فناوري نانو چيست؟

فناوري نانو چيست؟

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار با مقیاس نانو اطلاق مي‌شود. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادي در حدود 1nm تا 100nm مي‌باشد. (1 نانومتر يک ميليارديم متر است).
اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ریچارد فاینمن طي يك سخنراني با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.

واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو»بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

علم نانوتکنولوژی چیست

انجمن ملی نوبنیاد نانوتکنولوژی که یک نهاد دولتی در کشور امریکا می باشد ، واژه نانوتکنولوژی را چنین توصیف می کند: "تحقیق و توسعه هدفمند، برای درک و دستکاری و اندازه گیریها مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم"، مولکول و سوپرمولکولها را نانوتکنولوژی می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا صد نانومتر، همبستگی دارد. دراین مقیاس خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یکدیگر دارند و غالبا اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده می شود. در سیستم کشاورزی امروزی، اگردامی مبتلا به یک بیماری خاص شود، می توان چند روز و حتی چند هفته یا چند ماه قبل علائم نامحسوس بیماری را شناسایی کنند و قبل از انتشار و مرگ و میر کل گله، دامدار را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیری کننده آگاه کند و بنابراین می توان نسبت به مقابله با آن بیماری اقدام نماید. نانوتکنولوژی به موضوعاتی در مقیاس هم اندازه با ویروسها و سایر عوامل بیماری زا می پردازد و بنابراین پتانسیل بالایی را برای شناسایی و ریشه کنی عوامل بیماری زا دارد. نانوتکنولوژی امکان استفاده از سیستمهای آزاد کننده داروئی را که بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند، فراهم می کند.                     

به عنوان مثال استفاده از سیستمهای آزاد کننده دارو، می توان به ایمپلنتهای ابداع شده مینیاتوری در حیوان اشاره کرد که نمونه های بزاقی را به طور مستمر کنترل می کنند و قبل از بروز علائم بالینی و تب، از طریق سیستمهای هشدار دهنده وسنسورهای ویژه، می تواند احتمال وقوع بیماری را مشخص و سیستم خاص ازاد کننده دارو معینی را برای درمان موثر توصیه کنند. طراحی سیستمهای آزاد کننده مواد دارویی، یک آرزوی و رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رها کننده داروها، مواد مغذی و پروبیوتیکها بوده و می باشد. نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری قدرتمند به ما اجازه می دهد که نگرشی در سطح مولکولی و اتمی داشته و قادر باشیم که ساختارهایی در ابعاد نانومتر را بیافرینیم. برای تعیین و شناسایی بسیار جزئی آلودگیهای شیمیایی، ویروسی یا باکتریایی در کشاورزی و صنایع غذایی معمولا از روشهای بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی استفاده می گیرد. در روشهای اخیر نانوتکنولوژی برای استفاده توام این روشها، یک سنسور در مقیاس نانو طراحی کرده اند در این سیستم جدید، مواد حاصل از متابولیسم و رشد باکتریها با این سنسورها تعیین می گردد. سطوح انتخابی بیولوژیکی، محیطی هایی هستند که عمده واکنشهای و فعل و انفعالات بیولوژیکی و شیمیایی در آن محیط انجام می شود. چنین سطوحی همچنین توانایی افزایش یا کاهش قدرت اتصال ارگانیزمها و ملکولهای ویژه را دارد. از جنبه های کاریردی استفاده از این سطوح، طراحی سنسورها، کاتالیستها، و توانایی جداسازی یا خالص سازی مخلوطهای بیومولکولها می باشد. نانومولکولها موادی هستند که اخیرا از طریق نانوتکنولوژی به دست آمده اند و یا در طبیعت موجودند و بوسیله این ساختارها، امکان دستکاریهای درسطح نانو و تنظیم و کاتالیز واکنشهای شیمیایی وجود دارد. نانو مواد از اجزای با سایز بسیار ریز تشکیل شده اند و اجزا تشکیل دهنده چنین ساختارهایی بر خواص مواد حاصل در سطح ماکرو تاثیر می گذارد.

عناصر پايه در فناوري نانو

تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري‌هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلكه زماني كه اندازه مواد دراين مقياس قرار مي‌گيرد، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي و ... تغيير مي‌يابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود "عناصر پايه" را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص‌شان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند.

اولين و مهمترين عنصر پايه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتي با ابعاد نانومتري در هر سه بعد مي‌باشد. نانوذرات مي‌توانند از مواد مختلفي تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزي، سراميکي، ... .

دومين عنصر پايه، نانوكپسول است. همان طوري كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌هاي هستند كه قطر نانومتري دارند و مي‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبيعت توليد مي‌شوند؛ مولكول‌هاي موسوم به فسفوليپيدها كه يك سر آنها آبگريز و سر ديگر آنها آبدوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي‌گيرند، خود به خود كپسول‌هايي را تشكيل مي‌دهند كه قسمت‌هاي آبگريز مولكول در درون آنها واقع مي‌شود و از تماس با آب محافظت مي‌شود. حالت برعكس نيز قابل تصور است.

عنصر پايه بعدي نانولوله کربني است. اين عنصر پايه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقيقت لوله‌هايي از گرافيت مي‌باشند. اگر صفحات گرافيت را پيچيده و به شكل لوله در بياوريم، به نانولوله‌هاي كربني مي‌رسيم. اين نانولوله‌ها داراي اشكال و اندازه‌هاي مختلفي هستند و مي‌توانند تك ديواره يا چند ديواره باشند. اين لوله‌ها خواص بسيار جالبي دارند که منجر به ايجاد کاربردهاي جالب توجهي از آنها مي‌شود.

عناصر پايه گوناگون و متنوع ديگري نيز وجود دارند. ليست کامل عناصر پايه فناوري نانو به شکل ساختار درختي در گروه مطالعاتي آينده‌انديشي طراحي شده است که مي‌توانيد با مراجعه به بخش درخت‌هاي علم،قسمت درخت عناصر پایه، ستاد ویژه توسعه فناوری نانوwww.nano.ir آن را مشاهده نمایید.

روش های ساخت عناصر پایه

به طور کلی عناصر پایه با دو رویکرد «بالا به پایین» و «پایین به بالا» قابل ساخت می‌باشند. در رویکرد بالا به پایین برای تولید محصول، یک ماده توده‌ای را شکل‌دهی و اصلاح می‌کنند. در حقیقت در این روش، یک ماده بزرگ را برمی‌داریم و با کاهش ابعاد و شکل‌دهی آن، به یک محصول با ابعاد نانو می‌رسیم. به عبارت دیگر، اگر اندازه یک ماده توده‌ای را به طور متناوب کاهش دهیم تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسیم، از رویکرد بالا به پایین استفاده کرده‌ایم. این کار اغلب و نه همیشه شامل حذف بعضی از مواد به شکل ضایعات است، مثل ماشین‌کاری یک بخش فلزی از یک موتور یا نانوساختاری‌کردن فلزات به طریق تغییرشکل‌دهی (که شامل ضایعات نیست). تصویر زیر نشان‌دهنده این رویکرد می‌باشد.

رویکرد پایین به بالا درست عکس رویکرد بالا به پایین می‌باشد.در این رویکرد، محصول از طریق کنار هم قراردادن مواد ساده‌تر به وجود می‌آید، مانند ساخت یک موتور از قطعات آن. در حقیقت کاری که در اینجا انجام می‌شود، کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها (که ابعاد کوچکتر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری است. تصور کنید که قادریم اتم‌ها و مولکول‌ها را به طور واقعی ببینیم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهیم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش‌های پایین به بالا ضایعاتی ندارند؛ هر چند الزاماً این مسأله صادق نیست. تصویر زیر رویکرد پایین به بالا را نشان می‌دهد.

      ریسندگی الکتریکی
    روش لیتوگرافی قلم غوطه ور
     روش سنتز سیال فوق بحرانی
    روش سل ژل
    طیف‌سنجی_جرمی_یون_ثانویه_(SIMS)