فناوری نانو چیست؟
نانو تکنولوژی ، فناوری جدید که تمام دنیا را فرا گرفته و به تعبیر دقیق تر “نانو تکنولوژی بخشی از آینده نیست بلکه همه آینده است” .
در این نوشتار بعد از تعریف نانو تکنولوژی و بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورت های توجه به این فناوری آورده شده است:
تعريف نانو تكنولوژي و آشنايي با آن
نانو تكنولوژي ، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح ملكولي و اتمي و استفاده از خواص است كه در آن سطوح ظاهر مي شود. از همين تعريف ساده برمي آيد كه نانو تكنولوژي يك رشته جديد نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتكنولوژي كاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشكي و بيوتكنولوژي تا الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.كاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن آوري را به عنوان يك زمينه فرا رشته اي و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمايش ها و تحقيقات پيرامون نانوتكتولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنكردني نانوتكنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد كه نظر تمامي كشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يكي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يكم محسوب نمايند .
استفاده از اين فن آوري در كليه علوم پزشكي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الكترونيك، كامپیوترهاي كوانتومي و غيره باعث شده كه تحقيقات در زمينه نانو بعنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يك بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يك برنامه ريزي علمي دقيق و كارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين كاري طراحي يك برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب ناپذير است.
نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن
علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درك بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ينده، همكاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تأثيرات و كاربردهاي نانوتكنولوژي به شرح زير مي‌باشد:
۱ – توليد ، مواد و محصولات صنعتي :
نانوتكنولوژي تغيير بنياني مسيري است كه در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوك‌هاي ساختماني نانو با اندازه و تركيب به دقّت كنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر، كه داراي خواص و كاركرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد مي‌كند. محقّقين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد كه در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبك‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزي ؛ كاهش هزينه عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فنّي ؛ ابزارهايي نوين بر پايه اصول و معماري جديد ؛ بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشه‌ا‌ي كه مزيّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
۲- پزشكي و بدن انسان:
رفتار مولكولي در مقياس نانومتر، سيستمهاي زنده را اداره مي‌كند. يعني مقياسي كه شيمي، فيزيك، زيست‌شناسي و شبيه‌سازي كامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.
• فراتر از سهل‌شدن استفاده بهينه از دارو، نانوتكنولوژي مي‌تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه كند، كه به‌نحو حيرت‌انگيزي توان درماني داروها را افزايش مي‌دهد.
• مواد زيست‌سازگار با كارآيي بالا، از توانايي بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعّال، مي‌توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات كوانتومي كه براي مرئي‌سازي بكار مي‌رود) درون سلولها وارد نمود.
• افزايش توان محاسباتي بوسيله نانوتكنولوژي، ترسيم وضعيت شبكه‌هاي ماكرومولكولي را در محيط‌هاي واقعي ممكن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ها براي بهبود قطعات كاشته‌شده زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهدبود.
۳- دوام‌پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك:
نانوتكنولوژي چنانچه ذكر شد، منجر به تغييراتي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پسا ب و آلودگي را كاهش خواهدداد. همچنين فنّاوري‌هاي جديد، امكان بازيافت و استفاده مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواهند كرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، مي‌تواند تأثير قابل ملاحظه‌ا‌ي ، در درك مولكولي فرآيندهاي مقياس نانو كه در طبيعت رخ مي‌دهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌محيطي از طريق كنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعة فنّاوري‌هاي “سبز” جديد كه محصولات جانبي ناخواسته كمتري دارند و يا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژي توان حذف آلودگي‌هاي كوچك از منابع آبي (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمينه انرژي ، نانوتكنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي كارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تأثير قرار داده مصرف انرژي را پايين بياورد . بعنوان مثال، شركتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند كه مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنه اتومبيل ها شود. استفاده گسترده از اين نانوكامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه ۱/۵ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به همراه داشته‌باشد .
يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فنّاوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه هاديهاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در ا مريكا ، تقريبا” ۲۰% كل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپهاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفتهايي از اين دست مي‌تواند مصرف جهاني را بيش از ۱۰% كاهش دهد كه ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويي و ۲۰۰ ميليون تن كاهش انتشار كربن را به‌همراه خواهدداشت .
۴ – هوا و فضا :
محدوديت‌هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي مأموريتهاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب‌ناپذير مي‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشكل را بوجود آورده‌است.
“نانوساختن” ( Nanofabrication ) همچنين در طرّاحي و ساخت مواد سبك‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز براي هواپيماها، راكت‌ها، ايستگاههاي فضايي و سكّوهاي اكتشافي سيّاره‌ا‌ي يا خورشيدي، تعيين‌كننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستمهاي كوچك‌شدة تمام خودكار، منجر به پيشرفتهاي شگرفي در فنّاوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مسأله با توجه به اينكه محيط فضا، نيروي جاذبه كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانو ساختارها و سيستمهاي نانو كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست در فضا خواهدشد.
۵- امنيت ملّي:
برخي كاربردهاي دفاعي نانوتكنولوژي عبارتند از: تسلط اطّلاعاتي از طريق نانوالكترونيك پيشرفته بعنوان يك قابليت مهم نظامي ، امكان آموزش مؤثّرتر نيرو، به كمك سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيده‌تر حاصله از الكترونيك نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و رباتيك پيشرفته براي جبران كاهش نيروي انساني نظامي، كاهش خطر براي سربازان و بهبود كارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به كارآيي بالاتر (وزن كمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فنّي كمتر و هز ينه كمتر در عمر كاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طرّاحي در سيستمهاي مورد استفاده در كنترل و مديريت عدم تكثير سلاحهاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميكرومكانيكي جهت كنترل سيستمهاي دفاع هسته‌ا‌ي . در بسياري موارد، فرصتهاي اقتصادي و نظامي مكمّل هم هستند. كاربردهاي درازمدت نانوتكنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني كننده امنيت ملّي است و بالعكس.
۶- كاربرد نانوتكنولوژي در صنعت الكترونيك
ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق العاده كوچك، با استفاده از اين فناوري مي‌توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به كوچكي يك ساعت مچي منتهي شود.
ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يك ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود كه ذخيره سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يك هارد ديسك با ابعاد يك كارت اعتباري شود.
ساخت تراشه‌ها در اندازههاي فوق العاده كوچك به عنوان مثال در اندازه هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسك‌هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه هاي كوچك نيز مي باشد.
تاريخچه فناوري نانو در جهان
چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص كوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان ” آن پايين فضاي بسياري هست “( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : “اصول فيزيك، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي زنند.” او فرض را بر اين قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته اند كه چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه ها را با مقياسهاي كوچك بسازند، پس ما خواهيم توانست كه آنها را كوچك و كوچك تر كنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي شان در لبه هاي نامعلوم كوانتوم نزديك خواهند بود بطوري كه يك اتم را در مقابل ديگري بگونه اي قرار دهيم كه بتوانيم كوچكترين محصول مصنوعي و ساختگي ممكن را ايجاد كنيم.
با استفاده از اين فرمهاي بسيار كوچك چه وسايلي مي توانيم ايجاد كنيم؟
Feynman در ذهن خود يك “دكتر مولكولي” تصور كرد كه صدها بار از يك سلول منحصربه فرد كوچكتر است و مي تواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام كاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و بطور كلي براي نگهداري بدن در سلامت كامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي كلمه “بزرگ” از اهميت ويژه اي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه هاي مهندسي بزرگ و غيره حتي كامپيوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال مي-كردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان روندي بسوي كوچك شدن در پيش گرفت.
Marvin Minsky تفكرات بسيار باروري داشت كه مي توانست به انديشه هاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوش هاي مصنوعي دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفكراتي كه مربوط به آينده مي شد، رهبري مي كرد. در اواسط دهه ۷۰ ، Eric Drexler كه يك دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را بعنوان استاد راهنما جهت تكميل پايان نامه اش انتخاب كرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت. Drexler نسبت به وسايل بسيار كوچك Feynman علاقمند شده بود و قصد داشت تا در مورد توانايي هاي آنها به كاوش بپردازد. Minskey نيز با وي موافقت كرد. Drexler در اوايل دهه ۸۰، درجه استادي خود را در رشته علوم كامپيوتر دريافت كرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود. او افكار جوانترها را با يك سري ايده ها كه خودش “نانوتكنولوژي” نامگذاري كرده، مشغول مي داشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتكنولوژي مولكولي (MNT) در سال ۱۹۸۱ ارايه داد. او كتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دكتري در نانوتكنولوژي را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يك پيشرو در طرح نانوتكنولوژي است و هم اكنون رئيس انستيتو Foresight و Research Fellow مي باشد.
تعيين بودجه هاي كلان در كشورهاي صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتكنولوژي
بسياري از كشورهاي توسعه‌يافته و در حال توسعه (در حدود ۳۰ كشور)، برنامه‌هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. زيرا نانوتكنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي كشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تأثير جدي قرار خواهد داد و اين مسئله در اين كشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبيين‌شده و براي مديران اجرايي به صورت يك امر شفاف و قطعي درآمده است. در بخشي از اين كشورها، در يكي دو سال اخير تحركات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته و فعاليتهايي كه تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام مي‌گرفته است، با تشويق و حمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافته‌اند كه در اين قسمت نمودار ستوني ميزان سرمايه گذاري دولتها آورده شده است:
اهميت مطرح شدن طرح