و پودرهایی تولید شده است که دارای مرفولوژی های خاص است. پوشش هایی با ویژگی های بهبود یافته با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.
تراشه های DNA و میکروآرایه ها بیان کننده ی یک تکنولوژی با کاربردهایی در زمینه ی تحقیقات تشخیصی و ژنتیک است. تراشه های DNA و آرایه ها وسایلی هستند که در آنها توالی های مختلف DNA بر روی یک زیرلایه ی جامد بوجود آمده است. این آرایه ها عموما دارای 100 تا 100000 پیکسل مختلف( سایت های DNA) بر روی سطح تراشه، هستند. این تراشه ها در تحقیقات ژنتیک، کشف داروها، تشخیص های قانونی و سایر تشخیص ها کاربرد دارند. میکروآرایه های DNA که به طور الکتریکی فعال شده اند و تکنولوژی آرایش خود به خودی و مستقیم DNA می تواند در وسایل الکترونیکی و فوتونیکی و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد. نانوذرات مناسب که دارای DNA می باشند، ممکن است به منظور اهداف رسانش مورد استفاده قرار گیرد. تفنگ های ژنی هم اکنون برای رسانش مواد ژنتیکی در سلول های گیاهی و جانوری مورد استفاده قرار می گیرد.
نانوکریستال های نیمه رسانا به عنوان برچسب های بیولوژیکی فلورسانس مورد استفاده قرار می گیرد. این محتمل است که سنسورهایی بر پایه ی نانوتکنولوژی، انقلابی در زمینه ی سلامت، کنترل محیط زیست و ردیابی مواد سمی، پدید آورد. این مسئله امکان پذیر به نظر می رسد که ما نانو تراشه هایی داشته باشیم که بوسیله ی آنها آنالیز شیمیایی کاملی انجام دهیم. یک چنین سیستم های آنالیز نانویی را می توان برای بررسی و تحقیق در شیرها، لوله ها، پمپ ها مورد استفاده قرار گرفت.
اطلاعات مفید در زمینه ی فرایند های وابسته به ساختارهای نانومقیاس( خواه ساختارهای طبیعی و خواه ساختارهای ساخت بشر)، برای یادگیری جنبه های انتقال و سایر جنبه های این مواد، مفید هستند. اینگونه اطلاعات برای توسعه ی تکنیک های جلوگیری و کاهش مضرات محیط زیستی، نیز مفیدند. استفاده از کاتالیست های هموژن و غیر هموژن( که دارای نانوکاتالیست ها هستند)، برای بهبود بازده ی مصرف انرژی و کاهش آلودگی ها، بوسیله ی محققین مورد بررسی قرار گرفته است. طراحی نانوکامپوزیت های بی خطر، استفاده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم و سایر نانوذرات برای فرایندهای پاکسازی محیط زیست و استفاده از جامدهای نانو متخلخل در جذب آلودگی ها، مثال هایی از کاربردهای نانوتکنولوژی برای محافظت و بهبود محیط زیست است. استفاده از پلیمرهای نانو متخلخل برای خالص سازی آب و خالص سازی مایعات بوسیله ی فوتوکاتالیست های تولیدی از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم دو مثال دیگر در این زمینه است.
ملاحظات آخر
موضوع نانومواد یکی از موضوعات مهم تلقی می گردد و فرصت های ممتازی را برای ما فراهم می آورد. این زمینه از علم یک زمینه ی بین رشته ای تلقی می گردد و شامل شیمی، فیزیک، بیولوژی و مهندسی مواد است. میانکنش میان دانشمندان مختلف که دارای سوابق مختلفی هستند، بدون تردید علم جدیدی را ایجاد می کند. مسئله ی قابل توجه این است که نانوتکنولوژی به احتمال زیاد نه تنها در زمینه ی الکترونیک دارای مزیت است، بلکه در سایر زمینه ها مانند صنعت هوایی و شیمیایی، پزشکی و سلامت نیز دارای مزیت های بیشماری است. شیمی به نسبت سایر رشته ها در علم و تکنولوژی نانو دخالت بیشتری دارد.
/ج
