نانو‌تکنولوژی به زبان ساده

نانو‌تکنولوژی به زبان ساده

معرفی

نانو تکنولوژی را می‌توان بسط قوانین دانش‌های موجود در ابعاد نانو یا حتی طرح‌ریزی جدید دانش‌های موجود با رویکردی نوین دانست.

مفاهیم بنیادین

یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است . برای آن‌که تصوری از این ابعاد داشته‌ باشید می‌توانید فرض کنید 10 اتم هیدروژن پشت سر هم به خط شده‌اند (لطفا نگران امکان فیزیکی‌ی این فرض نباشید! ). طول این قطار هیدروژنی،1 نانومتر است. اگر تصوری از اندازه‌ی اتم هیدروژن ندارید به این مثال توجه کنید:نسبت نانومتر به متر تقریبا مثل نسبت شعاع یک تیله‌ی کوچک است به شعاع کره‌ی زمین.

معرفی رشته

نانو‌تکنولوژی زمینه‌ای از دانش کاربردی است که مباحث متنوعی را پوشش می‌دهد وهدف اصلی آن کنترل ماده در ابعاد 1 تا 100 نانومتر ونیز ساخت ومهندسی وسیله‌هایی در این ابعاد است.
این دانش یک دانش میان‌رشته‌ای است که از رشته‌های متعدد و متنوعی مشتق شده ‌است، رشته‌هایی نظیر فیزیک، مهندسی مواد، پلیمر، مهندسی برق، و مهندسی مکانیک. البته به فراخور نیاز از رشته‌های دیگر نیز بهره می‌گیرد.
نانو تکنولوژی را می‌توان بسط قوانین دانش‌های موجود در ابعاد نانو یا حتا طرح‌ریزی جدید دانش‌های موجود با روی‌کردی نوین دانست. دو روی‌کرد اصلی در نانو تکنولوژی مورد توجه قرار می‌گیرد: روی‌کرد از بالا به پایین و روی‌کرد از پایین به بالا که در اولی یک نانوشیء از موجودات بزرگ‌تری بدون کنترل بر سطح اتمی تشکیل می‌شود در حالی‌که در دومی مواد از ترکیبات مولکولی که خود را به طور شیمیایی خود‌آرایی می‌کنند تشکیل می‌شود.
پیشرفت علم و تکنولوژی وتولید ابزارهای دقیق سنجشی نظیر میکروسکپ نیروی اتمی(AFM) و میکروسکپ تونل‌زنی‌ی پیمایشی(STM) به پژوهش ونو‌آوری در عرصه‌ی نانو شتاب قابل ملاحظه‌ای بخشید.

کمی تاریخچه...

نخستین جرقه‌ی شکل‌گیری‌ی نانوتکنولوژی به عنوان یک دانش فراگیر در نشست انجمن فیزیک امریکا در29 دسامبر1959 زده شد. جایی‌که ریچارد فاینمن«Richard Feynman» (اطلاعات خود را مرور کنید! نام اورا قبلا جایی ندیده‌اید؟) سخن‌رانی مشهور خود را باعنوان« در آن پایین فضای زیادی هست!» ایراد کرد. او در این سخن‌رانی فر‌آیندی را پیش‌بینی و توصیف کرد که با پی‌گیری‌ی آن انسان قادر به دست‌کاری‌ی اتم‌ها و مولکول‌های منفرد است.
بااین‌وجود واژه‌ی نانوتکنولوژی «Nano technology» نخستین‌ بار توسط نوریو تانی‌گو‌چی «Norio Taniguchi» در سال 1974 میلادی به‌ کار برده شد. او نانوتکنولوژی را چنین توصیف می‌کند: نانوتکنولوژی به‌طور عمده شامل فرآیند تفکیک، تقویت، وتغییر شکل مواد به صورت تک‌اتم یا تک‌مولکول است.....
شش سال بعد یعنی در سال 1980 میلادی اریک دریکسلر«Eric Drexler» ایده‌ی زیر‌بنایی این تعریف را مورد کاوش قرار داد. او اهمیت فناوری پدیده‌های در ابعاد نانو را توسعه داد و در همین راستا کتاب «موتور آفرینش» را به رشته‌ی تحریر در‌آورد.
فناوری و دانش نانو در اوایل دهه‌ی 80 میلادی با تولد دانش خوشه‌ای«cluster science» (شاخه‌ای از فیزیک که به ذرات کوچک چند اتمی می‌پردازد.) واختراع میکروسکوپ تونل‌زنی‌ی پیمایشی (STM) با توانی بیش از پیش وارد مرحله‌ی جدیدی از حیات خود شد....

دورنمایی از ماده

بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی‌ی ماده تحت تأثیر اندازه‌ی سیستم است. یعنی بسیاری از این ویژگی‌ها با کوچک شدن اندازه‌ی سیستم تغییر می‌کند.
مکانیک آماری ونیز کوانتم مکانیک این تغییرات را پیش‌بینی و توصیف می‌کنند.
اثرهای کوانتمی با گذار از ابعاد متر به میکرومتر مشاهده نمی‌شوند. اما وقتی به ابعاد نانومتر برسیم قوانین حاکم بر رفتار سیستم کما‌بیش کوانتمی خواهد‌بود.
به‌علاوه شمار زیادی از ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی، الکتریکی، نوری و...در مقایسه با همین ویژگی‌ها در اندازه‌های ماکروسکپی(درشت مقیاس) تغییر خواهد کرد. ضمن آن‌که در ابعاد نانو ویژگی‌های خاص ذرات، دریچه‌ای به سوی تعامل با زیست‌مواد (biomaterial) می‌گشاید.
همان‌طور که در بالا اشاره شد مواد در ابعاد نانو نسبت به ابعاد ماکروسکپی ویژگی‌های متفاوتی از خود به نمایش می‌گذارند. به عنوان نمونه:
ماده‌ی کدر شفاف می‌شود(مس).
ماده‌ی ساکن متحرک می‌شود(پلاتینیم).
جامد در دمای اتاق به مایع تبدیل می‌شود(طلا).
نارسانا ،رسانا می‌شود(سیلیکون). و...
بسیاری از ویژگی‌های جذاب و فریبنده‌ی نانو تکنولوژی از همین پدیده‌های رویه‌ای وکوانتمی منحصر به فردی ناشی می‌شود که مواد در ابعاد نانو از خود به نمایش می‌گذارند.

نانو در پزشکی، شیمی و انرژی

- مواد نانو متخلخل نمونه‌ای از موادی هستند که در‌حالی‌که از ملکول‌های کوچک دارو ونگه‌داری می‌کنند، آن‌های را به محل موردنظر که از پیش تعیین شده، انتقال می‌دهند ... - روش‌های کاتالیز و فیلتراسیون (تصفیه) شیمیایی دو مثال برجسته از زمینه هایی هستند که نانوتکنولوژی همواره در آن‌های موثر بوده است ... - نانوتکنولوژی بازده تبدیل انرژی را به کمک استفاده از نانوساختارهایی با پیوستاری از شکاف‌های انرژی، افزایش می‌دهد.

کاربردهای نانو در پزشکی

در پزشکی و زیست‌شناسی، ویژگی‌های منحصر به فرد نانومواد به منظورهای مختلفی به کار گرفته می‌شوند. واژه‌هایی نظیر نانوتکنولوژی زیست‌داروها،‌ بیونانوتکنولوژی و نانوپزشکی برای توصیف این دانش تلفیقی به‌کار می‌روند.
کارآیی ساختارها و مولکول‌های زیستی هنگامی که نانومواد به آن‌ها اضافه می‌شوند،‌افزایش می‌یابد. مقیاس اندازه‌ی نانومواد در حدود مقیاس ساختارها و مولکول‌های زیستی است. بنابراین نانو مواد می‌توانند برای کاربردها و تحقیقات زیست‌پزشکی هم در محیط‌های طبیعی و هم در محیط‌های مصنوعی به‌کار گرفته شوند.
ترکیب در زمینه‌ی نانومواد و زیست‌شناسی به ایجاد و توسعه‌ی ابزارهای تشخیصی، عامل‌های هم‌سنجی ابزارهای تحلیل، کاربردهای درمان فیزیکی و حامل‌های تحویل دارو و ... منجر شده است..

تحویل دارو

کل مصرف دارو و نیز عوارض جانبی آن به‌وسیله‌ی جای‌گزینی مناسب حامل فعال دارو صرفا در موضع درد و محل تمرکز بیماری به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. این دسترسی انتخابی به محل مورد نظر، هزینه‌های مادی و نیز رنج‌های انسانی بسیاری را کاهش می‌دهد. مواد نانو متخلخل نمونه‌ای از موادی هستند که در‌حالی‌که از ملکول‌های کوچک دارو نگه‌داری می‌کنند، آن‌ها را به محل موردنظر که از پیش تعیین شده، انتقال می‌دهند.
روش دیگری برای کاهش مصرف دارو به‌کارگیری سیستم‌های الکترومکانیکی کوچک است.هدف از بکارگیری این سیستم‌ها، آزاد کردن فعال داروهاست. مثلا از این روش برای درمان سرطان به‌وسیله‌ی نانوذرات آهن یا پوسته‌های طلا استفاده‌می‌شود.

مهندسی بافت

نانوتکنولوژی می‌تواند به بازتولید و نیز بازسازی بافت‌های تخریب ‌شده و معیوب کمک کند. این کار توسط «مهندسی بافت» انجام می‌شود. مهندسی بافت به زودی جای‌گزین درمان‌های متعارف امروزی نظیر پیوند عضو، القاء مصنوعی و .. می‌شود.
بخشی از عملیات مهندسی بافت استفاده از نانومواد برای تکثیر سلول‌های برانگیخته به روش مصنوعی است.
باید توجه کرد که راه‌بردها و دستاوردهای مهندیسی بافت،‌ باید در چارچوب موازین اخلاقی قرار داده شود. به همین منظور بحث‌های گسترده‌ای در سطح بین‌المللی مطرح است و به تدریج قوانین متعددی در این زمینه به تصویب می‌رسد.

کاربردهای نانو در شیمی

روش‌های کاتالیز و فیلتراسیون (تصفیه) شیمیایی دو مثال برجسته از زمینه هایی هستند که نانوتکنولوژی همواره در آن‌های موثر بوده است.
همان‌طور که می‌دانیم ترکیب مواد مختلف،‌فر‌اورده‌های جدیدی با ویژگی‌های متفاوت شیمیایی ( و اگر بتوانیم فرآیند واکنش را به نوعی کنترل کنیم موادی با ویژگی‌های متفاوت و مناسب )‌تولید می‌کند.
بنابراین به این معنا شیمی در حقیقت با دانش نانو ارتباطی نزدیک دارد.
به طور مختصر، شیمی نانومواد جدیدی تولید می‌کند. به یک معنی همه‌ی ترکیبات شیمیایی می‌توانند توسط نانوتکنولوژی توضیح داده شوند.

کاتالیز

سودمندی استفاده از نانومواد به عنوان کاتالیزگرهای شیمیایی به‌دلیل نسبت بزرگ سطح به حجم این مواد است. نانوذرات می‌توانند در کاتالیز در سلول‌های سوختی، مبدل‌های کاتالیک و حتی ابزارهای کاتالیز نوری به‌کار گرفته شوند.

فیلتراسیون (تصفیه)

نانوشیمی در فرآیند تصفیه فاضلاب‌ها، تصفیه‌ی هوا، در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی و ... نقش مهمی بازی می‌کند.
روش‌های مکانیکی و شیمیایی می‌توانند برای تکنیک‌های تصفیه مورد استفاده قرار گیرند. یکی از این مراحل تصفیه استفاده از غشاهایی با سوراخ‌هایی به اندازه‌ی مناسب است، به‌وسیله‌ی این روش مایع در میان غشا فشرده می‌شود. غشاهای نانومتخلخل برای تصفیه‌ی مکانیکی می‌توانند از نانولوله‌ها تشکیل شوند و منافذی بسیار کوچک،‌ حتی کوچک‌تر از 10 نانومتر داشته باشند.
اساسا نانو تصفیه برای تفکیک یون‌ها و جداسازی سیالات به‌کار گرفته می‌شود.
نانوذرات مغناطیسی روشی کارآمد و موثر برای زدودن آلاینده‌های فلزهای سنگین از فاضلاب‌ها به کمک استفاده از شگرد جداسازی مغناطیسی است.
استفاده از ذرات نانومغناطیس، بازده جذب آلاینده‌ها را افزایش می‌دهد و نسبت به روش‌های سنتی تصفیه، ارزان‌تر است.

کاربردهای نانو در انرژی

پیشرفته‌ترین طرح‌های نانوتکنولوژی که به نوعی به انرژی مربوط‌اند عبارت‌اند از:
ذخیره‌سازیف تبدیل، تولید بهینه بوسیله‌ی کاهش آهنگ فرآیندها و مواد، صرفه‌جویی انرژی (به عنوان مثال به وسیله‌ی عایق‌سازی گرمایی بهتر) و منابع انرژی تجدید‌پذیر پیشرفته.

کاهش مصرف انرژی

روشی عملی برای کاهش مصرف انرژی،‌عایق‌بندی بهتر سیستم‌هاست.
این کار با استفاده از سیستم‌های کارآمدتر سوخت و روشنایی، استفاده از مواد سبک‌تر با استحکام بیشتر در صنعت حمل و نقل و ... قابل حصول است.
لامپ‌های متداول امروزی صرفا حدود 5 درصد انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند. دستاوردهای نانوتکنولوژی نظیر دیودهای گسیل نوری (LED) به کاهش شدید مصرف انرژی در وسایل روشنایی ‌زا می‌انجامد.

افزایش کارآیی تولید انرژی

بهترین سلول‌های خورشیدی امروزی لایه‌هایی از چندین نیمه‌رسانای مختلف است که روی هم قرار دارند و به این ترتیب نور با انرژی‌های مختلف (بسامدهای مختلف) را جذب می‌کنند.
این سلول‌ها ، صرفا از 40 درصد انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند.
نانوتکنولوژی بازده تبدیل انرژی را به کمک استفاده از نانوساختارهایی با پیوستاری از شکاف‌های انرژی، افزایش می‌دهد.
میزان بازده موتور احتراق داخلی حدود 30 درصد تا 40 درصد در لحظه است.
نانوتکنولوژی می‌تواند این بازده را به‌وسیله‌ی طراحی کاتالیزگرهای ویژه‌ای با بیشینه سطح ممکن افزایش دهد.

استفاده از سیستم‌های انرژی دوست‌دار محیط

سلول‌های سوختی که توان خود را از سوخت هیدروژن تامین می‌کنند نمونه‌ای از چنین سیستم‌هایی هستند.
این سلول‌ها بر مبنای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر تولید شده‌اند (البته به طور ایده‌آل).
نانوتکنولوژی می‌تواند در کاهش بیشتر آلاینده‌های تولید شده در موتورهای احتراق نقش موثری داشته باشد. این کار توسط فیلترهای نانومتخلخل، یا با پوشش‌ کاتالیزوری روی دیواره‌های سیلندر و یا با نانوذرات کاتالیزوری به عنوان ماده افزودنی به سوخت، انجام می‌شود.

باتری‌های بازیافتی

به خاطر چگالی انرژی نسبتا پایین باتری‌ها، زمان کارکرد آن‌های محدود است. بنابراین آن‌ها به تعویض یا شارژ مجدد نیاز دارند.
به کمک صنعت نانو می‌توان باتری‌هایی با ظرفیت انرژی بالاتر یا باتری‌هایی قابل شارژ و یا حتی ابرخازن‌هایی با میزان شارژکنندگی بیشتر – که از نانو مواد در آن‌ها استفاده می‌شود – طراحی و تولید کرد.

کاربرد نانو در صنایع سنگین، فناوری اطلاعات و کالاهای مصرفی

- مواد سبک‌تر و با استحکام بیشتر کاربردهای وسیعی در سازه‌های حمل و نقل، هوانوردی و نیز در فضانوردی دارند. - در فناوری اطلاعات نوین، دستگاههای الکتریکی آنالوگ قدیمی به وسیله‌ی دستگاه‌های الکترونوری یا نوری جایگزین می‌شوند. زیرا این دستگاه‌ها به ترتیب پهنای باند و ظرفیت بیشتری نسبت به دستگاه‌های قبلی دارند. - نانوتکنولوژی به سرعت بازار کالاهای مصرفی را با تولید محصولاتی با کارایی‌های نوین تحت سلطه‌ی خود در می‌آورد.

کاربرد نانو در صنایع سنگین

برخی کاربردهای قطعی و اجتناب‌ناپذیر نانوتکنولوژی در صنایع سنگین است:

هوانوردی

مواد سبک‌تر و با استحکام بیشتر کاربردهای وسیعی در سازه‌های هوانوردی و نیز در فضانوردی دارند. زیرا در هر دو مورد وزن شاخص مهمی در فرآیندها و دستگاه‌های هوانوردی و فضانوردی است.

پالایش‌گاه‌ها

با استفاده از کاربردهای نانوتکنولوژی محصولات پالایش‌گاه‌ها (نظیر فولاد و آلومینیوم) با خلوص بیشتری تولید خواهند شد.

صنعت حمل و نقل

مواد سبکی که در عین حال از استحکام خوبی هم برخوردار باشند، در صنعت حمل و نقل نیز به‌کار گرفته می‌شوند. وسایلی که از این مواد ساخته شده باشند، هم سرعت بیشتری دارند و هم از امنیت بیشتری برخوردارند.

سازه‌های ساختمانی

بتن یکی از مهم‌ترین سازه‌های ساختمانی است که هرچه مقاومت و نفوذپذیری آن بالاتر باشد، ‌مرغوب‌تر است. با اضافه کردن نانوذرات ویژه‌ای به سنگ‌های متخلخل بتن و پخش یکنواخت این ذرات می‌توان بتنی با مقاومت بالا، نفوذپذیری کم و البته به طور قابل‌ملاحظه ای سبک تولید کرد.

کاربردهای نانو در فناوری اطلاعات و ارتباطات
دستگاه‌های نیمه‌رسانای جدید

دستگاه‌هایی که ساختار آنها بر اسپینوترنیک مبتنی است نمونه‌ای از به‌کارگیری نانوتکنولوژی در صنعت ارتباطات و فناوری اطلاعات است. مقاومت ماده در برابر میدان خارجی که از اسپین الکترون‌ها ناشی می‌شود، مقاومت مغناطیسی نام دارد. این مقاومت می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای در اشیاء نانومقیاس تقویت شود. این مقاومت مغناطیسی که به GMR موسوم است میزان چگالی ذخیره‌ای داده‌ها را در دیسک سخت افزایش می‌دهد.
نوع دیگری از مقاومت مغناطیسی، مقاومت مغناطیسی تونل‌زن (TMR) است و به دلیل وابستگی اسپین الکترون‌ها به تونل‌زنی آن الکترون از لایه‌های فرومغناطیس مجاور اتفاق می‌افتد.
اثرات GMR و TMR هردو می‌توانند در ساخت یک حافظه‌ی اصلی غیر فرار برای کامپیوترها مورد استفاده‌ی علمی قرار گیرند. چنین کاربردی در ساختار حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی (MRAM) دیده می‌شود.
در فناوری اطلاعات نوین، دستگاههای الکتریکی آنالوگ قدیمی به وسیله‌ی دستگاه‌های الکترونوری یا نوری جایگزین می‌شوند. زیرا این دستگاه‌ها به ترتیب پهنای باند و ظرفیت بیشتری نسبت به دستگاه‌های قبلی دارند.
در این عرصه بلورهای فوتونیک و نقاط کوانتومی دو موضوعی هستند که نتایج تحقیقات در باره‌ی آنها بسیار امیدبخش است.
بلورهای فوتونیک موادی هستند با یک متغییر تناوبی در شاخص انکساری با یک شبکه که نصف طول‌موج نوری است که مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این بلورها شبیه نیمه‌رساناها عمل می‌کنند، با این تفاوت که نیمه‌رساناها با الکترون‌ها سروکار دارند ولی این بلورها با نور و فوتون‌ها.

کامپیوترهای کوانتمی

تمام دستاوردهای جدید در زمینه‌ی کامپیوتر از قوانین کوانتم برایکامپیوترهای کوانتمی جدید استفاده می‌کند. این کامپیوترها سبب کوتاه شدن زمان انجام الگوریتم می‌شوند.

کالاهای مصرفی

نانوتکنولوژی به سرعت بازار کالاهای مصرفی را با تولید محصولاتی با کارایی‌های نوین تحت سلطه‌ی خود در می‌آورد:

مواد غذایی

نانوتکنولوژی در زمینه‌ی تولید، فناوری و بسته‌بندی محصولات غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآیند پوشش توسط نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند صنعت بسته‌بندی غذاها را دگرگون کند. این روش بدین ترتیب انجام می‌شود که عوامل ضد میکروب به طور مستقیم در سطح لایه‌ی پوشش قرار می‌گیرند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند گذردهی گاز از میان فیلترهای مختلف را به فراخور شرایط و برحسب نیاز برای محصولات مختلف افزایش یا کاهش دهند. ضمنا می‌توانند ویژگی های مکانیکی و مقاومت در برابر گرما را بهبود بخشند و نیز میزان عبور اکسیژن را کاهش دهند.

محصولات خانگی

برجسته‌ترین کاربرد فناوری اطلاعات تولید شیشه‌ها یا سرامیک‌هایی با سطوح خودتمیزکن (Self-Cleaning) است.
ذرات نانو سرامیک همواری و مقاومت گرمایی ابزارهای متداول خانگی را بهبود می‌بخشد.

نور

نانواپتیک امروزه می‌تواند دقت انواع اعمال جراحی بر روی چشم به کمک لیزر را افزایش دهد.

منسوجات

با استفاده از نانوالیاف لباس‌های ضدآب، ضدلک و ضد چروک تولید می‌شود. چنین لباس‌هایی نیاز به شستشوی کمتری و نیز نسبت به لباس‌‌های معمولی با آب با دمای کمتری شسته می‌شوند.