شيمی مولکولی

موضوع: دانش ها و فنون مرتبط با نانو

آيا تا به حال هوا را داخل سرنگي محبوس کرده‌ايد تا آن را تحت فشار قرار دهيد؟
چه اتفاقي مي‌افتد وقتي پيستون سرنگ را فشار مي‌دهيد؟
هوا چگونه متراکم مي‌شود؟ چگونه در يک فضاي کوچکتر جا مي‌گيرد؟

يک تکه اسفنج را مي‌توان در فضاي کوچکتري متراکم کرد. علت تراکم اسفنج اين است که در آن سوراخهاي ريزي وجود دارد، وقتي اسفنج را فشار مي‌دهيم هواي داخل اين سوراخها خارج مي‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزديکتر مي‌گردد. درست مثل زماني که يک تکه اسفنج خيس را فشار مي‌دهيد؛ آب از سوراخهاي اسفنج خارج و اسفنج متراکم مي‌شود. “بويل”، دانشمند انگليسي در سال ۱۶۶۲ ميلادي مقداري جيوه – که فلزي مايع است- را در يک لوله شيشه‌اي پنچ متري ريخت. اين لوله خميده به شکل حرف انگليسي

U و يک سمت آن مسدود بود. بويل مشاده کرد که با افزودن جيوه هواي به دام افتاده در سمتي که بسته است، متراکم مي‌شود و فضاي کمتري اشغال مي‌کند. بويل نتيجه گرفت که هوا بايد از ذرات بسيار کوچک، يعني اتمهاي ريز، تشکيل شده باشد. ميان اتم‌ها فضايي است که در آن هيچ چيز نيست. وقتي هوا متراکم مي‌شود، اتم‌ها به هم نزديکتر مي‌شوند. بويل همان سال‌ها در کتابي نوشت: “عنصرها را بايد با آزمايش کشف کرد. شيميدانها بايد بکوشند تا هر چيزي را به مواد ساده‌تر تجزيه کنند، آن ماده يک عنصر است.”

دانشمندان بر مبناي اين توصيه بويل، تا اواخر قرن هجدهم حدود ۳۰ عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زيادي را که از اين عناصر ساخته شده بود را بررسي کردند. بسياري از مواد مرکب بررسي شده تا آن زمان از مولکول‌هاي ساده ساخته شده بودند و هر کدام بيش از چند اتم نداشتند. کافي بود فهرستي از انواع گوناگون اتمها تهيه شده و گفته شود

که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال ۱۸۲۴ ميلادي (۱۲۰۳ شمسي) “يوستون ليبينگ” و “فردريخ وهلر”، شيميدان آلماني درباره دوماده مرکب متفاوت تحقيق مي‌کردند. هريک از آنها براي ماده مرکب خود فرمولي بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصري و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتي آنها نتايج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده داراي فرمول يکساني هستند. با اينکه اين دو ماده با هم متفاوت بودند

و از هر جهت خواص گوناگوني داشتند، مولکولهاي آنها از عناصر يکسان تشکيل شده و حتي عده اتمهاي هر عنصر در هر دو ماده يکسان بود. به اين ترتيب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهاي موجود در يک مولکول کافي نيست. و اين اتمها بايد آرايش ويژه‌‌‌اي داشته باشند. بنابراين، آرايش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها مي‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.

با توجه به اينکه هم مولکولها و هم اتمها به قدري کوچک هستند که ديده نمي‌شوند، شيميدانان چگونه مي توانند نوع آرايش اتم‌ها را در مولکولها بيابند؟
نخستين گام را در اين راه، “ادوارد فرانکلندِ” انگليسي برداشت. او مولکول‌هاي آلي را با برخي از فلزات ترکيب کرد و دريافت که اتمِ يک نوع فلزِ، هميشه با تعداد مشخصي از مولکول‌هاي آلي ترکيب مي‌شود. او نتيجه گرفت که هر اتم توانايي و ظرفيت خاصي براي ترکيب با عناصر ديگر دارد. او اسم اين خصلت را “والانس” گذاشت. “والانس” کلمه‌اي لاتين به معناي “ظرفيت” يا “توانايي” است. براي مثال وقتي مي‌گوييم:”ظرفيت هيدروژن «يک» است”،

يعني اتم هيدروژن تنها با يک اتم ديگر مي‌تواند ترکيب شود. ظرفيت اکسيژن «دو»، نيتروژن «سه» و کربن «چهار» است. اسکات کوپرِ اسکاتلندي، نيز در ۱۸۵۸ ميلادي نظريه “پيوندهاي شيميايي” را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با “قلاب” يا “پيوند” به يکديگر
متصل مي‌شوند و مولکولهاي مختلف را تشکيل مي‌دهند. طبق نظريه او، هر اتم به اندازه “ظرفيت” يا “والانس” خود مي‌تواند با اتمهاي ديگر پيوند بدهد.

کوپر همچنين پيشنهاد کرد که اتم‌ها را با توجه به ظرفيتشان و تعداد پيوندهايي که مي‌توانند با ساير اتمها داشته باشند، به صورت ذيل نمايش دهند:

به اين ترتيب مي‌توانيم مولکول‌ها را با رسم پيوندهاي ميان اتم‌ها، به شکل زير نشان بدهيم:

استفاده از روش فوق براي نشان دادن ساختمان مولکول‌هاي کوچک و غير آلي، به راحتي مقدور بود، اما در مورد مولکول‌هاي بزرگتر و مواد مرکب آلي، مشکلاتي وجود داشت که گاه باعث گمراهي مي‌شد. از اينرو “ککوله” تلاش کرد تا مشکل ظرفيت را در موردِ مواد مرکب آلي برطرف کند.

“فردريش آگوست ککوله” با توجه به اين مسأله که هر اتم کربن ظرفيت اتصال به چهار اتم ديگر را دارد، توانست مسايل مربوط به تعداد زيادي از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر مي‌رسيد- را حل کند.
امروزه نيز از همين مدل براي نشان دادن مولکولها و همچنين توضيح خواص آنها استفاده مي‌شود.

اما شيمي‌دانان ها چگونه مي‌توانند بين ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به اين‌که از چه عناصر تشکيل شده‌اند و داراي چه آرايشي هستند، خواص مختلفي دارند. براي مثال موادي که خاصيت اسيدي از خود نشان مي‌دهند در ساختار مولکولي خود اتم هيدروژني دارند که به اکسيژن متصل است و آن اتم اکسيژن هم با يک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و… پيوند دارد. حال اگر به جاي اتم نافلز، يک اتم فلز مانند سديم، کلسيم يا … قرار گيرد، ترکيب به جاي “خصلت اسيدي”، “خاصيت قليايي” خواهد داشت.

در داروها و مولکول‌هاي بزرگ، خواص ترکيب به عوامل متعددي بستگي دارد. در نانو فناوري که هدف ساختن مولکولي جديد با رفتاري خواص است، يک دانشمند شيمي مولکولي با استفاده از تخصص خود، آرايشي از اتم‌ها را پيشنهاد مي‌کند که خواصيت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوي ديگر بايد بدانيم مولکولها صرفاً آنچه ما روي کاغذ رسم مي‌کنيم نيستند. مولکول‌ها داراي بعد هستند و فضا اشغال مي‌کنند.

يک مولکول در فضا آرايشهاي مختلفي را مي‌تواند اختيار کند. درحال حاضر با استفاده از يک سري فنون خاص و به کمک کامپيوتر مي‌توان آرايش‌هاي مختلف را پيش‌بيني کرده و چگونگي قرار گرفتن اتمها را در کنار يکديگر را بررسي کرد. همچنين مي توان حدس زد که هر آرايش مولکولي چه خواصي را موجب مي‌شود. اين کار نيز به واسطه اطلاعاتي که يک دانشمند شيمي مولکولي از مطالعه ساختارهاي مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذير مي‌باشد.

شاخه‌اي از نانوفناوري که با بهره‌گيري از شيمي مولکولي و روشهاي محاسباتي فيزيکي و مکانيک کوانتومي، آرايشهاي متنوع مولکولها را بررسي مي‌کند را نانوفناوري محاسباتي مي‌نامند.

فناوري نانو چيست؟

نانوتکنولوژي، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيقتر “نانوتکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است” . در اين نوشتار بعد از تعريف نانوتکنولوژي و بيان کاربردهاي آن دلايل و ضرورتهاي توجه به اين فناوري آورده شده است:

تعريف نانوتکنولوژي و آشنايي با آن

نانوتکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر ميشود. از همين تعريف ساده برميآيد که نانوتکنولوژی يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته هاست.

براي نانوتکنولوژي کاربردهايي را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوتکنولوژي تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن آوري را بهعنوان يک زمينه فرا رشتهاي و فرابخش مطرح نموده است.

هر چند آزمايشها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردني نانوتکنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يکي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند .

استفاده از اين فنآوري در کليه علوم پزشکي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الکترونيک، کامپوترهاي کوانتومي و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو بهعنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد.

لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يک بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامهريزي علمي دقيق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين کاري طراحي يک 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 ي نده، همكاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تأثيرات و کاربردهاي نانوتکنولوژي 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 هزينة عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فنّي ؛ ابزارهايي نوين بر پاية اصول و معماري جديد ؛ بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشه‌ا‌ي كه مزيّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲- پزشکي 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 استفادة 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 بوسيلة نانوتكنولوژي، ترسيم وضعيت شبكه‌هاي ماكرومولكولي را در محيط‌هاي واقعي ممكن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ها براي بهبود قطعات كاشته‌شدة زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهدبود.
۳- دوام‌پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك:

نانوتكنولوژي چنان چ ه ذكر شد، منجر به تغييرات ي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگي را كاهش خواهدداد. همچنين فنّاوري‌هاي جديد، امكان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواه ن د 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 ناخواستة كمتري دارند و ي ا 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 د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شركتهاي
مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند كه مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيلها شود. استفاده گسترد ه ازاين نانوكامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌باشد .

يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فنّاوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه‌هادي‌هاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در ا مريکا ، 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 جاذبة كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعة نانوساختارها و سيستمهاي نانو – كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست- در فضا خواهدشد.
۵- امنيت ملّي:

برخي کاربردهاي دفاعي نانوتکنولوژي 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 ه ز ينة 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- کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونيک

ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده کوچک، 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 کوچکي يک ساعت مچي منتهي شود.

ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود که ذخيره‌ سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباري شود.

ساخت تراشه‌ها در اندازههاي فوقالعاده کوچک به عنوان مثال در اندازههاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسک‌هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازههاي کوچک نيز ميباشد.

تاريخچه فناوري نانو در جهان

چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم 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 بررسی بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : “اصول فيزيک، تا آنجايي که من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نميزنند.” او فرض را بر اين قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفتهاند که چگونه ترانزيستورها و ديگر سازهها را با مقياسهاي کوچک بسازند، پس ما خواهيم توانست

که آنها را کوچک و کوچکتر کنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقيشان در لبههاي نامعلوم کوانتوم نزديک خواهند بود بهطوري که يک اتم را در مقابل ديگري بهگونهاي قرار دهيم که بتوانيم کوچکترين محصول مصنوعي و ساختگي ممکن را ايجاد کنيم.

با استفاده از اين فرمهاي بسيار کوچک چه وسايلي ميتوانيم ايجاد کنيم؟

Feynman در ذهن خود يک “دکتر مولکولي” تصور کرد که صدها بار از يک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و ميتواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام کاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و بهطور کلي براي نگهداري بدن در سلامت کامل به سير بپردازد.

در بحبوبه سالهاي صنعتي کلمه “بزرگ” از اهميت ويژهاي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژههای مهندسي بزرگ و غيره حتي کامپيوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال ميکردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندي بهسوي کوچک شدن در پيش گرفت.

Marvin Minsky تفکرات بسيار باروري داشت که ميتوانست به انديشههاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوشهاي مصنوعي دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفکراتي که مربوط به آينده ميشد، رهبري ميکرد. در اواسط دهه ۷۰ ، Eric Drexler که يک دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را بهعنوان استاد راهنما جهت تکميل پاياننامهاش انتخاب کرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت.

Drexler سبت به وسايل بسيار کوچک Feynman علاقهمند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناييهای آنها به کاوش بپردازد. Minskey نيز با وي موافقت کرد. Drexler در اوايل دهه ۸۰، درجه استادي خود را در رشته علوم کامپيوتر دريافت کرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود.

او افکار جوانترها را با يک سري ايدهها که خودش “نانوتکنولوژي” نامگذاري کرده، مشغول ميداشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتکنولوژي مولکولي (MNT) در سال ۱۹۸۱ ارايه داد. او کتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دکتري در
نانوتکنولوژي را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يک پيشرو در طرح نانوتکنولوژي است و هماکنون رئيس استيتو Foresight و Research Fellow ميباشد.

تعيين بودجههای کلان در کشورهای صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتکنولوژي
بسياري از كشورهاي توسعه‌ يافته 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 مس أ له 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

همانگونه كه اشاره شد بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. اما يك سوال مهم براي كشور ما و بسياري از كشورها كه هنوز به نانوتكنولوژي به عنوان تمدن آينده علمي توجه كافي نكرده‌اند،

اين است كه آيا بايد با اين روند همراه شد يا نه؟ توجه به فضاي بسيار بزرگ و در حال ايجاد نانوتكنولوژي و حجم وسيع فعاليتهاي مربوط به آن در دنيا، اين باور را به انسان القاء مي‌كند كه دير يا زود بايد آينده را ديد و براي ورود به آن اقدام نمود.

١۱) ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژي اجتناب‌ناپذير است.

بسياري از صاحب‌نظران و محققان، نانوتكنولوژي را مساوي آينده دانسته‌اند. به عنوان نمونه كميته مشاوران رئيس‌جمهور آمريكا در علوم و فناوري در تأييد برنامه ملي نانوتكنولوژي براي سال ۲۰۰۱، از نانوتكنولوژي به عنوان محور آينده جهان ياد مي‌كند. به دليل تأثيرات اين فناوري بر اكثر فناوريهاي موجود، عقيده صاحب‌نظران اين است

كه متخصصان رشته‌هاي مختلف بدون گرايش به مباحث مقياس نانو در دهه‌هاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شكوفايي بسياري از فناوريهاي مهم ازجمله فناوري اطلاعات و بيوتكنولوژي به عنوان دو
دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم بدون بهره‌گيري از نانوتكنولوژي دچار اختلال خواهند شد. از اين جهت اين مسئله براي دانشگاهيان، محققان و مسؤولان هر كشور امري حياتي است.

۲٢) دلايل اساسي ضرورت ورود كشور به عرصة نانوتكنولوژي

علاوه بر موضوع فوق، مي‌توان دلايل زير را براي اجتناب‌ناپذيري ورود كشورهايي چون ايران اقامه نمود:
١۲-٢۱) تاثير اساسي نانوتكنولوژي در رشد و پيشرفت بسياري از فناوريها

ماهيت فرارشته‌اي علوم و فناوري نانو به عنوان توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با دقت اتم و مولكول، موجب تعريف كاربردهاي بسياري زيادي در عرصه‌هاي مختلف علمي و صنعتي شده است. براي نانوتكنولوژي كاربردهاي بسياري را در حوزه‌هاي دارو و غذا و بهداشت، درمان بيماريها، محيط‌زيست، انرژي، الكترونيك، كامپيوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و توليد، هوافضا، بيوتكنولوژي و كشاورزي و امنيت ملي و دفاع برشمرده‌اند.

به همين دليل بر تمام فناوريها تأثير گذاشته و دير يا زود بايد شاهد محصولات آنها بود. به عنوان نمونه در بخش پزشكي و بهداشت، يك زمينه كاري بسيار مهم، سيستم توزيع دارو در داخل بدن مي‌باشد. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمي است در حالي كه سلولهاي خاصي از بدن نيازمند آن مي‌باشند.

در روش جديد دارو با وسايل ترزيق متفاوت با امروزه به صورت مستقيم به سمت سلولهاي مشخص جهت‌گيري شده و دارو به محل نياز تحويل داده مي‌شود. با همين مكانيزم، بيماريهاي بزرگ و كوچك در آغاز شكل‌گيري قابل تشخيص و درمان خواهند بود. يا در بخش مواد، پروژه‌هايي در دست كار مي‌باشد كه موادي با وزن بسيار كم و خواص بسيار مناسب توليد شوند.

كاربرد اين مواد در ساختمان، خودرو، هواپيما و بسياري از ملزومات زندگي انسانها ديده خواهد شد. بنابراين عرصه بسيار وسيع نانوتكنولوژي كه زندگي انسانها را نيز در برخواهد گرفت، خود القاءكننده اين نتيجه خواهد بود كه نمي‌توان به روي آن چشم بست.
٢۲-٢۲) تأثير نانوتكنولوژي بر امنيت جهاني

از نظر دفاعي، نانوتكنولوژي براي كشورها، هم فرصت است هم تهديد. به لحاظ كاربردهاي بسيار زيادي كه اين فناوري مي‌تواند در امور نظامي داشته باشد، گرايش زيادي در بخش دفاعي كشورها به تحقيق و توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته است. اين كاربردها از لباسهاي مانع خطر تا پرنده‌هاي بسيار كوچك، تجهيزات اطلاعاتي و بسياري موارد ديگر است كه هم‌اكنون با حمايت وزارتخانه‌هاي دفاع كشورهايي چون آمريكا، ژاپن و برخي كشورهاي اروپايي به صورت پروژه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام هستند.

از اين جهت اين فناوري براي كشورها يك تهديد محسوب مي‌شود. اما براي كشورهايي كه بتوانند با استفاده از روند موجود، جايگاهي را در آينده امنيت جهاني براي خود در نظر بگيرند، يك فرصت خواهد بود. با توجه به اينكه اين كاربردها بسيار متنوع هستند، هر كشوري مي‌تواند زمينه‌اي را براي پيشگامي در جهان سهم خود نمايد و در آينده رقابتهاي بين‌المللي نقشي داشته باشد.

۲٣-٢۳) شكل‌گيري بازارهاي بسيار بزرگ

شواهد موجود نشان مي‌دهد كه درصد بالايي از بازارهاي محصولات مختلف متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود و به همين دليل دولتها و شركتهاي بزرگ و كوچك به دنبال كسب
جايگاهي براي خود در اين بازارها هستند. ميهيل روكو، رئيس كميته علوم و فناوري نانو در رياست‌جمهوري آمريكا طي مقاله‌اي در ماه مي سال ۲۰۰۱، پتانسيل نانوتكنولوژي براي تغيير چشمگير در اقتصاد جهاني را يادآوري نموده است.

بر مبناي پيش‌بيني وي و بخش ديگري از صاحب‌نظران در ده الي ۱۵ سال آينده نانوتكنولوژي بازار نيمه‌هادي را به طور كامل تحت تأثير قرار خواهد داد. خبرهايي نيز كه اخيراً از شركتهاي اصلي سازنده پردازنده‌هاي كامپيوتر در آمريكا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌هاي حاوي يك ميليارد نانوترانزيستور تا قبل از ۱۰ سال آينده حكايت دارد.

به عنوان مثال شركت اينتل اعلام نموده است كه در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌هاي متكي بر نانوترانزيستور را با قدرت و سرعت بسيار بيشتر و مصرف كمتر نسبت به آخرين دستاوردهاي امروزي نيمه‌هادي‌ها وارد بازار خواهد كرد.

در بخش دارو نيز پيش‌بيني شده است تا ۱۰ الي ۱۵ سال آينده نيمي از اين صنعت متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود كه خود نياز به وسايل تزريق جديد و آموزشهاي پزشكي روزآمد خواهد داشت يا در مورد موادشيميايي، فقط ذكر بازار ۱۰۰ ميليارد دلاري كاتاليستها كه تا ۱۰ سال آينده به طور كامل متكي بر كاتاليستهاي نانوساختاري خواهد بود

براي نشان دادن اهميت بحث كافي است. از هم‌اكنون بازار بزرگي براي بكارگيري مواد جديد در محصولات فعلي در حال شكل‌گيري است. موادي كه مي‌توانند خواص جديد و فوق‌العاده‌اي به محصولات موجود بخشيده و موجب كاهش قيمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌هاي كربني ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسيار كمتر و استحكام بسيار بيشتر نسبت به موادي چون فولاد، بخش زيادي از صنايع را در آينده تحت تاثير قرار خواهد داد.

در كنار اين پيش‌بيني‌ها، اين سؤال بايد مطرح شود كه جايگاه كشورهايي كه به نانوتكنولوژي دسترسي ندارند، در بازارهاي آينده و اقتصاد جهاني چه خواهد بود. با توجه به اينكه سهم هر كشور يا بنگاه در زمان شكل‌گيري يك بازار تثبيت مي‌شود، زمان سرمايه‌گذاري براي رسيدن به جايگاه مناسب، همين امروز است.

ماخذ:

• سايت کميته مطالعات سياست نانوتکنولوژي. www.irannano.org

• نانوتكنولوژي، آيئنه تکنولوژي آفرينش، انجمن علمي دانشجويي دانشکده فني دانشگاه تهران.

• سياستگذاري علم و تکنولوژي (مطالعه موردي نانوتکنولوژي در ايران)، دکتر قاضي نوري.

• مجموعه مقالات ۰ اولين همايش نانوتکنولوژي، کميته مطالعات سياست نانوتکنولوژي.

• پيام دکتر عارف به اولين همايش نانوتکنولوژي، اسفند ۱۳۸۰٫

باشگاه دانش آموزي نانو در يك نگاه

رويکرد آموزشي باشگاه دانش آموزي نانو

محتواي وب‌گاه
۱٫ مقالات
۲٫ فعاليت ـ مسابقه
۳٫ گزارش ـ مصاحبه
۴٫ واژه‌نامه

زيرساخت‌هاي اينترنتي باشگاه نانو
توليد محتوا در باشگاه مجازي نانو

سوابق کاري تيم پروژه سايتِ باشگاهِ نانو
• عليرضا منسوب بصيري
• ياسر خوشنويس
• سيامك دهبد
• محسن مرادي

همكاران باشگاه و اعضاي شبكه تحريريه نانو به زبان ساده

باشگاه دانش آموزي نانو

پيشنهاد باشگاه نانو آذرماه ۱۳۸۳ از سوي بنياد توسعه فردا در ستاد ويژه توسعه فناوري نانو مطرح گرديد و مورد تصويب آن ستاد قرار گرفت، تلاش براي ايجاد وب‌گاه و باشگاه دانش‌آموزي نانو با درک اين ضرورت صورت گرفت که حرکت بنيادين براي رشد و توسعة پايدار در يکي از زمينه‌هاي نوين و کلان علم و فناوري در کشور،

نياز به فرهنگ‌سازي و آشنايي ريشه‌اي دانش‌آموزان ــ که دانشگران و فناوران فرداي جامعة ما هستند ــ با اين مقولة نسبتاً پيچيده دارد. اين ضرورت، جهت‌دهندة اهداف کلان اين تلاش به شرح ذيل شده است:
n افزايش سواد علمي، درک علمي و منش علمي در دانش‌آموزان نسبت به علوم و فناوري نانو
n تشويق دانش‌آموزان به مطالعه و تحقيق در زمينه‌هاي مختلف علوم و فناوري نانو

n توليد محتواي علمي ـ آموزشيِ فارسي و مستند در شبکة جهاني براي دانش‌آموزان و معلمان
n چشاندن طعم پيشرفت و تقويت غرور ملي جامعه به وسيلة اطلاع‌رساني در مورد توسعة بومي اين فناوري در نوجوانان (برگرفته از اهداف ستاد)

رويکرد آموزشي
با توجه به ماهيت آموزشي طرح، و نيز ماهيت علوم و فناوري‌هاي نانو، يک راهبرد کلان آموزشي، فعاليت‌هاي وب‌گاه را هدايت مي‌کند. اين راهبرد، مبتني بر اين واقعيت است که در نانو، علوم مختلف در هم تنيده شده‌اند و نمي‌توان آن را فارغ از گرايش‌ها و زمينه‌هاي مختلف علمي ديگر آموزش داد.

در طرح وب‌گاه و باشگاه نانو تلاش شده است، آشنا ساختن
دانش‌آموزان با فناوري نانو به ارتقاي سطح سواد علمي آنها در زمينه‌هاي‌ فيزيک، شيمي، زيست‌شناسي و علوم مواد در سطح مولکولي شود. به طور خلاصه، رويکرد آموزشي اين طرح، آموزش درهم‌تنيدة زمينه‌هاي مختلف علوم با تأکيد بر کاربرد آنها در علوم و فناوري‌هاي نانو است.

محتواي وب‌گاه
محتوايي که در وب‌گاه ارائه شده‌ است، اين عناوين را دارد:
۱٫ مقالات
۲٫ فعاليت ـ مسابقه
۳٫ گزارش ـ مصاحبه
۴٫ واژه‌نامه

۱٫ مقالات‌
مقالات محتواي اصلي آموزشي وب‌گاه را تشکيل مي‌دهند. روش‌هاي مختلفي براي تبيين مفهوم نانودانش و نانوفناوري وجود دارند. هر يک از اين روش‌ها از يک موضوع براي شروع آموزش و انتقال مفاهيم اوليه آغاز مي‌کنند. مثلاً تاريخچة شکل‌گيري نانوفناوري، يا امکانات فوق‌العاده‌اي که در اختيار ما خواهد گذاشت بهانه‌اي براي ورود به يک مبحث است.

سپس مفاهيم، ابزارها و… ارائه مي‌شوند. روشي که براي آموزش نانو و توليد مقالات وب‌گاه طراحي مي‌شود، اين مزيت را دارد که مجموعة نانودانش و نانوفناوري را به صورت يک شبکة به‌هم‌پيوسته تبيين مي‌کند.

۱٫۱٫ مباحث کليدي
وب‌گاه، مجموعه‌مقالاتي با عنوان «مباحث کليدي» دارد. مفاهيم اين مجموعه‌مقالات عبارتند از: توصيف مقياس نانو، اهميت مقياس نانو و مفهوم دست‌کاري (manipulation) که يکي از مهمترين مفاهيم نانوفناوري است.

۱٫۲٫ موضوعات اساسي
براي تبيين اين مفاهيم، موضوعات اساسي ديگري به ميان مي‌آيند. اين موضوعات عبارتند از:
• مباني تئوريک نانودانش: فيزيک کوانتوم، شيمي مولکولي و…
• ابزار کسب اطلاعات از مقياس نانو: ميکروسکوپ ها و…
• ابزار و روشهاي دست کاري مواد و توليد در ابعاد نانو
• ارتباط نانو با علوم و فناوري هاي پيشين: روشهاي توده اي، فناوري هاي قديمي با رويکرد نانومقياس

• گذشته، حال و آينده نانو: تاريخچه، اخبار و آينده نگري
• نانومواد ونانوساختارها
• نانوفناوري در ايران
• محصولات و بازار نانوفناوري
اين فهرست ممکن است با توجه به پيشنهادها و راهنمايي هاي نويسندگان مقالات و ديگر صاحبنظران تغيير کند.
هنگامي که در مقاله کليدي به يکي از اين موضوعات اشاره شود، لينک به صفحه مرتبط داده مي شود. در هريک از صفحات ديگر نيز لينک به مقاله کليدي و همين طور لينک به صفحه
ديگر موضوعات ليست بالا که به آنها اشاره مي شود، ايجاد خواهد شد. اين ساختار در شکل زير نشان داده شده است:

۲٫ فعاليت‌‌ ـ مسابقه
براي تعميق مباحث آموزشيِ مقالات و نيز ايجاد آموزش تعاملي، فعاليت‌هايي طراحي و اجرا مي‌شوند. اين فعاليت‌ها بر مبناي تجربيات کارگاه‌هاي آموزشي و نيز جست‌وجو در وب‌گاه‌هاي مشابه تعريف مي‌شوند. فعاليت‌ها در سه دسته قابل ارائه‌اند:

۲٫۱٫ فرآيندهاي راهنما
اين فرآيندها شامل آزمايش‌ها و مشاهداتي در مقياس بزرگ‌اند که مي‌توانند راهنماي درک فرآيندهاي ريز که قابل مشاهده نيستند، باشند.

۲٫۲٫ شبيه‌سازي رايانه‌اي
يکي از بهترين روش‌هاي ممکن براي تعاملي کردن آموزش و تعميق دانسته‌ها «شبيه‌سازي» است. شبيه‌سازي‌ها از ساده‌ترين مسائل مانند شبيه‌سازي برخورد صُلب مولکول‌ها آغاز مي‌شود و تا حد امکان به سمت شبيه‌سازي رفتار شبکة مولکولي پيش مي‌رود.

۲٫۳٫سخت‌افزارهاي کمک‌آموزشي
براي آنکه نانودانش و نانوفناوري از حد يک سري مفاهيم يا قوانين نظري و نرم‌افزاري فراتر رود و عيني شود، به روش‌هاي سخت‌افزاري کردن اين موضوعات نياز داريم. يکي از وسايل موجود که استفاده از آن کاملاً تجربه‌شده و بسيار مفيد بوده، «لِگو» است.

در اين حالت فرض مي‌کنيم که هر يک از آجرهاي لِگو، يا مجموعه‌اي از آنها، بيانگر يک مولکول يا ساختار نانويي است. بدين وسيله مفاهيم نانودانش و نانوفناوري و خصوصاً امکان دست‌کاري مواد، عيني و مشاهده‌پذير مي‌شود.اين امکان پيش‌بيني شده است که فعاليت‌ها به صورت مسابقه طراحي و ارائه شوند.

۳٫ گزارش ـ مصاحبه
در اين بخش گزارش‌هايي دربارة وضعيت مطالعات و پژوهش در زمينة نانودانش و نانوفناوري در ايران ارائه مي‌شود. همچنين مصاحبه‌هايي با استادان و محققان صورت مي‌گيرد. اهميت اين بخش در اين است که نشان مي‌دهد مفاهيم و موضوعات عنوان‌شده در بخش‌هاي پيشين که ممکن است بسيار شگفت‌آور و غير قابل دسترس تلقي شوند، هم‌اکنون در کشور خودمان در حال پيگيري هستند.

۴٫ واژه‌نامه
واژه‌نامة انگليسي به فارسي و فارسي به انگليسي براي محتواي وب‌گاه ايجاد مي‌شود. بايد به اين نکته اشاره کرد که بخش عمدة محتواي موجود در نانوفناوري، مانند ساير حوزه‌هاي فناوري، به زبان انگليسي است. اگرچه تلاش ما در اين طرح، توليد محتواي فارسيِ نانو براي

دانش‌آموزان است، اما نمي‌توان اهميت استفاده از مراجع به زبان اصلي را ناديده گرفت. طراحي و گسترش اين واژه‌نامه قدم اوليه و اساسي براي آماده‌سازي و ترغيب مخاطبان به استفاده از متون مرجع است.

زيرساخت‌هاي اينترنتي باشگاه نانو
يک باشگاه مجازي براي تعامل با مخاطبان خود در اينترنت، نيازمند يک درگاه (portal) قوي و ويژه است که امکانات خاصّ ادارة يک باشگاه مجازي را داشته باشد. از آنجا که مدل مشخصي براي چنين درگاهي تا پيش از اين طراحي نشده بود، درگاه باشگاه اينترنتي نانو پس از طراحي، در «دومين همايش ملي آموزش الکترونيک ايران» به صورت کارگاه ارائه شد. اين درگاه شامل قسمت‌هاي ذيل است:

۱٫ سيستم مديريت محتوا
n مديريت مقالات و منابع آموزشي
n مديريت فعاليت‌هاي آموزشي
n مديريت گزارش‌ها
n آرشيو محتوا
n ارتباط مقالات

۲٫ سيستم مديريت اخبار و اطلاعيه‌ها
۳٫ سيستم مديريت کاربران
۴٫ سيستم تالار گفت‌وگو
۵٫ سيستم مديريت توليد محتوا
۶٫ سيستم برگزاري آزمون و مسابقه
۷٫ سيستم آمارگيري

توليد محتوا در باشگاه مجازي نانو
توليد محتوا براي دانش‌آموزان در عرصه‌اي که هنوز هيچ فعاليت جدي آموزشي صورت نگرفته است، دشواري‌هاي منحصربه‌فردي دارد. تعداد کمِ افراد حاذق و باتجربه در زمينة فناوري نانو، و افرادي که هم تجربة فعاليتِ آموزشي دارند و هم تجربة فعاليت در عرصة نانو، باعث شده است که مراحل مشخص و ويژه‌اي شامل انتخاب موضوع، نگارش مطلب، ويرايش و افزودن ملحقات آموزشي براي توليد محتوا و انتشار آن در اينترنت طراحي و اجرا گردد که شرح آن در ذيل آمده است:

۱٫انتخاب موضوع و طراحي اوليه
اين قسمت مرحلة کليدي فرايند توليد محتواست. در اين بخش، موضوع و نحوة بيان آن طراحي مي‌شود. بايد تأکيد کرد که توليد محتواي مناسب وابسته به طراحي دقيق آن در ابتداست. انتخاب موضوع و طراحي اوليه به سه شکل صورت مي‌گيرد:
۱٫۱٫ بخش اصلي مطالب بر مبناي نقشة محتوا که در بخش محتواي وب‌گاه آمده است

و با توجه به موضوعات مورد نياز براي تعميق آشنايي با مفاهيم نانوفناوري طراحي مي‌شوند. با توجه به ارتباط بخش توليد محتوا با افراد مختلفي که در زمينه‌هاي متعدد نانودانش و نانوفناوري فعاليت دارند و نسبت به مقولة آموزش نانوفناوري نيز علاقه‌مندند، موضوعات
مورد نياز به اين افراد پيشنهاد مي‌شوند و پس از اعلام آمادگي از سوي نويسندگان، طراحي مفهومي صورت مي‌گيرد.