نانوتکنولوژی به زبان ساده

در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، كه باعث پیشرفت های عظیم اقتصادی در كشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین كشورهای جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدلیل فقدان جرات علمی و عدم تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طلائی آن بها داده می شد كه البته سودی هم برای ما به ارمغان نمی آورد، همچون فنآوری الكترونیك و كامپیوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن، هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن نداریم. فناوری نانو جدیدترین این فرصتها ست، كه كشور ما باید برای حضور یا عدم حضور درآن خیلی سریع تصمیم خود را اتخاذ كند. علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژی) توانائی بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملكولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یك حرف از علم» یكپارچه خواهد كرد.
میلیونها سال است كه در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملكولی ) - مثل یك درخت یا یك میكروب - ساخته می شود. علم بشری اینك در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد كه در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو كاربردهای را به منصه ظهور می رساند كه بشر از انجام آن به كلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسیار سبك و محكم برای مصارف مرسوم یا نو
o ورشكستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
o كاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی
o همه گیر شدن ابر كامپیوترهای بسیار قوی، كوچك و كم مصرف
o سلاحهای سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
o شناسائی فوری كلیه خصوصیات ژنتیكی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
o ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
o از بین بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شیمیائی و میكروبی
o از بین بردن كامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
o سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
o تولید انبوه مواد و ابزارهائی كه تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
o و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!
دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتكنولوژی اظهار كرده است: "در جهان اطلاعات ، تكنولوژیهای دیجیتالی كپی‌برداری را سریع، ارزان، كامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یك تن ‌تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد می‌شود".
دكترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و كاشف Buckyballs می‌گوید:
" نانوتكنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معكوس خواهد كرد". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژی كه توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال ۱۹۹۳ نگاشته شده چنین آمده است :
" تصور كنید قادرید با نوشیدن دارو كه در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنید . یك ابر كامپیوتر را كه به اندازه یك سلول انسان است در نظر بگیرید. یك سفینه فضایی ۴ نفره كه به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یك خودروی خانوادگی تجسم كنید" . موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژی هستند. انسان در معرض یك انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است كه ناشی از علم نانوتكنولوژی است. در آینده نزدیك گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند كه قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی كار كنونی از رده خارج خواهند شد. كالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیك و با دوام خواهند شد. دارو یك جهش سریع و كوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبكهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.سه فناوری تسخیركننده
از طرفی شاید بتوان گفت تسخیركنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند.
قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی كوچك از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یك فضای بسیار كوچك موضوعی بسیار آشنا می باشد.
در كوچكترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یك موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار كوچكی از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد ( نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یكی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترك این سه فناوری است.
ابزارهای جدید برای كارهای ظریف
اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسید كه چه پیشرفتهای عمده دستگاهی باعث شده‌اند تا نانوتكنولوژی در خطوط مقدم تحقیقات علوم فیزیكی قرار گیرد، تقریبا" همه آنها به داستان میكروسكوپ پروب اسكن‌كننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM یك پروب نانوسكوپی در ارتفاع ثابتی بر بالای بستری از اتم‌ها حفظ می‌شود. این فاصله می‌تواند آن‌قدر كم باشد كه الكترون‌های اتم‌های تیرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. این تعاملات می‌تواند آن‌قدر قوی باشد، كه اتم‌ها از جا كنده شده و به جای دیگری بروند.)
اشاره می‌كنند. علیرغم تازه واردگی به عرصه تحلیل دستگاهی، استفاده از میكروسكوپی تونل‌زنی اسكن‌كننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسیله‌ای برای تهیه تصویر از اتمهای روی سطوح مواد، كه نقش مهمی در درك توپوگرافی و خواص الكتریكی مواد و رفتار قطعات میكروالكترونیكی دارند. STM بر خلاف یك میكروسكوپ نوری، برای تهیه تصویر نیروهای الكتریكی را با یك پروب نازك‌شده به حد تیزی یك اتم آشكار می‌كند. پروب سطح را جاروب كرده، بی‌نظمی‌های الكتریكی حاصل از پوسته‌های الكترونی یا ابرالكترونی پیرامون اتم‌ها را به كمك یك كامپیوتر به تصویر مبدل می‌كند. به دلیل یك اثر مكانیك كوانتومی موسوم به «تونل‌زنی»، الكترون‌ها می‌توانند به سادگی از تیرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاویر در حدود nm۱ یا كمتر است. از STM می‌توان برای جابجایی تك به تك اتم‌ها و تهیه نقشه‌های پروضوح از سطوح مادی استفاده كرد.) ، میكروسكوپی نیروی اتمی (AFM) و دیگر تكنیكهای مشتق‌شده از این دو مورد اصلی در بسیاری از آزمایشگاهها ، به دلیل حجم زیاد اطلاعاتی كه از مقیاس نانومتر به دست می دهند، متداول و حتی گریزناپذیر شده است. ریچارد فینمن طی یك سخنرانی در همایش جامعه فیزیك آمریكا در ۱۹۵۹ در مؤسسه تكنولوژی كالیفرنیا كه بعد در آنجا استاد فیزیك شد ایده‌هایی بنیادی در زمینه كوچك‌سازی نوشتجات، مدارها و ماشین‌ها ایراد كرد : " آنچه من می‌خواهم به شما بگویم، مسئله دستكاری و كنترل اشیاء در مقیاس كوچك است. تردیدی وجود ندارد كه در نوك یك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دایره‌‌المعارف بریتانیكا را جا داد." فینمن برای به تفكر واداشتن محققین و تاكید نمودن بر عقیده‌اش مبنی بر امكان فیزیكی چنین معجزه‌ای ، جایزه‌هایی ۱۰۰۰ دلاری برای اولین افرادی كه به اهداف مشخص شده ای در كوچك‌سازی كتابها و موتورهای الكتریكی دست یابند تعیین كرد. فینمن تاكید كرد : " من در حال خلق ضد جاذبه نیستم كه به فرض روزی اگر قوانین (فیزیك) آنچه ما می‌پنداریم، نبودند عملی شود. من صحبت از چیزی می‌كنم اگر قوانین آنچه ما می‌پنداریم باشند، عملی خواهد بود. ما به آن دست پیدا نكرده‌ایم چون خیلی ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ایم."وضعیت جهانی
از فناوری نانو به عنوان "رنسانس فناوری" و" روان كننده جریان سرمایه گذاری " یاد می شود.ورود محصولات متكی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و كیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائی های بزرگ اقتصادی خواهد شد . هم اكنون بخش های دولتی و خصوصی كشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریكا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، كره جنوبی، استرالیا، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر كسب پیشتازی جهانی در لااقل یك حوزه از این فناوری به سر میبرند . هم اكنون روی هم رفته حدود ۳۰ كشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای "برنامه ملی" یا درحال تدوین آن هستند، وطی پنچ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به ۵/۳ برابر افزایش داده اند. كشورهای ژاپن و آمریكا نیز فناوری نانو را اولین اولویت كشور خود در زمینه فناوری اعلام كرده اند .
و امّا بطور كلی و خلاصه اینكه:
o نانوتكنولوژی چست؟
o نانوتكنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای كنترل آنهاست. هدف اصلی اكثر تحقیقات نانوتكنولوژی شكل‌دهی تركیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتكنولوژی در الكترونیك، زیست‌شناسی، ژنتیك، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بكار برده میشود.
o چرا " Nano"؟
o nano كلمه‌ای یونانی به معنی كوچك است و برای تعیین مقدار یك میلیاردیم یا ۹- ۱۰ یك كمیت استفاده می‌شود. چون یك اتم تقریباً" ۱۰ نانومتر است، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولكولی بكاربرده میشود.
o تفاوت بین نانوعلم و نانوتكنولوژی چیست؟
o نانو علم صرفا" تحقیق است ولی نانوتكنولوژی كاربرد تحقیقات برای حل مسائل و ساخت مواد جدید است.
o نانوتكنولوژی از كجا آمده است؟
o برای اولین بار ریچارد فینمن برنده جایزه نوبل فیزیك پتانسیل نانوعلم را در یك سخنرانی تكان‌دهنده با نام " درپایین اتاقهای زیادی وجود دارد"، مطرح كرد . فینمن اصرار داشت، كه دانشمندان ساخت وسائلی را،كه برای كار در مقیاس اتمی لازم است، شروع كنند. این موضوع مسكوت ماند، تا اینكه اریك دركسلر (دانشجوی تحصیلات تكمیلیMIT) ندای فینمن را شنید و یك قالب‌كاری برای مطالعه "وسایلی كه توانایی حركت دادن اشیاء مولكولی و مكان آنها را با دقت اتمی دارند" ایجاد كرد، كه در سپتامبر ۱۹۸۱ در مقاله‌ای با نام " پروتئین راهی برای تولیدانبوه مولكولی ایجاد میكند" آن را ارائه داد. دركسلر آن را با كتابی بنام " موتورهای خلقت" دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژی را همانند یك كوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه های ثبت‌شده از این مفهوم نانوتكنولوژی تغییر مكان دادن اشیا مولكولی، در سال ۱۹۸۹ بود، موقعی كه دانشمندی در مركز تحقیقات آلمادنIBM اتمهای منفردگزنون را روی صفحه نیكل حركت داد، تا نام IBM را روی سطح نیكل نقش كند.
o آیا نانوتكنولوژی خیالی‌تر از علم است؟
o از موقعی كه اولین مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژی همانند چوبدست سحرآمیزی برای ساخت كودكان طراح تا ماشینهای تولید اكسیژن برای استعمار كره مریخ، تصور می‌شد. هیجانات از واقعیات جلوتر بود، اما پیشرفت واقعی با مسائلی پیش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پیش محققین در دانشگاههای كالیفرنیا، رایس وMIT موفق به ساخت نانوذراتی شدند، كه به دانشمندان كمك می‌كردند. تعدادی از اساتید این دانشگاهها شركتهایی تأسیس كردند، كه وسایل موردنیاز برای تحقیقات مقیاس نانو را می‌ساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهایشان از طریق ثبت اختراع هستند، تا زمینه تولید فرایندهایشان را فراهم كنند. كاربردهای علمی نانوعلم هنوز كم است. اما مقداری از تولیدات اولیه اكنون وارد بازار می‌شوند.
o كارهای علمی انجام‌شده بوسیله نانوتكنولوژی چیست؟
o بیشترین كار علمی روی ایجاد تغییراتی در مواد شیمیایی یا نقشه‌برداری از تركیبات زیستی، مانند DNA و سلولهای سرطانی است. بعضی ازاولین محصولات تجاری، بهبود تولیدات شیمیایی كنونی یا روشهای پزشكی است.

نوشته : سید فخرالدین افضلی