نانوتکنولوژی؛ ذرات کوچک، قابلیت های بزرگ

● نانوتکنولوژی چیست؟
" نانوتکنولوژی یعنی بررسی هر چیز در مقیاس یک میلیاردیوم آن"، این ساده ترین و عامیانه ترین تعریفی است که می توان از نانوتکنولوژی ارائه داد. می دانیم که یک نانومتر برابر ۹-۱۰ متر است. این عدد ۸۰۰۰۰/۱ قطر موی انسان و یا ۱۰ برابر قطر یک اتم هیدروژن است! آلبرت فرانکس۱ یکی از پیشگامان توسعه ی کاربردهای صنعتی نانوتکنولوژی معتقد است:
(( نانوتکنولوژی بخشی از علم و تکنولوژی است که ابعاد و کوچکترین ارقام با معنی در محدوده ی ۰.۱تا ۱۰۰ nmدر آن نقش اساسی ایفا می کنند.))
با توجه به این تعریف در واقع نانوتکنولوژی توصیف همه جانبه ی فعالیت ها و تلاش هایی است که با دست بردن در اساسی ترین فرم ماده (اتم ها) باعث می شود تا به خواص خارق العاده ای از ماده دست یابیم، چرا که اگر مواد به کوچکترین ابعادشان (اتم ها یا مولکول ها) شکسته شوند، می توانیم خصوصیات بنیادیشان را تغییر داده و به ماده ای تبدیل کنیم که در حالت عادی تهیه و تولید آن به هیچ عنوان امکان پذیر نیست.
پس نانوتکنولوژی علمی است که به دنبال دستیابی به روش ها، فنون، مواد لازم و ابزارهای مورد نیازی است که بتواند چنین تحولاتی را در مواد مختلف ایجاد کند، به عبارت بهتر نانوتکنولوژی نگرشی جدید به انواع رشته های علمی است و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را در بر می گیرد.
● پیشینه نانوتکنولوژی
همانطور که اشاره شد نانوتکنولوژی یکی از جدیدترین و مدرن ترین علومی است که امروزه در جهان مطرح است. عمر این فناوری چیزی کمتر از ۱۰ سال است، ولی محققان پیش بینی می کنند ظرف ۵ سال آینده تحولات بسیار عظیمی در این زمینه صورت خواهد گرفت. دکتر سامر می گوید:
((نانوتکنولوژی یکی از فناوری هایی است که نسبت به سال های ابتدایی تحقیقات صنعتی و دانشگاهی آن در مقایسه با سایر علوم بسیار بسیار سریعتر دستخوش تغییرات و پیشرفت های فراوان شده است.))
دکتر تیمپ۲ نیز در کتاب "Nanotechnology" می نویسد:
((نقشی که نانوتکنولوژی در توسعه پیشرفت بشر ایفا خواهد کرد بسیار بیشتر و تأثیر گذارتر از نقشی است که مارکوپولو و سفر هایش به شرق در توسعه و پیشرفت غرب ایفا نمود. چرا که مارکوپولو ذهنی خلاق و نگاهی دقیق و موشکافانه داشت و تمام آنچه را که در طول سفر تا چین در نقاط مختلف می دید به دقت یادداشت می کرد و الگو گرفتن از همان نوشته ها باعث شروع توسعه و پیشرفت در غرب شد.))
از نظر تاریخی آنچه باعث ظهور نانوتکنولوژی شد، کشف خاصیت نسبت سطح به حجم (A/V) بسیار بالای مواد با ساختار نانو بود. این جرقه ای بود که به کشف خصوصیات منحصر به فرد و شگفت انگیز نانوتکنولوژی منجر شد، چرا که این خاصیت ویژه(یعنی نسبت سطح به حجم زیاد) باعث می شود تا مواد تولید شده با این روش دارای خصوصیاتی از قبیل وزن بسیار کم، مقاومت و سختی بسیار بالا و هزینه های تولید بسیار پائین باشند. دربارهء این خصوصیت جالب در قسمت ماهیت و ساختار توضیحات بیشتری ارائه شده است.
● اهمیت و ضرورت نانوتکنولوژی
امروزه علم و فن آوری در بسیاری از زمینه ها تقریباً به مرز نهایی خود نزدیک می شود و شاید دیگر جوابگوی توقعات روزافزون بشر نباشد. اینجاست که نانوتکنولوژی قابلیت های نهفته ی خود را یکی پس از دیگری به بشر عرضه نموده و به یکی از مهمترین و جذابترین زمینه های تحقیقاتی بشر در سال های اخیر تبدیل شده است. شاید به این جهت که می توان با آن به بسیاری از رویاهای دیرین بشر دست یافت. آیا کسی تصور می کرد که روزی متخصصان نانوتکنولوژی بتوانند ماشین های بسیار کوچکی را بسازند که در درون بدن در حال گشت و گذارند و به تعقیب باکتری ها و ویروس های بد و مضر می پردازند؟ و می توانند مشکلات ما را با کلسترول ها و چربی ها حل کنند؟ یا ماشین های کوچکی که لخته های خونی را می شکنند و موجب افزایش متوسط طول عمر می شوند؟
نه مطمئناً سال ها پیش زمانی که ریگول ولچ در فیلم سینمایی خیره کننده اش ((سفر دریایی خیالی)) داستان یک کشتی مینیاتوری را به تصویر کشید که جریان خون را درمی نوردید و با گلبول های قرمز روبرو می شد و.... هرگز چنین روزی را پیش بینی نمی کرد!
از کاربردهای دیگر نانوتکنولوژی در زمینه های مختلف می توان به موارد زیر اشاره کرد:
در زمینه الکترونیک، ساخت رایانه های کوانتومی که تقریبا سرعتی ۱۰۰۰ برابر رایانه های امروزی دارند. در پزشکی، ساخت کپسول هایی که می توانند بافت های مریض بدن را شناسایی کرده و دقیقاً دارو را در آن محل قرار دهند. در حمل و نقل، استفاده از مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شده اند و به میزان چشم گیری موجب کاهش وزن وسائل نقلیه شده، که نتیجه آن سرعت بالاتر، مصرف سوخت کمتر، آلودگی ناچیز و .... است. یا استفاده از نانو ذرات به جای فولاد که وزن بسیار ناچیز، استحکام حیرت انگیز، (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با فولاد، چند صد برابر بیشتر است) و قیمت بسیار ارزان دارند. با استفاده از این فناوری لاستیک هایی می توان ساخت که با دارا بودن درصدی از خاک رس، مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش پیدا کرده و عمری چندین برابر لاستیک های معمولی دارند.
از کاربردهای نانوتکنولوژی در شیمی، تولید کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالاست که راندمان را در واکنش های شیمیایی یا واحدهای صنعتی به میزان بسیار زیادی افزایش می دهند.
ساخت سلول های خورشیدی کوانتومی، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز، نسل جدید باطری ها، پوشش های بسیار مقاوم، رنگ های بی نیاز از شستشو، لباس هایی هوشمند و بی نیاز از شستشو که علاوه بر قابلیت ترمیم خود بخودی می توانند به رنگ محیط اطراف درآیند، از دیگر کاربردهای نانوتکنولوژی در شیمی می باشند.
از این فناوری می توان در تولید آشکار سازهای گازی لایه نازک که نیاز به اطلاعات جامعی از فرآیندهای سطحی لایه مرزی میانی گاز- جامد در مقیاس مولکولی دارد را تولید کرد. در این روش دو پارامتر اساسی آنها یعنی حساسیت و تفکیک پذیری به مراتب افزایش می یابد.
همه و همه ی خصوصیاتی که به آنها اشاره شد تنها با دستیابی به دانش نانوتکنولوژی امکان پذیر است. از اینرو شمار زیادی از کشورها به این موضوع مهم پی برده و توجه خاصی نسبت به آن دارند. این کشورها مبالغ هنگفتی را برای تحقیق و توسعه ی فناوری نانو اختصاص داده اند. به عنوان مثال، بودجه سرمایه گذاری آمریکا در سال ۲۰۰۳ در این زمینه معادل ۷۱۰ میلیون دلار بوده و پیش بینی می شود میزان این سرمایه در سال ۲۰۰۴ به یک میلیارد دلار بالغ گردد.
همچنین میزان سرمایه گذاری دیگر کشورها در این زمینه به شرح زیر است:
ژاپن ۱۶۵ میلیون دلار، کره جنوبی ۵۰۰ میلیون یوآن، چین ۱۰۵ میلیارد یوآن، آلمان ۹۴ میلیون مارک و اسرائیل ۲ میلیون دلار.
حال با این توضیحات و با این افق های روشنی که نانوتکنولوژی به همراه خواهد آورد، آیا جایی برای تعلل و درنگ بر ما باقی می ماند؟
● ماهیت و ساختار نانوتکنولوژی
ساختار عملی نانوتکنولوژی از دستکاری در اتم ها یا مولکول های مواد شکل گرفته است. از طرفی تولید محصولات نیز به اتم ها وابسته است و خصوصیات آنها به چگونگی نظم بین اتم هایشان بستگی دارد. مثلاً اگر بتوان اتم های درون یک معدن را بازآرایی کرد، می توان الماس بدست آورد، اگر می شد اتم های موجود در شن را بازآرایی کرد(و به آن مقداری عناصر افزود) تراشه های کامپیوتری تولید می شدند و اگر امکان پذیر بود اتم های موجود در گرد و غبار یا آب و هوا را بازآرایی کرد می توانستیم سیب زمینی داشته باشیم!
نوع دیگر رویکردهای نانوتکنولوژی کشف ساختارهای اسپین مولکول است که به فهم و درک قابل توجهی از نقل و انتقالات قابل کنترل در ترازهای مولکولی مواد مختلف منجر می شود. هریک از دو رویکرد فوق (اتمی و مولکولی) کاربردهای بسیار وسیعی در قلمرو پزشکی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و تکنولوژی اطلاعات بر عهده دارند.
از سوی دیگر برای کارکردن در مقیاس اتمی و مولکولی باید از وسائل بخصوصی استفاده کرد (بهترین روش استفاده از میکروسکوپ تحقیقاتی است). حرکت کردن اتم ها به صورت انفرادی در حول یک سطح، خیلی آهسته و مشکل است، برای انجام این کار محققان دانشگاه هاروارد انبردست هایی با نوک نانوتیوپ ساخته اند که قادر به حرکت دادن اشیایی کوچکتر از سلول های بیو شیمیایی هستند. آنها معتقدند این ابزارها قادر به منظم کردن تک تک مولکول ها هستند.
پس از بررسی ساختار نانوتکنولوژی در مقیاس اتمی با ذکر یک مثال به مقایسه ی نسبت سطح به حجم (A/V) در مقیاس نانو با حالت عادی می پردازیم، در آخر هم اثبات ریاضی آن را ارائه می کنیم.
وقتی گفته می شود نسبت(A/V) در اجسام با مقیاس نانو به مراتب بیشتر از حالت عادی است، یعنی با تغییر در مقیاس اتمی (یا کوچکتر)، اجزاء سازنده ی ماده به گونه ای در کنار هم قرار می گیرند که بیشترین سطح ممکن را ایجاد کنند و چون این حالت در مقیاسی است که اندازه ها بسیار بسیار کوچکند، به همان نسبت افزایش سطح بسیار بسیار زیاد می شود که نتیجه ی آن هم اغلب سبکتر شدن ماده و... خواهد بود، چرا که مثلاً وقتی g ۱ از یک جسم معمولی، سطحی برابر۲ ۱ cmدارد (مقیاس ها فرضی اند)، در مقیاس نانو همانg ۱سطحی به مراتب بیشتر تولید می کند؛ مثلاً ۲ m ۱۰. پس اگر بتوان در مقیاس نانو به غلط سطح را با عکس جرم متناسب دانست، (A &#۹۴۵; ۱/m)، به این معنی است که وقتی در یک حجم ثابت سطح افزایش یابد، می توان آن را به صورت کاهش جرم بیان کرده و نتیجه گرفت که نسبت m/v کوچک می شود و این هم یعنی کاهش دانسیته ی ماده که نتیجه آن سبک تر شدن ماده خواهد بود. حال به عنوان یک پیش فرض برای اثبات ریاضی فرض کنید لوله ای توپر به طول۱cm در اختیار داریم. این لوله دارای مساحت سطح معینی است، اگر این لوله را به ۱۰۰ قسمت تقسیم کنیم، آیا سطح موثر آن کاهش می یابد یا افزایش؟ اگر به ۱۰۹ قسمت تقسیم شود چطور؟
در ابتدای بررسی ویژگی (A/V) توصیه می کنم منطق صرف ریاضی را کنار گذاشته و آن را با مقداری استدلال و قوه ی تجسم در آمیزید. می خواهیم نسبت سطح به حجم در یک استوانه به قطر r و ارتفاع l (شکل ۱) را با n استوانه با همان قطر ولی به ارتفاع l/n (شکل ۲) مقایسه کنیم ( اگر این n استوانه به طول l/n را در کنار هم قرار دهیم، یک استوانه با طول l بدست می آید).
از تقسیم این دو مقدار بر هم نسبت سطح به حجم استوانه بدست می آید:
A/V=(۲&#۹۲۸;rl+۲&#۹۲۸;r۲)/&#۹۲۸;r۲l=&#۹۲۸;r(۲l+۲r)/ &#۹۲۸;r۲l=۲/r+۲/l (I)
همین محاسبات را برای بدست آوردن نسبت A/V درn استوانه داریم:
A=n(۲&#۹۲۸;rl/n+۲&#۹۲۸;r۲)
V=n(&#۹۲۸;r۲l/n)
(A/V)&#۰۳۹;=(۲&#۹۲۸;rl+۲&#۹۲۸;r۲n)/&#۹۲۸;r۲l=&#۹۲۸;r(۲l+۲rn)/ &#۹۲۸;r۲l=۲/r+۲n/l (II)
حال از مقایسه ی (I) و (II) داریم:
۲/r+۲n/l>۲/r+۲/l (A/V)&#۰۳۹;>(A/V)
از طرفی چون n>۱ ، نامساوی بالا همیشه بر قرار است.
بسته به مقدار n و شرائط خاص دیگری که باعث پیچیده شدن محاسبات و در عین حال افزایش این نسبت می شود، تفاوت بارز این ویژگی منحصر به فرد و جالب اجسام نانو و مواد معمولی نمایان تر می شود
● نانوتکنولوژی و تحقق رویای مرد نامرئی
در حال حاضر برخی از متخصصان نانوتکنولوژی در حال کار بر روی مواد و پارچه های هوشمندی هستند که علاوه بر توانایی استتار خود، بتوانند پارگی های خودشان را نیز تعمیر کنند. اصل این کار بر مبنای موادی است که می توانند بر پایه ی نوری که به آنها می رسد، واکنش های مختلفی از خود نشان دهند. اما این کار فقط از عهده مواد طبیعی بر می آید و سیستم های مصنوعی یا سنتزی از این قابلیت بی بهره اند. به همین دلیل نانوتکنولوژیست ها قصد دارند از بعضی از ارگانیسم های زنده (نظیر برخی ماهی ها و دیگر موجودات دریایی مثل هشت پا) تقلید کنند.
وقتی نور به بدن یک ماهی برخورد می کند، ذرات بسیار ریزی که روی پوست ماهی وجود دارد فواصل و پراکنش خود را تغییر می دهند و به این ترتیب خواص نوری سطح پوست ماهی دستخوش تغییر رنگ می دهد. نانوتکنولوژیست ها سعی دارند یک چنین کاری را در سیستم های سنتزی انجام دهند.
برای این کار یک دسته از پروتئین ها موسوم به پروتئین های موتوری وظیفه ی حمل و نقل مولکول های کوچک و دیگر مواد درون سلول ها را به عهده دارند و می توانند آنها را به موقعیت های خیلی دقیق هدایت کنند، به این ترتیب خواص نوری آن سلول را تغییر می دهند. این پروتئین ها علاوه بر انجام این کار قادرند تعمیرات را نیز انجام دهند؛ یعنی می توانند ذراتی که در مقیاس نانو هستند مثلاً به اندازه ی چند اتم جابجا کنند و سپس آنها را به صورت یک رشته متوالی درآورند و در نتیجه کار ترمیم و مرمت را انجام دهند.
این پروتئین ها همچنین می توانند کریستال های بسیار ریزی را که نقاط کوانتومی نامیده می شوند و هر یک به اندازه یک مولکول هستند، با خود حمل کنند. این نقاط کوانتومی می توانند از خود رنگ های نئونی ساطع کنند که این رنگ ها نیز بستگی به سایز هر یک از این ذرات دارد. به این ترتیب فاصله ی این کریستال ها یعنی نزدیک یا دور شدن آنها از همدیگر می تواند رنگ سطوح مصنوعی را تغییر دهد، درست به همان روشی که یک ماهی رنگ پوست خود را عوض می کند. معنی تمام مطالب این است که اگر پروتئین های موتوری کار خود را به درستی انجام دهند، دیگر نه نیازی به آن است که مرد نامرئی لباس خود را بشوید و نه اینکه اگر پاره شد، آن را تعمیر کند.
● نانو تیوپ کربن
زمانی که تولید نانو تیوپ به صورت انبوه و اقتصادی امکان پذیر شود، نانو تیوب ها مواد اصلی و اساسی مهندسی قرن ۲۱ خواهند شد. از نانو تیوپ کربن می توان استفاده های زیادی کرد. به طور جدی در مورد ساخت یک آسانسور از زمین به مدار فکر کنید. ممکن است شما روزی به آسمان نگاه کنید و کابلی را ببینید که شبیه لوبیای سحرآمیز جک به آسمان رفته و وسائل حمل و نقل به وسیله نیروی الکتریکی روی آن حرکت می کنند. از هزاران ماده ای که در حال حاضر در دسترس مهندسان ناسا قرار دارد، فقط یک ماده (نانو تیوپ کربن) برای ساخت این کابل مناسب است.
نانو تیوپ کربن به صورت لوله ای است که از الماس سخت تر بوده و ۵۰۰۰۰۰ بار از موی انسان نازکتر است.
تولید نانو تیوپ کربن مشکل است، ولی کاربردهای متعددی دارد. شرکت سامسونگ یک نمونه از صفحه ی نمایش تخت ساخته است که الکترون ها از نوک نانو تیوپ بر روی صفحه نمایش تابانده می شوند یا در آمریکا پژوهشگران یک خودنویس از جنس نانو تیوپ طراحی کرده اند که بجای این که مرکب را در خود نگه دارد، اتم ها را در خود ذخیره می کند.
از خواص الکتریکی جالب نانو تیوپ که به خاطر وجود بعضی از مولکول ها در محیط تغییر می کند، می توان برای ساخت حسگرهای حساس برای مواد شیمیایی خطرناک استفاده کرد. نانو تیوپ های کربن می توانند به صورت هادی، نیمه هادی و ابر رسانا ساخته شوند. و نیز به طور استثنایی محکم بوده و قابلیت هدایت حرارتی عالی دارند و از لحاظ شیمیایی خنثی می باشند و از همه مهم تر، بسته به آرایش اتمی به صورت نیمه هادی ها یا فلزات عمل می کنند.
هم اکنون نانو تیوپ ها با استفاده از یک لیزر به وسیله ی تبخیر کربن حرارت دیده، ساخته می شوند. با این وسیله نانو تیوپ کربن به شکل دسته ای یا طنابی تولید می شود، ولی برای استفاده در مقیاس صنعتی تولید این لوله ها به اندازه کافی نمی باشد.
آقای پیتر هاریس متخصص نانو تیوپ از دانشگاه ریدینگ در انگلستان می گوید:
((ما قادر به ساخت نانو تیوپ در مقیاس آزمایشگاهی هستیم، ولی برای تولید انبوه مشکل داریم)). کاربرد دیگر نانو تیوپ کربن به خاطر خواص الکترونیکی آنها است. این لوله ها جریان های الکتریکی را ۱۰۰ برابر بیشتر از سیم های فلزی در خود نگه می دارند. این خاصیت جالب و نازک بودن آنها باعث شده که ماده ای ایده آل برای استفاده در صنعت فناوری نانوی الکترونیکی باشند.
کاربرد دیگر نانو تیوپ کربن برای ساخت مخزن ها یا تانک های ذخیره ی مولکول های هیدروژن می باشد که در اتومبیل های نسل آینده در سلول های سوختی بکار برده خواهند شد.
همکاری مشترک سه کشور استرالیا، آمریکا و آلمان منجر به ساخت ورق های نانو تیوپ شده است که بیشتر از ماهیچه های بدن قادر به اعمال تنش می باشد. محققان معتقدند که از نانو تیوپ کربن می توان برای ساخت ماهیچه های مصنوعی استفاده کرد.
حال با توجه به خصوصیات منحصر به فرد و جالبی که درباره ی اجسام نانو بیان شد، نانوتکنولوژی علم انسان را به کدام سوی هدایت خواهد کرد؟

http://shimisanati.blogfa.com
علی علیزاده
منابع:
۱. Nanotechnology Gregrory.Timp Bell babaratories/ Murray Hill ۱۹۹۹-p۱,۲
۲. G.I.T laboratory journal ۵/۲۰۰۱ , p.۱۹۷ , G.I.T publishing LTD , ۶۴۲۲۰ Darmstadt , Germany
۳.The note of Dr.Klaus. H.Sammer – www.bayer – agod
۴. Glenn McGee ,"What is the nanotechnology" , associate director of the university of Pennsylvania&#۰۳۹;s center for bioethios.
۵. www.nano.org.uk
۶.The institute of nanotechnology publishing,۲۰۰۳ ۷.journal of nanotechnology,Juen ۲۰۰۲
۸.www.science central.com
۹. مجله صنایع الکترونیک، شماره ۷، بهمن و اسفند ۱۳۸۱.
۱۰. مقالات دفتر مطالعات سیاست نانوتکنولوژی.
۱۱. "مواد و فرآیندهای مورد استفاده در ساخت آشکار سازهای لایه نازک با ساختارهای نانومتری" ، ترجمه و تألیف: مهدی طالبی و علیرضا صدرایی.