به نام خداوند تبارک و تعالی گردآوری و تنظیم: نادر رستمی کارشناس ارشد علوم و فناوری نانو، گرایش نانو فیزیک از دانشگاه کاشان موضوع مقاله: آشنایی با علم و فناوری نانو برای ورود به هر رشته علمی ابتدا واژه¬های کلیدی آن را میآموزند، پس برای بارور شدن مبحث نانو باید قدری بیشتر با معنی و مفهوم واژه¬های کلیدی آن آشنا شد. نانو یک کلمه یونانی و به معنای کوتوله و ریز است در زبان علمی پیشوند نانو معادل یک میلیاردیم هر چیزی میباشد. ابعاد کوچکترین اتمها در حدود 1/0 نانو متر و بزرگترین اتم موجود در طبیعت 22/0 نانومتر است کوچکترین شیء قابل رؤیت که با چشم غیر مسلح دیده میشود 10 هزار نانومتر پهنا دارد. ضخامت یک موی انسان برابر 50 هزار نانومتر و قطر مولکولهایی که بیشتر از 30 اتم دارند از یک نانومتر بیشتر است. دانش نانو به بیان ساده مطالعه اصول بنیادی مولکولها وساختارهایی است که دستکم دارای یک بعد در محدودهی 1 تا 100 نانومتر میباشند. و نانو فناوری عبارت است از کاربرد این نانو ساختارها در ابزارهای مفیدی درمقیاس نانو است. تولید و فهم ساختار ماده در مقیاس مولکولی باعث آشنایی با ایده¬ی کلی علوم و فناوری نانو میشود. مقیاس نانو فقط کوچک نیست بلکه کوچک از نوع خاص میباشد زیرا نانو ساختارها کوچکترین چیزهایی است که تا کنون بشر موفق به ساخت آنها شده است. در این مقیاس خواص معمول ماده مانند رسانایی، سختی، نقطه ذوب، رنگ و ... به دلیل غلبه خواص کوانتمی بر خواص کلاسیکی تغییر میکند و این خواص تابع ابعاد آنها میشود و این چیزی است که در مقیاسهای دیگر مشاهده نمیشود. اگر قطر یک سیم به ابعاد اتم برسد دیگر جریان الکترونها مانند یک سیال از آن نمیگذرد بلکه یکی پس از دیگری از آن عبور میکنند، چگونگی عبور یافتن الکترونها از ماده در مقیاس نانو از اهمیت بهسزایی برخوردار است. در این مواد دیگر قانون اهم صادق نیست. اگر یک مکعب طلا به ضلع 10 سانتیمتر داشته باشیم و آنرا تبدیل به مکعبهای کوچکتری به ضلع 1 سانتیمتر کنیم، خواص هیچ یک از آنها با مکعب اولیه فرقی ندارد یعنی همه آنها از جنس طلا، زرد رنگ، درخشان، سنگین هستند و رسانایی و نقطه ذوب یکسانی دارند. در ابعاد بزرگ خواص شیمیایی و فیزیکی مواد به ابعاد آنها بستگی ندارند اما اگر به ابعاد نانو برسیم همه چیز تغییر خواهد کرد. از جمله رنگ، نقطه ذوب، خواص شیمیایی و ... دلیل این تغییرات ماهیت بر هم کنشهایی است که در بین اتمها در این ابعاد برقرار میشود که ناشی از افزایش نسبت تعداد اتمهای سطحی به اتمهای حجمی با کوچک شدن ابعاد است.مثلاً ذرات طلا در مقیاس نانو بسته به اندازه آنها میتوانند نارنجی، ارغوانی، قرمز یا سبز گونه باشند. در ابعاد تودهای (بزرگ) پیوندهای شیمیایی تنها وسایل ایجاد مواد و مصالح به شمار میآیند اما در ابعاد نانو مولکولها خودشان ابزار به حساب میآیند و پیوندهای بین آنها نیز ممکن است اجزاء ابزار به شمار آید. بنابر این پیوندهای شیمیایی کلید نانو فناوری بهشمار میآیند زیرا این پیوندها اتمها و یونها را به شکل مولکول در میآورند که خودشان میتوانند به عنوان ابزار مکانیکی مانند لولا، بلبرینگ یا عضو سادهای برای ماشینهایی به کار روند که در مقیاس نانو هستند. در این بین مولکولهای بسیار بزرگ مانند بسپارها (پلیمرها) اهمیت ویژهای دارند و از کلیدهای علم نانو به شمار میآیند. چون اتم کربن دارای قابلیت منحصر به فردی در برقراری ارتباط با خودش است بنیان اکثر بسپارها کربن میباشد در علوم نانو از بسپارهای رسانا برای ساختن سیمهای مولکولی استفاده میشود. از جمله مواد دیگری که استفاده از آن در علوم و فناوری نانو آغاز شده است سرامیکها میباشند، سرامیکها معمولاً به صورت اکسید مواد هستند و الکترون جایگزیده دارند هر چند بهرهگیری از آنها در آغاز راه است اما ساخت استخوان مصنوعی یکی از موارد استفاده نوید بخش آنها است.. منظور از نانو ساختار نرم( مولکولی) و نانو ساختار سخت( نیمه رسانا) میباشد. پدر علم نانو آقای ریچارد فاینمن(1988-1918) میباشد. او در سال 1965 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. در سال 1960 در یک سخنرانی پیشگویانه و ماندهگار در انجمن فیزیک آمریکا با نام « در آن پایینها اتاقهای خالی زیادی وجود دارد» فرضیههایی راجع به امکان و ظرفیت موادی با اندازه نانو مطرح کرد و گفت در آینده نزدیک میتوانیم اتمها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم و ساختارهای کوچک جدیدی با خواص بسیار متفاوت بسازیم. به پاس احترام به او در سال 2005 در آمریکا تمبر یادبود او منتشر شد و برای پژوهشگران نانو جایزه فاینمن قرار داده شده است. اکنون این پرسش مطرح میشود که چرا فناوری نانو تا سال 2000 میلادی به وجود نیامد؟ جواب این پرسش این است که چون ابزار لازم را در اختیار نداشتیم. چون برای بررسی ساختارهای نانویی نمیتوان از نور و میکروسکوپهای نوری استفاده کرد زیرا طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است و نمیتوان با این نورساختارهای کوچکتر از این طول موج رامطالعه کرد. دلیل به ظهور رسیدن نانو فناوری ابزارهای مشاهده، اندازهگیری و دستکاری ماده در مقیاس نانویی مانند میکروسکوپهای الکترونی است که اکنون وجود دارد. ایدهی ساخت این میکروسکوپها برای نخستین بار در دههی 1980 در آزمایشگاهIBM در زوریخ از ایدهی سادهی زیر «که اگر انگشت خود را روی سطحی بکشید تشخیص اینکه جنس آن مخمل، فولاد، چوب و یا قیر میباشد آسان است زیرا نیروهای متفاوتی بر انگشت وارد میکنند.» گرفته شد. و به دلیل ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) جایزه نوبل فیزیک سال 1986 دریافت شد. ابعاد نوک این میکروسکوپ در مقیاس نانویی است و نوک آن سطح مورد نظر را میروبد یا روی آن میلغزد و با اندازهگیری نیرو، جریان، واپسکشی مغناطیسی، هویت شیمیایی یا خواص ویژه دیگر سطح مورد نظر مشخص میشود. میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) نیز ابزار دیگری است که در تجزیه و تحلیل ساختارهای نانویی کاربرد زیادی دارد و اساس کار آن استفاده از الکترونها بهجای نور است بدین صورت که الکترونها را با شتاب از نمونه عبور میدهند آنها در اثر برخورد با هسته و سایر الکترونها پراکنده میشوند با گردآوری الکترونهای پراکنده نشده تصویر را تشکیل میدهند که توصیف میکند ذرات کجا بودهاند که الکترونهایی را که عبور نکردههند را پراکنده کردهاند با استفاده از این تصویر میتوان ساختار فیزیکی نمونه را بررسی کرد. تولید مواد نانوساختار: فرایند تولید مواد نانوساختار به یکی از دو روش زیر انجام میگیرد 1- روش صعودی ( پایین به بالا): در این روش با شروع از اتمها و کنار هم نهادن آنها ساختار نانویی ایجاد میشود. به این صورت که با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی، اتمها را روی سطح جابجا میکنند 2- روش نزولی ( از بالا به پایین): در این روش فرایند کوچک سازی انجام میشود. در ساخت نانوساختارها از روشهای لیتوگرافی نیز استفاده میشود که از جمله لیتوگرافی پس خوراند کنترل شده که به تغییر محل دقیق یک تک مولکول گفته میشود. یا از روش خود تجمعی که مولکولها در موضع خاصی هم خط میشوند و از آن برای حفاظت سطح در مقابل فرسایش، لغزندگی، چسبناکی، رطوبت و یا خشک کردن یک سطح استفاده میشود. مدل سازی نقش تعیین کنندهای در تمامی حوزههای علوم نانویی دارد. پیشبینی رایانهای ساختارها یکی از شیوههایی است که از مسیر آن طراحی ساختارهای نانویی شکل میگیرد. در این روش از مکانیک کوانتومی برای پیشبینی ساختارهای نانویی واقعی و برای محاسبات آن از رایانههای بزرگ استفاده میکنند زیرا بسیاری از قوانین اساسی که رفتار ساختارهای نانویی را تعریف میکنند قوانیین مکانیک کوانتومی هستند. مهمترین پیشرفت فناورانه نیمه دوم قرن بیستم ظهور الکترونیک سیلیسیمی ریزتراشه و انقلابی بود که کاربرد آن در دستگاههای محاسباتی، ارتباطی، الکترونیکی و پزشکی ایجاد کرد. اما پیشرفت در این زمینه به نهایت خود رسیده و ادامه آن نیاز به روش طراحی کاملاً جدیدی دارد و آن استفاده از فناوری نانو در ساخت تراشهها است و به خاطر حراست از پیشرفتهای اجتمایی، اقتصادی، پزشکی و کیفیت زندگی که انقلاب الکترونیک نصیب ما کرده است ناگزیریم با چالشها درگیر در علم و فناوری نانو روبرو شویم. اندازهگیری در مقیاس نانو که در مقیاس بزرگ پیش پا افتاده است میتواند خیلی پیچیده باشد. دور نمای علمی که مورد نیاز فهم مقیاس نانو است از حوزههای فیزیک، شیمی، زیستشناسی، علم مواد و مهندسی استخراج میشود. در این عرصه شیمی دانها که به طور کلی با مولکولها سرو کار دارند و اندازه مولکولها قابل سنجش است و هر مولکول اندازه مشخصی دارد. ولی فیزیک دانان به خواص مواد توجه دارند و از آن جا که این خواص در مقیاس نانو به سرعت در حال تغییر است و از طرفی اندازه مولکویها کنترل شدنی است نانو فیزیک در این حوزه نقش بسار مهمی ایفا میکند. و علاقه مهندسان علم مواد، برق، شیمی و مکانیک معمولاً در جهت فهم و کاربرد مواد در مقیاس نانو است. و اینکه چگونه از این خواص ویژه میتوان در ساخت موادی با تواناییهای جدید در حوزههای صنعتی، پزشکی و ... استفاده کرد. علوم و مهندسی در مقیاس نانو توانایی ما درکارکردن در سطح اتم به اتم و مولکولی برای ایجاد چیزی که میتوانیم از پایین به بالا بسازیم چشماندازهای گسترده ای در برابر ما میگشاید که تعدادی از آنها به وقوع پیوسته است. از جمله : 1- ماده هوشمند: در علوم نانویی واژهی ماده هوشمند به هر مادهای گفته میشود که روی آن کار مهندسی انجام میشود تا کار خاصی از آن برآید مانند پلیمرهای نورشکن. در نانو فناوری مهار و کنترل کردن نور از طریق مولکولهای نانو ساختار بسیار مهم است و از دور نمای با اهمیتی برخوردار است مواد هوشمندی مانند پوششها و لایهها در فهرست کالاهای نانویی مصرفی در ردیف نخست قرار دارند. هم اکنون شیشههای پنجره اتومبیلی ساخته شده که از ورود پرتوهای فرابنفش نور خورشید که عامل سرطان پوست است جلوگیری میکند. شیشههای پنجرهای در آلمان تولید میشود که میتوان رنگ آن را با زدن دکمهای از ابی روشن به آبی تیره تغییر داد کاشیهای حمام و آشپزخانهای ساخته شده که کثیف نمیشود زیرا ذرات گردوخاک، کثافت و چربی نمیتواند به پوشش آن بچسبد. در طراحی مواد هوشمند میتوان چند کار خاص در نظر گرفته شود مثلاً تفلون یک ماده هوشمند است که هیچ گونه چسبندگی ندارد، هواپیماهای رادارگریز از یک ماده هوشمند پوشیده شدهاند، پوست یک ماده هوشمند چند مؤلفهای است نانو فناوری تلاش میکند تا بعضی از جنبههای آن را در چهار چوب ساختارهای ترکیبی طراحی کند.هرچند مواد هوشمند ضرورتاً پدیدههایی در مقیاس نانو نیستند اما قابلیت کار در مقیاس نانویی، یعنی سطح نهایی ظرافت ما را قادر به ایجاد موادی میکند که شیوه کار خواص مولکولی حتی فرایندهای زیستی را در ساخت آنها فراهم آورد. ساختارهای خود التیام، شناسایی مواد، جداسازی مواد، پارچه گورتکس مادهی هوشمندی است که اجازه خروج بخار را میدهد و به آب اجازه ورود نمیدهد. 2- شناسایی مولکولی: شناسایی مولکولی یکی از جنبههای مهم نانو فناوری است.توانایی هر مولکول در ربودن و برقرار کردن پیوند با مولکولهای دیگر را شناسایی مولکولی( نیروی چسپندگی سطحی) میگویند حس بویایی بر پایه شناسایی مولکولی استوار است در مقیاس نانو کار دیدن از طریق شناسایی مولکولی انجام میشود یکی از کاربردهای فناوری نانو در این عرصه ساخت بینیهای مصنوعی میباشد. هم اکنون با استفاده از زئولیتها که غالباً آنها را الکهای مولکولی مینامند میتوان برای استخراج 40 درصد گازوئیل بیشتر از یک بشکه نفت خام استفاده کرد. 3- کاتالیزگرها: با تقلیل دادن اندازه ذرات و رساندن آن به مقیاس نانویی که در آن ماده دارای حداکثر مساحت جانبی و بنابر این حداکثر واکنشپذیری خواهد بود که هدف کاتالیزگر است. 4- در پزشکی: پیشرفتهای پزشکی زیستی در مقیاس نانو از توانایی بلقوه ایجاد مواد کاشتنی برای نظارت بر شیمی خون و رها کردن داروها در هنگام تقاضا برخوردار است که یک موهبت برای بیماران قندی و سرطانی است. تا کنون استخوان، غضروف و پوست مصنوعی که سیستم ایمنی بدن آنها را پس نمیزند به وجود آمده است. روشهای نانویی محاسباتی، نظری و تجربی به ما کمک میکنند کشف داروها را کمتر اتفاقی و بیشتر ناشی از طراحی باشد. امروزه بیشتر داروها به این دلیل مصرف میشوند که به نظر میرسد مؤثرند و حتی سازوکار تأثیر آنها هم به درستی شناخته شده نیست. یکی از آثار عمدهی علم و فناوری نانویی ایجاد تسهیلات در کشف داروهایی کاملاً جدید با کمترین عوارض جانبی و حداکثر سودمندی است. در شیمی درمانی داروهای مصرفی تاحدی سمیاند و افزایش مقدار آنها میتواند اثر معکوس گذارد و حتی به مرگ بیمار انجامد. بنابراین دسترسپذیری زیستی در دارو رسانی یعنی حضور مولکولهای دارو در جایی از بدن که به بهترین وجه تأثیر گذارند خیلی مفید است زیرا اگر دارو بتواند مستقیمأ و قبل از هجوم غده سرطانی به خون و سایر اندامها مستقیمأ به موضوع برسد و فارغ از اثر بر سایر اندامها درمان صورت بگیرد به مراتب مؤثرتر و پذیرفتنیتر است. برای این منظور از ذرات نانویی مغناطیسی میتوانند برای تحویل دارو در درون اندامها استفاده کرد. مهندسی پروتئین یکی از طرحهای نانو ساختار و یکی از رشدیافتهترین حوزههای نانوفناوری است که به ساخت پروتئینهای مصنوعی برای بهرهبرداری از آنها در پزشکی و غذاهای سنتزی است. مهندسی DNA نیز یکی از فعالترین حوزههای علوم نانویی زیستی به شمار میآید. یکی از ایدههای دیگر در این زمینه ساخت قطعههای نانویی است که امکان اتصال و برقراری رابطه بین رایانه و سیستم عصبی را فراهم میآورد و به آن فصل مشترک عصب و الکترونیک میگویند. 5- نانولولههای کربنی: نمایانگر شکل کاملاً جدیدی از ماده است، که در آنها قانون اهم برقرار نیست، مقاومت کششی آنها 600 برابر فولاد درجه یک است. و با محاسبه نشان داده شده است که با یک تار نانولوله کربنی نازکتر از موی آدمی میتوان یک تریلی هیجده چرخ را آویخت. نانولولهها نهتنها مستحکم بلکه سبک و قابل انعطاف هم هستند، تقریبأ ابر رسانا هستند یعنی الکتریسیته بدون مقاومت از آنها عبور میکند. نانو لولههای کربنی دارای دو نوع تک جداره و چند جداره هستند . نوع تک جدارهی آنها میتواند فلز یا نیمه رسانا باشد و خیلی سخت و بسیار پایدارند میتوان آنها را چنان ساخت که طولشان هزاران برابر قطرشان باشد. نانولولههای تک جداره میتوانند هم چون ترانزیستور عمل کنند. نوع صلیبی آنها میتواند به صورت ساختارهای منطقی عمل کنند که میتوان با آنها رایانههای جدیدی برای محاسبه طراحی کرد و در ساخت حافظههای جدید نیز به کار میروند. 6- حسگرها: ساختارهایی هستند که از طریق شناختپذیری به حضور چیزی که میخواهیم آن را آشکارسازی کنیم پاسخ خواهند داد و از طریق دادن سیگنال به آنها اندازه خاصیت فیزیکی یا شیمیایی چیزی را که برای آن طراحی شده است آشکارسازی میکند. گل آفتابگردان یک حسگر نور خورشید است. فناوری حسگرها برای کنترل و نظارت محیط زیست بسیار مهم و تعیین کنندهاند از آنجا که قلمرو زیستی از ساختارهای نانویی سرشار است کاربردهای زیست پزشکی و پژوهشهای زیست پزشکی بخش عمدهای از چشمانداز علوم نانو را تشکیل میدهد. حسگرهای نانو مقیاس بهترین و دقیقترین حسگرها به شمار میروند و قادر خواهند بود چیزهایی را حس کنند که با وسایل بزرگ مقیاس به آسانی قابل آشکارسازی نیست از جمله حسگرهای گاز CO، حسگرهای قند خون، حسگرهای رطوبت، حسگرهای سیاه زخم و ... 7- فتوسنتز مصنوعی: یکی از رویکردهای عمدهی علوم نانو به مسئله بهبود بخشیدن تبدیل انرژی خورشیدی( فتوسنتز مصنوعی) میباشد. بحث فتوولتایی که هدف آن استفاده از انرژی نور خورشید برای تولید انرژی شیمیایی یا الکتریکی است. در این حیطه سیمهای متقاطع ساخته شده از نیمه رساناهایی با ابعاد نانومتری میتوانند نور گسیل کنند و این گسیل نور یکی از مبرمترین و جالبترین کاربردهای ساختارهای نانویی بهشمار میرود. 8- تار نوری: فناوری نانو در تولید عملی ساختارهای تار نوری فعال است. در شبکههای رایانهای و ریزپردازندهها در بسامدهای بالا وقتی فاصله سیمها کم باشد مدارها به دلیل مسئله خود القایی و القای متقابل مانند آنتن عمل میکنند و سیگنالها میتوانند از یک سیم به سیم مجاور منتقل شوند. اما در رایانههای اپتیکی(نوری) و سایر وسایل اپتیکی چون بر پایه حرکت بار الکترونی کار نمیکنند از این مشکلات درامانند. 9- ذخیره انرژی: ساختارهای نانویی برای پرداختن به جذب، تبدیل، ذخیره و توزیع انرژی یکی از زمینههای تحقیقاتی بهشمار میرود زیرا جوامع صنعتی مقادیر فراوانی انرژی را به صورت ثابت برای مصارف در منازل، مراکز تجاری و هم به صورت قابل حمل برای ابزار و وسایل الکترونیکی شخصی مانند گوشیها ،تلفنهای همراه و ... نیاز دارد. مصرف برق برای تولید نور، به طریقی که در LED ها انجام میشود ضرورتاً فرایند معکوس عمل فتوسنتز است و اکنون ساختارهای LED به مقیاس نانویی کشیده شده است. فناوری نانو به راستی دروازهای گشوده بر جهانی نو است. در حال حاضر شرکتهای فناوری صاحب نام دنیا از جمله IBM ، HP ، NEC و ... امکانات تحقیقاتی خود را در جهت مطالعه و توسعه ابزار و قطعات نانو بهکار گرفتهاند. چندین بار جوایز نوبل نصیب پژوهشگران در زمینه نانو شده است. و جایزه فاینمن را به این منظور تأسیس شده است. علم و فناوری نانو با شتاب سرسام آوری رشد میکند بهطوری که در سال 1995 هیچ مقاله ای در این زمینه وجود نداشت ولی در سال 2001 تعداد مقالات موجود به 2500 رسید و این روند همچنان ادامه دارد. علم و فناوری نانو تمام جنبههای زندگی ما را برای چندین دهه آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد. بیگمان نانو در آینده در مرکز علوم، فناوری و کسب و کار قرار خواهد گرفت از این رو هرکس باید کم و بیش اطلاعاتی در مورد آن کسب کند. این مقاله به عنوان نقطهی آغازی بر این مقصود گردآوری شده است. صرف نظر از اینکه شما چه کاره باشید یا به چه علاقهمند باشید این علم و فناوری بر زندگی شما تأثیرگذار خواهد بود. آن را انقلاب صنعتی بعدی نامیدهاند. کسب و کارهای نانو فناوری با فناوری اطلاعات و کسب و کارهای اینترنتی تفاوتهای اساسی دارد. چون نانوفناوری برپایه خواص علمی و فنی قابل توجهی استوار است میتواند از حقوق انحصاری بهرهبرداری بهرهمند باشد و نسخه برداری از آن هر چند احتیاج به فناوری بالایی دارد بسیار دشوار است. برای سرمایهگذاران در این حوزه محصولات نانویی سادهتر چون حسگرها و مواد هوشمند برگشت سرمایه سریعتری دارند. در پاسخ به این سؤال که نانو چه موقع پای به زندگی ما میگذارد باید گفت هماکنون. نانو در حال حاضر به معنای واقعی کلمه باب روز است. اکنون درباره نویدها و مخاطرات بلقوهی نانو فناوری چیزهایی میدانید پس به میدان این مباحثه خوش آمدید. فهرست منابع: 1- جزوه¬های درسی اساتید پژوهشکده نانو فناوری دانشگاه کاشان در سال¬های 1389 و 1390 2- مقدمه¬ای بر نانوفناوری، ترجمه دکتر نیما نقوی¬نیا، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، چاپ دوم 1389 3- آشنایی با نانو ذرات، دکترعبدالرضا سیم¬چی، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، چاپ اول 1387، 4- نانو فیزیک و فناوری نانو، ترجمه دکتر جعفر جهان پناه، انتشارات جهاد دانشگاهی واحد تربیت معلم، چاپ اول بهار 1389 5- مقدمه¬ای بر نانو فیزیک، دکتر علی بهاری، انتشارات دانشگاه مازندران، چاپ اول 1387 6- درآمدی بر نانو فناوری خشک، گروه علمی دانشجویی نانو فناوری دانشگاه کاشان، انتشارات نشر آراسته، چاپ اول 1384 7- سنسورها فناوری وکاربرد، مهندس محمد مهدی¬زاده، انتشارات موسسه فرهنگی الماس دانش، چاپ اول بهار 1391 8- دنیای نانو جلد اول نانولوله¬های کربنی، دکتر علی اصغر حسینی، حمید رحمانیان، انتشارات دانشگاه مازندران، چاپ اول زمستان 1386
ابزار 3
نظرات شما عزیزان: