دانلود مقاله نانوتکنولوژی

بخشی از مقاله

نانوتكنولوژي

مقدمه:
حدود 100 سال پيش كه براي اولين بار مسئله استفاده از انرژي عظيم هسته اي مطرح شد؛ بشر همواره نمي توانست درك تجربي و صحيحي نسبت به اين موضوع داشته باشد، ولي ديري نپاييد كه دانش و تكنولوژي اين انرژي در اختيار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نمايد. دير زماني اگر كسي مسئله پرواز در آسمان و يا سفر به خارج از اين كره خاكي و گردش بدور آن را مطرح مي كرد، ديگران حتما او را خيال پرداز و مجنون قلمداد مي كردند و يا به خاطر اظهار بعضي حقايق فرد را به توبه در كليسا وامي داشتند! زماني روباتها و ابركامپيوترها كه مي توانستند چندين محاسبه رياضي را در چند ثانيه انجام دهند، فقط در داستانهاي تخيلي نويسندگان

پيدا مي‎شد و اكنون … هميشه در تمامي اعصار وقتي مطلبي فوق دانش و درك مردم آن زمان مطرح مي شد در برابر مخالفتها و انتقادات شديدي قرار مي گرفت ولي بعد از طي روزگار، همگان با پيشرفتهاي فوق العاده در آن زمينه مواجه مي شدند و حتي اين پيشرفت را موجب فراهم آمدن آسايش بيشتر خود مي ديدند و حالا در عصر ما بحث نانوتكنولوژي مطرح شده است، موضوعي كه در تمامي ابعاد زندگي بشر و رشته هاي مختلف علمي ارتباط مستقيم و مؤثر خواهد داشت. نانو تكنولوژي چنان رويكرد و نگرش به تكنولوژي را متحول ساخته كه در صورت تحقق و رسيدن به مقصدي كه ترسيم شده است، شايد بزرگترين جهش انسان براي صعود به قله هاي رفيع علم خواهد بود. اكنون جهان متوجه اين رويكرد متحول كننده شده و متخصصين و دانشمندان در نقاط مختلف اين كره خاكي دست به پژوهش و مطالعات وسيعي در اين زمينه زده اند و طبق گفته برخي از آنان پيشرفتهاي صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بيش از حد حد انتظار و پيش بيني است.

ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات هاي نانو مي‎توانند به حالت هيجان زده و وحشيانه اي رسيده و شروع به تزايد غيرقابل كنت

رل نموده به گونه اي كه دنيا را به خطر بياندازند. «تكنولوژي نانو» سال هاست كه به وجود آده و مي‎توان گفت كه تازه دوران آن فرا رسيده است. چون هم اكنون ما مي توانيم از آن به عنوان پوشش هاي ظريف و نازك استفاده كرده و يا در توليد سلول هاي خورشيدي و حتي ساخت داروهاي ضدسرطان استفاده كنيم. البته موارد استفاده زيادتري براي آن متصور بوده، منتهي آنچه كه اهميت حياتي دارد، اين است كه تكنولوژي نانو به سرعت رو به جلو پيش مي رود و بايد در استفاده و بهره وري از آن، تمامي جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقيقاً بررسي شود.

ابتدا اشاره اي به زمينه هاي نانو مي نماييم. «نانو» از يك كلمه يوناني به نام Dwarf كه به معناي چيزي كه كوچك تر از اندازه معمولي بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتكنولوژي» به معني مورد استفاده قرار دادن چيزهايي در طيف ابعادي بين يك الي 100 نانومتر است. اين تكنولوژي نيز همانند بسياري از تعاريف تكنيكي سوالات بي شماري را در اذهان ايجاد كرده كه براي بسياري از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشني وجود ندارد.

براي روشن كردن ذهن خوانندگان گرامي به اندازه يك نانومتر بايد بگوييم كه طولي است برابر 9-10*1 يا 000000001/0 متر به زبان ديگر يك ميلياردم متر را يك نانومتر مي گويند. باز هم براي اين كه درك بهتري از مطلب داشته باشيم به نمودار ارائه شده در شكل شماره يك نگاه مي كنيم. در قسمت سمت راست تصوير قطر تار موي انسان كه معادل 000/100 نانومتر است به نمايش درآمده و در بخش كناري آن يعني نزديك ترين تصوير سمت چپ آن يك ذره دود سيگار به نمايش درآمده كه قطر آن در حدود 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبي به نمايش گذاشته شده كه معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ اين نمودار ميزان فاصله ديسك خوان با صفحه ديسك در هارد كامپيوتر به نمايش درآمده كه معادل 15 نانومتر است. باز هم براي اين كه موردي براي مقايسه داشته باشيم اشاره مي كنيم كه ذرات نانو را مي‎توان با ويروس ها و حتي تك مولكول هاي تشكيل دهنده آنها مقايسه كرد.

آنها هم اكنون در اطراف ما وجود دارند.
امروزه موارد استفاده نانوتكنولوژي زياد است كه بسياري از موارد آن از سال 1999 به اين طرف طي مقالات متعددي انتشار يافته است. اين روزها از ذرات نانوسيليكا كه يك نوع ماده معدني شامل سيليكون و اكسيژن است براي توليد رنگ هاي پوششي استفاده شده كه مزيت آنها قابليت الكترواستاتيك بودن آنهاست، ضمن آن كه باعث تقويت و پايداري محصول نهايي مي‎شوند. اين ذرات ابتدا در محلول رنگ به صورت شناور درآده و سپس در طي پروسه خشك شدن با آرايش خاصي كه به آن آرايش تقاطعي مي گويند به يكديگر متصل مي گردند. ماحصل استفاده از ذرات نانو در رنگ هاي مختلف اين است كه پايداري آنها در مقابل خش پذيري سه برابر رنگ هاي معمولي است.
شركت «هايپريون كاتاليست اينترنشنال» در ساخت خطوط انتقال سوخت كه از جنس پلاستيك بوده از نانو تيوب ها به عنوان حلقه هاي اتصال دهنده استفاده كرده است.

اين تيوب ها در واقع رشته هاي ظريفي از كربن بوده كه وجود آنها مانع تجمع بار الكتريكي شده كه ممكن است به تجهيزات الكترونيكي اتومبيل صدمه بزند.
امروزه ما اجزاي نانو را تقريباً در همه جا مشاهده مي كنيم از قطعات زينتي اتومبيل گرفته تا حسگرهايي كه وظيفه شان كنترل ميزان انحراف اتومبيل بوده و از پرده هاي محافظ در مقابل نور آفتاب گرفته تا توپ هاي تنيس. وجود نانو در همه جا باعث گرديده كه يك مهندس به نكته ظريفي اشاره كند: «ما عادت كرده ايم كه نانوتكنولوژي را شيمي بناميم. البته بين اين دو تفاوت فاحشي وجود دارد. ميزان فضايي كه نانوتكنولوژي در برمي گيرد و اشغال مي‌كند چيزي است حدفاصل مشخصه هاي حجمي مواد و آنچه كه در سطح اتم آن اتفاق مي‌افتد و روي مي‎دهد. تغييرات اندازه اي در اين حد عمدتاً باعث مي گردد كه ويژگي هاي هر ماده اي دچار دگرگوني كلي شده و با مشخصات اوليه خود به طور كلي تفاوت پيدا كند.» به طور مثال عنصر طلا در حالت عادي عنصري است فاقد هر گونه حركت و تاثيرگذاري اما نانوگلد يا ذرات نانوي طلا فعال بوده و به وسيله آنها مي‎توان يك كاتاليست يا مبدل ارزشمند را توليد كرد.

مثال ديگر مي‎تواند عنصر كربن باشد. الماس و گرافيت يا زغال اشكال شناخته شده اين عنصر در حالت عادي هستند. اما علاوه بر اين ها شكل شناخته شده ديگري از كربن وجود دارد كه به آن Buchy Ball مي گويند كه تماما از مولكول هاي كربن ساخته شده و فرمول شيميايي آن C60 است. از ذرات نانوي اين عنصر يا ماده شيميايي در ساخت و توليد پانل هاي خورشيدي و داروهاي ضد سرطان استفاده مي‎شود.
آيا آنها مي‎توانند بشريت را نابود كنند؟

زماني كه بحث به اين جا كشيده مي‎شود، در واقع ذرات نانو ملاحظات سلامتي و بهداشتي را نيز در بر مي‎گيرد. از آنجايي كه باكي‌بال ها به اندازه ويروس ها هستند بنابراين به راحتي قادرند به درون سلول هاي حياتي نفوذ كنند و طبيعتاً قادرند اثرات مخرب و ويرانگري نيز داشته باشند.

به باكي بال ها اسفنج هاي الكتروني نيز مي گويند كه قادرند نسبت به جذب الكترون هاي آزاد كه در مولكول هاي مجاور قرار دارند اقدام كنند. وقوع چنين رويدادي در درون موجودات زنده ميكروسكوپي باعث مي گردد كه وضعيت شيميايي آنها دچار دگركوني كلي شده و يا به طور كلي نابود شوند. در طي انجام يك سري مطالعات مشخص گرديد كه شنا كردن يك نوع ماهي در فضايي كه كربن از نوع باكي بال در آن وجود داشته باشد منجر به آسيب ديدگي مغز ماهي مي گردد.

در آزمايش ديگر پي برده شد كه موش هاي آزمايشگاهي كه در مجاورت مقادير زيادي از نانو تيوب هاي كربن قرار مي گيرند دچار صدمات شديد بافت هاي ريوي مي گردند. بنابراين ترس از اين كه ذرات نانو از رنگ هاي پوششي و يا ساير موارد استفاده آن جدا شده و خود طيف جديدي از آلودگي را ايجاد كنند وجود دارد. در اين مورد مي‎توان مثالي زد و آن اين كه زماني كه آزبست كشف شد به آن، الياف معجزه گر خطاب مي كردند ولي همين اليفا چند سالي است كه به عنوان الياف خطرناك مطرح شده و در بسياري از كشورها استفاده از آن ممنوع است.

وضع قانون همواره كار آساني نيست. معمولاً ايمني يك ماده تحت تأثير آرايش شيميايي آن است. اما مجدداً يادآور مي شويم كه خواص مواد نانو اغلب با تغيير اندازه، تغيير مي‌كند. به طور مثال محققين خاطرنشان ساخته اند كه ذرات نانو كه در اثر تنفس وارد ريه مي‎شوند معمولاً خطرناك تر از همان مواد هستند كه اندازه شان بزرگ تر است و موضوع ناخوشايندتر اين است كه اين تفاوت در ميزان سمي بودن در سطح نانو نيز اتفاق مي افتد يعني درجه سمي بودن مي‎تواند از يك نانومتر شروع شده و تا 100 نانومتر افزايش پيدا كند.

اما جنبه مثبت در اين مورد نيز قابل بررسي بوده چون پي برده شده كه باكي بال ها چنانچه تجمعي به ميزان PPM 5/1 يا پارت در ميليون داشته باشند قادرند نيمي از باكتري هاي Escherichia colc موجود در يك نمونه آب را از بين ببرند. به طور كلي نانوكريستال هاي فولورين آنتي بيوتيك هاي مفيد و موثري هستند. اما پاسخ به اين سوالات كار چندان آساني نيست.

دولت، صنعت، علوم و محيط هاي علمي و گروه هاي علاقه مند در سراسر جهان همگي بر روي تكنولوژي نانو با نگاهي كنجكاوانه مي نگرند منتهي نقطه نظرات مختلفي دارند. يك گروه بر اين عقيده هستند كه مي بايست تا قبل از تدوين استانداردهاي لازم در اين خصوص توليد هرگونه محصولي با استفاده از تكنولوژي نانو را به حالت تعليق درآورد.
دانشمندان و محققين طرفدار محيط زيست نگاه و نظري تقريبا مشابه را ابراز كرده اند مبني بر اين كه ذرات نانو را بايد ذراتي خطرناك و آسيب پذير به شمار آورد مگر آن كه خلاف آن ثابت شود.

گروه ديگر كه در نقطه مقابل اين گروه ها قرار دارند و از جمله آنها انجمن سلطنتي و آكادمي سلطنتي مهندسي در انگلستان بوده اين مواد را براي مدت 12 ماه تحت بررسي قرار داده و به اين جمع بندي رسيده اند كه مي‎توان با طبقه بندي كردن اين مواد در گروه مواد شيميايي جديد و با عنايت به قوانين موجود در اين رابطه از آنها استفاده كرد.

مراقب بودن
در ايالات متحده آمريكا، كنگره بودجه اي به ميزان 68/3 ميليارد دلار را براي يك دوره چهار ساله به منظور مطالعه بر روي نانوتكنولوژي اختصاص داده است. بخش قابل توجهي از اين پول توسط شركت ها يا سازمان هايي مانند بنياد ملي علوم، سازمان انرژي و انستيتو ملي استانداردها و تكنولوژي هزينه خواهد شد.
موسسه ملي نانوتكنولوژي در آمريكا كه با سازمان هاي فوق همكاري نزديكي در زمينه شناخت و توسعه هر چه بيشتر نانو دارد حدود 11 درصد بودجه يك ميليارد دلاري براي تحقيق را اختصاص به انجام مطالعات در خصوص بهداشت و محيط زيست داده است. در كشور ژاپن شركت فرانتير كربن متعلق به گروه ميتسوبيشي پيشرو در تولد فولرين يا همان كربن C60 در جهان است. در حال حاضر اين شركت ظرفيت توليد 40 متر يك تن باكي بال در سال را دارا بوده ولي هدف آن افزايش توليد تا ميزان 1500

متريك تن در سال است. اين شركت همانند ساير كمپاني هاي كوچك تر و همين طور دانشگاه هاي ژاپن در حال انجام همكاري نزديك با وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت براي حل مسائل مربوط به ايمني و بهداشتي قبل از آن كه اتفاق غيرمترقبه اي به وقوع بپيوندد، هستند.
هيچ كس مايل نيست اتفاقي كه چند سال پيش روي داد و ناشي از تغييرات ژنتيكي در محصولات كشاورزي بود و منجر به توليد غذاهاي خاصي به نام Franken Food گرديد، تكرار شود و از طرف ديگر هيچ كس تمايلي به اين كه آن را كنار بگذارد نيز ندارد.

اما بحث ديگري كه در اين جا مطرح مي گردد نانو روبات ها يعني ذرات ريزي هستند كه دائماً در حال رشد و توسعه اند. اين موضوع فعلا در حد يك تخيل علمي بوده و ايده آن از مخلوط كردن دو واژه به دست آده كه عبارتند از قابليت خودمونتاژي و خود تكثيري. همان گونه كه يكي از متخصصين اعلام نموده خود مونتاژي طبيعت بسياري از چيزها است. به طور مثال سديم و كلر را در كنار يكديگر قرار دهيد، ملاحظه خواهيد كرد كه با تركيب شدن يا به عبارتي خودمونتاژ شدن تشكيل كريستال مي دهند. البته چنين عملي خارج از كنترل نيست.

ذرات بسيار كوچك، پتانسيل بسيار بالا
تحقيق و توسعه در حال پيشرفت در فضاهايي بسيار متفاوت است، از توليد انرژي گرفته تا علم مواد، پزشكي و حتي حمل و نقل. نانوكريستال هايي كه قابل جاسازي در پلاستيك هاي هادي جريان الكتريسيته هستند مي‎توانند شرايط لازم را براي توليد برق از خورشيد با هزينه اي منطقي به وجود آورند. در اين پلاستيك ها، مواد پلاستيكي بين الكترودها به صورت لايه لايه يا ساندويچي قرار داده مي‎شوند و تكميل كننده آن عمل لامينيت كردن، آن هم با يك پوشش نازك بوده و سپس مي‎توان آنها را بر روي هر نوع سقفي قرار داد تا بتوانند انرژي خورشيد را جذب كرده و آن را تبديل به الكتريسيته بنمايند.

ساير محققان اقدام به پرورش دادن پوشش هايي نموده اند كه شامل گرافيت، الماس، كربن به صورت ذرات بدون شكل و بالاخره كربن به صورت حباب هاي نانو است. تنوع مواد كربني در ساخت پوشش هاي مختلف به آنها خواص استثنايي را اهدا مي‌كند. به طور نمونه ماده اي وجود دارد به نام CDC يا كربايدي كه از كربن مشتق شده ، نسبت به سايش مقاوم بوده و ويژگي هاي اصطكاك آن پايين است.
يكي از موارد استفاده CDC در اتومبيل مي‎تواند ياتاقان هاي پمپ آب يا واترپمپ باشد.

استفاده از حسگرهاي نانو در توليد پارچه و ساير مواد آنها را هوشمند نموده و قادر خواهند بود چنانچه تحت فشار و يا پارگي و يا استفاده غلط قرار گرفتند بلافاصله اطلاعات اين رويداد را منتقل كنند. در حال حاضر حسگرهاي نانو براي موارد استفاده در پزشكي وجود دارند كه به آنها بيوچيپس اطلاق مي گردد كه حساسيت آنها ده برابر بيش از ساير وسايل و ابزارها بوده كه اين برتري فقط ناشي از آن است كه سطح گستردگي آنها به دليل نازك بودن در واحد سطح به مراتب بيش از سايرين است.
بيوچيپس ها باعث مي گردند كه سرعت تحقيق بر روي داروها بالا رفته و جوابي كه از انجام آزمايش هاي خون به دست مي‎آيد دقيق تر و سريع تر از روش هاي معمولي باشد.

در دنياي اتومبيل نيز واقعيت سطح بيشتر سلول هاي سوختي به معناي افزايش راندمان و كاهش هزينه، كاملاً صدق مي‌كند. دانشمندان دانشگاه ميشيگان در حال به كارگيري چيزي به نان ميكرو فابريكاسيون به منظور رشد لايه هايي از غشا تبادل پروتون هستند كه تنها بخش گران و پرهزينه در توليد سلول هاي سوختي بوده و در صورت موفقيت در اين امر به زودي شاهد كاهش قيمت اتومبيل هاي سلول سوختي خواهيم بود.
نانوليتوگرافي
محققان آزمايشگاه «بروك هاون» وزارت ملي انرژي آمريكا، روش شيميايي جديدي را براي نگارش يافته اند كه قادر است خطوطي از جوهر به ضخامت تنها چند 10 نانومتر ايجاد كند.

«يانگ كاي»، فيزيكدان اين آزمايشگاه مي‌گويد: اين روش جديد نگارش، امكانات زيادي را براي ايجاد الگوها و نقوش بر روي سطوح در مقياس نانو فراهم كرده است. اين دستاورد تأثير شگرفي بر توسعه فناوري هاي نانو كه شامل الگوسازي در مقياس نانو، مثل الكترونيك مولكولي (مدارهاي ريزي كه با استفاده از مولكول هاي آلي ساده ساخته مي‎شوند) هستند، گذاشته است.

نام اين روش را «نانوليتوگرافي با قلم الكترونيكي» (EPN) گذاشته اند. آنها يك نوك فلزي نازك را در عرض لايه اي از مولكول هاي آلي لغزاندند، تا در آن يك ولتاژ الكتريكي ايجاد شود كه موجب اكسيد شدن منطقه زيرين آن خواهد شد، يا واكنشي رخ دهد كه ساختار شيميايي لايه را تغيير دهد.

در يك بار لغزش قلم، مولكول هاي آلي جوهر، از روي نوك به منطقه هاي اكسيد شده منتقل مي‎شوند و در نتيجه يك خط نازك ايجاد مي‎شود. هر خط فقط يك مولكول ضخامت دارد، ولي محققان مي‎توانند با نگارش بر روي الگوهاي موجود، الگوهاي چند لايه اي ايجاد كنند. اين امر به آنان توانايي ايجاد مناظر سه بعدي در مقياس نانو را مي‎دهد. علاوه بر اين با قطع ولتاژ، مي‎توانند از نوك مذكور به عنوان «پيمايشگر» جهت «خواندن» و ايجاد تصويري از الگويي كه قبلا انگاشته شده، استفاده كنند. با تحقيقات بيشتر، EPN ممكن است به توانايي نگارش مواد زيست مولكولي مثل پروتئين ها بر روي صفحات دست يابد. اين رسوب هاي پروتئيني در مقياس نانو، به عنوان مثال مي‎توانند نقش حسگرهاي زيستي را بازي كنند.
اهميت اندازه

بدون ترديد اندازه هر چيزي اهميت خاصي دارد، ولي نبايد تصور كرد كه حجم بزرگتر به معناي بهتر است چرا كه حتي ستارگاني كه شب هنگام در آسمان خداوندي مي درخشند انرژي نوري خوش را از ذرات بسيار ريزي به نام اتم ها كه ساختار تمام هستي از آنهاست به وجود مي آورند. جهان اتم ها و مولكولها امكانات نامحدودي را در اختيار دانشمندان و مهندسين قرار داده كه بتوانند به تحقيقات جامع تر و گسترده تر دست پيدا كنند. يكي از اهداف آنها به زبان ساده عبارت است از ايجاد و ساخت سيستم هاي كاملاً مستقيم از اتمها و مولكولها تا حداكثر ميزان مينياتوري كردن را بتوانند بدست آورند. هدف ديگر ايجاد ويژگيهايي كاملاً غيرمعمول در مواد با استفاده از افزودن اتم هاي مختلف به آنهاست؛ نانو واژه اي است كه كارشناسان با استفاده از آن مي‎توانند به اهدافي كه ذكر شد دست پيدا كنند. اين چيزي است كه سي سال

پيش حتي روياي دست يافتن بدان در تصور بشر نمي آمد؛ بنابراين امپراطوري ريزترين ذرات بوسيله نانومتر يا يك ميلياردم متر اندازه گيري مي‎شود. اميدواري بسياري نسبت به نانو به وجود آمده چرا كه با كمك آن مي‎توان ماشينهاي هرچه كوچكتر ساخت كه به وسيله تراشه هاي هرچه كوچكتر و همينطور ترانزيستورهاي خيلي كوچك كنترل شوند. در انتهاي زنجيره سازي در تكنولوژي نانو، چيزي كه به وجود مي‎آيد روباتهاي بسيار كوچكي هستند كه قادرند از مويرگ هاي بدن انسان نيز عبور كنند و با از ميان برداشتن رسوبات چربي اقدام به ترميم سلول هاي آسيب ديده بنمايند.

سال 1959 نخستين رجوع به دنياي نانو
در اين سال فيزيك دان بسيار معروف آمريكايي يعني آقاي ريچارد فيليپس فينمن كه برنده جايزه نوبل نيز شده بود در انيستيتوي تكنولوژي كاليفرنيا اصول اصول اوليه نانو را پايه گذاري كرد و او اولين فردي بود كه ديدگاه هايي در خصوص امكانات دنياي نانو پيدا كرد.
وي اولين كسي بود كه نموداري از يك مسير را در دنياي نانو ترسيم كرد و اين راهي بود مستقيم به داخل دنياي اتم ها و مولكولها. همانگونه كه به نظر او رسيد اين موضوع امكان‌پذير بود كه بتوان در اطراف اتمها به طور معلق و شناور در آمد و آنها را به گونه اي آرايش داد كه سازه اي كه از اين آرايش به وجود مي‎آيد اندازه اي كمتر از ده هزارم ميليمتر داشته باشد. نظرات او تا اواسط دهه هفتاد ميلادي به همان صورت اوليه معتبر باقي مانده بود ولي در آن تاريخ زيست شناسان كشف كردند كه چگونه مي‎توان مولكولهاي «دي ان اي» را از يك ديگر تفكيك كرد و اين از اهميت زيادي برخوردار بود چون تمامي اطلاعات اجدادي موجودات زنده بر روي مولكولهاي «دي ان اي» ذخيره شده است.

با عنايت به موفقيتهاي به دست آمده در قدم هاي اول در آزمايشگاه هاي ژنتيك، هدف فينمن در خصوص ساخت ماشين هاي غير آلي از اتمها مجدداً در دستور كار قرار گرفت. اما تا قبل از سال 1980 ميلادي حتي قويترين و مجهزترين ميكروسكوپهاي الكتروني نيز تصويري گنگ و نامشخص از اتمها را نشان مي دادند و بنابراين لمس آنها و احياناً اعمال هرگونه تغييري بر روي آنها غيرممكن بود. اما در آن سال ميكروسكوپ هاي اتمي كشف شدند، در اين ميكروسكوپها از نوك هاي فوق العاده ظريف و كوچك با عرض حدود يك ميلياردم متر استفاده مي‎شد تا بتواند راه خود را به سمت سطوح مختلف پيدا كرده و اين اجازه به اتم ها داده شود كه اطراف آنها به ميل خود بچرخند.
نخستين باري كه محققين موفق شدند چنين كاري را انجام دهند سال 1989 بود و آن هم تفكيك كردن 15 اتم «زنون» بود.

فناوري نانو
فناوري نانو به معني كنار هم قرار دادن اتمها يا مولكولها و تشكيل مواد، ابزار و وسايلي با دقت در حد اتم مي‌باشد. بنابراين فناوري نانويك رويكرد جديد در تمام علوم مي‌باشد. در گذشته بخشهايي از علم فيزيك، شيمي كوانتوم و بيوشيمي را در رابطه با دنياي خرد و كهن بررسي مي‌كردند و مابقي علوم پديده‌هاي اطراف خود را در حد كلان مورد مطالعه قرار مي‌دادند، ولي با ديدگاه فناوري نانوكه محدوده عمل آن در حد نانومتر مي‌باشد همه چيز در سطوح اتمي و مولكولي مورد بررسي قرار مي‌گيرد. تمام مواد از كنار هم قرار گرفتن اتمها و مولكولهاي ساخته مي‌شوند ولي نحوه قرار گرفتن اتمها و مولكولها ساخته مي‌شوند ولي نحوه قرار گرفتن و نظم ساختاري آنها خواص مواد را تعيين مي‌نمايند. مثال بسيار معمول در نحوه قرار گرفتن اتمها در كنار هم و تأثير آن در خواص نهايي ماده عبارت است از: الماس، گرافيك و دوده. هر سه

ماده ذكر شده از كربن خالص تهيه شده‌اند ولي نحوه چيدمان اتمها و ارتباط آنها با يكديگر باعث تفاوت بسياري در خواص اين سه ماده شده است، در الماس هر اتم كربن با چهار اتم ديگر اتصال داشته ولي در گرافيك هر اتم كربن به سه اتم ديگر متصل مي‌باشد، در دودههر اتم كربن حداكثر به دو اتم ديگر متصل است و داراي ساختار درهم ريخته و غيرمنظم مي‌باشد. بدين ترتيب الماس تا چندي قبل سخت‌ترين ماده موجود در جهان بود. ولي گرافيك بشكل پودر مي‌باشد كه گاهي اوقات در روان‌سازها مورد استفاده قرار مي‌گيرد ونيز دوده بشكل پودر نرم مي‌باشد. در فناوري نانو انسان دست به خلاقيت زده و هر طور كه اراده مي‌نمايد اتمها را كنار هم قرار مي‌دهد. بنابراين با استفاده از اين فناوري مي‌توان از طريق استفادهاز گازهاي گلخانه‌اي كربن‌دار هوا نظير متان و گاز كربنيك كه موجبات آلودگي محيط مي‌گردد، كربن را استخراج نمود و يا با كنار هم قرار دادن آنها الماس، گرافيت يا پروتئين و … ساخت.

جوزف استراشيويكي از فيزيكدانهايي كه مشغول بررسي و تحقيق روي تكنولوژي نانو هست مي‌گويد: «كسي كه هرگز تصورش را هم نمي‌كرد كه روزي بتوان اتمي را برداشته و بفاصله قطر چند اتم جابجا كرد. اين كار مثل اين است كه ما به سيارات ديگر رفته يك سياره را گرفته از مداري به مدار ديگر منتقل كنيم».
وي و رابرت سلوتا از جمله فيزيكدانهايي هستند كه در موسسه استانداردها و تكنولوژي در ايالت مريلند در زمينه تكنولوژي نانو فعاليت مي‌كنند. يك«نانومتر»، واحدي كه دانشمندان در تكنولوژي نانو زياد از آن ياد مي‌كنند برابر است با يك ميلياردم متر و اگر 400 هزار اتم در كنار هم قرار گيرند قطر آنها به اندازه قطر يك تار موي سر انسان مي‌شود. تكنولوژي نانو برخي اصول ديرينه فيزيك را برهم زد. اتمها و ذراتي چون الكترونها و فوتونها هميشه مطابق اصول علمي مدرن رفتار نمي‌كنند. سلوتا مي‌گويد:

«هنگامي كه وارد دنياي نانو مي‌شويد مسائل كاملاً فرقمي‌كند».

اين موضوع براي زمينه‌هايي چون الكترونيك، هم مي‌تواند مفيد باشد و هم مضر. چرا كه مدارها و ساير متعلقات ممكن است در ابعاد كوچك به همان شكلي كه در اندازه بزرگ كار مي‌كنند كارايي نداشته باشند. مشاهده اتمها از طريق دستگاه ميكروسكوپ «اسكن تونلي» انجام مي‌گيرد. اين ابزار در اوايل دهه 1980 توسط «گردبنينك» و «هاينريش روهر» در لابراتورهاي مركزي «اي‌بي‌ام» زوريخ اختراع شد. او در سال 1986 بخاطر اين اختراع عظيم خود جايزه نوبل فيزيك را دريافت كرد. اوايل دستگاه مزبور همانند يك دستگاه زمين شناسي (كه بيشتر براي ديدن اشياء براي اولين بار از آنها استفاده مي‌شود)، بكار مي‌رفت.

ميكروسكوپي كه اكنون در آزمايشگاه در گاينسبرگ هست سالها طول كشيد تا طراحي و ساخته شود. فيزيكدانان دريافته‌اند كه اتم‌ها بيشتر سرما و سكون را ترجيح مي‌دهند. در درون ميكروسكوپ، آزمايش در دماي منهاي 455 درجه فارنهايت انجام مي‌شود و از لرزش و رسيدن امواج الكتريكي، مغناطيسي و راديويي به اتمها جلوگيري مي‌شود. درون دستگاه خلاء ايجاد شده تا از دخالت مولكولهاي سرگردان اكسيژن و هيدروژن در آزمايش جلوگيري گردد. دستگاه ابتدا از عنصر «موليبديوم» كه در مقابل تغييرات شديد دما مقاوم است، ساخته مي‌شود. محققين چندين مشخصه غيرمعمولي در اين دنياي فوق‌العاده ريز كشف كرده‌اند. مثلاً بخاطر تفاوت انرژي، تغيير اندازه يك ساختار نانو موجب تغيير رنگ آن نيز مي‌شود. استراشيو مي گويد: «نور انرژي دارد و رنگ نور به انرژي آن بستگي دارد.» اين مشخص براي محققين علوم پزشكي كه

بدنبال استفاده از فناوري نانو در تشخيص و درمان بهتر بيمارها هستند، بسيار مفيد خواهد بود. پژوهشگران در مطالعات سلولي از نانوكريستالهاي نيمه رسانا به عنوان ابزار «فلورسنت‌ساز» براي تشخيص سلولهاي سرطاني استفاده مي‌كنند. پيتر باركر رهبر پروژه‌اي در آزمايشگاه‌هاي مختص مطالعه سرطان مي‌گويد: «نانوكريستالها نويد پيشرفت‌ها قابل توجهي در رنگهاي ارگانيك را مي‌دهند» او مي‌گويد: «ذرات نانو امكان تشخيص سرطان سينه را بطور دقيق‌تر، مطمئن‌تر و سريعتر فراهم مي‌كنند. اما در تحقيقات پزشكي بيش از هر نوع كاربرد علمي ديگر نياز به امنيت و نظارت اخلاقي دارد. بعضي عناصر احتمالاً سمي هستند پس بنابراين آزمايش بر روي انسان خيلي زود است. دانشمنداني كه روي تكنولوژي نانو كار مي‌كنند به كشف جالب ديگري نيز نائل آمده‌اند، آنها دريافته‌اند كه اتمها سر و صدا ايجاد مي‌كنند. اتمها توسط يك جريان

الكتريكي خاص كه به جريان «تونلينگ» معروف است از موقعيتي به موقعيت ديگر جابجا مي‌شوند. كنترل صداي اين جابجايي نوعي سر و صدا شبيه «اعتراض اتمها» را نشان مي‌دهد.

هدف تحقيقات ايجاد فرمولهايي كارآمد و عملي است كه همه، از توليدكنندگان گرفته تا مصرف‌كنندگان بتوانند از آنها براي اهداف و توليدات خاص خود استفاده كنند. نانوتكنولوژي زمينه‌اي ارزشمند است كه در آن مي‌توان پديده‌هاي كوانتومي و بسيار كوچك را بررسي كرد، در اصل يك ميز كار بسيار كوچك است. انتظار مي‌رود 5 الي 10 سال طول بكشد تا بتوان از قطعات نانو در صنعت الكترونيك استفاده كرد ودر علم پزكي نيز اين كاربرد احتمالاً 8 الي 12 سال طول خواهد كشيد، اين تأخير بخاطر جا ماندن كسي از كار يا عدم موفقيت كسي نيست، بلكه بعلت پيچيدگي و نيز رمزآلود بودن زياد اين مقوله است. نانوتكنولوژي توليد كارمد مواد، دستگاه‌ها و سيستم‌ها با كنترل ماده در مقياس طولي نانومتر و بهره‌برداري از خواص و پديده‌هاي نوظهوري است كه در مقياس نانو توسعه يافته‌اند. امروزه بسياري از تكنولوژي‌هاي موجود، به فرآيندهايي در مقياس نانو وابسته‌اند. فتوگرافي و كاتاليزور دو نمونه از تكنولوژيهاي قديمي هستند؛ كه بصورت تجربي، در مقياس نانو پيشرفت داشته‌اند. مفهوم جديد نانوتكنولوژي، آنقدر گسترده و ناشناخته است كه ممكن است روي علم و تكنولوژي در مسيرهاي غيرقابل پيش‌بيني تأثير گذارد.

محصولات موجود نانوتكنولوژي عبارتند از: لاستيكهاي مقاوم در برابر سايش، مواد دارويي كه در مقياس نانو توليد شده‌اند، ديسكهاي ليزري و مغناطيسي كه با كنترل دقيق ضخامت لايه‌ها از كيفيت بالاتري برخوردارند، چاپگرهاي عالي با استفاده از نانو ذرات با بهترين خوصا جوهر و رنگ دانه. بسياري از ساختارها نيز هم اكنون در مرحله تحقيق و يا توسعه هستند.

مواد نو
بعيد نيست كه تحقيقات در حوزه مواد تا سال 2015 متضمن بهبودهايي در خواص بعضي از حوزه‌هاي اضافي بوده واثرات چشمگيري در پي داشته‌ باشد.
نيمه هادي‌هايي كه از شكاف باند وسيع برخوردارند بعنوان قطعات قابل مصرف در الكترونيك، با قدرت بالا مورد بررسيهاي تحقيقاتي هستند.
مواد با عملكرد تدريجي مي توانند براي ساخت لايه‌هاي مياني كه اجزاي گوناگون مكانيكي، حرارتي يا الكتريكي را به هم پيوند دهند، بسيار مفيد باشند. هم اينك آندها و كاتدها و الكتروليتهاي پر ظرفيت و با عمر طولاني‌تر براي بهبود باطريها و سلولهاي سوختي در دست توسعه‌اند.

از سويديگر ابر رسانه‌هاي سراميكي با دماي بالا كه در سال 1986 كشف شده‌اند، بجاي دماي هليوم مايع در دماي نيتروژن مايع عمل مي‌كنند. همچنين وسايلي از قبيل كابلهاي انتقال الكتريكي، ترانسفورماتورها، خازنها، موتورها و محدود كننده‌هاي جريان ناقص در سطح نمونه ساخته شده و به نمايش گذاشته شده‌اند. مواد نوري غيرخطي هم اكنون براي ساخت ليزرهاي ماوراي بنفش تحت بررسي هستند همچنين كوششهايي براي افزايش آستانه تخريب و بازدهي تبديل، كمينه كردن واگرايي و متناسب‌سازي مرز جدايي ليزرها در دست اقدام است.
نانو مواد

اين حوزه تحقيقاتي، نانوتكنولوژي را با بسياري از كاربردهاي مواد نانو ساختاري تلفيق مي‌كند. يك حوزه بسيار مهم، تزريق نيمه هاديهاي نقطه كوانتومي است، كه از طريق تزريق مواد ابتدايي كه بطور متعارف از آنها براي قرار دادن بخار شيميايي درون سرباره داغ مايع استفاده مي‌شود، صورت مي‌گيرد.
اين مواد، بسته به اندازه خود، در فركانسها يا رنگهاي مختلف نورافشاني كرده و بدين ترتيب امكان چندگانگي نوري در برچسب زني بيولوژيك را فراهم مي‌سازند. كلاس ديگرمهم نانو مواد، نانولوله‌ها هستند. كاربردهاي ممكن نانو لوله‌ها عبارتند از: نمايشگرهاي انتشار ميداني، سيستم‌هايي در مقياس نانو براي باتريها و مديريت حرارتي. از نانولوله‌ها مي‌توان بعنوان مسلح كننده مواد كامپوزيتي هم بهره برد.

موادي كه از نانولوله‌ها درست مي‌شوند احتمالاً بدليل پديده باندينگ يا چفت شدن، 50 تا 100 بار مقاوم‌تر از فولاد بوده و در عين حال يك ششم آن وزن خواهد داشت، البته به شرطي كه موانع عملي فعلي برطرف شوند.
ضمناً از از طريق فروري مي توان نانو ساختارهايي با خواص مكانيكي يا غيرمكانيكي مطلوب درست كرد.
تقويت آلياژها يا ساختار دانه‌اي در مقياس نانو، افزايش چكش خواري فلزات با ميكروساختارهاي چند فازي در مقياس نانو و افزايش كندي شعله نانوكامپوزيتهاي پلاستيكي نمونه‌هايي از آن است.
وسايل محاسباتي نانو
الف) تراشه‌هاي نانو: كنسرسيوم صنعتي پيشرو در

بخش توليد نيمه‌هاديها، خواستار توسعه هر چه بيشتر نيمه هاديهاي نانو شده است. براساس آينده‌اي كه ترسيم شد، در سال 2015 طول دروازه نيمه‌هاديها «35 نانومتر» و تعداد كل عمليات در زير پردازنده‌هاي توليد انبوه «4/3 ميليارد» خواهد بود و در پردازنده‌هايي با عملكرد بالا كه با حجم كمتري توليد مي‌شوند، اين رقم شايد به «20 ميليارد» برسد؛ براي تراشه‌هاي حافظه‌اي مربوط نيز هدفي در حدود «64 گيگابايت» تعيين شده است.
اگر هنوز شماري از چالشهاي مهندسي در پيش است اما مشكلات دستيابي به اين سطوح عملكردي چندان لاينحل بنظر نمي‌رسد. اگركاستي‌هاي پيش‌بيني نشده در توليد اقتصادي اين تراشه‌ها را در نظر بگيريم راهكارهاي متعدد ديگري امكان‌پذير خواهد بود. البته در سالهاي پس از 2015، شايد مشكلات ديگري آشكار شوند كه بعضي از آنها چالشهاي مهم را برابر تكنيك‌هاي سنتي توليد نيمه هاديها ايجاد خواهند كرد. به ويژه محدوديت‌هاي ابعادي براي اتصالات يا سيستم‌هاي بين ترانزيستورها مي‌تواند كارآمدي محاسباتي در وسايل را محدود نمايد، زيرا به رغم پيشرفتهاي تدريجي فعلي در حوزه مواد، هنوز ضعفهايي در خواص و سازگاري مواد وجود دارد. انتقال حرارت در تراشه‌هاي فوق‌العاده فشرده، چالش مهم ديگري است. اين امر از لحاظ محدوديتهاي فني‌ آنچنان اساسي نيست و بيشتر يك چالش اقتصادي محسوب مي‌شود، زيرا

مقابله با اين حرارت مستلزم طراحي ساز و كارها و تكنولوژي خنك كننده‌اي است كه هزينه كل سيستم را افزايش مي‌دهد و در نتيجه بر هزينه حاشيه‌اي به ازاي عملكرد محاسباتي اين دستگاه‌ها اثر معكوس مي‌گذارد.

ب) محاسبه بر پايه سوئيچ‌هاي كوانتومي: يكي از راهكارهاي بالقوه درازمدت براي غلبه بر موانع افزايش قدرت محاسباتي كامپيوترها، توسعه دستگاه‌هايي است كه از مزيتهاي متنوع پديده‌هاي كوانتومي بهره مي‌برند، نوآوري اصلي در اين حوزه، به كارگيري پديده‌هاي كوانتومي، مثل قطبي‌سازي اسپيني الكترونها براي تعيين وضعيت سوئيچ‌هاي منفرد است. اين روش برعكس ميكروالكترونيك سنتي است كه بر پايه خواص ماكروسكوپيك تعداد زيادي از الكترونها استوار است و از خواص مواد نيمه هادي استفاده مي‌كند. بسياري از مفاهيم كامپيوترهاي كوانتومي، بدليل قدرت فوق‌العاده محاسبات موازيشان، جذاب بنظرمي‌رسند ولي پيش‌بيني نمي‌شود كه تا سال 2015 نمود چشمگيري داشته باشند. اين مفاهيم به لحاظ كيفي با آنچه كه در كامپيوترهاي سنتي به كار مي‌روند، متفاوتند و بنابراين نيازمند ساختارهاي كامپيوتري نو خواهند بود. انواع محاسبات كه با استفاده از اين نوع كامپيوترها مي‌تواند با سرعت شكل بگيرد همانهايي نيستند كه كامپيوترهاي ديجيتالي امروزي از پس آنها برمي‌آيند. چند تن

از دانشمندان اين رشته الگوريتمهايي براي بعضي مسائل كه محاسبات فوق‌العاده زياد مي‌خواهند در كامپيوترهاي ديجيتالي كنوني طراحي كرده‌اند كه در صورت به كارگيري، مسائل فيزيك كامپيوترهاي كوانتومي بسيار سريعتر حل خواهند شد. نمونه‌هايي از اين مسائل عبارتند از: فاكتورگيري از اعداد بزرگ؛ جستجو در پايگاه‌هاي داده‌هاي بزرگ؛ يافتن تناسب الگو و شبيه‌سازي پديده‌هاي مولكولي و كوانتومي.

يك بررسي مقدماتي حاكي از آن است كه سوئيچ‌هاي كوانتومي احتمالاً ظرف 15 سال آينده نخواهند توانست بر موانع فني عمده همچون تصحيح خطا، همدوسي‌زدائي و ورودي/ خروجي سيگنال غلبه كنند. اگر اوضاع بر همين منوال ادامه يابد بعيد است كه محاسبه بر پايه سوئيچ كوانتومي بتواند در افق زماني 2015 رقيبي جدي براي كامپيوترهاي ديجيتال باشد.

توليد مولكولي و نانو روباتها
بعضي از كارشناسان مفهوم ساخت و توليد مولكولي را كه در آن اشياء اتم به اتم ساخته مي‌شوند، ابداع كرده‌اند. تفاوت رويكردهاي مرسوم مثل ميكروتكنولوژي و سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي با رويكرد توليد مولكولي در اين است كه آنها رويكردهاي «كل به جز» هستند كه از فنون توليد ماكروسكوپيك و مواد حجيم استفاده مي‌كنند. تحقق تولدي مولكولي نيازمند پيشرفت فني متعددي است، نخست اينكه بايد «بلوكهاي سازنده» مناسبي پيدا شوند كه مولكولي باشند. اين بلوكهاي سازنده بايد از لحاظ فيزيكي و شيميايي با دوام، به آساني قابل تغيير و از لحاظ علمكرد چند منظوره باشند. بخري دانشمندان اين حوزه، ساختارهاي الماس‌گون بر پايه كربن را به عنوان بلوكهاي سازنده در وسايل نانومكانيكي مانند دنده،‌ محور و پروانه پيشنهاد كرده‌اند. از ساير مولكولها نيز مي‌توان براي ساختارهاي واكنش شيميايي استفاده كرد. كارهاي بسياري زيادي نيز بايد در حوزه مدل‌سازي و سنتز ساختارهاي مولكولي مناب انجام گيرد كه گروه‌هاي متعددي روي اين زمينه كارمي‌كنند.

در يكي از مفاهيم پيشرفته ديگر، اصول شيميايي و استفاده از تغذيه‌هاي ساده را تركيب يم‌كنند تا وسايل بسيار بزرگتري بسازند. حسب ظاهر هر چه اين تكنيك‌ها پخته‌تر شوند و پيش از آنكه كاربردهايي در مقياس قابل توجه بيابند، بايستي كار بيشتري در سطح سيستم‌ها و مهندسي انجام پذيرد. با آنكه ساخت و توليد مولكولي نويدبخش تحولات جهاني تعيين كننده‌اي است اما در ميان تكنولوژي‌هايي كه در اينجا توصيف شده‌اند كمتر از همه تحقق خواهد يافت. در اين روش اشياء از مولكولهايي ساده ساخته مي‌شوند و از ريق ميكروسكوپهاي اتميك در زماني كوتاه به توليد مي‌رسند. هر چه ساخت اين سيستم‌ها تا مروز موردي و بيشتر پژوهشي بوده است. انتظار توسعه تجهيزات ساخت و توليدي يكپارچه ظرف 15سال آينده منطقي است.
گستره احتمالات تا سال 2015