مباحثي درباره ي نانو
يک نانومتر چقدر است؟
يک نانومتر يک ميلياردم متر (10-9 m) است. اين مقدار حدودا چهار برابر قطر يک اتم است. مکعبي با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترين آي سيهاي امروزي با ابعادي در حدود 250 نانومتر در هر لايه به ارتفاع يک اتم ، حدود يک ميليون اتم را در بردارند. در مقايسه يک جسم نانومتري با اندازهاي حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر يک موي انسان است.
امکان مهندسي در مقياس مولکولي براي اولين بار توسط ريچارد فاينمن (R.Feynnman) ، برنده جايزه نوبل فيزيک مطرح شد. فاينمن طي يک سخنراني در انستيتو تکنولوژي کاليفرنيا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مباني فيزيک امکان ساخت اتم به اتم چيزها را رد نميکند. وي اظهار داشت که ميتوان با استفاده از ماشينهاي کوچک ماشينهايي به مراتب کوچکتر ساخت و سپس اين کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.
همين عبارتهاي افسانه وار فاينمن راهگشاي يکي از جذابترين زمينههاي نانو تکنولوژي يعني ساخت روباتهايي در مقياس نانو شد. در واقع تصور در اختيار داشتن لشکري از نانو ماشينهايي در ابعاد ميکروب که هر کدام تحت فرمان يک پردازنده مرکزي هستند، هر دانشمندي را به وجد ميآورد. در روياي دانشمنداني مثل جي استورس هال (J.Storrs Hall) و اريک درکسلر (E.Drexler) اين روباتها يا ماشينهاي مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزي به هر شکل دلخواهي در ميآيند. شايد در آيندهاي نه چندان دور بتوانيد به کمک اجراي برنامه اي در کامپيوتر ، تخت خوابتان را تبديل به اتومبيل کنيد و با آن به محل کارتان برويد.
چرا اين مقياس طول اينقدر مهم است؟
خواص موجي شکل (مکانيک کوانتومي) الکترونهاي داخل ماده و اثر متقابل اتمها با يکديگر از جابجايي مواد در مقياس نانومتر اثر ميپذيرند. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتي مواد ازجمله دماي ذوب ، خواص مغناطيسي ، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در ترکيب شيميايي بوجود ميآيد. استفاده از اين پتانسيل به محصولات و تکنولوژيهاي جديدي با کارآيي بالا منتهي ميشود که پيش از اين ميسر نبود.
نظام سيستماتيک ماده در مقياس نانومتري ، کليدي براي سيستمهاي بيولوژيکي است. نانوتکنولوژي به ما اجازه ميدهد تا اجزاء و ترکيبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جديدي را با استفاده از روشهاي جديد خود_اسمبلي بسازيم. در روش خود_اسمبلي به هيچ روبات يا ابزار ديگري براي سرهم کردن اجزاء نيازي نيست. اين ترکيب پر قدرت علم مواد و بيوتکنولوژي به فرآيندها و صنايع جديدي منتهي خواهد شد.
ساختارهايي در مقياس نانو مانند نانو ذرات و نانولايهها داراي نسبت سطح به حجم بالايي هستند که آنها را براي استفاده در مواد کامپوزيت ، واکنشهاي شيميايي ، تهيه دارو و ذخيره انرژي ايدهال ميسازد. سراميکهاي نانوساختاري غالبا سختتر و غيرشکنندهتر از مشابه مقياس ميکروني خود هستند. کاتاليزورهاي مقياس نانو راندمان واکنشهاي شيميايي و احتراق را افزايش داده و به ميزان چشمگيري از مواد زائد و آلودگي آن کم ميکنند. وسايل الکترونيکي جديد ، مدارهاي کوچکتر و سريعتر و … با مصرف خيلي کمتر ميتوانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آيند. اينها تنها اندکي از فوايد و مزاياي تهيه مواد در مقياس نانومتر است.
منافع نانوتکنولوژي چيست؟
مفهوم جديد نانوتکنولوژي آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روي علم و تکنولوژي در مسيرهاي غيرقابل پيش بيني تأثير بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژي عبارتند از: لاستيکهاي مقاوم در برابر سايش که از ترکيب ذرات خاک رس با پليمرها بدست آمدهاند، شيشههايي که خودبه خود تميز ميشوند، مواد دارويي که در مقياس نانو ذرات درست شدهاند، ذرات مغناطيسي باهوش براي پمپهاي مکنده و روان سازها ، هد ديسکهاي ليزري و مغناطيسي که با کنترل دقيق ضخامت لايهها از کيفيت بالاتري برخوردارند، چاپگرهاي عالي با استفاده از نانو ذرات با بهترين خواص جوهر و رنگ دانه و ... .
قابليتهاي محتمل تکنيکي نانوتکنولوژي
محصولات خود_اسمبل
کامپيوترهايي با سرعت ميلياردها برابر کامپيوترهاي امروزي
اختراعات بسيار جديد (که امروزه ناممکن است)
سفرهاي فضايي امن و مقرون به صرفه
نانوتکنولوژي پزشکي که در واقع باعث ختم تقريبي بيماريها ، سالخوردگي و مرگ و مير خواهد شد.
دستيابي به تحصيلات عالي براي همه بچههاي دنيا
احياء و سازماندهي اراضي
برخي کاربردها
مدلسازي مولکولي و نانوتکنولوژي
در سازمان دهي و دستکاري مواد در مقياس نانو ، لازم است تمامي ابزار موجود جهت افزايش کارايي مواد و وسايل بکار گرفته شود. يکي از اين ابزار ، شيمي تحليلي ، خصوصا مدل سازي مولکولي و شبيه سازي است. امروزه ابزار تحقيقاتي فراگيري مانند روشهاي شيمي تحليلي مزيتهاي فراواني نسبت به روشهاي تجربي دارند. ميهيل يورکاز شرکتContinental Tire North America ميگويد:"روشهاي تجربي مستلزم بهرهگيري از نيروي انساني ، شيميايي ، تجهيزات ، انرژي و زمان است. شيمي تحليلي اين امکان را براي هر فرد مهيا ميسازد که فعاليتهاي شيميايي چندگانهاي را در 24 ساعت شبانه روز انجام دهد. شيميدانها ميتوانند با انجام آزمايشها توسط رايانه ، احتمال فعاليتهاي غيرمؤثر را از بين ببرند و گستره احتمالي موفقيتهاي آزمايشگاهي را وسعت دهند.
نتيجه نهايي اين امر ، کاهش اساسي در هزينههاي آزمايشگاهي (مانند مواد ، انرژي ، تجهيزات) و زمان است." از طرف ديگر ، در شيمي تحليلي سرمايه گذاري اوليه جهت تهيه نرمافزار و هزينههاي وابسته از جمله سختافزار جديد ، آموزش و تغييرات پرسنل بسيار بالا خواهد بود. ولي با بکار گيري هوشمندانه اين ابزار ميتوان هريک از هزينههاي اوليه را نه تنها از طريق صرفهجويي در هزينه آزمايشگاه بلکه بوسيله فراهم نمودن دانشي که منجر به بهينه سازي فرآيندها و عملکردها ميشود، جبران ساخت.
اين موضوع براي شيميدانها بسيار مناسب است، ولي روشهاي شبيهسازي چطور ميتوانند براي نانوتکنولوژيستها مفيد واقع شود؟ محدوديتهاي آزمايشگر در مقياس نانو ، زماني آشکار ميشود که شگفتي جهان دانشمندان نظري وارد عمل ميشود. در اينجا هنگامي که دانشمندان قصد قرار دادن هر يک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانين کوانتوم وارد صحنه ميشود. پيشبيني رفتار و خواص در محدودهاي از ابعاد براي نانوتکنولوژيستها حياتي است.
مدلسازي رايانهاي با بکارگيري قوانين اوليه مکانيک کوانتوم و يا شبيهسازيهاي مقياس مياني ، دانشمندان را به مشاهده و پيشبيني رفتار در مقياس نانو و يا حدود آن قادر ميسازد. مدلهاي مقياس مياني با بکارگيري واحدهاي اصلي بزرگتر از مدلهاي مولکولي که نيازمند جزئيات اتمي است، به ارائه خواص جامدات ، مايعات و گازها ميپردازند. روشهاي مقياس مياني در مقياسهاي طولي و زماني بزرگتري نسبت به شبيهسازي مولکولي عمل ميکنند. ميتوان اين روشها را براي مطالعه مايعات پيچيده ، مخلوطهاي پليمر و مواد ساختهشده در مقياس نانو و ميکرو بکار برد.
مدل سازي خاک رس
محققين دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبيهسازيهايي بر اساس مکانيک کوانتوم براي مطالعه و کامپوزيتهاي خاک رس–پليمر بکار بردهاند. امروزه اين ترکيبات يکي از موفقترين مواد نانوتکنولوژي هستند، زيرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکلپذيري از خود نشان ميدهند؛ خواصي که معمولاً در يکجا جمع نميشوند. نانو کامپوزيتهاي پليمر–خاک رس ميتوانند با پليمريزاسيون در جا تهيه شوند؛ فرآيندي که شامل مخلوط کردن مکانيکي خاک معدني با مونومر مورد نياز است. بنابراين مونومر در لايه دروني جايگذاري ميشود (خودش را در لايههاي درون ورقههاي سفال جاي ميدهد) و تورق کل ساختار را افزايش ميدهد. پليمريزاسيون ادامه مييابد تا سبب پيدايش مواد پليمري خطي و همبسته گردد.
دانشمندان با بکارگيري Castep (يک برنامه مکانيک کوانتوم که نظريه کارکردي چگالي را بکار ميگيرد) تحول کشف شده در اين روش را که پليمريزاسيون ميان گذار خود کاتاليست ناميده ميشود مطالعه کردند. اين پروژه ، دانشي نظري در زمينه ساز و کار اين فرآيند جديد را بوسيله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزيت فراهم نمود. ضروري است که دانش حاصل از شبيهسازيها ، جهت کنترل و مهندسي نمودن فعل و انفعالات پليمر-سيليکات به کمک دانشمندان آيد.
دانشمندان در شرکت BASF شبيه سازيهاي مقياس مياني را براي بررسي علم و رفتار ريزوارهها بکاربردند. ريزوارهها ذراتي کروي شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهاي کوپليمري ايجاد ميشوند و در زمينههايي مانند سنسورها وسايل آرايشي و دارو رساني کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گيري esoDyn ، يک ابزار شبيه سازي براي پيشبيني ساختارهاي مقياس مياني مواد متراکم محلولهاي تغليظ شده کوپليمرهاي آمفيفيليک را بررسي کردند.
شبيهسازيها مشخص نمود که کدام شرايط مولکولي و فرمولي به شکلگيري "ريزوارههاي معکوس" مانند نانو ذرات آب در يک محيط فعال منتهي ميشود. چنين نتايجي براي درک رفتار عوامل فعال سطحي ضروري هستند. به کمک روشهايي مانند پرتاب محلول در آزمايشگاه ميتوان به نتايجي در اين زمينه دست يافت، اما دستيابي به اين نتايج ماهها به طول ميانجامد، درحالي که آزمايشهاي شبيهسازي شده تنها طي چند روز نتيجه ميدهند.
محدوديتهاي اين روشها چيست؟
در حاليکه امروزه ابزار مدلسازي در سطح کوانتومي و مقياس مياني به خوبي توسعه يافتهاند، همچنان محدوديتهايي در اين عرصه وجود دارد. براي مثال کاربردهايي در زمينه وسايل الکترونيک مستلزم انجام محاسبات مکانيک کوانتوم براي تعداد اتمهايي بيش از روشهاي حاضر ميباشد که بيش از توان عملياتي منابع محاسبهگر فعلي است. همچنين مدلسازي کل وسايل امکانپذير نيست، بويژه عملکر نانو تکنو لوژي به زبان ساده
در نيم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوري عمده بوديم، كه باعث پيشرفت هاي عظيم اقتصادي در كشورهاي سرمايه گذار و ايجاد فاصله شديد بين كشورهاي جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدليل فقدان جرات علمي و عدم تصميم گيري بموقع ، به اين فرصتها پس از گذشت ساليان طلائي آن بها داده مي شد كه البته سودي هم براي ما به ارمغان نمي آورد، همچون فنآوري الكترونيك و كامپيوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه عليرغم توانائي دانشگاهي و داشتن تجهيزات آن، هيچگونه حضور تجاري در بازارهاي چند صد ميلياردي آن نداريم. فناوري نانو جديدترين اين فرصتها ست، كه كشور ما بايد براي حضور يا عدم حضور درآن خيلي سريع تصميم خود را اتخاذ كند.
علم و فناوري نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژي) توانائي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتري (ملكولي) و بهره برداري از خواص و پديده هاي اين بعد در مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. اين تعريف ساده خود دربرگيرنده معاني زيادي است. به عنوان مثال فناوري نانو با طبيعت فرا رشته اي خود، در آينده در برگيرنده همه ي فناوريهاي امروزين خواهد بود و به جاي رقابت با فن آوري هاي موجود، مسير رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « يك حرف از علم» يكپارچه خواهد كرد.
ميليونها سال است كه در طبيعت ساختارهاي بسيار پيچيده با ظرافت نانومتري ( ملكولي ) - مثل يك درخت يا يك ميكروب - ساخته مي شود. علم بشري اينك در آستانه چنگ اندازي به اين عرصه است، تا ساختارهائي بي نظير بسازد كه در طبيعت نيز يافت نمي شوند. فناوري نانو كاربردهاي را به منصه ظهور مي رساند كه بشر از انجام آن به كلي عاجز بوده است و پيامدهائي را در جامعه برجا مي گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسيار سبك و محكم براي مصارف مرسوم يا نو
o ورشكستگي صنايع قديمي همچون فولاد با ورود تجاري مواد نو
o كاهش يافتن شديد تقاضا براي سوخت هاي فسيلي
o همه گير شدن ابر كامپيوترهاي بسيار قوي، كوچك و كم مصرف
o سلاحهاي سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئي تر براي رادار
o شناسائي فوري كليه خصوصيات ژنتيكي و اخلاقي و استعدادهاي ابتلا به بيماري
o ارسال دقيق دارو به آدرس هاي مورد نظر در بدن و افزايش طول عمر
o از بين بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شيميائي و ميكروبي
o از بين بردن كامل ناچيز ترين آلاينده هاي شهري و صنعتي
o سطوح و لباسهاي هميشه تميز و هوشمند
o توليد انبوه مواد و ابزارهائي كه تا قبل از اين عملي و اقتصادي نبوده اند ،
o و بسياري از موارد غير قابل پيش بيني ديگر!
دكترDrexler در همايش جهاني نظام علمي در زمينه نانوتكنولوژي اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژيهاي ديجيتالي كپيبرداري را سريع، ارزان، كامل و عاري از هزينهبري يا پيچيدگي محتوايي نمودهاند. حال اگر همين وضعيت در جهان ماده اتفاق بيافتد چه ميشود. هزينه توليد يك تن تري بيت تراشههاي RAM تقريبا" معادل با هزينه بري ناشي از توليد همان مقدار فولاد ميشود".
دكترSmalley رئيس هيئت تحقيقاتي دانشگاه رايس و كاشف Buckyballs ميگويد:
" نانوتكنولوژي روند زيانبار ناشي از انقلاب صنعتي را معكوس خواهد كرد". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژي كه توسط آقايان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنين آمده است :
" تصور كنيد قادريد با نوشيدن دارو كه در آب ميوه مورد علاقهتان حل شده است سرطان را معالجه كنيد . يك ابر كامپيوتر را كه به اندازه يك سلول انسان است در نظر بگيريد. يك سفينه فضايي 4 نفره كه به دور مدار زمين ميگردد با هزينهاي در حدود يك خودروي خانوادگي تجسم كنيد" .
موارد فوق، فقط تعداد محدودي از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژي هستند. انسان در معرض يك انقلاب اجتماعي تسريع شده و قدرتمند است كه ناشي از علم نانوتكنولوژي است. در آينده نزديك گروهي از دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني با مقياس نانومتري ميگردند كه قادر به همانندسازي است. طي چند سال با توليد پنج ميليارد تريليون نانوروبات ، تقريبا" تمامي فرايندهاي صنعتي و نيروي كار كنوني از رده خارج خواهند شد. كالاهاي مصرفي به وفور يافتشده ، ارزان، شيك و با دوام خواهند شد. دارو يك جهش سريع و كوانتومي را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهاي فضايي و همانندسازي امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به اين دلايل و دلائلي ديگر، سبكهاي زندگي روزمره در جهان بطور زيربنايي متحول خواهد شد و الگوي رفتاري انسانها تحتالشعاع اين روند قرار خواهد گرفت.
سه فناوري تسخيركننده
از طرفي شايد بتوان گفت تسخيركنندگان علم و فناوري آينده در سه گروه فناوري اطلاعات، نانوفناوري و زيست فناوري خلاصه مي شوند.
قرارگيري مقادير و حجم زيادي از اطلاعات در فضائي كوچك از ابعاد هم گرائي نانوفناوري و فناوري اطلاعات مي باشد از طرفي در زيست فناوري و يا به عبارتي براي زيست شناسان قرار گيري حجم زيادي از اطلاعات در يك فضاي بسيار كوچك موضوعي بسيار آشنا مي باشد.
در كوچكترين سلول انساني همه اطلاعات مربوط به يك موجود زنده از قبيل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتي در قسمت بسيار كوچكي از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم مي باشد همه اين اطلاعات ذخيره مي گردد ( نه تنها سطح يا به عبارتي تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن اين زنجيره ها در ذخيره سازي اطلاعات زيستي اهميت دارد). شايد يكي از علل هم گرائي اين فناوري و فناوري اطلاعات وجود همين مسائل مشترك اين سه فناوري است.
ابزارهاي جديد براي كارهاي ظريف
اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسيد كه چه پيشرفتهاي عمده دستگاهي باعث شدهاند تا نانوتكنولوژي در خطوط مقدم تحقيقات علوم فيزيكي قرار گيرد، تقريبا" همه آنها به داستان ميكروسكوپ پروب اسكنكننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM يك پروب نانوسكوپي در ارتفاع ثابتي بر بالاي بستري از اتمها حفظ ميشود. اين فاصله ميتواند آنقدر كم باشد كه الكترونهاي اتمهاي تيرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. اين تعاملات ميتواند آنقدر قوي باشد، كه اتمها از جا كنده شده و به جاي ديگري بروند.)
اشاره ميكنند. عليرغم تازه واردگي به عرصه تحليل دستگاهي، استفاده از ميكروسكوپي تونلزني اسكنكننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسيلهاي براي تهيه تصوير از اتمهاي روي سطوح مواد، كه نقش مهمي در درك توپوگرافي و خواص الكتريكي مواد و رفتار قطعات ميكروالكترونيكي دارند. STM بر خلاف يك ميكروسكوپ نوري، براي تهيه تصوير نيروهاي الكتريكي را با يك پروب نازكشده به حد تيزي يك اتم آشكار ميكند. پروب سطح را جاروب كرده، بينظميهاي الكتريكي حاصل از پوستههاي الكتروني يا ابرالكتروني پيرامون اتمها را به كمك يك كامپيوتر به تصوير مبدل ميكند. به دليل يك اثر مكانيك كوانتومي موسوم به «تونلزني»، الكترونها ميتوانند به سادگي از تيرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاوير در حدود nm1 يا كمتر است. از STM ميتوان براي جابجايي تك به تك اتمها و تهيه نقشههاي پروضوح از سطوح مادي استفاده كرد.) ، ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) و ديگر تكنيكهاي مشتقشده از اين دو مورد اصلي در بسياري از آزمايشگاهها ، به دليل حجم زياد اطلاعاتي كه از مقياس نانومتر به دست مي دهند، متداول و حتي گريزناپذير شده است. ريچارد فينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در 1959 در مؤسسه تكنولوژي كاليفرنيا كه بعد در آنجا استاد فيزيك شد ايدههايي بنيادي در زمينه كوچكسازي نوشتجات، مدارها و ماشينها ايراد كرد : " آنچه من ميخواهم به شما بگويم، مسئله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دايرهالمعارف بريتانيكا را جا داد." فينمن براي به تفكر واداشتن محققين و تاكيد نمودن بر عقيدهاش مبني بر امكان فيزيكي چنين معجزهاي ، جايزههايي 1000 دلاري براي اولين افرادي كه به اهداف مشخص شده اي در كوچكسازي كتابها و موتورهاي الكتريكي دست يابند تعيين كرد. فينمن تاكيد كرد : " من در حال خلق ضد جاذبه نيستم كه به فرض روزي اگر قوانين (فيزيك) آنچه ما ميپنداريم، نبودند عملي شود. من صحبت از چيزي ميكنم اگر قوانين آنچه ما ميپنداريم باشند، عملي خواهد بود. ما به آن دست پيدا نكردهايم چون خيلي ساده هنوز درصدد انجام آن نبودهايم."
وضعيت جهاني
از فناوري نانو به عنوان "رنسانس فناوري" و" روان كننده جريان سرمايه گذاري " ياد مي شود.ورود محصولات متكي بر اين فناوري جهشي بس عظيم در رفاه و كيفيت زندگي و توانائي هاي دفاعي و زيست محيطي به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائي هاي بزرگ اقتصادي خواهد شد . هم اكنون بخش هاي دولتي و خصوصي كشورهاي مختلف جهان شامل ژاپن ، آمريكا، اتحاديه اروپا، چين، هند، تايوان، كره جنوبي، استراليا، اسرائيل و روسيه در رقابتي تنگاتنگ بر سر كسب پيشتازي جهاني در لااقل يك حوزه از اين فناوري به سر ميبرند . هم اكنون روي هم رفته حدود 30 كشور دنيا در زمينه فناوري نانو داراي "برنامه ملي" يا درحال تدوين آن هستند، وطي پنچ سال گذشته بودجه تحقيق و توسعه در امر فناوري نانو را به 5/3 برابر افزايش داده اند. كشورهاي ژاپن و آمريكا نيز فناوري نانو را اولين اولويت كشور خود در زمينه فناوري اعلام كرده اند .
امّا بطور كلي و خلاصه اينكه:
o نانوتكنولوژي چست؟
o نانوتكنولوژي مطالعه ذرات در مقياس اتمي براي كنترل آنهاست. هدف اصلي اكثر تحقيقات نانوتكنولوژي شكلدهي تركيبات جديد يا ايجاد تغييراتي در مواد موجود است. نانوتكنولوژي در الكترونيك، زيستشناسي، ژنتيك، هوانوردي و حتي در مطالعات انرژي بكار برده ميشود.
o چرا " Nano"؟
o nano كلمهاي يوناني به معني كوچك است و براي تعيين مقدار يك ميليارديم يا 9- 10 يك كميت استفاده ميشود. چون يك اتم تقريباً" 10 نانومتر است، اين اصلاح براي مطالعه عمومي روي ذرات اتمي و مولكولي بكاربرده ميشود.
o تفاوت بين نانوعلم و نانوتكنولوژي چيست؟
o نانو علم صرفا" تحقيق است ولي نانوتكنولوژي كاربرد تحقيقات براي حل مسائل و ساخت مواد جديد است.
o نانوتكنولوژي از كجا آمده است؟
o براي اولين بار ريچارد فينمن برنده جايزه نوبل فيزيك پتانسيل نانوعلم را در يك سخنراني تكاندهنده با نام " درپايين اتاقهاي زيادي وجود دارد"، مطرح كرد . فينمن اصرار داشت، كه دانشمندان ساخت وسائلي را،كه براي كار در مقياس اتمي لازم است، شروع كنند. اين موضوع مسكوت ماند، تا اينكه اريك دركسلر (دانشجوي تحصيلات تكميليMIT) نداي فينمن را شنيد و يك قالبكاري براي مطالعه "وسايلي كه توانايي حركت دادن اشياء مولكولي و مكان آنها را با دقت اتمي دارند" ايجاد كرد، كه در سپتامبر 1981 در مقالهاي با نام " پروتئين راهي براي توليدانبوه مولكولي ايجاد ميكند" آن را ارائه داد. دركسلر آن را با كتابي بنام " موتورهاي خلقت" دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژي را همانند يك كوشش علمي ادامه داد. اولين نشانه هاي ثبتشده از اين مفهوم نانوتكنولوژي تغيير مكان دادن اشيا مولكولي، در سال 1989 بود، موقعي كه دانشمندي در مركز تحقيقات آلمادنIBM اتمهاي منفردگزنون را روي صفحه نيكل حركت داد، تا نام IBM را روي سطح نيكل نقش كند.
o آيا نانوتكنولوژي خياليتر از علم است؟
o از موقعي كه اولين مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژي همانند چوبدست سحرآميزي براي ساخت كودكان طراح تا ماشينهاي توليد اكسيژن براي استعمار كره مريخ، تصور ميشد. هيجانات از واقعيات جلوتر بود، اما پيشرفت واقعي با مسائلي پيشپا افتاده شروع شد.چند سال پيش محققين در دانشگاههاي كاليفرنيا، رايس وMIT موفق به ساخت نانوذراتي شدند، كه به دانشمندان كمك ميكردند. تعدادي از اساتيد اين دانشگاهها شركتهايي تأسيس كردند، كه وسايل موردنياز براي تحقيقات مقياس نانو را ميساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهايشان از طريق ثبت اختراع هستند، تا زمينه توليد فرايندهايشان را فراهم كنند. كاربردهاي علمي نانوعلم هنوز كم است. اما مقداري از توليدات اوليه اكنون وارد بازار ميشوند.
o كارهاي علمي انجامشده بوسيله نانوتكنولوژي چيست؟
o بيشترين كار علمي روي ايجاد تغييراتي در مواد شيميايي يا نقشهبرداري از تركيبات زيستي، مانند DNA و سلولهاي سرطاني است. بعضي ازاولين محصولات تجاري، بهبود توليدات شيميايي كنوني يا روشهاي پزشكي استدها و خواص آنها
يک نانومتر يک ميلياردم متر (10-9 m) است. اين مقدار حدودا چهار برابر قطر يک اتم است. مکعبي با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترين آي سيهاي امروزي با ابعادي در حدود 250 نانومتر در هر لايه به ارتفاع يک اتم ، حدود يک ميليون اتم را در بردارند. در مقايسه يک جسم نانومتري با اندازهاي حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر يک موي انسان است.
امکان مهندسي در مقياس مولکولي براي اولين بار توسط ريچارد فاينمن (R.Feynnman) ، برنده جايزه نوبل فيزيک مطرح شد. فاينمن طي يک سخنراني در انستيتو تکنولوژي کاليفرنيا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مباني فيزيک امکان ساخت اتم به اتم چيزها را رد نميکند. وي اظهار داشت که ميتوان با استفاده از ماشينهاي کوچک ماشينهايي به مراتب کوچکتر ساخت و سپس اين کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.
همين عبارتهاي افسانه وار فاينمن راهگشاي يکي از جذابترين زمينههاي نانو تکنولوژي يعني ساخت روباتهايي در مقياس نانو شد. در واقع تصور در اختيار داشتن لشکري از نانو ماشينهايي در ابعاد ميکروب که هر کدام تحت فرمان يک پردازنده مرکزي هستند، هر دانشمندي را به وجد ميآورد. در روياي دانشمنداني مثل جي استورس هال (J.Storrs Hall) و اريک درکسلر (E.Drexler) اين روباتها يا ماشينهاي مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزي به هر شکل دلخواهي در ميآيند. شايد در آيندهاي نه چندان دور بتوانيد به کمک اجراي برنامه اي در کامپيوتر ، تخت خوابتان را تبديل به اتومبيل کنيد و با آن به محل کارتان برويد.
چرا اين مقياس طول اينقدر مهم است؟
خواص موجي شکل (مکانيک کوانتومي) الکترونهاي داخل ماده و اثر متقابل اتمها با يکديگر از جابجايي مواد در مقياس نانومتر اثر ميپذيرند. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتي مواد ازجمله دماي ذوب ، خواص مغناطيسي ، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در ترکيب شيميايي بوجود ميآيد. استفاده از اين پتانسيل به محصولات و تکنولوژيهاي جديدي با کارآيي بالا منتهي ميشود که پيش از اين ميسر نبود.
نظام سيستماتيک ماده در مقياس نانومتري ، کليدي براي سيستمهاي بيولوژيکي است. نانوتکنولوژي به ما اجازه ميدهد تا اجزاء و ترکيبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جديدي را با استفاده از روشهاي جديد خود_اسمبلي بسازيم. در روش خود_اسمبلي به هيچ روبات يا ابزار ديگري براي سرهم کردن اجزاء نيازي نيست. اين ترکيب پر قدرت علم مواد و بيوتکنولوژي به فرآيندها و صنايع جديدي منتهي خواهد شد.
ساختارهايي در مقياس نانو مانند نانو ذرات و نانولايهها داراي نسبت سطح به حجم بالايي هستند که آنها را براي استفاده در مواد کامپوزيت ، واکنشهاي شيميايي ، تهيه دارو و ذخيره انرژي ايدهال ميسازد. سراميکهاي نانوساختاري غالبا سختتر و غيرشکنندهتر از مشابه مقياس ميکروني خود هستند. کاتاليزورهاي مقياس نانو راندمان واکنشهاي شيميايي و احتراق را افزايش داده و به ميزان چشمگيري از مواد زائد و آلودگي آن کم ميکنند. وسايل الکترونيکي جديد ، مدارهاي کوچکتر و سريعتر و … با مصرف خيلي کمتر ميتوانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آيند. اينها تنها اندکي از فوايد و مزاياي تهيه مواد در مقياس نانومتر است.
منافع نانوتکنولوژي چيست؟
مفهوم جديد نانوتکنولوژي آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روي علم و تکنولوژي در مسيرهاي غيرقابل پيش بيني تأثير بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژي عبارتند از: لاستيکهاي مقاوم در برابر سايش که از ترکيب ذرات خاک رس با پليمرها بدست آمدهاند، شيشههايي که خودبه خود تميز ميشوند، مواد دارويي که در مقياس نانو ذرات درست شدهاند، ذرات مغناطيسي باهوش براي پمپهاي مکنده و روان سازها ، هد ديسکهاي ليزري و مغناطيسي که با کنترل دقيق ضخامت لايهها از کيفيت بالاتري برخوردارند، چاپگرهاي عالي با استفاده از نانو ذرات با بهترين خواص جوهر و رنگ دانه و ... .
قابليتهاي محتمل تکنيکي نانوتکنولوژي
محصولات خود_اسمبل
کامپيوترهايي با سرعت ميلياردها برابر کامپيوترهاي امروزي
اختراعات بسيار جديد (که امروزه ناممکن است)
سفرهاي فضايي امن و مقرون به صرفه
نانوتکنولوژي پزشکي که در واقع باعث ختم تقريبي بيماريها ، سالخوردگي و مرگ و مير خواهد شد.
دستيابي به تحصيلات عالي براي همه بچههاي دنيا
احياء و سازماندهي اراضي
برخي کاربردها
مدلسازي مولکولي و نانوتکنولوژي
در سازمان دهي و دستکاري مواد در مقياس نانو ، لازم است تمامي ابزار موجود جهت افزايش کارايي مواد و وسايل بکار گرفته شود. يکي از اين ابزار ، شيمي تحليلي ، خصوصا مدل سازي مولکولي و شبيه سازي است. امروزه ابزار تحقيقاتي فراگيري مانند روشهاي شيمي تحليلي مزيتهاي فراواني نسبت به روشهاي تجربي دارند. ميهيل يورکاز شرکتContinental Tire North America ميگويد:"روشهاي تجربي مستلزم بهرهگيري از نيروي انساني ، شيميايي ، تجهيزات ، انرژي و زمان است. شيمي تحليلي اين امکان را براي هر فرد مهيا ميسازد که فعاليتهاي شيميايي چندگانهاي را در 24 ساعت شبانه روز انجام دهد. شيميدانها ميتوانند با انجام آزمايشها توسط رايانه ، احتمال فعاليتهاي غيرمؤثر را از بين ببرند و گستره احتمالي موفقيتهاي آزمايشگاهي را وسعت دهند.
نتيجه نهايي اين امر ، کاهش اساسي در هزينههاي آزمايشگاهي (مانند مواد ، انرژي ، تجهيزات) و زمان است." از طرف ديگر ، در شيمي تحليلي سرمايه گذاري اوليه جهت تهيه نرمافزار و هزينههاي وابسته از جمله سختافزار جديد ، آموزش و تغييرات پرسنل بسيار بالا خواهد بود. ولي با بکار گيري هوشمندانه اين ابزار ميتوان هريک از هزينههاي اوليه را نه تنها از طريق صرفهجويي در هزينه آزمايشگاه بلکه بوسيله فراهم نمودن دانشي که منجر به بهينه سازي فرآيندها و عملکردها ميشود، جبران ساخت.
اين موضوع براي شيميدانها بسيار مناسب است، ولي روشهاي شبيهسازي چطور ميتوانند براي نانوتکنولوژيستها مفيد واقع شود؟ محدوديتهاي آزمايشگر در مقياس نانو ، زماني آشکار ميشود که شگفتي جهان دانشمندان نظري وارد عمل ميشود. در اينجا هنگامي که دانشمندان قصد قرار دادن هر يک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانين کوانتوم وارد صحنه ميشود. پيشبيني رفتار و خواص در محدودهاي از ابعاد براي نانوتکنولوژيستها حياتي است.
مدلسازي رايانهاي با بکارگيري قوانين اوليه مکانيک کوانتوم و يا شبيهسازيهاي مقياس مياني ، دانشمندان را به مشاهده و پيشبيني رفتار در مقياس نانو و يا حدود آن قادر ميسازد. مدلهاي مقياس مياني با بکارگيري واحدهاي اصلي بزرگتر از مدلهاي مولکولي که نيازمند جزئيات اتمي است، به ارائه خواص جامدات ، مايعات و گازها ميپردازند. روشهاي مقياس مياني در مقياسهاي طولي و زماني بزرگتري نسبت به شبيهسازي مولکولي عمل ميکنند. ميتوان اين روشها را براي مطالعه مايعات پيچيده ، مخلوطهاي پليمر و مواد ساختهشده در مقياس نانو و ميکرو بکار برد.
مدل سازي خاک رس
محققين دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبيهسازيهايي بر اساس مکانيک کوانتوم براي مطالعه و کامپوزيتهاي خاک رس–پليمر بکار بردهاند. امروزه اين ترکيبات يکي از موفقترين مواد نانوتکنولوژي هستند، زيرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکلپذيري از خود نشان ميدهند؛ خواصي که معمولاً در يکجا جمع نميشوند. نانو کامپوزيتهاي پليمر–خاک رس ميتوانند با پليمريزاسيون در جا تهيه شوند؛ فرآيندي که شامل مخلوط کردن مکانيکي خاک معدني با مونومر مورد نياز است. بنابراين مونومر در لايه دروني جايگذاري ميشود (خودش را در لايههاي درون ورقههاي سفال جاي ميدهد) و تورق کل ساختار را افزايش ميدهد. پليمريزاسيون ادامه مييابد تا سبب پيدايش مواد پليمري خطي و همبسته گردد.
دانشمندان با بکارگيري Castep (يک برنامه مکانيک کوانتوم که نظريه کارکردي چگالي را بکار ميگيرد) تحول کشف شده در اين روش را که پليمريزاسيون ميان گذار خود کاتاليست ناميده ميشود مطالعه کردند. اين پروژه ، دانشي نظري در زمينه ساز و کار اين فرآيند جديد را بوسيله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزيت فراهم نمود. ضروري است که دانش حاصل از شبيهسازيها ، جهت کنترل و مهندسي نمودن فعل و انفعالات پليمر-سيليکات به کمک دانشمندان آيد.
دانشمندان در شرکت BASF شبيه سازيهاي مقياس مياني را براي بررسي علم و رفتار ريزوارهها بکاربردند. ريزوارهها ذراتي کروي شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهاي کوپليمري ايجاد ميشوند و در زمينههايي مانند سنسورها وسايل آرايشي و دارو رساني کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گيري esoDyn ، يک ابزار شبيه سازي براي پيشبيني ساختارهاي مقياس مياني مواد متراکم محلولهاي تغليظ شده کوپليمرهاي آمفيفيليک را بررسي کردند.
شبيهسازيها مشخص نمود که کدام شرايط مولکولي و فرمولي به شکلگيري "ريزوارههاي معکوس" مانند نانو ذرات آب در يک محيط فعال منتهي ميشود. چنين نتايجي براي درک رفتار عوامل فعال سطحي ضروري هستند. به کمک روشهايي مانند پرتاب محلول در آزمايشگاه ميتوان به نتايجي در اين زمينه دست يافت، اما دستيابي به اين نتايج ماهها به طول ميانجامد، درحالي که آزمايشهاي شبيهسازي شده تنها طي چند روز نتيجه ميدهند.
محدوديتهاي اين روشها چيست؟
در حاليکه امروزه ابزار مدلسازي در سطح کوانتومي و مقياس مياني به خوبي توسعه يافتهاند، همچنان محدوديتهايي در اين عرصه وجود دارد. براي مثال کاربردهايي در زمينه وسايل الکترونيک مستلزم انجام محاسبات مکانيک کوانتوم براي تعداد اتمهايي بيش از روشهاي حاضر ميباشد که بيش از توان عملياتي منابع محاسبهگر فعلي است. همچنين مدلسازي کل وسايل امکانپذير نيست، بويژه عملکر نانو تکنو لوژي به زبان ساده
در نيم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوري عمده بوديم، كه باعث پيشرفت هاي عظيم اقتصادي در كشورهاي سرمايه گذار و ايجاد فاصله شديد بين كشورهاي جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدليل فقدان جرات علمي و عدم تصميم گيري بموقع ، به اين فرصتها پس از گذشت ساليان طلائي آن بها داده مي شد كه البته سودي هم براي ما به ارمغان نمي آورد، همچون فنآوري الكترونيك و كامپيوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه عليرغم توانائي دانشگاهي و داشتن تجهيزات آن، هيچگونه حضور تجاري در بازارهاي چند صد ميلياردي آن نداريم. فناوري نانو جديدترين اين فرصتها ست، كه كشور ما بايد براي حضور يا عدم حضور درآن خيلي سريع تصميم خود را اتخاذ كند.
علم و فناوري نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژي) توانائي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتري (ملكولي) و بهره برداري از خواص و پديده هاي اين بعد در مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. اين تعريف ساده خود دربرگيرنده معاني زيادي است. به عنوان مثال فناوري نانو با طبيعت فرا رشته اي خود، در آينده در برگيرنده همه ي فناوريهاي امروزين خواهد بود و به جاي رقابت با فن آوري هاي موجود، مسير رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « يك حرف از علم» يكپارچه خواهد كرد.
ميليونها سال است كه در طبيعت ساختارهاي بسيار پيچيده با ظرافت نانومتري ( ملكولي ) - مثل يك درخت يا يك ميكروب - ساخته مي شود. علم بشري اينك در آستانه چنگ اندازي به اين عرصه است، تا ساختارهائي بي نظير بسازد كه در طبيعت نيز يافت نمي شوند. فناوري نانو كاربردهاي را به منصه ظهور مي رساند كه بشر از انجام آن به كلي عاجز بوده است و پيامدهائي را در جامعه برجا مي گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسيار سبك و محكم براي مصارف مرسوم يا نو
o ورشكستگي صنايع قديمي همچون فولاد با ورود تجاري مواد نو
o كاهش يافتن شديد تقاضا براي سوخت هاي فسيلي
o همه گير شدن ابر كامپيوترهاي بسيار قوي، كوچك و كم مصرف
o سلاحهاي سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئي تر براي رادار
o شناسائي فوري كليه خصوصيات ژنتيكي و اخلاقي و استعدادهاي ابتلا به بيماري
o ارسال دقيق دارو به آدرس هاي مورد نظر در بدن و افزايش طول عمر
o از بين بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شيميائي و ميكروبي
o از بين بردن كامل ناچيز ترين آلاينده هاي شهري و صنعتي
o سطوح و لباسهاي هميشه تميز و هوشمند
o توليد انبوه مواد و ابزارهائي كه تا قبل از اين عملي و اقتصادي نبوده اند ،
o و بسياري از موارد غير قابل پيش بيني ديگر!
دكترDrexler در همايش جهاني نظام علمي در زمينه نانوتكنولوژي اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژيهاي ديجيتالي كپيبرداري را سريع، ارزان، كامل و عاري از هزينهبري يا پيچيدگي محتوايي نمودهاند. حال اگر همين وضعيت در جهان ماده اتفاق بيافتد چه ميشود. هزينه توليد يك تن تري بيت تراشههاي RAM تقريبا" معادل با هزينه بري ناشي از توليد همان مقدار فولاد ميشود".
دكترSmalley رئيس هيئت تحقيقاتي دانشگاه رايس و كاشف Buckyballs ميگويد:
" نانوتكنولوژي روند زيانبار ناشي از انقلاب صنعتي را معكوس خواهد كرد". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژي كه توسط آقايان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنين آمده است :
" تصور كنيد قادريد با نوشيدن دارو كه در آب ميوه مورد علاقهتان حل شده است سرطان را معالجه كنيد . يك ابر كامپيوتر را كه به اندازه يك سلول انسان است در نظر بگيريد. يك سفينه فضايي 4 نفره كه به دور مدار زمين ميگردد با هزينهاي در حدود يك خودروي خانوادگي تجسم كنيد" .
موارد فوق، فقط تعداد محدودي از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژي هستند. انسان در معرض يك انقلاب اجتماعي تسريع شده و قدرتمند است كه ناشي از علم نانوتكنولوژي است. در آينده نزديك گروهي از دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني با مقياس نانومتري ميگردند كه قادر به همانندسازي است. طي چند سال با توليد پنج ميليارد تريليون نانوروبات ، تقريبا" تمامي فرايندهاي صنعتي و نيروي كار كنوني از رده خارج خواهند شد. كالاهاي مصرفي به وفور يافتشده ، ارزان، شيك و با دوام خواهند شد. دارو يك جهش سريع و كوانتومي را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهاي فضايي و همانندسازي امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به اين دلايل و دلائلي ديگر، سبكهاي زندگي روزمره در جهان بطور زيربنايي متحول خواهد شد و الگوي رفتاري انسانها تحتالشعاع اين روند قرار خواهد گرفت.
سه فناوري تسخيركننده
از طرفي شايد بتوان گفت تسخيركنندگان علم و فناوري آينده در سه گروه فناوري اطلاعات، نانوفناوري و زيست فناوري خلاصه مي شوند.
قرارگيري مقادير و حجم زيادي از اطلاعات در فضائي كوچك از ابعاد هم گرائي نانوفناوري و فناوري اطلاعات مي باشد از طرفي در زيست فناوري و يا به عبارتي براي زيست شناسان قرار گيري حجم زيادي از اطلاعات در يك فضاي بسيار كوچك موضوعي بسيار آشنا مي باشد.
در كوچكترين سلول انساني همه اطلاعات مربوط به يك موجود زنده از قبيل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتي در قسمت بسيار كوچكي از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم مي باشد همه اين اطلاعات ذخيره مي گردد ( نه تنها سطح يا به عبارتي تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن اين زنجيره ها در ذخيره سازي اطلاعات زيستي اهميت دارد). شايد يكي از علل هم گرائي اين فناوري و فناوري اطلاعات وجود همين مسائل مشترك اين سه فناوري است.
ابزارهاي جديد براي كارهاي ظريف
اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسيد كه چه پيشرفتهاي عمده دستگاهي باعث شدهاند تا نانوتكنولوژي در خطوط مقدم تحقيقات علوم فيزيكي قرار گيرد، تقريبا" همه آنها به داستان ميكروسكوپ پروب اسكنكننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM يك پروب نانوسكوپي در ارتفاع ثابتي بر بالاي بستري از اتمها حفظ ميشود. اين فاصله ميتواند آنقدر كم باشد كه الكترونهاي اتمهاي تيرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. اين تعاملات ميتواند آنقدر قوي باشد، كه اتمها از جا كنده شده و به جاي ديگري بروند.)
اشاره ميكنند. عليرغم تازه واردگي به عرصه تحليل دستگاهي، استفاده از ميكروسكوپي تونلزني اسكنكننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسيلهاي براي تهيه تصوير از اتمهاي روي سطوح مواد، كه نقش مهمي در درك توپوگرافي و خواص الكتريكي مواد و رفتار قطعات ميكروالكترونيكي دارند. STM بر خلاف يك ميكروسكوپ نوري، براي تهيه تصوير نيروهاي الكتريكي را با يك پروب نازكشده به حد تيزي يك اتم آشكار ميكند. پروب سطح را جاروب كرده، بينظميهاي الكتريكي حاصل از پوستههاي الكتروني يا ابرالكتروني پيرامون اتمها را به كمك يك كامپيوتر به تصوير مبدل ميكند. به دليل يك اثر مكانيك كوانتومي موسوم به «تونلزني»، الكترونها ميتوانند به سادگي از تيرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاوير در حدود nm1 يا كمتر است. از STM ميتوان براي جابجايي تك به تك اتمها و تهيه نقشههاي پروضوح از سطوح مادي استفاده كرد.) ، ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) و ديگر تكنيكهاي مشتقشده از اين دو مورد اصلي در بسياري از آزمايشگاهها ، به دليل حجم زياد اطلاعاتي كه از مقياس نانومتر به دست مي دهند، متداول و حتي گريزناپذير شده است. ريچارد فينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در 1959 در مؤسسه تكنولوژي كاليفرنيا كه بعد در آنجا استاد فيزيك شد ايدههايي بنيادي در زمينه كوچكسازي نوشتجات، مدارها و ماشينها ايراد كرد : " آنچه من ميخواهم به شما بگويم، مسئله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دايرهالمعارف بريتانيكا را جا داد." فينمن براي به تفكر واداشتن محققين و تاكيد نمودن بر عقيدهاش مبني بر امكان فيزيكي چنين معجزهاي ، جايزههايي 1000 دلاري براي اولين افرادي كه به اهداف مشخص شده اي در كوچكسازي كتابها و موتورهاي الكتريكي دست يابند تعيين كرد. فينمن تاكيد كرد : " من در حال خلق ضد جاذبه نيستم كه به فرض روزي اگر قوانين (فيزيك) آنچه ما ميپنداريم، نبودند عملي شود. من صحبت از چيزي ميكنم اگر قوانين آنچه ما ميپنداريم باشند، عملي خواهد بود. ما به آن دست پيدا نكردهايم چون خيلي ساده هنوز درصدد انجام آن نبودهايم."
وضعيت جهاني
از فناوري نانو به عنوان "رنسانس فناوري" و" روان كننده جريان سرمايه گذاري " ياد مي شود.ورود محصولات متكي بر اين فناوري جهشي بس عظيم در رفاه و كيفيت زندگي و توانائي هاي دفاعي و زيست محيطي به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائي هاي بزرگ اقتصادي خواهد شد . هم اكنون بخش هاي دولتي و خصوصي كشورهاي مختلف جهان شامل ژاپن ، آمريكا، اتحاديه اروپا، چين، هند، تايوان، كره جنوبي، استراليا، اسرائيل و روسيه در رقابتي تنگاتنگ بر سر كسب پيشتازي جهاني در لااقل يك حوزه از اين فناوري به سر ميبرند . هم اكنون روي هم رفته حدود 30 كشور دنيا در زمينه فناوري نانو داراي "برنامه ملي" يا درحال تدوين آن هستند، وطي پنچ سال گذشته بودجه تحقيق و توسعه در امر فناوري نانو را به 5/3 برابر افزايش داده اند. كشورهاي ژاپن و آمريكا نيز فناوري نانو را اولين اولويت كشور خود در زمينه فناوري اعلام كرده اند .
امّا بطور كلي و خلاصه اينكه:
o نانوتكنولوژي چست؟
o نانوتكنولوژي مطالعه ذرات در مقياس اتمي براي كنترل آنهاست. هدف اصلي اكثر تحقيقات نانوتكنولوژي شكلدهي تركيبات جديد يا ايجاد تغييراتي در مواد موجود است. نانوتكنولوژي در الكترونيك، زيستشناسي، ژنتيك، هوانوردي و حتي در مطالعات انرژي بكار برده ميشود.
o چرا " Nano"؟
o nano كلمهاي يوناني به معني كوچك است و براي تعيين مقدار يك ميليارديم يا 9- 10 يك كميت استفاده ميشود. چون يك اتم تقريباً" 10 نانومتر است، اين اصلاح براي مطالعه عمومي روي ذرات اتمي و مولكولي بكاربرده ميشود.
o تفاوت بين نانوعلم و نانوتكنولوژي چيست؟
o نانو علم صرفا" تحقيق است ولي نانوتكنولوژي كاربرد تحقيقات براي حل مسائل و ساخت مواد جديد است.
o نانوتكنولوژي از كجا آمده است؟
o براي اولين بار ريچارد فينمن برنده جايزه نوبل فيزيك پتانسيل نانوعلم را در يك سخنراني تكاندهنده با نام " درپايين اتاقهاي زيادي وجود دارد"، مطرح كرد . فينمن اصرار داشت، كه دانشمندان ساخت وسائلي را،كه براي كار در مقياس اتمي لازم است، شروع كنند. اين موضوع مسكوت ماند، تا اينكه اريك دركسلر (دانشجوي تحصيلات تكميليMIT) نداي فينمن را شنيد و يك قالبكاري براي مطالعه "وسايلي كه توانايي حركت دادن اشياء مولكولي و مكان آنها را با دقت اتمي دارند" ايجاد كرد، كه در سپتامبر 1981 در مقالهاي با نام " پروتئين راهي براي توليدانبوه مولكولي ايجاد ميكند" آن را ارائه داد. دركسلر آن را با كتابي بنام " موتورهاي خلقت" دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژي را همانند يك كوشش علمي ادامه داد. اولين نشانه هاي ثبتشده از اين مفهوم نانوتكنولوژي تغيير مكان دادن اشيا مولكولي، در سال 1989 بود، موقعي كه دانشمندي در مركز تحقيقات آلمادنIBM اتمهاي منفردگزنون را روي صفحه نيكل حركت داد، تا نام IBM را روي سطح نيكل نقش كند.
o آيا نانوتكنولوژي خياليتر از علم است؟
o از موقعي كه اولين مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژي همانند چوبدست سحرآميزي براي ساخت كودكان طراح تا ماشينهاي توليد اكسيژن براي استعمار كره مريخ، تصور ميشد. هيجانات از واقعيات جلوتر بود، اما پيشرفت واقعي با مسائلي پيشپا افتاده شروع شد.چند سال پيش محققين در دانشگاههاي كاليفرنيا، رايس وMIT موفق به ساخت نانوذراتي شدند، كه به دانشمندان كمك ميكردند. تعدادي از اساتيد اين دانشگاهها شركتهايي تأسيس كردند، كه وسايل موردنياز براي تحقيقات مقياس نانو را ميساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهايشان از طريق ثبت اختراع هستند، تا زمينه توليد فرايندهايشان را فراهم كنند. كاربردهاي علمي نانوعلم هنوز كم است. اما مقداري از توليدات اوليه اكنون وارد بازار ميشوند.
o كارهاي علمي انجامشده بوسيله نانوتكنولوژي چيست؟
o بيشترين كار علمي روي ايجاد تغييراتي در مواد شيميايي يا نقشهبرداري از تركيبات زيستي، مانند DNA و سلولهاي سرطاني است. بعضي ازاولين محصولات تجاري، بهبود توليدات شيميايي كنوني يا روشهاي پزشكي استدها و خواص آنها
پستها
0 نظرات:
ارسال یک نظر