مقاله در مورد فناوری نانو

بخشی از مقاله

فناوري نانو

فناوري نانو چيست؟
علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنيک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايي علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند که بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شباهت به تنکنيک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های امروزی نانو نيست. پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی، شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند.

اولین بار ریچارد فیمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازی فرایندی برای دستکاری اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهای دقیق سبب شده تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند. در سال 1974، پروفسور نوریو تانیگوشی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوری نانو" را بکار گرفت. او در مقاله ای با نام "مفهوم اساسی فناوری نانو"

اشاره می کند که فناوری نانو اساسا مجموعه ای از فرایندهای تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است. در دهه 1980 ایده یاین تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب های موتور خلقت) مورد بررسی قرار گرفت.
فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونلی پیمایشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فلورین در سال 1986 و نانولوله های کربنی در مدت چند سال بعد شد. شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی نقاط کوانتوم گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی 5 سال بعد از میکروسکوپ تونلی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد.
فناوری نانو یک زمینه بین رشته ای است که در محدوده علوم کاربردی مختلفی نظیر فیزیک، مواد، الکترونیک و غیره وارد شده است. فناوری نانو خود به تنهایی علم نیست بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد. فناوری نانو به سه صورت تعریف می شود:
1- فناوری نانو محدوده تحقیقات و مطالعه مواد و خصوصیات آنها در محدوده 1- 100 نانومتر را در بر می گیرد.
2- با کمک فناوری نانو ساختارهای نانویی می توان خلق کرد که خصوصیات آنها با ساختارهای ماکروسکوپی همان مواد متفاوت است.
3- با کمک فناوری نانو می توان در اتمها از طریق کنترل خصوصیات تغییراتی ایجاد کرد.
زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند واکنش های و رفتار اتمها در مقایسه با حالتی که مطالعه در سطح مولکولی انجام می شوند کاملا متفاوت است چرا که در این قلمرو خصوصیات فیزیکی مواد تغییر می کند این درست مانند این است که در توپی را در محفظه ای بیندازید و توپی دیگری را از آن محفظه بیرون آورید. تفاوت در قلمرو نانو به اندازه ای است که حتی رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات شیمیایی و غیره مواد در خارج از این محدوده کاملا متفاوت است.

در فناوری نانو برای ساخت دو روش در نظر گرفته می شود: روش ساخت پایین به بالا و روش ساخت بالا به پایین. در روش ساخت پایین به بالا، وسایل و مواد از سطح مولکولی بر اساس اصول شیمی مولکولی ساخته می شوند درست مانند یک دیوار که از روی هم گذاشتن آجر به آجر ساخته می شود.
در روش ساخت بالا به پایین، اشیاء نانویی بدون کنترل اتمی در مقادیر بزرگتر ساخته می شوند به این طریق که در ساخت آنها از تجهیزات پیشرفته این فناوری مانند میکروسکوپ اتمی و

میکروسکوپ تونلی پیمایشی استفاده می شود تا فرایند دستکاری و ایجاد پدیده ها و خصوصیات جدید در اشیاء نانویی ظهور یابند.
امروزه فناوری نانو در ساخت پلیمرهایی با ساختار مولکولی، طراحی تراشه های کامپیوتری کاربرد دارد. همچنین از این فناوری در ساخت مواد آرایشی، انواع پوشش ها و روکش های محافظتی و لباسهای مقاوم نیز استفاده می شود.
نانو فناوری چیست
فرض کنيد که يک جعبه از آجرک‌هاي ساختمان سازي در اختيار داريد، مثل اين:
و مي خواهيد با آن يک ديوار به ارتفاع 10 سانتي متر بسازيد. براي ساختن ديوار چند راه مختلف داريد:
راه اول: مي توانيد آجرک‌ها را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته ده سانتي متري درست شود. دراين حالت ديوار شما کاملا بي نظم و غير يکنواخت است. مثلا ضخامت ديوار در قسمتهاي پاييني خيلي بيشتر از قسمتهاي بالايي است.(تصوير شماره يک):

تصوير شماره 1
راه دوم: ممکن است کمي حوصله به خرج دهيد و آجرک‌ها را چندتا چندتا به هم وصل کنيد. مثلا قطعاتي به اندازه جعبه کبريت بسازيد و بعد اين قطعات را همين طوري روي هم بريزيد تا يک پشته 10 سانتي متري درست بشود، اين بار هم ديوار شما بي نظم و غير يکنواخت خواهد بود؛ اما به طور قطع از ديوار قبلي منظم تر و قدري هم خوش قيافه‌تر است.(تصوير شماره 2)

تصوير شماره 2
راه سوم:اگر خيلي آدم صبور و باحوصله اي باشيد، آجرک‌ها را دانه به دانه به هم متصل تا يک مستطيل به ارتفاع ده سانتي متر بسازيد. اين ديوار کاملا يکدست و منظم خواهد بود. به عنوان مثال اگر از وسط آن را بشکنيد، هرکدام از نصفه ديوارها نظم اوليه خود را حفظ خواهد کرد.(تصوير شماره 3)

تصوير شماره 3

حالا به تصوير شماره 4 نگاه کنيد، به نظر شما اين تصوير شبيه کداميک از ديوارها است؟
فکر مي‌کنم در اين مورد شما هم با من موافقيد، بله! تصوير شماره 4 بيش از همه به ديوار دوم شبيه است. حتما مي پرسيد که تصوير شماره 4 چه چيزي را نشان مي‌دهد؟ بايد بگويم که اين تصوير، عکس واقعي سطح يک ميله مسي کاملا صيقل داده شده در زير ميکروسکوپ است! اگر سطح يک فلز را خوب صيقل دهيم، بعد آن را به خوبي بشوييم، و سپس زير ميکروسکوپ بگذاريم چنين ساختاري را مشاهده خواهيم کرد. (البته نه به اين وضوح!) به هرکدام از چندضلعي‌هاي تصوير، يک «دانه» مي گوييم. هر دانه در واقع مجموعه اي از هزاران اتم فلز است که به

طور منظمي کنار هم قرار گرفته اند. هرکدام از اين اتمها قطري در حدود «يک نانومتر» يعني يک ميليارديم متر دارند.

تصوير شماره 4
خوب، حال بگذاريد که تشابه بين ديوارهاي شما و سطح فلز را بررسي کنيم:
آجرهاي ساختمان سازي مانند اتم ها هستند و قطعات به اندازه جعبه کبريت در ديوار دوم هم مانند دانه ها. در واقع اتمهاي درون يک دانه مانند آجرک‌هاي يک قطعه به هم متصل شده اند. اما ديوار سوم شبيه چيست؟
از يک نظر مي توان گفت که ديوار سوم شبيه يک تصوير بزرگ از درون يکي از دانه ها است. اما آيا در عمل مي توانيم فلزي داشته باشيم که همه اتمهاي آن مانند ديوار سوم به شکل منظم به هم متصل شده باشند؟ يعني همه سطح فلز يکدست باشد نه اينقدر تکه تکه ونامنظم؟
بايد دانست که تا چند سال پيش نه تنها هيچ فلزي، بلکه هيچ ماده مصنوعي هم وجود نداشت که در ابعاد بزرگ، حتي مثلا در ابعاد چند ميلي متر در چند ميلي متر، يکدست و منظم باشد. فکر مي کنيد چرا؟
دليلش اين است که ما انسانها در بيشتر مواقع، وقتي مي خواهيم يک جسم جديد بسازيم، آن را از روش ساختن ديوار اول درست مي کنيم! شايد روش ساختن يک قطعه فلزي را در تلويزيون ديده و يا در کتابي خوانده باشيد: "ابتدا فلز را ذوب مي کنيم و بعد به وسيله ظرفهاي مخصوصي فلزمذاب را درقالب قطعه مورد نظر مي ريزيم." اين کار دقيقا مانند ساختن ديوار به روش اول است؛ کاملا کيلويي!!!
حتي همان دانه هايي هم که در تصوير 4 ديديد، به طورطبيعي و بدون دخالت انسان ايجاد مي شوند و ما در اکثر روشهاي معمولِ ساختنِ چيزها، توانايي نظم دادن و يا شکل دادن به اتمها در ابعاد کوچک را نداريم. البته بايد به اين نکته هم اشاره کرد که در بسياري از کاربردها، به موادي شبيه به ديوار اول يا دوم نياز داريم. براي مثال فلزات که ساختاري شبيه به ديوار دوم دارند (مثل مسي که عکسش را ديديد)، قابليت چکش خواري و شکل پذيري بيشتري از خود نشان مي دهند.
اما در چند سال اخير روشهايي ابداع شده اند که به ما اجازه مي دهند که اتم ها و مولکول ها (آجرک ها) را به طور منظم وبه دلخواه خودمان به هم متصل کنيم. دانشمندان اين روشهاي جديد را «نانوفناوري» ناميده اند. به تصوير شماره 5 توجه کنيد.

تصوير شماره 5
شايد در ابتدا، شکل 5، تصوير يک ميله توپر به نظر برسد، اما اين ميله که قطر آن درحدود 0.3 ميلي متر است، از هزاران رشته ايستاده کربن تشکيل شده است که قطر هرکدام در حدود چند نانومتراست. اين دسته رشته هاي منظم و يکسان براي اولين باردر حدود 10 سال پيش ساخته شدند و خواص و قابليت هاي حيرت آور و متعددي دارند.

شايد بپرسيد كه چرا اين روشهاي جديد را "نانوفناوري" ناميده اند؟ جواب اين است که در شيوه هاي فوق با ساختارهايي سروکار داريم که از تعداد کمي اتم و مولکول ساخته شده اند و اتمها و مولکولها هم ابعادي در حدود نانومتر دارند.

همانطور که مي دانيد خواص مواد به نوع اتمهاي تشکيل دهنده آنها و نوع اتصال اين اتمها به يکديگر بستگي دارد. بنابراين اگر بتوانيم اين اتم ها را به شکل مورد نظر خودمان به هم متصل کنيم، مواد جديدي با خواص و توانايي هاي مورد نظرمان، به دست آوريم؛ اين کار، مهمترين هدف در نانوفناوري است. مثلا مي توانيم ماده اي بسازيم که هم خيلي محکم باشد و هم خي

لي سبک و يا ماده اي که در ابعاد بزرگ هم يکدست و منظم باشد.
در اين سايت مطالب مختلفي درباره نانوفناوري و کاربردهاي آن خواهيد يافت. سرگرمي ها و فعاليت هاي مختلفي هم خواهيد ديد که مي توانيد با انجام آن ها نانوفناوري را بهتر بشناسيد.
يادداشت: اين مقاله با قدري تفاوت در مجله "کاوش، شماره دوم، آبان 1382" منتشر شده. انتشار مجدد آن با اجازه مجله کاوش انجام گرفته است.
فناوری نانو چیست
دیدگاه‌های ریچارد فاینمن، فیزیکدان برندة جایزة نوبل سال 1965، نقش بسزایی در پی‌ریزی علوم نانو داشته است. او دیدگاه‌های خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با نام «در پایین‌دست فضای زیادی وجود دارد.» مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در این سخنرانی پیش‌بینی‌های قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است. متنی که می‌خوانید، ترجمه‌ای است از سخنرانی فاینمن و توضیحاتی که در مورد میزان تحقق آن پیش‌بینی‌ها داده شده‌اند.
1. حوزة علوم نانو
فاینمن:
می‌خواهم حوزه‌ای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد. این حوزه شبیه حوزة فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند نمی‌گوید. بلکه بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده‌های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق می‌افتند، اطلاعات جالبی می‌دهد. به علاوه، نکته‌ای که از همه مهمتر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است.
اشاره
واقعیت این است که علوم نانو نگرشی بنیادی دربارة جهان در مقیاس کوچک به ما نمی‌دهند. نگرش بنیادی، پدیده‌های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح می‌دهد. علوم نانو به مقیاس کوچک‌تر از اتم کاری ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک‌ها و لپتون‌ها که حداقل ده مرتبه کوچک‌تر از اتم هستند ــ فیزیک بنیادی دستاوردهای خوبی دارد.
از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده‌های جدید می‌دهند. در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهم‌کنشِ ساده بین اجزای تشکیل‌دهندة سیستم، خاصیت جدیدی در کلّ سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز می‌کند؛ چیزی که در

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تا حدی مشاهده شده است. بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفت‌های فناوری در آیندة نزدیک می‌دهند.
2. ساختن در مقیاس اتمی
فاینمن:
چیزی که می‌خواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است. به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک‌سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز می‌گویند. آنها از موتورهای الکتریکی‌ای به کوچکی ناخن انگشت سخن می‌رانند. آنها می‌گویند وسیله‌ای وجود دارد که می‌تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنیای کوچمی‌پرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمی‌توانیم 24 جلد «دایره‌المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند. پهنای سر سوزن یک میلی‌متر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همة صفحات «بریتانیکا» می‌شود. بنابراین، تنها لازم است که اندازه‌های نوشته‌های دایره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا چنین چیزی ممکن است؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلی‌متر است که برابر با یکی از نقطه‌های کوچک دایره‌المعارف یادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید، هنوز هشتاد انگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی. به زبان دیگر، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای می‌دهد. بنابراین، هر نقطه می‌تواند در اندازة لازم برای چاپ تنظیم شود؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن «دایره‌المعارف بریتانیکا» موجود است.
اشاره
این کار در زمان حاضر امکان‌پذیر است. اگر سر سوزن از جنس سیلیکون و تخت باشد، با لیتوگرافی پرتوی الکترونی می‌توان نقوشی در این ابعاد و با این دقت ایجاد کرد.
فاینمن:
حال که «دایره‌المعارف بریتانیکا» روی سر سوزن جا شد، بیایید همة کتاب‌های عالم را در نظر بگیریم. کتابخانة کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانة ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر. مسلماً در میان اینها نسخه‌های تکراری هم وجود دارند. بنابراین، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتابِ غیر تکراری در دنیا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق می‌کرد) هر چه قدر تند و تیز باشد، بعد از ده سال فقط می‌تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی

کارت‌ها بنویسد. متن کتاب‌هایی که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چیده شده‌اند، و کارت‌هایی که همة کشوهای کتابخانه را انباشته‌اند، همه می‌توانند تنها در یک کارت نگه‌داری شوند. آیا چنین چیزی ممکن است؟
اشاره
اگر فرض کنیم هر کتاب یک میلیون حرف دارد، 24 میلیون جلد کتابی که فاینمن می‌گوید، در فضایی معادل با 24 ترابایت ذخیره می‌شود. در چند سال آینده، یک آرایه از لوح‌های RAID گنجایش همة این اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازة یک کارت کتا