انرژی هسته ای، سلولهای بنیادین، شبیه سازی، نانو تکنولوژی

درباره نانوتکنولوژی بیشتر بدانیم3

نانوتکنولوژی، انقلابی جدید در صنعت و تکنولوژی

نانوتکنولوژی یا کنترل مواد در مقیاس مولکولی، گشایش اسرار طبیعت در تمام عرصه ها از مهندسی تا پزشکی را نوید میدهد.
در آینده نه چندان دور، در خانه های جدید آجرها ممکن است هنگامی که ترکی درآنها ظاهر میشود خودشان را تعمیر کنند. ماشینها نیز ممکن است با لایه ای به استحکام الماس پوشانده شوند که آنها را در برابر خراشها محافظت میکند. پزشکان نیز خواهند توانست صدها نوع بیماری را تنها با قراردادن یک قطره خون در یک دستگاه تشخیص داده و پس از چند ثانیه نتیجه را دریافت کنند.
نانوتکنولوژی در جهانی بسیار کوچک کنترل میشود. هدف نانوتکنولوژی ساخت اشیاء، اتم به اتم، مولکول به مولکول و با یک رویکرد از پایین به بالاست، راهی که طبیعت میلیونها سال است انجام میدهد.
نانو یک پیشوند علمی است که به معنی "یک میلیاردم" است و حوزه نانوتکنولوژی در حدود میلیاردم متر است، ابعادی که در آن اتمها با هم ترکیب شده و مولکولها روی هم اثر متقابل دارند.
هدف این است که اگر بشر بتواند به اتمها بگوید که چه طور خودشان را مرتب کنند و چگونه رفتار کنند، بسیاری از خواص یک ماده قابل کنترل میگردد. همان طور که در طبیعت اتمهای کربن موجود در زغال سنگ را با تغییر دادن ترتیب قرار گرفتن آنها به الماس تبدیل میکنند، بنابراین خواصی مانند رنگ، استحکام و شکنندگی نیز در سطح اتمی قابل تعیین خواهند بود. دانشمندان بر این عقیده اند که اگر بتوانند یک آجر را اتم به اتم بسازند، مولکولهایش را نیز میتوان طوری تعلیم داد تا هنگامیکه یک ترک ظاهر میشود آن را تعمیر کنند یا اینکه با کم یا زیاد کردن تخلخل، خود را با شرایط مرطوب هوا وفق دهند.
بنابراین نانوتکنولوژی امید ساخت هر چیز قابل تصور را - از کوچکترین جرثقیلها و موتورها گرفته تا لایه های خود اسمبل پلاستیکی یا فلزی - میدهد. برای نخستین بار در تخیلات علمی، به لطف پیشرفتهای اخیر دیدن جهان در مقیاسهای نانو این سناریوها درست و معقول به نظر میرسند. انواع جدید میکروسکوپها و برنامه های قدرتمند کامپیوتری شبیهساز که در 10 سال اخیر توسعه پیدا کردهاند، نانوتکنولوژی را دچار یک نوع انقلاب نمودهاند. میکروسکوپها نه تنها به دانشمندان اجازه میدهند که اتمها را بینند، بلکه به آنها اجازه میدهند که حتی آنها را جا به جا بکنند، همانطور که در آزمایش مشهور سال 1990 دانشمندان مرکز تحقیقاتی Almaden وابسته به IBM ، لغت "IBM" را توسط 35 اتم زنون نوشتند.
امروزه یک تیم از فیزیکدانان IBM یک پیشرفت دیگر را اعلام کردند که مدارات در مقیاس اتمی را به واقعیت نزدیکتر میکند. این پیشرفت که "سراب کوانتم"1 نام گرفته است نشان میدهد که اطلاعات میتوانند در میان اجسام جامد بدون نیاز به سیم حرکت کنند. اسباب جدید عبارتند از: "چشمان، انگشتان و پنسها" که در جهان نانو میتوانند کار کنند. Evgene Wang معاون مهندسی بنیاد ملی علوم آمریکا، به اعضاء مجلس نمایندگان طی گزارشی در مورد نانوتکنولوژی گفت: "نانوتکنولوژی نوید جذب تعداد فزایندهای از علاقمندان به علم، دولت و صنایع خصوصی را میدهد."
دکتر Tom Schaeider یک بیولوژیست ریاضیدان در انستیتو ملی سرطان گفت که: "دلیل این که مردم این را قبول میکنند پشتوانة واقعی علمی آن میباشد". وی اضافه کرد ما قادر خواهیم بود تا هر چیز که خواستیم در آینده بسازیم."
دانشمندان پیشرو در این علم سال گذشته در بنیاد ملی علوم آمریکا گفتند که نانوتکنولوژی یک اثر اساسی روی سلامتی، وضعیت اقتصادی و امنیت مردم جهان خواهد گذاشت و حداقل به اهمیت آنتی بیوتیک ها،IC ها و پلیمرهای ساخت دست بشر در قرن 20 خواهند بود.
در سال 1998 شورای علوم و تکنولوژی کاخ سفید یک گروه کاری بین بخشی IWGN)) تأسیس کرد که خواست بخشهای علمی و صنعتی و دولت بود و موظف شد تا چشم انداز ایالات متحده را در مورد نانوتکنولوژی در طی 10 الی 20 سال آینده توسعه دهد.
دولت ایالات متحده در طی سال 1999 حدود 260 میلیون دلار در این تکنولوژی سرمایه گذاری کرده است. کلینتون نیز پیشنهاد افزایش بودجة نانوتکنولوژی را تا حدود 227 میلیون دلار در سال 2001 را داده است. گروهIWGN پیش بینی میکند که نانوتکنولوژی موجب پیشرفت در زمینه هایی مانند تکنولوژی اطلاعات، پزشکی، علوم زیست، صنعت خودرو، انرژی و امنیت ملی خواهد شد.
این گروه موارد زیر را امکانپذیر میبیند:
v در پزشکی، نانو ذراتی که به توزیع آسان دارو در قسمتهای بدن کمک میکنند. این وسایل به اصطلاح کوچک که از دارو ساخته شدهاند با لایههایی از نانو ذرات پوشیده شدهاند و میتوانند به قسمتهای مختلفی از بدن برسند و بیماریهای از قبیل سرطان را درمان کنند. غدد پروستات و قطعات مصنوعی نیز ممکن است، با این نانو ذرات پوشیده شوند تا از عکسالعملهای ناخواسته جلوگیری کنند. پیشرفت در تشخیص بیماریها نیز قابل پیشبینی است، همانطور که دستگاههای جدیدی که بر اساس تشخیص DNA یا پروتئین پایه گذاری شده اند و میتوانند از مقدار ناچیزی خون به طور همزمان وجود چندین بیماری را تشخیص بدهند.
v در صنایع الکترونیکی، تولید کامپیوترهای سریعتر و بهتر در اندازههای بسیار کوچک مدنظر است. هم اکنون یک هد مغناطیسی با اندازة حدود نانو تولید شده که اطلاعات را از دیسک سخت میخواند. همچنین تراشه های حافظه با اندازة نانو مدنظر هستند که قدرت ذخیرهای برابر با هزاران تراشه فعلی را دارا خواهند بود.
v در علوم زیست محیطی، غشاءهای نانویی فیلترهایی برای سد نفوذ آلودگیها هستند و همچنین قادر خواهند بود تا آلودگیها را با روشهای شیمیایی یا بیولوژیکی پیدا کرده و برطرف کنند. بسیاری چالشها تا بیش از اینکه دانشمندان بتوانند پرده از راز جهان در مقیاس نانو بردارند، باقی خواهد ماند. طبق گزارش اخیر که توسط گروه IWGN ارائه شده است: این عرصه، امروز تقریبا همانجایی است که علم و تکنولوژی بدنبال ترانزیستورها در اواخر دهه های 1940 و 1950 قرار داشت".
اما با در دست داشتن ابزارهای جدید برای دیدن اشیاء کوچک، آزمایشگاهها در کشور کم کم به این مطلب پی میبرند که چگونه اتمها و مولکولها در یک ماده مرتب میشوند. تعدادی از آزمایشگاهها یاد میگیرند که چگونه مولکولها را در الگوهای خاص مانند هرم یا چند ضلعی، خود اسمبل کنند. این مطلب به عنوان یک گام مهم در جهت ساختن مواد نو توسط اتم با اتم به شمار میرود.
دانشمندان امیدوارند به زودی بتوانند موادی از نانو تیوبهای کربنی بسازند که ترتیب قرار گرفتن
اتمهای کربن در آن مانند قرار گرفتن مدادها در داخل یک جعبه است. چنین موادی یک _ ششم دانسیته فولاد را خواهند داشت و مقاومت آنها 50 الی 100 برابر است. آقای Richard Smalley، کسی که در دانشگاه Rice روی نانو تیوبها کار میکند میگوید: ما میدانیم که چگونه آنها را به صورت خود اسمبل بسازیم و این که چگونه مواد دیگر را بپوشانند. این نانو تیوبهای کربنی، مطابق بسیاری از پیش بینیها یک روز تمام چیزها از ماشین تا هواپیما را میپوشاند تا به سطوح آنها استحکام و مقاومت و در نتیجه عمر بیشتری بدهد.
طبیعت برای میلیونها سال صاحب نانوتکنولوژی بوده است و دانشمندان مانند Smalley عقیده دارند که میتوان مطالب بسیاری را با نگاهکردن به سلولها آموخت. او میگوید که تمام آنزیمها در سلولهای ما نانوماشینهایی هستند که وظایف منحصر به فردی را جهت تکامل و رشد انجام میدهند.
گروه Nadrian Seeman در دانشگاه New Yourk تلاش میکند، یک مولکول بیولوژیکی دیگرDNA به عنوان جزء سازنده برای اشیاء سه بعدی به کار برد. آزمایشگاه وی اخیراً یک دستگاه نانو روبوتیک ساخت که از DNA ساخته شده بود و دو بازو داشت و میتوانست بین دو نقطة ثابت حرکت کند.
پژوهشگران میگویند که این وسیله گام اول به سوی توسعة نانوتکنولوژی است که یک روز خواهد توانست مولکولها را در نانو کارخانه هایی با همان ابعاد به کار گیرد.
برخی میگویند که ما زمانی قادر خواهیم بود تا همه چیز را از قطعات ریز بسازیم. مثلاً بدین صورت که به کامپیوتر تعدادی عناصر داده شده و به وی دستور داده میشود تا همه چیز، از سیب تا یک ماشین را بسازد. Schnider گفته است: این جادو نیست، این ایده جادو نیست.

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

1. محصولات خود_اسمبل
2. کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3. اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)
4. سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5. نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع 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

برخی کاربردها

مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

در سازمان دهی و دستکاری مواد در مقیاس نانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ، شیمی تحلیلی ، خصوصا مدل ‌سازی مولکولی و شبیه ‌سازی است. امروزه ابزار تحقیقاتی فراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America می‌گوید:"روشهای تجربی مستلزم بهره‌گیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلی این امکان را برای هر فرد مهیا می‌سازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانه‌ای را در 24 ساعت شبانه ‌روز انجام دهد. شیمیدانها می‌توانند با انجام آزمایشها توسط رایانه ‌، احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی را وسعت دهند.
نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینه‌های آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایه‌ گذاری اولیه جهت تهیه نرم‌افزار و هزینه‌های وابسته از جمله سخت‌افزار جدید ، آموزش و تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزار می‌توان هریک از هزینه‌های اولیه را نه تنها از طریق صرفه‌جویی در هزینه آزمایشگاه بلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه ‌سازی فرآیندها و عملکردها می‌شود، جبران ساخت.
این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهای شبیه‌سازی چطور می‌توانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهای آزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار می‌شود که شگفتی جهان دانشمندان نظری وارد عمل می‌شود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانین کوانتوم وارد صحنه می‌شود. پیش‌بینی رفتار و خواص در محدوده ای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتی است.
مدل‌سازی رایانه‌ای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یا شبیه‌سازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیش‌بینی رفتار در مقیاس نانو و یا حدود آن قادر می‌سازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر از مدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازها می پردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت به شبیه سازی مولکولی عمل می‌کنند. می‌توان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ، مخلوطهای پلیمر و مواد ساخته‌شده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

حسن جمعه 23 اردیبهشت‌ماه سال 1390 ساعت 04:05 ب.ظ