وبلاگ

ای برفناوری نانو

 
فناوری نانو  رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی این رویکرد مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی (عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک) از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو ، فناوری زیستی[1] و فناوری اطلاعات[2] سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند [1] نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
بر اساس رتبه بندی پایگاه اینترنتی استیت نانو[3] ایران با رتبه 8 در تولید علم نانو، کم ترین سهم را در ‏مشارکت تولید علم در علوم نانو در سال 2012 میلادی داشته و بعد از آن به ترتیب چین، هند، تایوان و کره جنوبی قرار دارند و عربستان سعودی با انتشار 910 مقاله علمی بیشترین میزان مشارکت جهانی را در این حوزه داشته است.
به گزارش خبرگزاری مهر، پایگاه اینترنتی استیت نانو‎‏ در گزارشی سهم مشارکت کشورها در تولید علوم نانو را بر اساس شاخص همکاری بین‌المللی بررسی کرده است. ‏مطابق این گزارش همکاری بین‌المللی، راهبردی برای تسهیل شرایط جهت رسیدن به اهداف علمی است.
برای بررسی این شاخص، سایت‎ استت نانو ‎با یک عبارت جستجوی ویژه و با بهره گرفتن از بانک اطلاعات[4]، مقالات نانوی کشورهای ‏مختلف و میزان همکاری آنها را در سال 2012 استخراج کرده که نتایج آن در فهرستی که بر روی سایت منتشر شده، آمده است‎. ‏30 کشور اول جهان از نظر تعداد مقالات[5]تقریبا 82 درصد علوم‌نانو را در سال 2012 تولید کرده‌اند.
در این فهرست، چین رتبه اول و آمریکا در مقام دوم قرار دارد. هر ‏چند چین بیشترین تعداد مقالات را در سال 2012 تولید کرده است اما یکی از کم ترین مشارکت‌ها را در میان 30 کشور اول داشته است، به طوری که در میان 96 کشور ‏جهان از نظر مشارکت با 7/19 درصد مشارکت رتبه 93 را به خود اختصاص داده است.
آمریکا نیز با 1/41 درصد، رتبه 83 را کسب کرده است. کره جنوبی که رتبه چهارم ‏را در تولید علم نانو دارد در بخش مشارکت با 9/30 درصد مشارکت رتبه 88 جهان را اشغال کرده است. بر این اساس کشورهای برتر در تولید علم، برای تولید علم ‏کمتر به مشارکت می‌پردازند در حالی که کشورهای ضعیف‌تر، تمایل بیشتری به همکاری دارند. در میان 30 کشور اول تولید کننده علم همچنین، ایران با رتبه 8 در تولید علم نانو، کم ترین سهم را در ‏مشارکت (3/17 درصد) داشته و بعد از آن به ترتیب چین، هند، تایوان و کره جنوبی قرار دارند.‏
وجود مراکز تحقیقاتی مجهز و معتبر، موقعیت جغرافیایی، مجاورت جغرافیایی دو کشور و سابقه تاریخی تعامل کشورها می‌تواند به عنوان پارامترهای ‏موثر در مشارکت در زمینه تولید علوم نانو، به شمار آیند. به عنوان مثال در هر قاره یک یا چند کشور پیشرو در عرصه نانو وجود دارند که کشورهای دیگر آن ها را به عنوان ‏همکار پروژه‌های تحقیقاتی خود انتخاب می‌کنند. همچنین سهولت رفت و آمد، نزدیک بودن فرهنگ و مشترکات فرهنگی و اجتماعی از جمله مزایای همکاری با یک ‏کشور همسایه است. مصداق بارز این موضوع در کشور آذربایجان دیده می‌شود که به دلیل همسایگی با ایران بیشترین همکاری را با ایران دارد.
به نظر می‌رسد درصورتی‌که مسیر همکاری ایران با کشورهای دیگر هموار شود، ایران آمادگی مشارکت در تولید علوم نانو با دیگر کشورها را دارد. مصداق بارز این ‏موضوع کشور مالزی است که در سال‌های گذشته همکاری قابل توجهی با ایران داشته است. مالزی قوانین و مسیر تبادل دانشجو با ایران را هموار کرده است؛ ‏به‌طوری‌که مقصد تعداد زیادی از دانشجویان ایرانی شده است. این امر موجب شده تا ایران اولین گزینه مشارکت برای مالزی در تولید علوم نانو باشد [2] و از این رو اهمیت این رشته در کشور بارز می گردد و امید است که ایران بتواند رتبه خود را ارتقا دهد.
از دید تاریخی در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست [1] و در دوران جدید اولین بار ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1965 و یکی از مشهورترین فیزیکدان های دهه 60 میلادی که ملقب به پدر نانو فناوری است، در سال 1960 در همایش جامعه فیزیک آمریکا طی سخنرانی، پیش بینی انقلابی و جذابی را بیان کرد. وی گفت که فضای زیادی در پایین وجود دارد. همین مطلب پایه علم نانو فناوری شد، وی در آن سخنرانی این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک چیزی جز امکان ساختن اتم به اتم اشیاء را بیان نمی کنند. فاینمن پیشنهاد کرد که می توان اتم های مجزا را دستکاری کرده تا مواد و ساختارهای کوچکی تولید نمود که خواص متفاوتی داشته باشند [3].
واژه فناوری نانو، اولین بار در سال 1974 توسط نوریو تانیگوچی  استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که ابعاد آن ها در حد نانومتر می باشد، به کار برد. پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است. معادل لاتین این کلمه، دوارف[6] که به معنی کوتوله و قد کوتاه است.
دو تعریف استاندارد را می توان برای فناوری نانو ارائه داد که عبارتند از :

 

1. به طراحی، تعیین ویژگی ها، تولید و کاربرد مواد، ابزار آلات و سیستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو می گویند [1، 3].

 

1. به دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو می گویند و هدف آن تولید مواد، ابزار و سیستم هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردهای جدید می باشدپس علم نانو علمی برای زندگی است [1، 4].

یک نانومتر (nm) یک میلیاردم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصله میان دو اتم بازه 12/0 تا 15/0 نانومتر به کار می‌رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی‌ان‌ای نزدیک به ۲ نانومتراست و از سوی دیگر کوچک‌ترین باکتری سلول‌دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازه یک نانومتر نسبت به متر، سنجشی انجام دهیم می‌توانیم اندازه آن را مانند اندازه یک تیله شیشه ای به کره زمین بدانیم یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازه رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد [4].
شاخه های اصلی که می‌توان به عنوان زیر را شاخه‌های بنیادین فناوری نانو دانست عبارتند از:

 

• نانو روکش ها

 

• نانو مواد

 

• نانو پودرها

 

• نانو لوله ها(نانو تیوب‌ها)

 

• نانو کامپوزیت‌ها

 

• مهندسی مولکولی

 

• موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)

 

• نانو الکترونیک

 

• نانو سیم‌ها

 

• نانو حسگرها

 

• نانو ترانزیستورها

 

• نانو مواد نرم

 

• لیپید نانوفناوری

 

• نانو مکانیک

 

• نانو سیالات

 

• نانو لیتوگرافی

در دو دهه اخیر، پیشرفت های شایانی در فناوری تجهیزات و مواد با ابعاد بسیار كوچك به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده كه

 تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد كرد ، پیش می رود. فناوری و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل، اندازه گیری ها و تولیداتی سروكار خواهد داشت كه چنین ابعاد مادون ریزی دارند. درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولكول قابل طراحی و كنترل است. همچنین خواص مكانیكی، شیمیایی، الكتریكی، مغناطیسی، نوری مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحلیل و سنجش است. فناوری درقرن گذشته در هر چه ریزتر كردن دانه های بزرگ تر پیشرفت چشمگیری داشت، بطوری كه به مزاح گفته شد كه دیگر كشف ذرات ریز اتمی[7] نه تنها جایزه نوبل ندارد، بلكه به آن جریمه هم تعلق می گیرد! تكنولوژی نو درقرن حاضر مسیر عكس را طی می كند، یعنی مواد مادون ریز را باید تركیب كرد تا دانه های بزرگ تر كارآمد به وجود آورد.

این همان روشی است كه طبیعت برای تولید كردن انجام می دهد. مجموعه های طبیعی، تركیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقیقات در فناوری های مادون ریز هم اكنون در درمان بیماری ها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است. موارد بسیاری در مرحله تحقیقات كاربردی و آزمایشی است. اكنون ساخت رایانه های بسیار كوچك تر و میلیون ها بار سریع تر در دستور كار شركت های تحقیقاتی قرار دارد.
در بیانی كوتاه فناوری نانو یک فرایند تولید مولكولی است. همانطور كه طبیعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روی هم مونتاژ كرده است، ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد كه هر چه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا كنیم. البته منظور این نیست كه چند هسته از مواد راپیدا كنیم و با رساندن انرژی و خوراك پس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم كه شهری را برق دهد. بلكه برای تركیب و تكامل خودكار تولیدات مادون ریز كه به نحوی در مجموعه های بزرگ تر مصرف دارد، راهی بیابیم. در اندازه های مادون ریز، روش ها و ابزارآلات متعارف فیزیكی مانند تراشیدن و خم كردن و سوراخ كردن جوابگو نیستند و برای ساختن ماشین های ملكولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال كرد. 
با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژن ها و DNA كه ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به فناوری مادون ریز، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد. تولید مواد جدید، گیاهان، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشكالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با تركیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیت های متفاوت بوجود خواهد آمد. آینده علوم و مهندسی كه چندین گرایشی[8] است، به طرف تولید ماشین های مولكولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های كارآیی از پیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسان ها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت. از بیماری، پیری، درد ستون فقرات، كم حافظه ای رنج نخواهند برد. قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آن ها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد. در هزاره های آینده انسان های طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از این همه درد و ناراحتی كه اجداد آن ها در هزاره های قبل كشیده اند، متعجب و متاثر خواهند بود.
اكنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم، دانشگاه ها و مراكز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهش های فناوری مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسل های آینده تحویل دهیم و در تشكل های جدید هستی سهمی داشته باشیم. باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شكوهمند و معجزه آسای اندیشه بشر را دریابیم و از كوتاه بینی و افكار فرسوده موروثی فاصله بگیریم. این تكنولوژی جدید توانایی آن را دارد كه تاثیری اساسی بر كشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد.
انتظار می رود كه مقیاس نانومتر به یک مقیاس با كارایی بالا و ویژگی های منحصر بفرد تبدیل شود، تا در زمینه هایی که روش شیمی سنتی پاسخگو نیست، از این مقیاس بهره گرفته شود. فناوری نانو می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادی ها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع، طی 10 تا 15 سال آینده شود و بعلاوه، مراقبت های بهداشتی، طول عمر، كیفیت و توانایی های جسمی بشر را نیز افزایش خواهد داد [5].
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متكی به فناوری نانو 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 [5].

فناوری نانو موجب توسعه محصولات كشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راه های اقتصادی تری را برای تصفیه و نمك زدایی آب و بهینه سازی راه های استفاده از منابع انرژی های تجدیدپذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه می نماید. بطور مثال استفاده از یک 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 [3-5].
انتظار می رود كه فناوری نانو نیاز بشر را به مواد كمیاب كمتر كرده و با كاستن آلاینده ها، محیط زیستی سالم تر 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.
در چند سال گذشته بازار چند میلیارد دلاری بر پایه فناوری نانو گسترش یافته اند. برای مثال در ایالات متحده، ای بی ام[9] برای دیسك های سخت، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع كرده است و کوداک[10] و ام تری[11] تكنولوژی ساخت فیلم های نازك نانو ساختاری را به وجود آورده اند. شركت موبیل[12] كاتالیست های نانو ساختاری را برای دستگاه های شیمیایی تولید كرده است و شركت مرک[13]، داروهای نانوذره ای را عرضه كرده است. تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و سامسونگ الکتریک[14] در كره، در حال كار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های كربنی هستند. بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند (نانو ذرات، نانو لوله ها، نانو لایه و سوپر لاستیک ها). نظریات جدید و روش های مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.
فناوری نانو یا در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است كه در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفت های پر شتابی كه در این عرصه بوقوع می پیوندد، پیام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستیابی به توانایی های بی بدیلی برای تغییر محیط پیرامون خویش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای كه در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدید پدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
فناوری نانو نظیر هر فناوری دیگری چونان یک تیغ دو لبه است كه می توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای است كه در خود جای داده است. در خصوص فناوری نانو یک نكته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاكید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را كه آن را در برگرفته ضخیم تر می كند و راه را برای گمانه زنی های متنوع هموار می سازد.
كسانی بر این باورند كه این فناوری نظیر هیولایی، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند كه به مدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان كرد.
در حال حاضر 450 شركت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمریكا و ژاپن با بودجه ای كه در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه فناوری نانو هستند. در این قلمرو اتم ها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا كه كل طبیعت از همین ذرات تشكیل شده، شناخت نحوه عمل آن ها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شكل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی كه در این قلمرو به كاوش مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می كنند، اما از آن جا كه دانایی توانایی به همراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار كاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو فناوری نانو از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید [6].
از جمله پیشرفت های حاصل شده در دهه های اخیر می توان به موفقیت یک گروه از محققان شركت آی بی ام که 35 اتم گزنون را بر روی یک صفحه از جنس نیكل جای دادند، ساخت یک نوع مولكول جدید كربن موسوم به باكمینسترفولرین یا كربن60 که دارای خواص حیرت انگیزی است، ساخت  لوله های موئینه ای در مقیاس نانو، استفاده از مواد نانو در فراورده های آرایشی و بهداشتی توسط شرکت آرایشی اورال، ساخت دیودهای نوری با بهره گرفتن از مواد نانو که موجب می شود تا 80 درصد در هزینه برق صرفه جویی شود، توپ های تنیسی كه با كربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده و سبكتر و مستحكم تر از توپ های عادی است، تولید پارچه هایی كه با یک بار تكاندن آن ها می توان حالت اتوی اولیه را به آن ها بازگرداند و همه چین و چروك هایشان را زایل كرد و بعلاوه  با همین یک بار تكان همه گرد و خاكی كه به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاك می شوند، ساخت نوارهای زخم بندی هوشمندی كه به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولكولی، پزشكان را مطلع می سازند، تولید لیوان ها و شیشه هایی كه قابلیت خود تمیزكردن دارند، لنزها و عدسی های عینك که ضد خش هستند و مهم تر از همه اینکه اكنون دانشمندان این توانایی را پیدا كرده اند كه در تراز تك اتم ها به بهره گیری از آن ها بپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود [6، 3].
ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می تواند برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط به کار برده شود.