دانلود مقاله نانوتکنولوژی
نانوتکنولوژی
مقدمه:
حدود ۱۰۰ سال پیش که برای اولین بار مسئله استفاده از انرژی عظیم هسته ای مطرح شد؛ بشر همواره نمی توانست درک تجربی و صحیحی نسبت به این موضوع داشته باشد، ولی دیری نپایید که دانش و تکنولوژی این انرژی در اختیار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نماید. دیر زمانی اگر کسی مسئله پرواز در آسمان و یا سفر به خارج از این کره خاکی و گردش بدور آن را مطرح می کرد، دیگران حتما او را خیال پرداز و مجنون قلمداد می کردند و یا به خاطر اظهار بعضی حقایق فرد را به توبه در کلیسا وامی داشتند! زمانی روباتها و ابرکامپیوترها که می توانستند چندین محاسبه ریاضی را در چند ثانیه انجام دهند، فقط در داستانهای تخیلی نویسندگان
پیدا میشد و اکنون … همیشه در تمامی اعصار وقتی مطلبی فوق دانش و درک مردم آن زمان مطرح می شد در برابر مخالفتها و انتقادات شدیدی قرار می گرفت ولی بعد از طی روزگار، همگان با پیشرفتهای فوق العاده در آن زمینه مواجه می شدند و حتی این پیشرفت را موجب فراهم آمدن آسایش بیشتر خود می دیدند و حالا در عصر ما بحث نانوتکنولوژی مطرح شده است، موضوعی که در تمامی ابعاد زندگی بشر و رشته های مختلف علمی ارتباط مستقیم و مؤثر خواهد داشت. نانو تکنولوژی چنان رویکرد و نگرش به تکنولوژی را متحول ساخته که در صورت تحقق و رسیدن به مقصدی که ترسیم شده است، شاید بزرگترین جهش انسان برای صعود به قله های رفیع علم خواهد بود. اکنون جهان متوجه این رویکرد متحول کننده شده و متخصصین و دانشمندان در نقاط مختلف این کره خاکی دست به پژوهش و مطالعات وسیعی در این زمینه زده اند و طبق گفته برخی از آنان پیشرفتهای صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بیش از حد حد انتظار و پیش بینی است.
ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات های نانو میتوانند به حالت هیجان زده و وحشیانه ای رسیده و شروع به تزاید غیرقابل کنت
رل نموده به گونه ای که دنیا را به خطر بیاندازند. «تکنولوژی نانو» سال هاست که به وجود آده و می‌توان گفت که تازه دوران آن فرا رسیده است. چون هم اکنون ما می توانیم از آن به عنوان پوشش های ظریف و نازک استفاده کرده و یا در تولید سلول های خورشیدی و حتی ساخت داروهای ضدسرطان استفاده کنیم. البته موارد استفاده زیادتری برای آن متصور بوده، منتهی آنچه که اهمیت حیاتی دارد، این است که تکنولوژی نانو به سرعت رو به جلو پیش می رود و باید در استفاده و بهره وری از آن، تمامی جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقیقاً بررسی شود.
ابتدا اشاره ای به زمینه های نانو می نماییم. «نانو» از یک کلمه یونانی به نام Dwarf که به معنای چیزی که کوچک تر از اندازه معمولی بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتکنولوژی» به معنی مورد استفاده قرار دادن چیزهایی در طیف ابعادی بین یک الی ۱۰۰ نانومتر است. این تکنولوژی نیز همانند بسیاری از تعاریف تکنیکی سوالات بی شماری را در اذهان ایجاد کرده که برای بسیاری از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشنی وجود ندارد.
برای روشن کردن ذهن خوانندگان گرامی به اندازه یک نانومتر باید بگوییم که طولی است برابر ۹-۱۰*۱ یا ۰۰۰۰۰۰۰۰۱/۰ متر به زبان دیگر یک میلیاردم متر را یک نانومتر می گویند. باز هم برای این که درک بهتری از مطلب داشته باشیم به نمودار ارائه شده در شکل شماره یک نگاه می کنیم. در قسمت سمت راست تصویر قطر تار موی انسان که معادل ۰۰۰/۱۰۰ نانومتر است به نمایش درآمده و در بخش کناری آن یعنی نزدیک ترین تصویر سمت چپ آن یک ذره دود سیگار به نمایش درآمده که قطر آن در حدود ۵۰۰۰ نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبی به نمایش گذاشته شده که معادل ۵۰۰ نانومتر است. در سمت چپ این نمودار میزان فاصله دیسک خوان با صفحه دیسک در هارد کامپیوتر به نمایش درآمده که معادل ۱۵ نانومتر است. باز هم برای این که موردی برای مقایسه داشته باشیم اشاره می کنیم که ذرات نانو را می‌توان با ویروس ها و حتی تک مولکول های تشکیل دهنده آنها مقایسه کرد.
آنها هم اکنون در اطراف ما وجود دارند.
امروزه موارد استفاده نانوتکنولوژی زیاد است که بسیاری از موارد آن از سال ۱۹۹۹ به این طرف طی مقالات متعددی انتشار یافته است. این روزها از ذرات نانوسیلیکا که یک نوع ماده معدنی شامل سیلیکون و اکسیژن است برای تولید رنگ های پوششی استفاده شده که مزیت آنها قابلیت الکترواستاتیک بودن آنهاست، ضمن آن که باعث تقویت و پایداری محصول نهایی می‌شوند. این ذرات ابتدا در محلول رنگ به صورت شناور درآده و سپس در طی پروسه خشک شدن با آرایش خاصی که به آن آرایش تقاطعی می گویند به یکدیگر متصل می گردند. ماحصل استفاده از ذرات نانو در رنگ های مختلف این است که پایداری آنها در مقابل خش پذیری سه برابر رنگ های معمولی است.
شرکت «هایپریون کاتالیست اینترنشنال» در ساخت خطوط انتقال سوخت که از جنس پلاستیک بوده از نانو تیوب ها به عنوان حلقه های اتصال دهنده استفاده کرده است.
این تیوب ها در واقع رشته های ظریفی از کربن بوده که وجود آنها مانع تجمع بار الکتریکی شده که ممکن است به تجهیزات الکترونیکی اتومبیل صدمه بزند.
امروزه ما اجزای نانو را تقریباً در همه جا مشاهده می کنیم از قطعات زینتی اتومبیل گرفته تا حسگرهایی که وظیفه شان کنترل میزان انحراف اتومبیل بوده و از پرده های محافظ در مقابل نور آفتاب گرفته تا توپ های تنیس. وجود نانو در همه جا باعث گردیده که یک مهندس به نکته ظریفی اشاره کند: «ما عادت کرده ایم که نانوتکنولوژی را شیمی بنامیم. البته بین این دو تفاوت فاحشی وجود دارد. میزان فضایی که نانوتکنولوژی در برمی گیرد و اشغال می‌کند چیزی است حدفاصل مشخصه های حجمی مواد و آنچه که در سطح اتم آن اتفاق می‌افتد و روی می‌دهد. تغییرات اندازه ای در این حد عمدتاً باعث می گردد که ویژگی های هر ماده ای دچار دگرگونی کلی شده و با مشخصات اولیه خود به طور کلی تفاوت پیدا کند.» به طور مثال عنصر طلا در حالت عادی عنصری است فاقد هر گونه حرکت و تاثیرگذاری اما نانوگلد یا ذرات نانوی طلا فعال بوده و به وسیله آنها می‌توان یک کاتالیست یا مبدل ارزشمند را تولید کرد.
مثال دیگر می‌تواند عنصر کربن باشد. الماس و گرافیت یا زغال اشکال شناخته شده این عنصر در حالت عادی هستند. اما علاوه بر این ها شکل شناخته شده دیگری از کربن وجود دارد که به آن Buchy Ball می گویند که تماما از مولکول های کربن ساخته شده و فرمول شیمیایی آن C60 است. از ذرات نانوی این عنصر یا ماده شیمیایی در ساخت و تولید پانل های خورشیدی و داروهای ضد سرطان استفاده می‌شود.
آیا آنها میتوانند بشریت را نابود کنند؟
زمانی که بحث به این جا کشیده می‌شود، در واقع ذرات نانو ملاحظات سلامتی و بهداشتی را نیز در بر می‌گیرد. از آنجایی که باکی‌بال ها به اندازه ویروس ها هستند بنابراین به راحتی قادرند به درون سلول های حیاتی نفوذ کنند و طبیعتاً قادرند اثرات مخرب و ویرانگری نیز داشته باشند.
به باکی بال ها اسفنج های الکترونی نیز می گویند که قادرند نسبت به جذب الکترون های آزاد که در مولکول های مجاور قرار دارند اقدام کنند. وقوع چنین رویدادی در درون موجودات زنده میکروسکوپی باعث می گردد که وضعیت شیمیایی آنها دچار دگرکونی کلی شده و یا به طور کلی نابود شوند. در طی انجام یک سری مطالعات مشخص گردید که شنا کردن یک نوع ماهی در فضایی که کربن از نوع باکی بال در آن وجود داشته باشد منجر به آسیب دیدگی مغز ماهی می گردد.
در آزمایش دیگر پی برده شد که موش های آزمایشگاهی که در مجاورت مقادیر زیادی از نانو تیوب های کربن قرار می گیرند دچار صدمات شدید بافت های ریوی می گردند. بنابراین ترس از این که ذرات نانو از رنگ های پوششی و یا سایر موارد استفاده آن جدا شده و خود طیف جدیدی از آلودگی را ایجاد کنند وجود دارد. در این مورد می‌توان مثالی زد و آن این که زمانی که آزبست کشف شد به آن، الیاف معجزه گر خطاب می کردند ولی همین الیفا چند سالی است که به عنوان الیاف خطرناک مطرح شده و در بسیاری از کشورها استفاده از آن ممنوع است.
وضع قانون همواره کار آسانی نیست. معمولاً ایمنی یک ماده تحت تأثیر آرایش شیمیایی آن است. اما مجدداً یادآور می شویم که خواص مواد نانو اغلب با تغییر اندازه، تغییر می‌کند. به طور مثال محققین خاطرنشان ساخته اند که ذرات نانو که در اثر تنفس وارد ریه می‌شوند معمولاً خطرناک تر از همان مواد هستند که اندازه شان بزرگ تر است و موضوع ناخوشایندتر این است که این تفاوت در میزان سمی بودن در سطح نانو نیز اتفاق می افتد یعنی درجه سمی بودن می‌تواند از یک نانومتر شروع شده و تا ۱۰۰ نانومتر افزایش پیدا کند.
اما جنبه مثبت در این مورد نیز قابل بررسی بوده چون پی برده شده که باکی بال ها چنانچه تجمعی به میزان PPM 5/1 یا پارت در میلیون داشته باشند قادرند نیمی از باکتری های Escherichia colc موجود در یک نمونه آب را از بین ببرند. به طور کلی نانوکریستال های فولورین آنتی بیوتیک های مفید و موثری هستند. اما پاسخ به این سوالات کار چندان آسانی نیست.
دولت، صنعت، علوم و محیط های علمی و گروه های علاقه مند در سراسر جهان همگی بر روی تکنولوژی نانو با نگاهی کنجکاوانه می نگرند منتهی نقطه نظرات مختلفی دارند. یک گروه بر این عقیده هستند که می بایست تا قبل از تدوین استانداردهای لازم در این خصوص تولید هرگونه محصولی با استفاده از تکنولوژی نانو را به حالت تعلیق درآورد.
دانشمندان و محققین طرفدار محیط زیست نگاه و نظری تقریبا مشابه را ابراز کرده اند مبنی بر این که ذرات نانو را باید ذراتی خطرناک و آسیب پذیر به شمار آورد مگر آن که خلاف آن ثابت شود.
گروه دیگر که در نقطه مقابل این گروه ها قرار دارند و از جمله آنها انجمن سلطنتی و آکادمی سلطنتی مهندسی در انگلستان بوده این مواد را برای مدت ۱۲ ماه تحت بررسی قرار داده و به این جمع بندی رسیده اند که می‌توان با طبقه بندی کردن این مواد در گروه مواد شیمیایی جدید و با عنایت به قوانین موجود در این رابطه از آنها استفاده کرد.
مراقب بودن
در ایالات متحده آمریکا، کنگره بودجه ای به میزان ۶۸/۳ میلیارد دلار را برای یک دوره چهار ساله به منظور مطالعه بر روی نانوتکنولوژی اختصاص داده است. بخش قابل توجهی از این پول توسط شرکت ها یا سازمان هایی مانند بنیاد ملی علوم، سازمان انرژی و انستیتو ملی استانداردها و تکنولوژی هزینه خواهد شد.
موسسه ملی نانوتکنولوژی در آمریکا که با سازمان های فوق همکاری نزدیکی در زمینه شناخت و توسعه هر چه بیشتر نانو دارد حدود ۱۱ درصد بودجه یک میلیارد دلاری برای تحقیق را اختصاص به انجام مطالعات در خصوص بهداشت و محیط زیست داده است. در کشور ژاپن شرکت فرانتیر کربن متعلق به گروه میتسوبیشی پیشرو در تولد فولرین یا همان کربن C60 در جهان است. در حال حاضر این شرکت ظرفیت تولید ۴۰ متر یک تن باکی بال در سال را دارا بوده ولی هدف آن افزایش تولید تا میزان ۱۵۰۰
متریک تن در سال است. این شرکت همانند سایر کمپانی های کوچک تر و همین طور دانشگاه های ژاپن در حال انجام همکاری نزدیک با وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت برای حل مسائل مربوط به ایمنی و بهداشتی قبل از آن که اتفاق غیرمترقبه ای به وقوع بپیوندد، هستند.
هیچ کس مایل نیست اتفاقی که چند سال پیش روی داد و ناشی از تغییرات ژنتیکی در محصولات کشاورزی بود و منجر به تولید غذاهای خاصی به نام Franken Food گردید، تکرار شود و از طرف دیگر هیچ کس تمایلی به این که آن را کنار بگذارد نیز ندارد.
اما بحث دیگری که در این جا مطرح می گردد نانو روبات ها یعنی ذرات ریزی هستند که دائماً در حال رشد و توسعه اند. این موضوع فعلا در حد یک تخیل علمی بوده و ایده آن از مخلوط کردن دو واژه به دست آده که عبارتند از قابلیت خودمونتاژی و خود تکثیری. همان گونه که یکی از متخصصین اعلام نموده خود مونتاژی طبیعت بسیاری از چیزها است. به طور مثال سدیم و کلر را در کنار یکدیگر قرار دهید، ملاحظه خواهید کرد که با ترکیب شدن یا به عبارتی خودمونتاژ شدن تشکیل کریستال می دهند. البته چنین عملی خارج از کنترل نیست.
ذرات بسیار کوچک، پتانسیل بسیار بالا
تحقیق و توسعه در حال پیشرفت در فضاهایی بسیار متفاوت است، از تولید انرژی گرفته تا علم مواد، پزشکی و حتی حمل و نقل. نانوکریستال هایی که قابل جاسازی در پلاستیک های هادی جریان الکتریسیته هستند میتوانند شرایط لازم را برای تولید برق از خورشید با هزینه ای منطقی به وجود آورند. در این پلاستیک ها، مواد پلاستیکی بین الکترودها به صورت لایه لایه یا ساندویچی قرار داده می‌شوند و تکمیل کننده آن عمل لامینیت کردن، آن هم با یک پوشش نازک بوده و سپس می‌توان آنها را بر روی هر نوع سقفی قرار داد تا بتوانند انرژی خورشید را جذب کرده و آن را تبدیل به الکتریسیته بنمایند.
سایر محققان اقدام به پرورش دادن پوشش هایی نموده اند که شامل گرافیت، الماس، کربن به صورت ذرات بدون شکل و بالاخره کربن به صورت حباب های نانو است. تنوع مواد کربنی در ساخت پوشش های مختلف به آنها خواص استثنایی را اهدا می‌کند. به طور نمونه ماده ای وجود دارد به نام CDC یا کربایدی که از کربن مشتق شده ، نسبت به سایش مقاوم بوده و ویژگی های اصطکاک آن پایین است.
یکی از موارد استفاده CDC در اتومبیل می‌تواند یاتاقان های پمپ آب یا واترپمپ باشد.
استفاده از حسگرهای نانو در تولید پارچه و سایر مواد آنها را هوشمند نموده و قادر خواهند بود چنانچه تحت فشار و یا پارگی و یا استفاده غلط قرار گرفتند بلافاصله اطلاعات این رویداد را منتقل کنند. در حال حاضر حسگرهای نانو برای موارد استفاده در پزشکی وجود دارند که به آنها بیوچیپس اطلاق می گردد که حساسیت آنها ده برابر بیش از سایر وسایل و ابزارها بوده که این برتری فقط ناشی از آن است که سطح گستردگی آنها به دلیل نازک بودن در واحد سطح به مراتب بیش از سایرین است.
بیوچیپس ها باعث می گردند که سرعت تحقیق بر روی داروها بالا رفته و جوابی که از انجام آزمایش های خون به دست میآید دقیق تر و سریع تر از روش های معمولی باشد.
در دنیای اتومبیل نیز واقعیت سطح بیشتر سلول های سوختی به معنای افزایش راندمان و کاهش هزینه، کاملاً صدق می‌کند. دانشمندان دانشگاه میشیگان در حال به کارگیری چیزی به نان میکرو فابریکاسیون به منظور رشد لایه هایی از غشا تبادل پروتون هستند که تنها بخش گران و پرهزینه در تولید سلول های سوختی بوده و در صورت موفقیت در این امر به زودی شاهد کاهش قیمت اتومبیل های سلول سوختی خواهیم بود.
نانولیتوگرافی
محققان آزمایشگاه «بروک هاون» وزارت ملی انرژی آمریکا، روش شیمیایی جدیدی را برای نگارش یافته اند که قادر است خطوطی از جوهر به ضخامت تنها چند ۱۰ نانومتر ایجاد کند.
«یانگ کای»، فیزیکدان این آزمایشگاه می‌گوید: این روش جدید نگارش، امکانات زیادی را برای ایجاد الگوها و نقوش بر روی سطوح در مقیاس نانو فراهم کرده است. این دستاورد تأثیر شگرفی بر توسعه فناوری های نانو که شامل الگوسازی در مقیاس نانو، مثل الکترونیک مولکولی (مدارهای ریزی که با استفاده از مولکول های آلی ساده ساخته می‌شوند) هستند، گذاشته است.
نام این روش را «نانولیتوگرافی با قلم الکترونیکی» (EPN) گذاشته اند. آنها یک نوک فلزی نازک را در عرض لایه ای از مولکول های آلی لغزاندند، تا در آن یک ولتاژ الکتریکی ایجاد شود که موجب اکسید شدن منطقه زیرین آن خواهد شد، یا واکنشی رخ دهد که ساختار شیمیایی لایه را تغییر دهد.
در یک بار لغزش قلم، مولکول های آلی جوهر، از روی نوک به منطقه های اکسید شده منتقل می‌شوند و در نتیجه یک خط نازک ایجاد می‌شود. هر خط فقط یک مولکول ضخامت دارد، ولی محققان میتوانند با نگارش بر روی الگوهای موجود، الگوهای چند لایه ای ایجاد کنند. این امر به آنان توانایی ایجاد مناظر سه بعدی در مقیاس نانو را می‌دهد. علاوه بر این با قطع ولتاژ، میتوانند از نوک مذکور به عنوان «پیمایشگر» جهت «خواندن» و ایجاد تصویری از الگویی که قبلا انگاشته شده، استفاده کنند. با تحقیقات بیشتر، EPN ممکن است به توانایی نگارش مواد زیست مولکولی مثل پروتئین ها بر روی صفحات دست یابد. این رسوب های پروتئینی در مقیاس نانو، به عنوان مثال میتوانند نقش حسگرهای زیستی را بازی کنند.
اهمیت اندازه
بدون تردید اندازه هر چیزی اهمیت خاصی دارد، ولی نباید تصور کرد که حجم بزرگتر به معنای بهتر است چرا که حتی ستارگانی که شب هنگام در آسمان خداوندی می درخشند انرژی نوری خوش را از ذرات بسیار ریزی به نام اتم ها که ساختار تمام هستی از آنهاست به وجود می آورند. جهان اتم ها و مولکولها امکانات نامحدودی را در اختیار دانشمندان و مهندسین قرار داده که بتوانند به تحقیقات جامع تر و گسترده تر دست پیدا کنند. یکی از اهداف آنها به زبان ساده عبارت است از ایجاد و ساخت سیستم های کاملاً مستقیم از اتمها و مولکولها تا حداکثر میزان مینیاتوری کردن را بتوانند بدست آورند. هدف دیگر ایجاد ویژگیهایی کاملاً غیرمعمول در مواد با استفاده از افزودن اتم های مختلف به آنهاست؛ نانو واژه ای است که کارشناسان با استفاده از آن میتوانند به اهدافی که ذکر شد دست پیدا کنند. این چیزی است که سی سال
پیش حتی رویای دست یافتن بدان در تصور بشر نمی آمد؛ بنابراین امپراطوری ریزترین ذرات بوسیله نانومتر یا یک میلیاردم متر اندازه گیری می‌شود. امیدواری بسیاری نسبت به نانو به وجود آمده چرا که با کمک آن می‌توان ماشینهای هرچه کوچکتر ساخت که به وسیله تراشه های هرچه کوچکتر و همینطور ترانزیستورهای خیلی کوچک کنترل شوند. در انتهای زنجیره سازی در تکنولوژی نانو، چیزی که به وجود میآید روباتهای بسیار کوچکی هستند که قادرند از مویرگ های بدن انسان نیز عبور کنند و با از میان برداشتن رسوبات چربی اقدام به ترمیم سلول های آسیب دیده بنمایند.
سال ۱۹۵۹ نخستین رجوع به دنیای نانو
در این سال فیزیک دان بسیار معروف آمریکایی یعنی آقای ریچارد فیلیپس فینمن که برنده جایزه نوبل نیز شده بود در انیستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا اصول اصول اولیه نانو را پایه گذاری کرد و او اولین فردی بود که دیدگاه هایی در خصوص امکانات دنیای نانو پیدا کرد.
وی اولین کسی بود که نموداری از یک مسیر را در دنیای نانو ترسیم کرد و این راهی بود مستقیم به داخل دنیای اتم ها و مولکولها. همانگونه که به نظر او رسید این موضوع امکان‌پذیر بود که بتوان در اطراف اتمها به طور معلق و شناور در آمد و آنها را به گونه ای آرایش داد که سازه ای که از این آرایش به وجود میآید اندازه ای کمتر از ده هزارم میلیمتر داشته باشد. نظرات او تا اواسط دهه هفتاد میلادی به همان صورت اولیه معتبر باقی مانده بود ولی در آن تاریخ زیست شناسان کشف کردند که چگونه می‌توان مولکولهای «دی ان ای» را از یک دیگر تفکیک کرد و این از اهمیت زیادی برخوردار بود چون تمامی اطلاعات اجدادی موجودات زنده بر روی مولکولهای «دی ان ای» ذخیره شده است.
با عنایت به موفقیتهای به دست آمده در قدم های اول در آزمایشگاه های ژنتیک، هدف فینمن در خصوص ساخت ماشین های غیر آلی از اتمها مجدداً در دستور کار قرار گرفت. اما تا قبل از سال ۱۹۸۰ میلادی حتی قویترین و مجهزترین میکروسکوپهای الکترونی نیز تصویری گنگ و نامشخص از اتمها را نشان می دادند و بنابراین لمس آنها و احیاناً اعمال هرگونه تغییری بر روی آنها غیرممکن بود. اما در آن سال میکروسکوپ های اتمی کشف شدند، در این میکروسکوپها از نوک های فوق العاده ظریف و کوچک با عرض حدود یک میلیاردم متر استفاده میشد تا بتواند راه خود را به سمت سطوح مختلف پیدا کرده و این اجازه به اتم ها داده شود که اطراف آنها به میل خود بچرخند.
نخستین باری که محققین موفق شدند چنین کاری را انجام دهند سال ۱۹۸۹ بود و آن هم تفکیک کردن ۱۵ اتم «زنون» بود.
فناوری نانو
فناوری نانو به معنی کنار هم قرار دادن اتمها یا مولکولها و تشکیل مواد، ابزار و وسایلی با دقت در حد اتم میباشد. بنابراین فناوری نانویک رویکرد جدید در تمام علوم میباشد. در گذشته بخشهایی از علم فیزیک، شیمی کوانتوم و بیوشیمی را در رابطه با دنیای خرد و کهن بررسی می‌کردند و مابقی علوم پدیده‌های اطراف خود را در حد کلان مورد مطالعه قرار می‌دادند، ولی با دیدگاه فناوری نانوکه محدوده عمل آن در حد نانومتر میباشد همه چیز در سطوح اتمی و مولکولی مورد بررسی قرار می‌گیرد. تمام مواد از کنار هم قرار گرفتن اتمها و مولکولهای ساخته می‌شوند ولی نحوه قرار گرفتن اتمها و مولکولها ساخته می‌شوند ولی نحوه قرار گرفتن و نظم ساختاری آنها خواص مواد را تعیین می‌نمایند. مثال بسیار معمول در نحوه قرار گرفتن اتمها در کنار هم و تأثیر آن در خواص نهایی ماده عبارت است از: الماس، گرافیک و دوده. هر سه
ماده ذکر شده از کربن خالص تهیه شده‌اند ولی نحوه چیدمان اتمها و ارتباط آنها با یکدیگر باعث تفاوت بسیاری در خواص این سه ماده شده است، در الماس هر اتم کربن با چهار اتم دیگر اتصال داشته ولی در گرافیک هر اتم کربن به سه اتم دیگر متصل میباشد، در دودههر اتم کربن حداکثر به دو اتم دیگر متصل است و دارای ساختار درهم ریخته و غیرمنظم میباشد. بدین ترتیب الماس تا چندی قبل سخت‌ترین ماده موجود در جهان بود. ولی گرافیک بشکل پودر میباشد که گاهی اوقات در روان‌سازها مورد استفاده قرار می‌گیرد ونیز دوده بشکل پودر نرم میباشد. در فناوری نانو انسان دست به خلاقیت زده و هر طور که اراده می‌نماید اتمها را کنار هم قرار می‌دهد. بنابراین با استفاده از این فناوری می‌توان از طریق استفادهاز گازهای گلخانه‌ای کربن‌دار هوا نظیر متان و گاز کربنیک که موجبات آلودگی محیط می‌گردد، کربن را استخراج نمود و یا با کنار هم قرار دادن آنها الماس، گرافیت یا پروتئین و … ساخت.
جوزف استراشیویکی از فیزیکدانهایی که مشغول بررسی و تحقیق روی تکنولوژی نانو هست می‌گوید: «کسی که هرگز تصورش را هم نمی‌کرد که روزی بتوان اتمی را برداشته و بفاصله قطر چند اتم جابجا کرد. این کار مثل این است که ما به سیارات دیگر رفته یک سیاره را گرفته از مداری به مدار دیگر منتقل کنیم».
وی و رابرت سلوتا از جمله فیزیکدانهایی هستند که در موسسه استانداردها و تکنولوژی در ایالت مریلند در زمینه تکنولوژی نانو فعالیت می‌کنند. یک«نانومتر»، واحدی که دانشمندان در تکنولوژی نانو زیاد از آن یاد می‌کنند برابر است با یک میلیاردم متر و اگر ۴۰۰ هزار اتم در کنار هم قرار گیرند قطر آنها به اندازه قطر یک تار موی سر انسان می‌شود. تکنولوژی نانو برخی اصول دیرینه فیزیک را برهم زد. اتمها و ذراتی چون الکترونها و فوتونها همیشه مطابق اصول علمی مدرن رفتار نمی‌کنند. سلوتا می‌گوید:
«هنگامی که وارد دنیای نانو می‌شوید مسائل کاملاً فرقمی‌کند».
این موضوع برای زمینه‌هایی چون الکترونیک، هم می‌تواند مفید باشد و هم مضر. چرا که مدارها و سایر متعلقات ممکن است در ابعاد کوچک به همان شکلی که در اندازه بزرگ کار می‌کنند کارایی نداشته باشند. مشاهده اتمها از طریق دستگاه میکروسکوپ «اسکن تونلی» انجام می‌گیرد. این ابزار در اوایل دهه ۱۹۸۰ توسط «گردبنینک» و «هاینریش روهر» در لابراتورهای مرکزی «ای‌بی‌ام» زوریخ اختراع شد. او در سال ۱۹۸۶ بخاطر این اختراع عظیم خود جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. اوایل دستگاه مزبور همانند یک دستگاه زمین شناسی (که بیشتر برای دیدن اشیاء برای اولین بار از آنها استفاده می‌شود)، بکار می‌رفت.
میکروسکوپی که اکنون در آزمایشگاه در گاینسبرگ هست سالها طول کشید تا طراحی و ساخته شود. فیزیکدانان دریافته‌اند که اتمها بیشتر سرما و سکون را ترجیح می‌دهند. در درون میکروسکوپ، آزمایش در دمای منهای ۴۵۵ درجه فارنهایت انجام می‌شود و از لرزش و رسیدن امواج الکتریکی، مغناطیسی و رادیویی به اتمها جلوگیری می‌شود. درون دستگاه خلاء ایجاد شده تا از دخالت مولکولهای سرگردان اکسیژن و هیدروژن در آزمایش جلوگیری گردد. دستگاه ابتدا از عنصر «مولیبدیوم» که در مقابل تغییرات شدید دما مقاوم است، ساخته می‌شود. محققین چندین مشخصه غیرمعمولی در این دنیای فوق‌العاده ریز کشف کرده‌اند. مثلاً بخاطر تفاوت انرژی، تغییر اندازه یک ساختار نانو موجب تغییر رنگ آن نیز می‌شود. استراشیو می گوید: «نور انرژی دارد و رنگ نور به انرژی آن بستگی دارد.» این مشخص برای محققین علوم پزشکی که
بدنبال استفاده از فناوری نانو در تشخیص و درمان بهتر بیمارها هستند، بسیار مفید خواهد بود. پژوهشگران در مطالعات سلولی از نانوکریستالهای نیمه رسانا به عنوان ابزار «فلورسنت‌ساز» برای تشخیص سلولهای سرطانی استفاده می‌کنند. پیتر بارکر رهبر پروژه‌ای در آزمایشگاه‌های مختص مطالعه سرطان می‌گوید: «نانوکریستالها نوید پیشرفت‌ها قابل توجهی در رنگهای ارگانیک را می‌دهند» او می‌گوید: «ذرات نانو امکان تشخیص سرطان سینه را بطور دقیق‌تر، مطمئن‌تر و سریعتر فراهم می‌کنند. اما در تحقیقات پزشکی بیش از هر نوع کاربرد علمی دیگر نیاز به امنیت و نظارت اخلاقی دارد. بعضی عناصر احتمالاً سمی هستند پس بنابراین آزمایش بر روی انسان خیلی زود است. دانشمندانی که روی تکنولوژی نانو کار می‌کنند به کشف جالب دیگری نیز نائل آمده‌اند، آنها دریافته‌اند که اتمها سر و صدا ایجاد می‌کنند. اتمها توسط یک جریان
الکتریکی خاص که به جریان «تونلینگ» معروف است از موقعیتی به موقعیت دیگر جابجا می‌شوند. کنترل صدای این جابجایی نوعی سر و صدا شبیه «اعتراض اتمها» را نشان می‌دهد.
هدف تحقیقات ایجاد فرمولهایی کارآمد و عملی است که همه، از تولیدکنندگان گرفته تا مصرف‌کنندگان بتوانند از آنها برای اهداف و تولیدات خاص خود استفاده کنند. نانوتکنولوژی زمینه‌ای ارزشمند است که در آن می‌توان پدیده‌های کوانتومی و بسیار کوچک را بررسی کرد، در اصل یک میز کار بسیار کوچک است. انتظار می‌رود ۵ الی ۱۰ سال طول بکشد تا بتوان از قطعات نانو در صنعت الکترونیک استفاده کرد ودر علم پزکی نیز این کاربرد احتمالاً ۸ الی ۱۲ سال طول خواهد کشید، این تأخیر بخاطر جا ماندن کسی از کار یا عدم موفقیت کسی نیست، بلکه بعلت پیچیدگی و نیز رمزآلود بودن زیاد این مقوله است. نانوتکنولوژی تولید کارمد مواد، دستگاه‌ها و سیستم‌ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند. امروزه بسیاری از تکنولوژیهای موجود، به فرآیندهایی در مقیاس نانو وابسته‌اند. فتوگرافی و کاتالیزور دو نمونه از تکنولوژیهای قدیمی هستند؛ که بصورت تجربی، در مقیاس نانو پیشرفت داشته‌اند. مفهوم جدید نانوتکنولوژی، آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش‌بینی تأثیر گذارد.
محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش، مواد دارویی که در مقیاس نانو تولید شده‌اند، دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خوصا جوهر و رنگ دانه. بسیاری از ساختارها نیز هم اکنون در مرحله تحقیق و یا توسعه هستند.
مواد نو
بعید نیست که تحقیقات در حوزه مواد تا سال ۲۰۱۵ متضمن بهبودهایی در خواص بعضی از حوزه‌های اضافی بوده واثرات چشمگیری در پی داشته باشد.
نیمه هادی‌هایی که از شکاف باند وسیع برخوردارند بعنوان قطعات قابل مصرف در الکترونیک، با قدرت بالا مورد بررسیهای تحقیقاتی هستند.
مواد با عملکرد تدریجی می توانند برای ساخت لایه‌های میانی که اجزای گوناگون مکانیکی، حرارتی یا الکتریکی را به هم پیوند دهند، بسیار مفید باشند. هم اینک آندها و کاتدها و الکترولیتهای پر ظرفیت و با عمر طولانی‌تر برای بهبود باطریها و سلولهای سوختی در دست توسعه‌اند.
از سویدیگر ابر رسانه‌های سرامیکی با دمای بالا که در سال ۱۹۸۶ کشف شده‌اند، بجای دمای هلیوم مایع در دمای نیتروژن مایع عمل می‌کنند. همچنین وسایلی از قبیل کابلهای انتقال الکتریکی، ترانسفورماتورها، خازنها، موتورها و محدود کننده‌های جریان ناقص در سطح نمونه ساخته شده و به نمایش گذاشته شده‌اند. مواد نوری غیرخطی هم اکنون برای ساخت لیزرهای ماورای بنفش تحت بررسی هستند همچنین کوششهایی برای افزایش آستانه تخریب و بازدهی تبدیل، کمینه کردن واگرایی و متناسب‌سازی مرز جدایی لیزرها در دست اقدام است.
نانو مواد
این حوزه تحقیقاتی، نانوتکنولوژی را با بسیاری از کاربردهای مواد نانو ساختاری تلفیق می‌کند. یک حوزه بسیار مهم، تزریق نیمه هادیهای نقطه کوانتومی است، که از طریق تزریق مواد ابتدایی که بطور متعارف از آنها برای قرار دادن بخار شیمیایی درون سرباره داغ مایع استفاده می‌شود، صورت می‌گیرد.
این مواد، بسته به اندازه خود، در فرکانسها یا رنگهای مختلف نورافشانی کرده و بدین ترتیب امکان چندگانگی نوری در برچسب زنی بیولوژیک را فراهم می‌سازند. کلاس دیگرمهم نانو مواد، نانولوله‌ها هستند. کاربردهای ممکن نانو لوله‌ها عبارتند از: نمایشگرهای انتشار میدانی، سیستم‌هایی در مقیاس نانو برای باتریها و مدیریت حرارتی. از نانولوله‌ها می‌توان بعنوان مسلح کننده مواد کامپوزیتی هم بهره برد.
موادی که از نانولوله‌ها درست می‌شوند احتمالاً بدلیل پدیده باندینگ یا چفت شدن، ۵۰ تا ۱۰۰ بار مقاوم‌تر از فولاد بوده و در عین حال یک ششم آن وزن خواهد داشت، البته به شرطی که موانع عملی فعلی برطرف شوند.
ضمناً از از طریق فروری می توان نانو ساختارهایی با خواص مکانیکی یا غیرمکانیکی مطلوب درست کرد.
تقویت آلیاژها یا ساختار دانه‌ای در مقیاس نانو، افزایش چکش خواری فلزات با میکروساختارهای چند فازی در مقیاس نانو و افزایش کندی شعله نانوکامپوزیتهای پلاستیکی نمونه‌هایی از آن است.
وسایل محاسباتی نانو
الف) تراشه‌های نانو: کنسرسیوم صنعتی پیشرو در
بخش تولید نیمه‌هادیها، خواستار توسعه هر چه بیشتر نیمه هادیهای نانو شده است. براساس آینده‌ای که ترسیم شد، در سال ۲۰۱۵ طول دروازه نیمه‌هادیها «۳۵ نانومتر» و تعداد کل عملیات در زیر پردازنده‌های تولید انبوه «۴/۳ میلیارد» خواهد بود و در پردازنده‌هایی با عملکرد بالا که با حجم کمتری تولید می‌شوند، این رقم شاید به «۲۰ میلیارد» برسد؛ برای تراشه‌های حافظه‌ای مربوط نیز هدفی در حدود «۶۴ گیگابایت» تعیین شده است.
اگر هنوز شماری از چالشهای مهندسی در پیش است اما مشکلات دستیابی به این سطوح عملکردی چندان لاینحل بنظر نمی‌رسد. اگرکاستی‌های پیش‌بینی نشده در تولید اقتصادی این تراشه‌ها را در نظر بگیریم راهکارهای متعدد دیگری امکان‌پذیر خواهد بود. البته در سالهای پس از ۲۰۱۵، شاید مشکلات دیگری آشکار شوند که بعضی از آنها چالشهای مهم را برابر تکنیک‌های سنتی تولید نیمه هادیها ایجاد خواهند کرد. به ویژه محدودیتهای ابعادی برای اتصالات یا سیستم‌های بین ترانزیستورها می‌تواند کارآمدی محاسباتی در وسایل را محدود نماید، زیرا به رغم پیشرفتهای تدریجی فعلی در حوزه مواد، هنوز ضعفهایی در خواص و سازگاری مواد وجود دارد. انتقال حرارت در تراشه‌های فوق‌العاده فشرده، چالش مهم دیگری است. این امر از لحاظ محدودیتهای فنی آنچنان اساسی نیست و بیشتر یک چالش اقتصادی محسوب می‌شود، زیرا
مقابله با این حرارت مستلزم طراحی ساز و کارها و تکنولوژی خنک کننده‌ای است که هزینه کل سیستم را افزایش می‌دهد و در نتیجه بر هزینه حاشیه‌ای به ازای عملکرد محاسباتی این دستگاه‌ها اثر معکوس می‌گذارد.
ب) محاسبه بر پایه سوئیچ‌های کوانتومی: یکی از راهکارهای بالقوه درازمدت برای غلبه بر موانع افزایش قدرت محاسباتی کامپیوترها، توسعه دستگاه‌هایی است که از مزیتهای متنوع پدیده‌های کوانتومی بهره می‌برند، نوآوری اصلی در این حوزه، به کارگیری پدیده‌های کوانتومی، مثل قطبی‌سازی اسپینی الکترونها برای تعیین وضعیت سوئیچ‌های منفرد است. این روش برعکس میکروالکترونیک سنتی است که بر پایه خواص ماکروسکوپیک تعداد زیادی از الکترونها استوار است و از خواص مواد نیمه هادی استفاده می‌کند. بسیاری از مفاهیم کامپیوترهای کوانتومی، بدلیل قدرت فوق‌العاده محاسبات موازیشان، جذاب بنظرمی‌رسند ولی پیش‌بینی نمی‌شود که تا سال ۲۰۱۵ نمود چشمگیری داشته باشند. این مفاهیم به لحاظ کیفی با آنچه که در کامپیوترهای سنتی به کار می‌روند، متفاوتند و بنابراین نیازمند ساختارهای کامپیوتری نو خواهند بود. انواع محاسبات که با استفاده از این نوع کامپیوترها می‌تواند با سرعت شکل بگیرد همانهایی نیستند که کامپیوترهای دیجیتالی امروزی از پس آنها برمی‌آیند. چند تن
از دانشمندان این رشته الگوریتمهایی برای بعضی مسائل که محاسبات فوق‌العاده زیاد می‌خواهند در کامپیوترهای دیجیتالی کنونی طراحی کرده‌اند که در صورت به کارگیری، مسائل فیزیک کامپیوترهای کوانتومی بسیار سریعتر حل خواهند شد. نمونه‌هایی از این مسائل عبارتند از: فاکتورگیری از اعداد بزرگ؛ جستجو در پایگاه‌های داده‌های بزرگ؛ یافتن تناسب الگو و شبیه‌سازی پدیده‌های مولکولی و کوانتومی.
یک بررسی مقدماتی حاکی از آن است که سوئیچ‌های کوانتومی احتمالاً ظرف ۱۵ سال آینده نخواهند توانست بر موانع فنی عمده همچون تصحیح خطا، همدوسی‌زدائی و ورودی/ خروجی سیگنال غلبه کنند. اگر اوضاع بر همین منوال ادامه یابد بعید است که محاسبه بر پایه سوئیچ کوانتومی بتواند در افق زمانی ۲۰۱۵ رقیبی جدی برای کامپیوترهای دیجیتال باشد.
تولید مولکولی و نانو روباتها
بعضی از کارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولکولی را که در آن اشیاء اتم به اتم ساخته می‌شوند، ابداع کرده‌اند. تفاوت رویکردهای مرسوم مثل میکروتکنولوژی و سیستم‌های میکروالکترومکانیکی با رویکرد تولید مولکولی در این است که آنها رویکردهای «کل به جز» هستند که از فنون تولید ماکروسکوپیک و مواد حجیم استفاده می‌کنند. تحقق تولدی مولکولی نیازمند پیشرفت فنی متعددی است، نخست اینکه باید «بلوکهای سازنده» مناسبی پیدا شوند که مولکولی باشند. این بلوکهای سازنده باید از لحاظ فیزیکی و شیمیایی با دوام، به آسانی قابل تغییر و از لحاظ علمکرد چند منظوره باشند. بخری دانشمندان این حوزه، ساختارهای الماس‌گون بر پایه کربن را به عنوان بلوکهای سازنده در وسایل نانومکانیکی مانند دنده، محور و پروانه پیشنهاد کرده‌اند. از سایر مولکولها نیز می‌توان برای ساختارهای واکنش شیمیایی استفاده کرد. کارهای بسیاری زیادی نیز باید در حوزه مدل‌سازی و سنتز ساختارهای مولکولی مناب انجام گیرد که گروه‌های متعددی روی این زمینه کارمی‌کنند.
در یکی از مفاهیم پیشرفته دیگر، اصول شیمیایی و استفاده از تغذیه‌های ساده را ترکیب یم‌کنند تا وسایل بسیار بزرگتری بسازند. حسب ظاهر هر چه این تکنیک‌ها پخته‌تر شوند و پیش از آنکه کاربردهایی در مقیاس قابل توجه بیابند، بایستی کار بیشتری در سطح سیستم‌ها و مهندسی انجام پذیرد. با آنکه ساخت و تولید مولکولی نویدبخش تحولات جهانی تعیین کننده‌ای است اما در میان تکنولوژی‌هایی که در اینجا توصیف شده‌اند کمتر از همه تحقق خواهد یافت. در این روش اشیاء از مولکولهایی ساده ساخته می‌شوند و از ریق میکروسکوپهای اتمیک در زمانی کوتاه به تولید می‌رسند. هر چه ساخت این سیستم‌ها تا مروز موردی و بیشتر پژوهشی بوده است. انتظار توسعه تجهیزات ساخت و تولیدی یکپارچه ظرف ۱۵سال آینده منطقی است.
گستره احتمالات تا سال ۲۰۱۵