مقاله در مورد کاربرد نانو در معماری

بخشی از مقاله

کاربرد نانو در معماری
دانشجویان دانشگاه ایالتی بال با همكاری موسسه فناوری ایلینویز ساختمان هایی را طراحی می كنند كه در آنها از نانومواد استفاده می شود. انتظار می رود این ساختمان ها طی ۲۰ سال آینده به طور انبوه ساخته شوند. این ساختمان ها در برگیرنده قطعات مبتنی بر ساختار نانولوله های كربنی، روشنایی مبتنی بر نقاط كوانتومی و نانوسنسورهایی است كه به همراه هم ساختمان هایی مستحكم تر، هوشمندتر و حساس تر نسبت به محیط را ایجاد خواهند كرد. در پروژه این

دانشجویان قطعات مبتنی بر نانولوله ها، ساخت دیوارهای شفا ف و مقاوم در برابر فشار، بدون نیاز به ستون و حایل را ممكن می كنند. به گزارش ایسنا با استفاده از نقاط كوانتومی می توان دیوارها و سقف های روشن یا با رنگ متغیر از طریق زدن یك كلید، ساخت. نانوسنسورها در عناصر ساختمان محیط هوشمندی را ایجاد می كند كه درآن ساختمان ها دائما با محیط خود منطبق می شوند. گفتنی است كه این دانشجویان در پروژه خود ملاحظات اجتماعی و محیطی ناشی از فناوری نانو را نیز مدنظر قرار داده اند.

انقلاب نانو در معماری
شیشه هایی از جنس نانو
بايد توجه كنيد كه اين ماده يك لايه نيست كه بر روي سطوح كشيده شود، بلكه تغيير شيميايي در سطح مولكولي مي باشد، كه از آلوده شدن سطوح جلوگيري مي نمايد. اين تركيب آبگريز، نميگذارد تا آب و يا هر ذره ديگري بر روي سطح شيشه و يا كروم بنشيند. اين ماده بسيار نازك و شفاف است بايد توجه كنيد كه اين ماده يك لايه نيست كه بر روي سطوح كشيده شود، بلكه تغيير شيميايي در سطح مولكولي مي باشد، كه از آلوده شدن سطوح جلوگيري مي نمايد. اين تركيب

آبگريز، نميگذارد تا آب و يا هر ذره ديگري بر روي سطح شيشه و يا كروم بنشيند. اين ماده بسيار نازك و شفاف است و اصلا قابل مشاهده به وسيله چشم نيست و در نتيجه سطوح شفاف مانند شيشه ها و لنزهاي دوربين نيز به وسيله آن به راحتي محافظت مي شوند. اين ذرات نانو بر روي مولكولهاي سطوح مي چسبند و مانع از نفوذ هر نوع ماده ديگر بر روي سطح مي شوند. مي بينيد كه آب هرگز بر روي سطوح آغشته شده بوسيله اين ماده نمي ايستد، بنابراين اگر جسمي بر روي اين سطوح بنشيند تنها با ريختن آب بر روي سطح و يا باريدن باران پاك خواهد شد.

اگر بوسيله ميكروسكوپ به سطح شيشه نگاه كنيم مي بينيم كه سطوح شيشه اي كاملا صاف نمي باشند، بنابراين وقتي كه آب و يا هر آلودگي ديگري بر روي آنها بريزد به راحتي مي چسبد. شيشه هايي كه با استفاده از فن آوري نانو ساخته مي شوند اجازه مي دهند كه آلودگي ها با آب تركيب شوند و به اين وسيله بدون دخالت هيچ ماده ديگري از روي شيشه سر بخورند. اين مواد همچنين مانع از رسوب نمكها بر روي سطوح شيشه مي شوند. همچنين اين مواد به وسيله آب، مواد پاك كننده و يا فشار فيزيكي از سطح شيشه جدا نمي شوند. اين محصول نانو تضمين شده است كه از وضوح شيشه ها و همچنين شفافيت آنها كاسته نشود. نگهداري اين شيشه ها نيز بسيار ساده و كم هزينه است.

محقق : « با این فناوری شیشه هایی خاص در مقیاس آزمایشگاهی ساخته شده اند که به راحتی شکسته نمیشوند حتی با کوبیدن یک لوله فولادی و گرمای یک برش هوا ( برش هوا ، برای بریدن آهن آلات ) با بالاترین مقدار خود روی این شیشه ها اثری ندارد و گرمای آن از شیشه انتقال داده نمی شود. قطرات آب و حتی انواع حشرات نمی توانند روی آنها بنشینند یا حرکت کنند ، چون بقدری سطح این شیشه ها صاف است که چنین امکانی وجود ندارد

نانو تكنولوژي علم خواص عجيب مواد
از نانوتكنولوژي، بيوتكنولوژي و فناوري اطلاع رساني به عنوان سه قلمرو علمي نام مي برند كه انقلاب سوم صنعتي را شكل مي دهد. از همين روست كه كشورهاي در حال توسعه كه اغلب از دو انقلاب قبل جا مانده اند، مي كوشند با سرمايه گذاري در اين سه قلمرو، عقب ماندگي خود را جبران كنند. همان گونه كه در اين گزارش مي خوانيد، نانوتكنولوژي كاربردهاي گسترده اي در تمام حيطه هاي زندگي دارد و از اين رو توسعه آن مي تواند به بهبود و تسهيل زندگي كمك فراوان كند.

اتم سنگ بناي بنيادي ماده است و در نتيجه اتم ها بسيار كوچك هستند. توصيف و تصور جهان در سطح اتم و ملكول دشوار است. اين حيطه از علم به قدري عجيب است كه بخشي خاص از فيزيك به آن اختصاص يافته شده كه مكانيك كوانتم نام دارد. هدف اين علم براي توصيف رخدادها در سطح اتم است.اگر قرار بود توپ تنيس را به طرف ديوار پرتاب كنيد و توپ از آن بگذرد و به سوي ديگر ديوار برود، حتماً تعجب مي كرديد. اما اين دقيقاً همان اتفاقي است كه در مقياس كوانتم رخ مي دهد. در مقياس بسيار كوچك، خواص ماده مانند رنگ، مغناطيس و توانايي انتقال برق نيز به شكل

غيرمنتظره تغيير مي كند. ديدن جهان اتم به معناي عادي كلمه ميسر نيست، چون خواص آن كوچكتر از طول موج نور قابل ديدن است. اما در سال 1981 پژوهشگران شركت آي بي ام نوعي ميكروسكوپ ساختند كه نام آن STM بود. اسم اين ميكروسكوپ در واقع از يك خاصيت در مكانيك كوانتم گرفته شده بود كه در ميكروسكوپ ياد شده به كار مي رود. اين دستگاه مي توانست پستي و بلندي هاي در مقايس جهان نانو را نشان دهد. ميكروسكوپ

STM
اين امكان را به دانشمندان داد كه براي اولين بار اتم ها و ملكول ها را ببينند. تصاوير اين ميكروسكوپ به زيبايي و وضوح تصاوير طبيعت اما در مقياس تصورناپذير نانومتر بود.
يك نانومتر يك ميليارديم متر يا حدوداً به طول 10 اتم هيدروژن است. با وجودي كه دانشمندان از سال هاي دهه 1950 درباره بررسي مواد در اين مقياس تلاش كرده بودند، آنان ناچار شدند تا اختراع ميكروسكوپSTM

صبر كنند تا به هدف خود برسند.
عموماً در اين باره توافق وجود دارد كه نانوتكنولوژي اشياء بين يك تا 100 نانومتر را در بر مي گيرد، هر چند كه اين تعريف تا حدي قراردادي است. برخي افراد اجسامي به كوچكي يك دهم نانومتر را نيز در نظر مي گيرند كه به اندازه پيوند بين دو اتم كربن است. در ديگر سوي اين گستره در اجسام بزرگتر از 50 نانومتر قوانين فيزيك كلاسيك صدق مي كند.

مواد بسياري هستند كه داراي خواص اجسام در مقياس نانو هستند اما اسم نانوتكنولوژي به آنها اطلاق نمي شود. نانوتكنولوژي در پي آن است تا از خواص عجيب اجسام در مقياس بسيار كوچك استفاده كند.
جورج اسميت سرپرست بخش علم مواد در دانشگاه آكسفورد گفت در مقياس نانو، خواص ?جديد، هيجان انگيز و متفاوتي? يافت مي شود. با كوچك تر شدن اجسام، نسبت بين فضاي سطح و حجم آن افزايش مي يابد. اين امر بدان علت مهم است كه اتم هاي موجود در سطح يك ماده معمولاً بيشتر از اتم هاي مركز آن واكنش نشان مي دهند. از اين رو، اگر نقره به ذرات بسيار كوچك تبديل شود، خواص ضدميكروبي پيدا مي كند كه در حجم انبوه آن وجود ندارد. يك شركت با توليد ذرات ريز از تركيب اكسيد سديم از اين خاصيت استفاده مي كند و ماده اي توليد مي كند كه خاصيت كاتاليزوري آن بيشتر است.

در اين جهان ناديدني، ذرات كوچك طلا در دماي چند صد درجه پايين تر ذوب مي شود و مس كه معمولاً رساناي خوب الكتريسيته است، ممكن است در لايه هاي نازك و در مجاورت ميدان مغناطيسي مقاوم شود.
الكترون ها (مانند همان توپ تنيس خيالي) مي توانند از نقطه اي به نقطه ديگر بجهند و ملكول ها مي توانند همديگر را از مسافت هاي متوسط جذب كنند. اين خاصيت به برخي حشرات اجازه مي دهد روي سقف راه بروند، چون موهاي ريز كف پايشان به سقف مي چسبد.

اما يافتن خواص جديد در مقياس نانو گام نخست است. گام بعدي استفاده از اين دانش است. توانايي ساخت اجسام با دقت اتمي اين امكان را به دانشمندان مي دهد كه موادي با خواص بهتر يا جديد نوري، مغناطيسي، حرارتي يا الكتريك توليد كنند.

اكنون انواع جديدي از ماده توليد مي شود. مثلاً شركت نانوسونيك در ويرجينيا لاستيك فلزي توليد كرده است. اين ماده مانند لاستيك انعطاف و انحنا مي پذيرد اما الكتريسيته را مانند فلزي محكم منتقل مي كند. مركز تحقيقاتي جنرال الكتريك در پي ساخت سراميك انعطاف پذير است. در صورت موفقيت، از اين ماده مي توان در ساخت قطعات موتور جت استفاده كرد و موتورهايي ساخت كه در دماي بيشتر با كارايي بهتري كار كند. چندين شركت مشغول كار روي موادي هستند كه روزي به صورت رنگ به سلول هاي خورشيدي بدل خواهد شد.
از آنجايي كه نانوتكنولوژي كاربردهاي گسترده اي دارد، بسياري از افراد فكر مي كنند اين علم اهميتي به مانند برق يا پلاستيك پيدا كند. مطالعات نشان مي دهد نانو تكنولوژي با بهبود مواد و محصولات و توليد مواد كاملاً جديد بر تمام صنايع تأثير خواهد گذاشت. افزون براين، فعاليت در حد كوچكترين مقياس ها به پيشرفت هاي مهم در عرصه هايي مانند الكترونيك، انرژي و پزشكي زيستي خواهد انجاميد.
آغاز نانوتكنولوژي
نانو تكنولوژي از يك رشته علمي خاص مشتق نمي شود. با وجودي كه نانو تكنولوژي بيشترين وجه مشترك را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملكول شالوده بسياري از علوم است و در نتيجه دانشمندان حوزه هاي علمي به آن جذب مي شوند. برآورد مي شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تكنولوژي كار مي كنند. تحقيقات در مقياس بسيار ريز در رشته هاي الكترونيك، نوروبيوتكنولوژي به ترتيب نانوالكترونيك، نانو اپتيكس و نانو بيوتكنولوژي نيز ناميده مي شود.

پيشوند نانو از كلمه يوناني به معناي كوتوله مشتق مي شود. براساس برآورد شركت لاكس ريسرچ در نيوريورك، بودجه كل تحقيق و توسعه نانو تكنولوژي دولت ها و شركت ها در سراسر جهان در سال 2004 بيش از 6/8ميليارد دلار بود. نيمي از اين بودجه از جانب دولت ها تأمين مي شد. اما به پيش بيني لاكس ريسرچ در سال هاي آينده، شركت ها احتمالاً بودجه بيشتري از دولت ها صرف اين علم خواهند كرد.
در آمريكا، پس از طرح فرستادن انسان به كره ماه، نانو تكنولوژي بيشترين بودجه را از دولت فدرال دريافت كرده است. در سال ،2004 دولت آمريكا 6/1ميليارد دلار صرف نانو تكنولوژي كرد، يعني دو برابر بودجه طرح ژنوم انسان در اوج انجام آن. در سال 2005 قرار است 982ميليون دلار ديگر صرف آن شود. در مكان دوم بودجه نانو تكنولوژي ژاپن قرار دارد. بسياري از كشورهاي در حال توسعه مانند هند، چين، آفريقاي جنوبي و برزيل جزو كشورهايي هستند كه بيشترين بودجه را در اين زمينه صرف مي كنند.

در خلال شش سال پيش از ،2003 سرمايه گذاري در نانو تكنولوژي توسط سازمان هاي دولتي هفت برابر شده است. اين حجم سرمايه گذاري انتظارات را به اندازه اي افزايش داده است كه شايد قابل تحقق نباشد. برخي معتقدند شركت هاي نانو تكنولوژي مانند حباب شركت هاي اينترنت در سال هاي اخير از بين خواهند رفت. اما دلايلي وجود دارد كه نشان مي دهد درباره مخاطرات آن گزافه گويي شده است. سرمايه گذاران خصوصي اكنون بسيار محتاط تر از دوره رونق شركت هاي اينترنت هستند و بيشتر پولي كه دولت ها در اين زمينه اختصاص مي دهند، صرف علوم پايه و فناوري هايي مي شود كه تا سال ها در اختيار همگان قرار نخواهد گرفت.

با اين حال كيفيت برخي محصولات موجود با كاربرد نانو تكنولوژي بهبود يافته است و در چند سال آينده بر تعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ريز نقره، بانداژ ضد سوختگي خاصيت ضد ميكروبي پيدا كرده است. با اتصال ملكول هاي ايجاد كننده مانع به فيبر پنبه، پارچه هايي توليد شده است كه ضد لكه و بو است. راكت هاي تنيس با افزودن ذرات ريز تقويت شده است. در درازمدت نانو تكنولوژي به نوآوري هاي بزرگتري خواهد انجاميد، از جمله انواع جديد حافظه كامپيوتر، فناوري پزشكي و روش هاي توليد انرژي بهتر مانند سلول هاي خورشيدي.

طرفداران اين فناوري مي گويند نانو تكنولوژي به توليد انرژي پاك و توليد بدون مواد زائد و غيره خواهد انجاميد. مخالفان آن معتقدند نانوتكنولوژي باعث ايجاد نوعي نظام شناسايي بين المللي و آسيب به فقرا، محيط زيست و سلامت انسان خواهد شد. به نظر مي رسد هر دو گروه در مورد استدلال هاي خود گزافه گويي مي كنند، اما به هرحال بايد از نانو تكنولوژي استقبال كرد.

آیا بیونانوتكنولوژی با نانوبیوتكنولوژی متفاوت است؟
با پیشرفت علم و تكنولوژی در جهان، مرتبا بر تعداد واژه های تخصصی افزوده می شود. در این میان، گسترش علوم و تكنولوژی نانو و تعامل آن با بیوتكنولوژی، منجر به تولید و كاربرد واژه هایی چون بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی در گفته ها و نوشته های محققان مختلف در سطح جهان

شده است. آشنایی محققان و سیاستگذاران علمی كشور با این واژه ها، می تواند آنها را در مطالعات و تصمیم گیری ها یاری كند. در این مطلب، سعی شده است با استفاده از منابع اینترنتی، مقالات و كتب موجود و همچنین استفاده از نظرات برخی متخصصین امر، تعاریف ساده ای از دو واژه بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی ارائه شود.

مفهوم و زمینه كاربرد بیونانوتكنولوژی

تلفیق بیوتكنولوژی با فناوری نوظهور نانوتكنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت به وجود آورده است. نتیجه این تلفیق، ظهور «بیونانوتكنولوژی» به عنوان یك زمینه تحقیقاتی بین رشته ای است كه به سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولكول ارتباط دارد. برخی از صاحب نظران، بیونانوتكنولوژی را به عنوان زیرمجموعه ای از نانوتكنولوژی، به این صورت تعریف كرده اند:

«مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولكولی ساختاری و نانوتكنولوژی مولكولی». برخی دیگر، آن را به عنوان زیرمجموعه ای از بیوتكنولوژی بدین شكل تعریف كرده اند: «به كارگیری پتانسیل بالقوه بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم». در این زمینه، تنها تفاوتی كه بین بیونانوتكنولوژی و بیوتكنولوژی وجود دارد این است كه طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفك پروژه های بیونانوتكنولوژی است در حالی كه در پروژه های بیوتكنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.

چنان كه ملاحظه می شود برخلاف تعریف «بیوتكنولوژی» كه به معنی فناوری استفاده از موجودات و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه هایی چون «بیومتریال» و «بیومكانیك» كه معمولا به معنی استفاده از قابلیت های فناوری های «مواد» و یا «مكانیك» در كاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتكنولوژی، هم كاربرد ابزارهای بیولوژیكی به عنوان سازمان دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم كاربرد محصولات تولیدی تكنولوژی نانو، جهت مطالعه وقایع درون سلول های زنده و تشخیص و

معالجه بیماری ها. آنچه مسلم است ظهور این زمینه تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیده بسیاری از محققان در استفاده از راهكارهای پایین به بالا Bottom-Up approach به جای استفاده از راهكار بالا به پایین Top-Down approach جهت ساخت وسایل و مواد بسیار ریز است.
در راهكارهای بالا به پایین نانوتكنولوژی، سعی بر این است كه وسایل موجود مرتبا كوچك تر شوند به این راهكار، نانوتكنولوژی مكانیكی نیز گفته می شود.

اما در راهكار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم ها و مولكول ها به یكدیگر است در این راهكار از الگوهای بیولوژیكی بهره گیری می شود.
محصولات و زمینه های فعالیت بیونانوتكنولوژی
برخی از محصولات و زمینه های فعالیت بیونانوتكنولوژی عبارتند از:

۱ بیونانوماشین ها: مهم ترین زمینه كاربرد بیونانوتكنولوژی، ساخت بیونانوماشین ها ماشین های مولكولی با ابعادی در حد نانومتر است. در یك باكتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ریبوزوم دستگاه بسته بندی پروتئین است كه محصولات نانومتری پروتئین ها را تولید می كند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین ها به عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی بادی ها، امكان

هیبریدكردن آنها با وسایل سیلیكونی با استفاده از فرآیند میكرولیتوگرافی است. به این ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماكروی كامپیوتر، امكان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را می توان به وجود آورد. نمونه كاربردی این سیستم، ساخت شبكیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باكتریورودوپسین است.

۲ مواد زیستی: كاربرد دیگر بیونانوتكنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحكم و زیست تخریب پذیر است. از جمله این مواد می توان به DNA و پروتئین ها اشاره كرد. موارد كاربرد این مواد و به خصوص در زمینه پزشكی متعدد است. از جمله موارد كاربرد این مواد، استفاده از آنها به عنوان بلوك های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی Nano-Device است.

۳ موتورهای بیومولكولی: موتورهای بیومولكولی، موتورهای محركه سلول هستند كه معمولا از دو یا چند پروتئین تشكیل شده اند و انرژی شیمیایی عموما به شكل ATP را به حركت مكانیكی تبدیل می كنند. از جمله این موتورها، می توان به پروتئین میوزین اشاره کرد که باعث حركت فیلامنت ها می شود،( پروتئین های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA به عنوان مثال، آنزیم های برشی و ATPase). از این موتورها در ساخت نانوروبات ها و شبكه هادی ها و ترانزیستورهای مولكولی قابل استفاده در مدارهای الكترونیكی استفاده می شود.

نانوبیوتكنولوژی و رابطه آن با بیونانوتكنولوژی
اما نانوبیوتكنولوژی نیز واژه دیگری است كه در سال های اخیر، محققان و صاحب نظران در كتب، مقالات و كنفرانس ها به كار می برند. طبق تعریف برخی از این محققان،

نانوبیوتكنولوژی، زیرمجموعه ای از نانوتكنولوژی است كه در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میكرونی برای ساخت و تهیه محصولاتی استفاده می شود كه در مطالعه سیستم های زنده استفاده می شوند. برخی دیگر از محققان، نانوبیوتكنولوژی را زمینه ای از نانوتكنولوژی می دانند كه در آن از سیستم های بیولوژیكی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوكلئیك و پروتئین ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی مركب از مواد آلی و معدنی استفاده می شود.

اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخه نانوتكنولوژی یعنی بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی نگاه شود، می توان فهمید كه اهداف هر دو شاخه یعنی تولید محصولاتی كه جهت مطالعه سیستم های زنده به كار می روند و همچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه یعنی مقیاس های در سطح نانو، تقریبا یكسان است. بنابراین می توان این دو شاخه را به صورت كلی با نام نانوبیوتكنولوژی نامید. منتها زمانی كه به طور صرف، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت وسایل در ابعاد نانو استفاده می شود، بهتر است پیشوند «بیو» مقدم بر پیشوند «نانو» بیاید. در این حالت، كاربرد واژه بیونانوتكنولوژی تخصصی تر از واژه نانوبیوتكنولوژی خواهد بود.

می توان بیونانوتكنولوژی را شكلی خاص از نانوبیوتكنولوژی دانست كه مبنای آن، استفاده از موادزیستی برای مثال پروتئین ها یا DNA جهت ساخت وسایل نانویی است اما در هنگام استعمال واژه نانوبیوتكنولوژی، استفاده از ابزارهای نانویی در كاربردهای بیولوژیك نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تاكید می شود كه كاربرد هر كدام از این دو واژه، تا حد زیادی سلیقه ای است و به زمینه تخصصی محققان مختلف بستگی دارد.