تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن

نانوتكنولوژی، فناوری جدید است كه تمام دنیا را فرا گرفته است و به تعبیر دقیق تر «نانو تكنولوژی بخشی از آینده نیست بلكه همه آینده است» . در این نوشتار سایتnano بعد از تعریف نانوتكنولوژی و بیان كاربردهای آن دلایل و ضرورت های توجه به این فناوری را آورده است:
● تعریف نانوتكنولوژی و آشنایی با آن
نانوتكنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولی و اتمی و استفاده از خواص است كه در آن سطوح ظاهر می شود. از همین تعریف ساده بر می آید كه نانوتكنولوژی یك رشته جدید نیست، بلكه رویكردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتكنولوژی كاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشكی و بیوتكنولوژی تا الكترونیك، كامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.
كاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به عنوان یك زمینه فرا رشته ای و فرابخش مطرح نموده است. هر چند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانوتكنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به طور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنكردنی نانوتكنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید كه نظر تمامی كشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یكی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یكم محسوب نمایند .
استفاده از این فناوری در كلیه علوم پزشكی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الكترونیك، كامپوترهای كوانتومی و ... باعث شده كه تحقیقات در زمینه نانو به عنوان یك چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یك بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یك برنامه ریزی علمی دقیق و كارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین كاری طراحی یك برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است.
● نانوتكنولوژی و كاربردهای آن
علوم و فناوری نانو، عنصری اساسی در درك بهتر طبیعت در دهه های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ینده، همكاری های تحقیقاتی میان رشته ا ی، آموزش خاص و انتقال ایده ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثیرات و كاربردهای نانوتكنولوژی به شرح زیر می باشد:
▪ تولید، مواد و محصولات صنعتی: نانوتكنولوژی تغییر بنیانی مسیری است كه در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوك های ساختمانی نانو با اندازه و تركیب به دقت كنترل شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگ تر، كه دارای خواص و كاركرد منحصربه فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد می كند. محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد كه در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده است. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبك تر، قوی تر و قابل برنامه ریزی، كاهش هزینه عمر كاری از طریق كاهش دفعات نقص فنی، ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید، بكارگیری كارخانجات مولكولی یا خوشه ا ی كه مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
▪ پزشكی و بدن انسان: رفتار مولكولی در مقیاس نانومتر، سیستم های زنده را اداره می كند. یعنی مقیاسی كه شیمی، فیزیك، زیست شناسی و شبیه سازی كامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
▪ فراتر از سهل شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتكنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ( Drug Delivery) تهیه كند، كه به نحو حیرت انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می دهد.
▪ مواد زیست سازگار با كارایی بالا: از توانایی بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، می توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات كوانتومی كه برای مرئی سازی بكار می رود) درون سلول ها وارد نمود.
▪ افزایش توان محاسباتی به وسیله نانوتكنولوژی: ترسیم وضعیت شبكه های ماكرومولكولی را در محیط های واقعی ممكن می سازد. اینگونه شبیه سازی ها برای بهبود قطعات كاشته شده زیست سازگار در بدن و جهت فرآیند كشف دارو، الزامی خواهد بود.
▪ دوام پذیری منابع: كشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاك
نانوتكنولوژی چنان چه ذكر شد، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگی را كاهش خواهد داد. همچنین فناوری های جدید، امكان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند كرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می تواند تاثیر قابل ملاحظه ا ی، در درك مولكولی فرآیندهای مقیاس نانو كه در طبیعت رخ می دهد، در ایجاد و درمان مسایل زیست محیطی از طریق كنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فناوری های «سبز» جدید كه محصولات جانبی ناخواسته كمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژی توان حذف آلودگی های كوچك از منابع آبی (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ تر را دارد. در زمینه انرژی، نانوتكنولوژی می تواند به طور قابل ملاحظه ا ی كارآیی، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تاثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد .
به عنوان مثال، شركت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده با نانو ذرات را ساخته اند كه می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترد ه از این نانوكامپوزیت ها می تواند سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد . یا انتظار می رود تغییرات عمده ا ی در فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می توان نیمه هادی های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید كرد. در آمریكا، تقریبا «۲۰درصد كل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپ های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می شود. مطابق پیش بینی ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت هایی از این دست می تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰درصد كاهش دهد كه ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه جویی و ۲۰۰ میلیون تن كاهش انتشار كربن را به همراه خواهدداشت .
▪ هوا و فضا: محدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای ماموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب ناپذیر می سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشكل را به وجود آورده است.» نانوساختن «( Nanofabrication ) همچنین در طراحی و ساخت مواد سبك وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، مورد نیاز برای هواپیماها، راكت ها، ایستگاه های فضایی و سكوهای اكتشافی سیاره ا ی یا خورشیدی، تعیین كننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم های كوچك شده تمام خودكار، منجر به پیشرفت های شگرفی در فناوری ساخت و تولید خواهد شد. این مسئله با توجه به اینكه محیط فضا، نیروی جاذبه كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم های نانو _ كه ساخت آنها در زمین ممكن نیست- در فضا خواهدشد.
▪ امنیت ملی: برخی كاربردهای دفاعی نانوتكنولوژی عبارتند از: تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالكترونیك پیشرفته بعنوان یك قابلیت مهم نظامی، امكان آموزش موثرتر نیرو، به كمك سیستم های واقعیت مجازی پیچیده تر حاصله از الكترونیك نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیك پیشرفته برای جبران كاهش نیروی انسانی نظامی، كاهش خطر برای سربازان و بهبود كارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به كارایی بالاتر (وزن كمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه های نظامی و در عین حال تعداد دفعات نقص فنی كمتر و هزینه كمتر در عمر كاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته ا ی، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در كنترل و مدیریت عدم تكثیر سلاح های هسته ا ی، تلفیق ابزارهای نانو و میكرومكانیكی جهت كنترل سیستم های دفاع هسته ا ی. در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مكمل هم هستند. كاربردهای درازمدت نانوتكنولوژی در زمینه های دیگر، پشتیبانی كننده امنیت ملی است و بالعكس.
▪ كاربرد نانوتكنولوژی در صنعت الكترونیك: ذخیره سازی اطلاعات در مقیاس فوق العاده كوچك، با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد یكهزار برابر یا بیشتر افزایش دهد و نهایتا به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به كوچكی یك ساعت مچی منتهی شود.
ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یك ترابیت در هر اینچ ربع برسد، و این امر موجب می شود كه ذخیره سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یك هارد دیسك با ابعاد یك كارت اعتباری شود. ساخت تراشه ها در اندازه های فوق العاده كوچك به عنوان مثال در اندازه های ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، تولید دیسك های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه های كوچك نیز می باشد.
● تاریخچه فناوری نانو در جهان
چهل سال پیش Richard Feynman، متخصص كوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، درسخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان» آن پایین فضای بسیاری هست «( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی درآن زمان اظهار داشت :» اصول فیزیك، تا آنجایی كه من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زنند. «او فرض را بر این قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته اند كه چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های كوچك بسازند، پس ما خواهیم توانست كه آنها را كوچك و كوچك تر كنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی شان در لبه های نامعلوم كوانتوم نزدیك خواهند بود به طوری كه یك اتم را در مقابل دیگری به گونه ای قرار دهیم كه بتوانیم كوچكترین محصول مصنوعی و ساختگی ممكن را ایجاد كنیم.
▪ با استفاده از این فرم های بسیار كوچك چه وسایلی می توانیم ایجاد كنیم؟
Feynman در ذهن خود یك» دكتر مولكولی «تصور كرد كه صدها بار از یك سلول منحصربفرد كوچك تر است و می تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام كاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلول ها و یا انجام اعمال ترمیمی و به طور كلی برای نگهداری بدن در سلامت كامل به سیر بپردازد. در بحبوبه سالهای صنعتی كلمه» بزرگ از «اهمیت ویژه ای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه های مهندسی بزرگ و غیره حتی كامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال می كردند. ولی از وقتی Feynman نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان روندی به سوی كوچك شدن در پیش گرفت. Marvin Minsky تفكرات بسیار باروری داشت كه می توانست به اندیشه های Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر یابنده هوش های مصنوعی دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفكراتی كه مربوط به آینده می شد، رهبری می كرد. در اواسط دهه ۷۰، Eric Drexler كه یك دانشجوی فارغتالتحصیل بود، Minskey را به عنوان استاد راهنما جهت تكمیل پایان نامه اش انتخاب كرد و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت. Drexler سبت به وسایل بسیار كوچك Feynman علاقه مند شده بود و قصد داشت تا در مورد توانایی های آنها به كاوش بپردازد. Minskey نیز با وی موافقت كرد. Drexler در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم كامپیوتر دریافت كرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افكار جوانترها را با یك سری ایده ها كه خودش نانوتكنولوژی» نامگذاری كرده، مشغول می داشت. Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتكنولوژی مولكولی (MNT) در سال ۱۹۸۱ ارایه داد. او كتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دكتری در نانوتكنولوژی را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دریافت داشت. او یك پیشرو در طرح نانوتكنولوژی است و هم اكنون رییس استیتو Foresight و Research Fellow می باشد.
● تعیین بودجه های كلان در كشورهای صنعتی برای تحقیقات در زمینه نانوتكنولوژی
بسیاری از كشورهای توسعه یافته و در حال توسعه (در حدود ۳۰ كشور)، برنامه هایی را در سطح ملی برای پشتیبانی از فعالیت های تحقیقاتی و صنعتی نانوتكنولوژی تدوین و اجرا می نمایند. زیرا نانوتكنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع، آینده اقتصادی كشورها و جایگاه آنها در جهان را تحت تاثیر جدی قرار خواهد داد و این مسئله در این كشورها توسط صاحب نظران و محققان تبیین شده و برای مدیران اجرایی به صورت یك امر شفاف و قطعی درآمده است. در بخشی از این كشورها، در یكی دو سال اخیر تحركات شدیدی از طرف دولت ها برای سرعت بخشیدن به توسعه نانوتكنولوژی صورت گرفته و فعالیتهایی كه تا قبل از این به صورت خودجوش توسط محققان انجام می گرفته است، با تشویق و حمایت های مستقیم دولت ادامه یافته اند كه در این قسمت نمودار ستونی میزان سرمایه گذاری دولت ها آورده شده است:
● اهمیت مطرح شدن طرح
همانگونه كه اشاره شد بسیاری از كشورهای پیشرفته و در حال پیشرفت، برنامه هایی را برای پشتیبانی از فعالیت های تحقیقاتی و صنعتی نانوتكنولوژی تدوین و اجرا می نمایند. اما یك سئوال مهم برای كشور ما و بسیاری از كشورها كه هنوز به نانوتكنولوژی به عنوان تمدن آینده علمی توجه كافی نكرده اند، این است كه آیا باید با این روند همراه شد یا نه؟ توجه به فضای بسیار بزرگ و در حال ایجاد نانوتكنولوژی و حجم وسیع فعالیت های مربوط به آن در دنیا، این باور را به انسان القاء می كند كه دیر یا زود باید آینده را دید و برای ورود به آن اقدام نمود.
● ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژی اجتناب ناپذیر است
بسیاری از صاحب نظران و محققان، نانوتكنولوژی را مساوی آینده دانسته اند. به عنوان نمونه كمیته مشاوران رییس جمهور آمریكا در علوم و فناوری در تایید برنامه ملی نانوتكنولوژی برای سال ۲۰۰۱، از نانوتكنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می كند. به دلیل تاثیرات این فناوری بر اكثر فناوری های موجود، عقیده صاحب نظران این است كه متخصصان رشته های مخت&#