فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد – درباره فناوری نانو

این مطلب توسط استاد و دوست بسیار گرامی جناب آقای مهندس میرخوان تهیه شده است که لطف کردند و این مطلب را در اختیار من قرار دادند. فناوری نانو همانطور که حتما از تبلیغات تلویزیونی و محیطی متوجه شده اید، جزو فناوریهایی است که به سرعت وارد امور روزمره زندگی ما شده است. از لباسهای ضد لک تا فیلتر یخچال و کاربردهای پزشکی، فناوری نانو روز به روز بیشتر خود نمایی می کند. این مطلب درباره مفاهیم اولیه فناوری نانو و تاریخچه آن است.   فناوری‌نانو واژه‌ای است كلی كه به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه كار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm می‌باشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است). اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یك سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد كه در آینده‌ای نزدیك می‌توانیم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستكاری كنیم.  واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی كه تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به كار برد. در سال 1986 این واژه توسط كی اریك دركسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شكل عمیق‌تری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولكولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

تعریف فناوری نانو از منابع مختلف

یك نانومتر یك هزارم میكرون است و اگر بخواهیم احساس فیزیكی نسبت به آن داشته باشیم می‌توان گفت كه یك نانومتر 80000/1قطر موی انسان می‌باشد اما این تعریف مقیاس نانو، نمی تواند مقایسه درستی باشد چرا که ضخامت موی انسان با توجه خصوصیات فردی هرانسان از چند ده میكرومتر تا چند صدمیكرومتر متغیر می‌باشد. بنابراین نیاز به یك استاندارد برای بیان مفهوم مقیاس نانو وجود دارد. با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم‌ها و مقیاس نانو می‌توان یك نانومتر را راحت‌ترتصوركرد. یك نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن و یا 5 اتم سیلسیم می‌باشد. درك این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت‌تر می‌باشد. علی‌رغم اینكه درك اندازه یك اتم برای افراد غیرعلمی ساده نمی‌باشد، با اینحال اندازه دقیق اتم برای فهماندن این مقیاس زیاد اهمیت ندارد.  فناوری نانو عبارت است از هنر دستكاری مواد در مقیاس اتمی یا مولكولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میكروسكوپی (مانند روبات‌های میكروسكپی) فناوری نانو فناوری است كه بر پایه دستكاری تك‌تك اتم‌ها و مولكول‌ها استوار است بدین منظور كه بتوان ساختاری پیچیده را با خصوصیات اتمی تولید كرد. تعریف فناوری نانو: توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتی كه اندازه آنها تنها چند نانومتر است. تحقیق بر روی قطعات و ادوات بسیار كوچك كه خواصشان به خواص الكترونیكی این قطعات وابسته است و خواص الكتریكی آنها احتمالاً متأثر از حركت تعداد معدودی الكترون در طی عملكرد قطعه می‌باشد. این ادوات، سریع‌تر از ادوات بزرگتر عمل می‌كنند. مسأله قابل توجه این است كه می‌توان چنین ساختارهای در ابعاد مولكولی را به كمك انتخاب مناسب مراحل واكنش‌های شیمیایی تولید كرد. همچنین می‌توان چنین ساختارهایی را از طریق دستكاری اتم‌ها روی سطح به وسیله میكروسكوپ‌های نیروی اتمی بدست آورد. شاخه‌ای از علوم كه هدف نهایی آن كنترل بر روی تك‌تك اتم‌ها و مولكول‌ها می‌باشد تا بتوان به كمك آن تراشه‌های كامپیوتری و سایر ادواتی تولید كرد كه هزاران بار كوچكتر از ادوات فعلی باشند كه فناوری امروز امكان ساخت آنها را برای ما فراهم آورده است. در فناوری فعلی تولید مدارات نیمه هادی از روش لیتوگرافی برای ایجاد طرح مدار بر روی مواد نیمه هادی استفاده می‌شود. پیشرفت شگرفی كه در لیتوگرافی طی 2 دهه اخیر رخ داده است به ما این امكان را می‌دهد كه با بهره‌گیری از دستگاه‌های جدید بتوانیم مداراتی كوچكتر از 1 میكرون (1000 نانومتر) را تولید كنیم. البته باید توجه داشت كه این مدارات هنوز از میلیون‌ها اتم تشكیل شده‌اند. بیشتر دانشمندان بر این باور هستند كه لیتوگرافی به مرزهای محدودكننده فیزیكی خود نزدیك شده است. بنابر این برای كوچكتر كردن اندازه نیمه‌هادی‌ها می‌بایست از فناوری‌های جدیدی كه می‌توانند تك‌تك اتم‌ها را سازماندهی كنند، استفاده كرد و طبعاً چنین فناوری جزء محدوده فناوری نانو محسوب می‌شود. اگر چه تحقیق در زمینه فناوری نانو به زمانی باز می‌گردد كه ریچاردپی فاینمن طی سخنرانی كلاسیك خود در سال 1959 به این فناوری اشاره كرد اما عبارت فناوری نانو اولین بار توسط كی‌اریك دركسلر در سال 1986 در كتابی از وی با عنوان موتورهای آفرینش بسط داده شد. در مقالات و نوشته های عمومی واژه فناوری نانو گاهی به هر فرآیند كوچكتر از اندازه‌های میكرون اطلاق می‌گردد كه می‌تواند فرآیند لیتوگرافی را نیز شامل شود. به خاطر همین بسیاری از دانشمندان هنگامی كه می‌خواهند درباره فناوری نانو به معنی واقعی و علمی كلمه صحبت كنند از آن به عنوان فناوری نانومولكولی یاد می‌كنند كه به معنی فناوری نانو در ابعاد مولكولی می‌باشد. فناوری نانو كه گاه به آن فناوری ساخت مولكولی نیز گفته می‌شود، شاخه‌ای از مهندسی است كه با طراحی و ساخت مدارات الكترونیكی و اداوات مكانیكی بسیار كوچك (در ابعاد مولكولی) سر و كار دارد. پژوهشگاه فناوری نانو انگلستان تعریف فناوری نانو را بدین گونه بیان می‌كند: قلمروی از علم و فناوری كه به ابعاد و تلورانس‌های 1/0 تا 100 نانو مترمی‌پردازد در جایی كه این ابعاد و یا تلورانس‌ها بتوانند نقش مهمی در خواص قطعه ایفاء كنند. بحث فناوری نانو اغلب مشابه بحث سیستم‌های میكرو مكانیكی- الكترونیكی می‌باشد(MEMS) . در واقع فناوری نانو زیر مجموعه MEMS است و MEMS به فناوری‌های بزرگتر از ابعاد مولكولی (ابعاد نانو) نیز می‌پردازد. نانوتکنولوژی چیست ؟ در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد ، ‌‌NNI تعریفی را برای فناوری نانو ارائه می دهد که در برگیرنده هر سه تعریف ذیل باشد. 1- توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی ، مولکولی و یا ماکرومولکولی در مقیاس اندازه ای 1 تا 100 نانومتر. 2 – خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سیستمهایی که به خاطر اندازه کوچک یا حد میانه آنها، خواص و عملکرد نوینی دارند . 3 – توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی .

عناصر پایه در فناوری نانو

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است كه در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلكه زمانی كه اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگی و ... تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یك معیار ذكر كنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند كه خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌كند.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می‌باشد. نانوذرات می‌توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، ... .

دومین عنصر پایه، نانوكپسول است. همان طوری كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌های هستند كه قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولكول‌های موسوم به فسفولیپیدها كه یك سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود كپسول‌هایی را تشكیل می‌دهند كه قسمت‌های آبگریز مولكول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعكس نیز قابل تصور است.

عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شكل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های كربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشكال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تك دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.

کاربردهای فناوری نانو

در حقیقت کاربرد فناوری نانو از کاربرد عناصر پایه نشأت می‌گیرد. هر کدام از این عناصر پایه، ویژگی‌های خاصی دارند که استفاده از آنها در زمینه‌های مختلف، موجب ایجاد خواص جالبی می‌گردد. مثلاً از جمله کاربردهای نانوذرات می‌توان به دارورسانی هدفمند و ساده، بانداژهای بی‌نیاز از تجدید، شناسایی زود هنگام و بی‌ضرر سلول‌های سرطانی، و تجزیه آلاینده‌های محیط زیست اشاره کرد. همچنین نانولوله‌های کربنی دارای کاربردهای متنوعی می‌باشند که موارد زیر را می‌توان ذکر کرد:    • تصویر برداری زیستی دقیق    • حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی    • شناسایی و جداسازی كاملاً اختصاصی DNA    • ژن‌درمانی كه از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت می‌پذیرد.    • از بین بردن باكتری‌ها