نانو تکنولوژی

دسته بندي : علوم پایه » فیزیک
نانو تکنولوژی


نانو تکنولوژی چیست؟

نانوتكنولوژی تولید كارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است كه در مقیاس نانو توسعه یافته اند

اصول بنیادی

یک نانومتر یک میلیاردم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصلهٔ میان دو اتم بازهٔ ۱۲ تا ۱۵ نانومتر به کار می‌رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی‌ان‌آ نزدیک به ۲ نانومتراست. و از سوی دیگر کوچک‌ترین باکتری سلول‌دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازهٔ یک نانومتر نسبت به متر سنجشی انجام دهیم می‌توانیم اندازهٔ آن را مانند اندازهٔ یک تیله به کرهٔ زمین بدانیم. یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازهٔ رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد.

فناوری نانو کاربردهای گسترده‌ای در دانش‌های گوناگون دارد که از موردهای مهم آن می‌توان به کاربردهایش در پزشکی برای ساخت داروهای بدون اثرهای جانبی اشاره کرد که تنها بر یک بافت ویژه تأثیر می‌گذارند. از انواع کاربرد ها می‌توان در ساخت نانو جوراب ها ، نانو لوله‌های کربنی و ... اشاره کرد.

یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن، برنده جایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را رد نمی‌کند. وی اظهار داشت که می‌توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتب کوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد .

همین عبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه‌های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانو ماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکــــزی هستند، هر دانشمندی را به وجد می‌آورد. در رویای دانشمـــــــندانی مثل جی استورس هال و اریک درکسلر این روباتها یا ماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می‌آیند.

شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوان به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تخت خوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.

چرا این مقــیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی ) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژی های جدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود .

نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد .

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند . وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است .

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تاثیر بگذارد.محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتنداز:لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها به دست آمده اند،شیشه هایی که خود به خود تمیز میشوند،مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده اند،ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان ساز ها،هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه ها از یفیت بالاتری برخوردارند،چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگدانه و غیره.


قابلیتهای محتمل تكنیكی نانوتكنولوژی عبارتند از:

1-محصولات خوداسمبل

2-كامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر كامپیوترهای امروزی

3- اختراعات بسیار جدید ( كه امروزه ناممكن است)

4-سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه

5-نانوتكنولوژی پزشكی كه درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.

6-دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا

7-احیاء و سازماندهی اراضی

نانوتكنولوژی به زبان ساده


علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژی) توانائی بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملكولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فناوریهای موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یك حرف از علم» یكپارچه خواهد كرد.

میلیونها سال است كه در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری - مثل یك درخت یا یك میكروب - ساخته می شود. علم بشری اینك در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد كه در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو كاربردهای را به منصه ظهور می رساند كه بشر از انجام آن به كلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:

ساخت مواد بسیار سبك و محكم برای مصارف مرسوم یا نوورشكستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو كاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی همه گیر شدن ابر كامپیوترهای بسیار قوی، كوچك و كم مصرف سلاحهای سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار شناسایی فوری كلیه خصوصیات ژنتیكی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر از بین بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شیمیائی و میكروبی از بین بردن كامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند تولید انبوه مواد و ابزارهائی كه تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ، و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر...


دکتر درکسلر در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتكنولوژی اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژیهای دیجیتالی را سریع، ارزان، كامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی كپی ‌برداری نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یك تن ‌تری بیت تراشه‌های تقریبا معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد میشود.

دکتر بوکی بالز رییس هییت تحقیقاتی دانشثگاه رایس و کاشف اسمبلی میگوید:"نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد."

در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان پرگمیت و پترسون در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است:

تصور كنید قادرید با نوشیدن دارو كه در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنید . یك ابر كامپیوتر را كه به اندازه یك سلول انسان است در نظر بگیرید. یك سفینه فضایی 4 نفره كه به دور مدار زمین میگردد با هزینه‌ای در حدود یك خودروی خانوادگی تجسم كنید.

موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژی هستند. انسان در معرض یك انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است كه ناشی از علم نانوتكنولوژی است. در آینده نزدیك گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند كه قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی كار كنونی از رده خارج خواهند شد. كالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیك و با دوام خواهند شد. دارو یك جهش سریع و كوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبكهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.


سه فناوری تسخیركننده:

از طرفی شاید بتوان گفت تسخیركنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند.

قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی كوچك از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یك فضای بسیار كوچك موضوعی بسیار آشنا می باشد.

در كوچكترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یك موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار كوچكی از سلول كه شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد (به نام دی ان ا نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یكی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترك این سه فناوری است.


چه انتظاری باید از نانوتكنولوژی داشت:

این تكنولوژی جدید توانایی آن را دارد كه تاثیری اساسی بر كشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتكنولوژی كه بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود.

انتظار می رود كه مقیاس نانومتر به یك مقیاس با كارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد كه روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد.

نانوتكنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود.

نانوتكنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، كیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد.

تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متكی به نانوتكنولوژی خواهد بود كه این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد.

كاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای كاربردهای فراوانی هستند كه پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد.

نانوتكنولوژی موجب توسعه محصولات كشاورزی برای یك جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمك زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یك نوع انباره جریان گذرا با الكترودهای نانولوله كربنی كه اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد كه این روش 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس ، آب دریا را نمك زدایی می كند.

انتظار می رود كه نانوتكنولوژی نیاز بشر را به مواد كمیاب كمتر كرده و با كاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم كند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتكنولوژی،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین كاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن كربن شود............