معرفي نانوتكنولوژ

نانوتكنولوژي يافن آوري نانو به ساخت وكاربرد مواد يا ابزارها در مقياس بسيار كوچك مي پردازد. اين مواد يا ابزارها از نظر ابعادي در محدوده ي ۱تا۱۰۰ نانومتر قرار دارند يك نانومتر معادل يك بيلونيوم متر يعني ۱۰ به توان ۹- متر مي باشد كه ايم مقدار ۵۰بار كوچك تر از قطر تارموي انسان است. دانشمندان محدوده ي ابعادي بين ۱تا ۱۰۰ نانومتر رابه عنوان مقياس نانومتر معرفي مي كنند وموادي راكه دراين محدوده قرار دارند نانوكريستال يا مواد نانويي مي نامند. مقياس نانو منحصر به فرداست. زيراد هيچ ماده ي جامدي را نمي توان پايين تر از اين

مقياس به وجود آورد. دليل ديگر منحصر به فرد بودن آن، انجام بسياري از طازوكارهاي زيستي وفيزيكي درمقياس ابعادي بين ۱تا۱۰۰نانومتر مي باشد. لازم به اشاره است كه موادي بااين ابعاد از نظر خواص فيزيكي رفتار متفاوتي رااز خود نشان مي دهند، بنابراين دانشمندان منتظرند كه اثرات جديد بسياري رادر مقياس نانو كشف نمايند واز آنها براي شكستن مرزهاي تكنولوژي استفاده كنند. تاكنون اكتشافهاي بسيار مهمي در حوزه ي نانوتكنولوژي رخ داده است. چنين پيشرفت هايي را مي توان در فرآورده هايي كه در سراسر جهان مورد استفاده قرار مي گيرد مشاهده نمود. به عنوان مثال از مبدل هاي كاتاليزوري كه در خودروها براي پالايش هوا استفاده مي شوند مي توان نام برد. همچنين از ابزارهايي كه در كامپيوترها براي نوشتن وخواندن از روي سخت ديسك بكار مي روند مي توان يادكرد. بسياري از لايه هاي محافظ پوست و مواد آرايشي كه شفاف بوده وباقرار گرفتن روي پوست از پرتوهاي زيان آور

خورشيد جلوگيري مي كنند ويا پوشش هاي ويژه يي كه در لباس هاس ورزشي مورد استفاده قرار مي گيرند وكارآيي قهرمانان رابالا مي برند، از كاربردهاي فناوري نانو محسوب مي شوند. هنوز بسياري از دانشمندان مهندسان وتكنولوژيست ها براين باورند كه فقط توانسته اند به فناوري نانو ناخنك بزنند و تنها با گوشه يي ازاين فناوري اشنايي حاصل نموده اند.

فناوري نانو فعلا دوران عدم بلوغ خودرا مي گذارند وهنوز هيچكس نمي تواند پيش بيني كند كه ظرف دهها سال آينده، شكوفايي اين فناوري چه نتايجي رابراي بشر به ارمغان خواهد آورد. بسياري از دانشمندان گفته ي فوق را در حوزه هاي داروسازي بهداشت. توليد وصرفه جويي انرژي، حفاظت وپاكسازي محيط زيست، الكترونيك كامپيوتر ، سنسورها دفاع وامنيت ملي از خود برجاي گذاشته است.

نانو تكونولوژي چيست؟
براي درك بهتر مقياس نانو، بهتر است قطراتم را كه كوچك ترين جزء سازنده مواد مي باشد در نظر آوريد. اتم هيدروژن يكي از كوچكترين اتم هاي طبيعي ست كه قطر آن برابر ۱/۰ نانومتر مي باشد. در حقيقت تقريبا كليه ي اتم ها قريب به اتفاق اندازه يي برابر ۱/۰ نانومتر دارند وبه همين دليل آنقدر كوچك هستند كه باچشمان معمولي ديده نمي شوند. از پيونداتم ها بايكديگر، مولكول پديد مي آيند. مولكول ها كوچكترين جزء يك تركيب شيميايي محسوب مي شوند. قطر مولكولهاييكه بالغ بر۳۰اتم دارند فقط برابر ۱ نانومتر است. سلول ها كه كوچك ترين

واحد حيات محسوب مي شوند از مولكول ها تشكيل شده اند. سلول هاي بدن انسان از نظر ابعادي بين ۵۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ نانومتر مي باشند كه از مقياس نانو بزرگترند. گرچه پروتئين ها كه فعاليت هاي داخلي سولها را عهده دار هستند، از نظر ابعادي فقط ۳تا۲۰ نانومتر مي باشند ودر مقياس نانو قرار دارند. همچنين ابعاد ويروس هايي كه به سلول هاي بدن حمله ور مي شوند حدود ۱۰تا۲۰۰ نانومتر است ومولكولهايي كه در داروها براي حمله به ويروس بكار مي روند ابعادي معادل ۵نانومتر دارند. امكان ساخت مواد وابزارهاي جديدي كه بتوانند در مقياس هايي مشابه با طبيعت عمل كنند، بيانگر آن است كه چرا توجه به مقياس هاي كوچك تر از ۱۰۰ نانومتر تااين اندازه حائز اهميت مي باشد. اما ۱۰۰ نانومتر مرز اختياري نمي

باشد. اين مقدار محدوده يي ست كه درآن خواص ويژه يي درمواد بروز مي كند و خواص مورد نظر باآنچه كه در مقياس غيرنانو اتفاق مي افتد، متفاوت است. در بعضي مواقع انسانها بدون آن كه خود بدانند وياعلت اصلي به وجود آمدن اين گونه مواد را بشناسند، دانسته هايي رادر باره ي خواص ويژه ي اين مواد به دست آورده اند. به عنوان مثال شيشه گران قرون وسطي، مي دانستند كه باخرد كردن طلا به صورت ذرات ريز وپاشيدن آنها در شيشه، بسته به اندازه ي ذرات طلا، رنگ آن از زرد به ابي، سبز ويا قرمز مي گرايد. آنها ازاين ذرات رنگي براي ساخت شيشه هاي الوان كه در پنجره ها به كار مي رفتند استفاده مي كردند كه نمونه هايي ازآن را مي توان در كليساهاي جامع سراسر اروپا مانند كليساي نوتردام پاريس

مشاهده نمود. اين شيشه گران بدون آن كه خود بدانند، در زمانهاي پيشين نانوكريستال ساخته اند. در مقياس هاي بالاتر از ۱۰۰تانومتر طلا به رنگ زرد ودر مقياس هاي پايين تر از آن، رنگ هاي ديگري از خودبروز مي دهد. نانو تكنولوژيست بافراهم آوردن امكان ساخت ابزارهاي مصنوعي در مقياس مولكولي، شگفتي مي آفرينند. به همين دليل حوزه ي نانوتكنولوژي گاهي اوقات نانوتكنولوژي مولكولي، ناميده مي شود. برخي نانوتكنولوژيست ها، باز توليد اين ابزارها را توسط خود ابزارها هدف قرار داده اند به گونه يي كه اين ابزار ضمن انجام وظايف

محوله ، تعدادشان افزايش يافته و مانند موجودات زنده دوباره تكثير مي شوند. باتوجه به قدمت اين حوزه، اين جنبه از نانوتكنولوژي از اهميت بيشتري برخوردار مي باشد. به لحاظ اصولي، اگر واحدهاي كوچكي كه هر يك وظايفي به عهده دارند در كنار يكديگر قرار گيرند وتحت شرايط كنترل شده يي بازتوليد شوند، به كارايي هاي بسيار زيادي دست خواهيم يافت. گرچه بسياري از دانشمندان به امكان بازتوليد نانو ساختارها با ديده ي شك مي نگرند.

رويكرد به نانوتكنولوژي:
اصولا دانشمندان بادو رويكرد براي ساخت ابزارها ومواد در مقياس نانو دست به آزمايش مي زنند. يكي از اين روشها رويكرد از بالا به پايين [ Top –down] و ديگري رويكرد از پايين به بالا [ Down- Top] مي باشد.
الف- رويكرداز بال به پايين: دراين فرآيند، نانوتكنولوژيست ها كار خود را با موادي كه نسبتا جثه ي بزرگتري دارند آغاز مي كنند واز طريق آنها موادي رابا ساختار ريزتر كه در مقياس نانو مي باشد، به دست مي آورند. اين همان روشي ست كه امروزه تراشه هاي كامپيوتري رابه طور گسترده توسط آن توليد مي كنند. منظور از تراشه هاي كامپيوتري ، واحدهاي منطق وحافظه هاي بسيار كوچكي ست كه به آنها مدارهاي مجتمع نيز مي گويند و عملكرد كامپيوتر به آنها بستگي دارد. براي توليد تراشه ي كامپيوتري ، روي يك قرص نازك از جنس سيليكون رابايك

لايه ي نازك از مواد كه به ماسك معروف است مي پوشانيم وسپس قسمت هاي غيرضروري آن را جدا مي كنيم. تقريبا ابعاد كليه ي تراشه هاي كامپيوتري كه امروزه ساخته مي شود از ۱۰۰ نانومتر بيشتر است. هرچند كه تكنولوژي ساخت تراشه هاي كامپيوتري كوچك تر از ۱۰۰ تانومتر نيز گسترش يافته است. هرچه تراشه ها كوچك تر وسريع تر باشد. اين امكان فراهم مي شود كه كامپيوترهايي با حجم كوچك تر وسرعت پردازش بيشتر ساخته شود. رويكرد از بالا به پايين كه گاهي اوقات نامهاي ديگري مانند ساخت در مقياس ميكرو يا ساخت در مقياس نانو به آن داده شده است، ار شيوه هاي ليتو گرافي پيشرفته براي توليد ساختارهاي كوچك تر از تراشه هاي كامپيوتري استفاده مي نمايد. اين شيوه هاي ليتوگرافي

پيشرفته شامل ليتوگرافي نوري وليتوگرافي پرتو- الكتروني مي باشند. ليتو گرافي نوري معمولا براي توليد ساختارهاي كوچكتر از ۱۰۰ نانومتر به كار مي رود وتلاش هاي بسياري در دست انجام است كه بتوانند ساختارهاي كوچكتر از مقدار فوق رابا اين روش توليد كنند. ليتوگرافي پرتو- الكتروني مي تواند ساختارهايي به اندازه ي ۲۰نانومتر را توليد نمايد. ولي روش ليتوگرافي پرتو- الكتروني براي توليد در مقياس هاي بزرگتر مناسب نمي باشد، زيرا بسيار گران تمام مي شود واز نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست. هم اكنون هزينه ي تجهزيات مورد نياز براي ساخت تراشه هاي كامپيوتري كه از روش ليتوگرافي نوري استفاده مي كنند بالغ بر۷ميليارد دلاز مي باشد. نهايتا بايد گفت كه رويكرد از بالا به پايين براي توليد نانو ساختارها نه تنها احتمالا خيلي گران خواهد بود بلكه از نظر فني امكان پذير نمي باشد.مونتاژ تراشه هاي كامپيوتري وساير موادي كه در مقياس نانو توليد شده اند به دلايل اصولي قابل انجام نمي

باشند. در روش هاي طراحي ويژه يي كه براي كوچك كردن ابعاد مواد به كار مي بريم، بايد ابزارهايي كه براي اين منظور به كار مي روند از نظر دقت وابعاد از قطعه يي كه قرار است كوچك تر شود، ظريف تر باشند. بنابراين لبه ي برنده ي ماشين افزار مورد استفاده بايد از لبه ي قطعه ي مورد نظر كه قرار است بريده شود تيزتر باشد. همچنين ماسك ليتوگرافي كه به واسطه ي آن روي قرص سيليكوني عمليات كنده كاري صورت مي گيرد وموقعيت هاي لازم روي آن ايجاد مي شود بايد از مواد كنده شده از نظر ساختاري ظريف تر باشد. در مقياس نانو، در مواردي كه مي خواهيم يك اتم يا مولكول رااز محل خود خارج سازيم، تامين چنين شرايطي امكان پذير نمي باشد.

ب) رويكرد از پايين به بالا:
طبق نتايج به دست آمده، دانشمندان براي ايجاد ساختارها در مقياس نانو به رويكرد ديگري كه به صورت گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد علاقه مند شده اند. اين رويكرد را فرايند از پايين به بالا مي نامند. دراين رويكرد، براي ايجاد نانو ساختارها ، اتم ها و مولكول ها را دست كاري مي كنند. در رويكرد مزبور با مشكلاتي كه در رويكرد قبلي هنگام كوچك كردن اندازه ي مواد باآن مواجه مي شويم روبه رو نمي شويم وبه جاي آن از روي هم چيدن اتم ها و مولكول ها، همانگونه كه در طبيعت مرسوم است، نانو ساختارها رادر مقياس نانو ايجاد مي كنيم،

هرچند كه روي هم چيدن مونتاژ اتم ها ومولكول ها در مقياس نانو، چالش هاي خاص خود را به همراه خواهد داشت. در مدرسه وقتي كه حركت براوني رابه مادرس مي دادند با برخي ازاين چالش ها كه مربوط به حركات اتفاقي ونامنظم ذرات مواد در داخل آب بود، مواجه مي شديم. اين ذرات خودبه خود حركتي ندارند بلكه اين مولكول هاي آب هستند كه دائما درحال جنب وجوش مي باشند وذرات موجود در آب را محاصره مي كنند واز برخورد آنها با ذرات مربوطه ، حركاتي اتفاقي ونامنظم در آنها به وجود مي آورند. اتم ها نيز به خاطر اين كه داراي

انرژي جنبشي هستند داراي چنين حركات اتفاقي ونامنظم مي باشند كه ميزان دما وانرژي پيوند بين اتم ها درجه ي آزادي وتحرك آنها را مشخص مي كند. اجسام جامد، مانند صندلي كه روي آن نشسته ايد. حتي در دماهاي معمولي اتم هايشان نسبت به يكديگر مي لغزند كه به اين پديده ، فرآيند انتشار [ diffusion] مي گويند. اين توانايي اتم ها كه مي توانند روي يكديگر بلغزند، هنگام تبديل مواد از جامد به مايع واز مايع به گاز افزايش مي يابد.اگر دانشمندان ومهندسان بتوانند اتم ها رادر مقياس اتمي به طور موفقيت آميز روي هم بچينند، آنها

توانسته اند به گونه يي عمل كنند كه براين رفتار اتم ها غلبه نمايند. مثال مشخص دراين باره اتفاقي ست كه در سال ۱۹۹۰ رخ داد. در آن مقطع زماني، دانشمنداني از شركت ماشين هاي تجاري بين المللي [ IBM] بااستفاده از ابزارهاي پيشرفته توانستند اتم هاي گزنون را روي هم بچينند وبه واسطه ي آن حروف كلمه ي IBM را روي يك سطح نيكلي چاپ نمايند. آنها براي جلوگيري از جابه جايي اتم ها از موقعيت هايي كه برايشان مشخص شده بود، سطح فلز ميكل را سرد كرده وآن را به دمايي نزديك به صفر مطلق –۲۷۳٫۱۵ C رساندند. اين دما صفر مطلق پايين ترين دمايي ست كه از نظر تئوري مي تواند وجود داشته باشد ودراين دما هيچگونه گرمايي وجود ندارد. در چنين دمايي اتم ها انرژي جنبشي بسيار اندكي دارند

وضرورتا بي حركت وبي جنب وجوش در جاي خود مي ايستند هرچند كه دستيابي به دماي مطلق براي انجام عمليات لازم در دستگاههاي تجاري كاري غير عملي وغير اقتصاديست، بااين اوصاف، توانايي دانشمندان براي دست كاري اتم ها يكي از اولين نشانه هايي بود كه رويكرد از پايين به بالا را عملي مي ساخت وشاوهد وقراين موجود نشان داد كه نانوتكنولوژي به عنوان يك دانش تجربي ظهور خواهد كرد.

ظهور نانوتكنولوژي:
مفهوم نانوتكنولوژي در ابتدا توسط فيزيكدان امريكايي به نام Richard p. Feynman مطرح گرديد. اودر گفت وگويي كه در دسامبر ۱۹۵۹ تحت عنوان خبرهايي از اعماق (دعوت همگاني براي ورود به شاخه يي جديد از علم فيزيك) با انجمن فيزيك امريكا انجام داد اين مفهوم را تبيين نمود. او مثال هايي از مزاياي توليد مواد با ساختارهاي بسيار كوچك را مطرح نمود. اوبا محاسبه نشان داد كه مي توان كل محتويات دانشنامه ي بريتانيكا را فشرده كرد وآن را در نوك يك سوزن جاي داد. او تخمين زد كه كل دانش مكتوب بشر را مي توان فشرده كرد وآن را

در ۳۵ صفحه كاغذ معمولي جاداد. اگرچه سكه ي نانو تكنولوژي به نام او زده نشد ولي حقيقتا جنبه هاي كليدي نانوتكنولوژي مانند اهميت ميكروسكوپ هاي پيشرفته وتوسعه ي روش هاي جديد ساخت را به لحاظ نظري او پيش بيني نمود. او همچنين در باره ي اهميت تجميع دانش ها، ابزارها وروش هايي كه توسط فيزيكدانان، شيميدانان وزيست شناسان به كار گرفته مي شود تاكيد نمود.دراين رابطه Feynman به جهان طبيعت اشاره نمود كه چگونه اين همه اطلاعات وعمليات در حجم بسيار كوچك مي تواند فشرده ومتمركز شود. به عنوان

مثال:يك سلول منفرد مي تواند جابه جا شود وفرآيندهاي زيست – شيميايي را انجام دهد واين همه رااز طريق مولكول هاي DNA كه دانش كامل طراحي وعملياتي موجودات پيچيده در آن نهفته است تحت مراقبت و كنترل قرار دهد. Feynman براين باور بود كه توليد ابزارها در مقياس نانو از طريق مرزهايي كه قوانين فيزيك مشخص نموده است امكان پذير مي باشد. اوبه طور مشخص امكان روي هم چيدن تك به تك اتم ها راكه توسط پيوندهاي شيميايي به يكديگر متصل شده وساختارها را به وجود مي آورند به عنوان نمونه بيان مي نمود. اين امكان يعني چيدن اتم ها روي يكديگر، مارا به ساخت يك ابزار مونتاژ كننده ي جهاني يعني ابزارهاي كامپيوتري كه در مقياس نانو ساخته شده ومي توانند اتم ها رابه طور اتوماتيك روي هم بچينند

هدايت مي كند، به عنوان مثال، چنين ابزاري مي تواند اتم هاي كربن را آن چنان روي هم بچينند كه قطعات بزرگ الماس با قيمت ارزان به دست آيد. بايد توجه داشت كه الماس يك ماده ي مهم صنعتي ست كه به خاطر هزينه هاي زياد استخراج، در مقياس محدود مورد استفاده قرار مي گيرد. اين گونه الماس هاي مصنوعي مي توانند كاربردهاي صنعتي وشخصي متفاوتي داشته باشند، براي اين كه همچنان سخت وسبك هستند وجريان برق رااز خود عبور نمي دهند ولي هادي خوبي براي گرما مي باشند. ايده ي اسخت ابزارهاي مونتاژ

كامپيوتري در مقياس نانو توسط برخي از پژوهشگران دنبال شد، گرچه هنوز بحث هاي زيادي در رابطه با اين كه آيا واقعا امكان ساخت چنين ابزارهايي با قوانين شناخته شده ي شيمي ، فيزيك وترموديناميك وجوددارد يا خير، وجود دارد. نانوتكنولوژي از اواخر سال ۱۹۷۰ به عنوان يكي از محورهاي اصلي تكنولوژي آينده، روبه رشد وپيشرفت بوده است. واژه ي نانوتكنولوژي براي اولين بار توسط دانشمند ژاپني به نام Norio Taniguchi در مقاله يي تحت عنوان در باره ي مفاهيم اساسي نانوتكنولوژي مورد استفاده قرار گرفت. گرچه اين واژه توسط مهندس امريكايي به نام Erice Drexler نيز در كتاب آفرينش ۱۹۸۶ كه تاثير وكمك زيادي در رشد اين حوزه از دانش داشته است بكار گرفته شده است. تاكنون اكتشافهاي عمده يي مانند

تشكيل كاتاليزورهاي نانو ذره يي كه از فلزات غير فعال ساخته شده ودر مبدل هاي كاتاليزوري موجود در خودروها مورد استفاده قرار مي گيرند، در صنايع به دست آمده است. اين كاتاليزورهاي شيميايي، اكسيد نيتروژن زيان آور رابه گاز نيتروژن احيا مي كنند وبه طور همزمان منواكسيدكربن سمي را اكسيد نموده وآن را به دي اكسيد كربن تبديل مي كنند.