دختران خلاق

تعريف نانوتكنولوژي و آشنايي با آن 1

نانوتكنولوژي، فناوري جديد است كه تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيق تر «نانو تكنولوژي بخشي از آينده نيست بلكه همه آينده است» . در اين نوشتار سايتnano بعد از تعريف نانوتكنولوژي و بيان كاربردهاي آن دلايل و ضرورت هاي توجه به اين فناوري را آورده است:

● تعريف نانوتكنولوژي و آشنايي با آن

نانوتكنولوژي، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم هاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولي و اتمي و استفاده از خواص است كه در آن سطوح ظاهر مي شود. از همين تعريف ساده بر مي آيد كه نانوتكنولوژي يك رشته جديد نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتكنولوژي كاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشكي و بيوتكنولوژي تا الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند. كاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فناوري را به عنوان يك زمينه فرا رشته اي و فرابخش مطرح نموده است. هر چند آزمايش ها و تحقيقات پيرامون نانوتكنولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم به طور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنكردني نانوتكنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد كه نظر تمامي كشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يكي از مهم ترين اولويت هاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يكم محسوب نمايند .

استفاده از اين فناوري در كليه علوم پزشكي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الكترونيك، كامپوترهاي كوانتومي و ... باعث شده كه تحقيقات در زمينه نانو به عنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يك بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يك برنامه ريزي علمي دقيق و كارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين كاري طراحي يك برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب ناپذير است.

● نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن

علوم و فناوري نانو، عنصري اساسي در درك بهتر طبيعت در دهه هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ينده، همكاري هاي تحقيقاتي ميان رشته ا ي، آموزش خاص و انتقال ايده ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تاثيرات و كاربردهاي نانوتكنولوژي به شرح زير مي باشد:

▪ توليد، مواد و محصولات صنعتي: نانوتكنولوژي تغيير بنياني مسيري است كه در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوك هاي ساختماني نانو با اندازه و تركيب به دقت كنترل شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگ تر، كه داراي خواص و كاركرد منحصربه فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد مي كند. محققين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد كه در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبك تر، قوي تر و قابل برنامه ريزي، كاهش هزينه عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فني، ابزارهايي نوين بر پايه اصول و معماري جديد، بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشه ا ي كه مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

▪ پزشكي و بدن انسان: رفتار مولكولي در مقياس نانومتر، سيستم هاي زنده را اداره مي كند. يعني مقياسي كه شيمي، فيزيك، زيست شناسي و شبيه سازي كامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.

▪ فراتر از سهل شدن استفاده بهينه از دارو، نانوتكنولوژي مي تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery) تهيه كند، كه به نحو حيرت انگيزي توان درماني داروها را افزايش مي دهد.

▪ مواد زيست سازگار با كارايي بالا: از توانايي بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعال، مي توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات كوانتومي كه براي مرئي سازي بكار مي رود) درون سلول ها وارد نمود.

▪ افزايش توان محاسباتي به وسيله نانوتكنولوژي: ترسيم وضعيت شبكه هاي ماكرومولكولي را در محيط هاي واقعي ممكن مي سازد. اينگونه شبيه سازي ها براي بهبود قطعات كاشته شده زيست سازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهد بود.

▪ دوام پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك

نانوتكنولوژي چنان چه ذكر شد، منجر به تغييراتي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگي را كاهش خواهد داد. همچنين فناوري هاي جديد، امكان بازيافت و استفاده مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواهند كرد. در زمينه محيط زيست، علوم و مهندسي نانو، مي تواند تاثير قابل ملاحظه ا ي، در درك مولكولي فرآيندهاي مقياس نانو كه در طبيعت رخ مي دهد، در ايجاد و درمان مسايل زيست محيطي از طريق كنترل انتشار آلاينده ها، در توسعه فناوري هاي «سبز» جديد كه محصولات جانبي ناخواسته كمتري دارند و ي ا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته باشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژي توان حذف آلودگي هاي كوچك از منابع آبي (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگ تر را دارد. در زمينه انرژي، نانوتكنولوژي مي تواند به طور قابل ملاحظه ا ي كارآيي، ذخيره سازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد .

به عنوان مثال، شركت هاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت شده با نانو ذرات را ساخته اند كه مي تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنه اتومبيل ها شود. استفاده گسترد ه از اين نانوكامپوزيت ها مي تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه جويي مصرف بنزين به همراه داشته باشد . يا انتظار مي رود تغييرات عمده ا ي در فناوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي توان نيمه هادي هاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني (LEDها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در آمريكا، تقريبا «۲۰درصد كل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپ هاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي شود. مطابق پيش بيني ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده، پيشرفت هايي از اين دست مي تواند مصرف جهاني را بيش از ۱۰درصد كاهش دهد كه ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه جويي و ۲۰۰ ميليون تن كاهش انتشار كربن را به همراه خواهدداشت .

▪ هوا و فضا: محدوديت هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي ماموريت هاي طولاني به مناطق دور از خورشيد، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب ناپذير مي سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشكل را به وجود آورده است.» نانوساختن «( Nanofabrication ) همچنين در طراحي و ساخت مواد سبك وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، مورد نياز براي هواپيماها، راكت ها، ايستگاه هاي فضايي و سكوهاي اكتشافي سياره ا ي يا خورشيدي، تعيين كننده است. همچنين استفاده روزافزون از سيستم هاي كوچك شده تمام خودكار، منجر به پيشرفت هاي شگرفي در فناوري ساخت و توليد خواهد شد. اين مسئله با توجه به اينكه محيط فضا، نيروي جاذبه كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سيستم هاي نانو _ كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست در فضا خواهدشد.

▪ امنيت ملي: برخي كاربردهاي دفاعي نانوتكنولوژي عبارتند از: تسلط اطلاعاتي از طريق نانوالكترونيك پيشرفته بعنوان يك قابليت مهم نظامي، امكان آموزش موثرتر نيرو، به كمك سيستم هاي واقعيت مجازي پيچيده تر حاصله از الكترونيك نانوساختاري، استفاده بيشتر از اتوماسيون و رباتيك پيشرفته براي جبران كاهش نيروي انساني نظامي، كاهش خطر براي سربازان و بهبود كارآيي خودروهاي نظامي، دستيابي به كارايي بالاتر (وزن كمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه هاي نظامي و در عين حال تعداد دفعات نقص فني كمتر و هزينه كمتر در عمر كاري تجهيزات نظامي، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته ا ي، بهبود طراحي در سيستم هاي مورد استفاده در كنترل و مديريت عدم تكثير سلاح هاي هسته ا ي، تلفيق ابزارهاي نانو و ميكرومكانيكي جهت كنترل سيستم هاي دفاع هسته ا ي. در بسياري موارد، فرصت هاي اقتصادي و نظامي مكمل هم هستند. كاربردهاي درازمدت نانوتكنولوژي در زمينه هاي ديگر، پشتيباني كننده امنيت ملي است و بالعكس.

▪ كاربرد نانوتكنولوژي در صنعت الكترونيك: ذخيره سازي اطلاعات در مقياس فوق العاده كوچك، با استفاده از اين فناوري مي توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد يكهزار برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتا به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به كوچكي يك ساعت مچي منتهي شود. ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يك ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي شود كه ذخيره سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يك هارد ديسك با ابعاد يك كارت اعتباري شود. ساخت تراشه ها در اندازه هاي فوق العاده كوچك به عنوان مثال در اندازه هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسك هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه هاي كوچك نيز مي باشد.

● تاريخچه فناوري نانو در جهان

چهل سال پيش Richard Feynman، متخصص كوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان» آن پايين فضاي بسياري هست «( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت :» اصول فيزيك، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي زنند. «او فرض را بر اين قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته اند كه چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه ها را با مقياس هاي كوچك بسازند، پس ما خواهيم توانست كه آنها را كوچك و كوچك تر كنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي شان در لبه هاي نامعلوم كوانتوم نزديك خواهند بود به طوري كه يك اتم را در مقابل ديگري به گونه اي قرار دهيم كه بتوانيم كوچكترين محصول مصنوعي و ساختگي ممكن را ايجاد كنيم.