مقاله بررسی جامع نانو تکنولوژی در 41 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه:

حدود 100 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 کنترل 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 100 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 9-10*1 یا 000000001/0 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 000/100 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 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبی به نمایش گذاشته شده که معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ این نمودار میزان فاصله دیسک خوان با صفحه دیسک در هارد کامپیوتر به نمایش درآمده که معادل 15 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 1999 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.

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 10 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)Cآز

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.

تشدید ماهیت چند رشته ای تکنولوژی

بسیاری از روندهای تکنولوژیک به دلیل حضور دو یا چند تکنولوژی متقاطع پدید آمده اند. نمونه آن تشخیص پزشکی مولکولی بر پایه سیستمهای میکرو الکترومکانیک، بیومواد، کامپیوترهای بیولوژیک، و روباتهای بیومتریک است. در گذشته تکنولوژی های گوناگونی برای کاربردهای توانزا با یکدیگر ترکیب شده اند اما امروزه گرایش رو افزونی به شکل دهی تیمهای چند رشته ای برای پرداختن به چالشهای سیستم و دور نما سازی از رویکردها مشهود است، که جای روابط سلسله مراتبی سنتی تیمها را گرفته است، بعنوان مثال اکنون دیده می‎شود که دانشمندان علم مواد و کامپیوتر و مهندسان کاربرد سطح همکاری خود را به شدت افزایش می دهند تا مواد بیوپزشکی برای بافتهای مصنوعی بسازند یا برای تسهیل سطوح فعال کنترل سیستم، مواد واکنشی را توسعه دهند، همچنین مواد حاوی حسگرها و تحریک کننده ها برای سازه های هوشمند به همین ترتیب توسعه می یابند.