نانو تکنولوژي

نانو تكنولوژى چيست؟
Nano كلمه اى يونانى به معنى كوچك است كه در فيزيك و رياضيات نشان دهنده يك ميليارديم يك كميت است. چون قطر يك اتم تقريباً به اندازه ۱۰ نانومتر است، اين اصطلاح براى مطالعه عمومى روى ذرات اتمى و مولكولى به كار برده مى شود. نانو تكنولوژى عبارت است از توانمندى توليد مواد، ابزارها و تركيبات جديد با تغيير ساختار سطوح مولكولى و اتمى آنها براى ايجاد خواص و ويژگى هاى دلخواه در اين مواد. از فن آورى نانو به عنوان «رنسانس فن آورى» و «روان كننده جريان سرمايه گذارى» ياد مى شود.

در حال حاضر بخش هاى دولتى و خصوصى كشورهاى مختلف جهان شامل ژاپن، آمريكا، اتحاديه اروپا، چين، هند، تايوان، كره جنوبى، استراليا، اسرائيل و روسيه در رقابتى تنگاتنگ بر سر كسب پيشتازى جهانى در لااقل يك حوزه از اين فن آورى به سر مى برند و روى هم رفته حدود ۳۰ كشور دنيا در زمينه فن آورى نانو داراى «برنامه ملى» يا در حال تدوين آن هستند، و طى پنج سال گذشته بودجه تحقيق و توسعه در امر فن آورى نانو را به ۳‎/۵ برابر افزايش داده اند. كشورهاى ژاپن و آمريكا نيز فن آورى نانو را مهمترين اولويت كشور خود در زمينه فن آورى اعلام كرده اند.

هرچند آزمايش ها و تحقيقات نانو تكنولوژى ، بيشتر از ابتداى دهه ۸۰ قرن بيستم شروع شده است اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باور نكردنى نانو تكنولوژى در روند تحقيق و توسعه باعث شد، نظر تمامى كشورهاى بزرگ به اين موضوع جلب شود و فن آورى نانو را به عنوان يكى از مهمترين اولويتهاى تحقيقاتى خويش طى دهه اول قرن بيست و يكم محسوب كنند ورود محصولات متكى بر اين فن آورى جهشى بس عظيم در رفاه و كيفيت زندگى و توانايى هاى دفاعى و زيست محيطى به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابه جايى هاى بزرگ اقتصادى خواهد شد.

استفاده از اين فن آورى در كليه علوم پزشكى، پتروشيمى، علوم مواد، صنايع دفاعى، الكترونيك، كامپيوترهاى كوانتومى و غيره باعث شده، تحقيقات در زمينه نانو به عنوان يك چالش اصلى و علمى و صنعتى پيش روى جهانيان باشد.

علم و فناوري نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژي) توانائي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتري (ملكولي) و بهره برداري از خواص و پديده هاي اين بعد در مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. اين تعريف ساده خود دربرگيرنده معاني زيادي است. به عنوان مثال فناوري نانو با طبيعت فرا رشته اي خود، در آينده در برگيرنده همه ي فناوريهاي امروزين خواهد بود و به جاي رقابت با فن آوري هاي موجود، مسير رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « يك حرف از علم» يكپارچه خواهد كرد.

ميليونها سال است كه در طبيعت ساختارهاي بسيار پيچيده با ظرافت نانومتري ( ملكولي ) – مثل يك درخت يا يك ميكروب – ساخته مي شود. علم بشري اينك در آستانه چنگ اندازي به اين عرصه است، تا ساختارهائي بي نظير بسازد كه در طبيعت نيز يافت نمي شوند. فناوري نانو كاربردهاي را به منصه ظهور مي رساند كه بشر از انجام آن به كلي عاجز بوده است و پيامدهائي را در جامعه برجا مي گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال: ساخت مواد بسيار سبك و محكم براي مصارف مرسوم يا نوورشكستگي صنايع قديمي همچون فولاد با ورود تجاري مواد نو

كاهش يافتن شديد تقاضا براي سوخت هاي فسيليهمه گير شدن ابر كامپيوترهاي بسيار قوي، كوچك و كم مصرف سلاحهاي سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئي تر براي رادار شناسائي فوري كليه خصوصيات ژنتيكي و اخلاقي و استعدادهاي ابتلا به بيماري ارسال دقيق دارو به آدرس هاي مورد نظر در بدن و افزايش طول عمر.

از بين بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شيميائي و ميكروبي
از بين بردن كامل ناچيز ترين آلاينده هاي شهري و صنعتي
سطوح و لباسهاي هميشه تميز و هوشمند
توليد انبوه مواد و ابزارهائي كه تا قبل از اين عملي و اقتصادي نبوده اند ،
و بسياري از موارد غير قابل پيش بيني ديگر!

دكترDrexler در همايش جهاني نظام علمي در زمينه نانوتكنولوژي اظهار كرده است: “در جهان اطلاعات ، تكنولوژيهاي ديجيتالي كپي‌برداري را سريع، ارزان، كامل و عاري از هزينه‌بري يا پيچيدگي محتوايي نموده‌اند. حال اگر همين وضعيت در جهان ماده اتفاق بيافتد چه مي‌شود. هزينه توليد يك تن ‌تري بيت تراشه‌هاي RAM تقريبا” معادل با هزينه بري ناشي از توليد همان مقدار فولاد مي‌شود”.

 

دكترSmalley رئيس هيئت تحقيقاتي دانشگاه رايس و كاشف Buckyballs مي‌گويد:
” نانوتكنولوژي روند زيانبار ناشي از انقلاب صنعتي را معكوس خواهد كرد”. در مقدمه مقاله نانوتكنولوژي كه توسط آقايان Peterson و Pergamit در سال ۱۹۹۳ نگاشته شده چنين آمده است:

” تصور كنيد قادريد با نوشيدن دارو كه در آب ميوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنيد . يك ابر كامپيوتر را كه به اندازه يك سلول انسان است در نظر بگيريد. يك سفينه فضايي ۴ نفره كه به دور مدار زمين مي‌گردد با هزينه‌اي در حدود يك خودروي خانوادگي تجسم كنيد” .

موارد فوق، فقط تعداد محدودي از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژي هستند. انسان در معرض يك انقلاب اجتماعي تسريع شده و قدرتمند است كه ناشي از علم نانوتكنولوژي است. در آينده نزديك گروهي از دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني با مقياس نانومتري مي‌گردند كه قادر به همانندسازي است. طي چند سال با توليد پنج ميليارد تريليون نانوروبات ، تقريبا” تمامي فرايندهاي صنعتي و نيروي كار كنوني از رده خارج خواهند شد. كالاهاي مصرفي به وفور

يافت‌شده ، ارزان، شيك و با دوام خواهند شد. دارو يك جهش سريع و كوانتومي را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهاي فضايي و همانندسازي امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به اين دلايل و دلائلي ديگر، سبكهاي زندگي روزمره در جهان بطور زيربنايي متحول خواهد شد و الگوي رفتاري انسانها تحت‌الشعاع اين روند قرار خواهد گرفت.
تاريخچه نانوتكنولوژي:
۱-۲- ۱۹۵۹- ۱۹۵۸ شكل گيري مفاهيم نانوتكنولوژي

۲-۲- ۱۹۸۶- ۱۹۸۸ شروع شكل گيري تحقيقات با تعاريف شفاف،
پيشرفتهايي در بعضي امكانات و تجهيزات
۳-۲- ۱۹۸۹- ۱۹۹۱ گسترش فعاليتها و شروع حضور دولتها

۴-۲- ۱۹۹۲-۱۹۹۴ تعريف پروژه‌هاي تحقيقاتي زياد و جواب دادن بعضي از پروژه‌ها
۵-۲- ۱۹۹۵ تاكنون ورود جدي دولتها و سرايه گذاري بخش خصوصي
يك نانومتر چيست؟
يك نانومتر يك ميلياردم متر (m 9-10) است. اين مقدار حدوداً چهار برابر قطر يك اتم است. مكعبي با ابعاد ۵/۲ نانومتر ممكن است حدود ۱۰۰۰ اتم را شامل شود. كوچكترين ICهاي امروزي با ابعادي در حدود ۲۵۰ نانومتر در هر لايه به ارتفاع يك اتم، حدود يك ميليون اتم را در بردارند. در مقايسه يك جسم نانومتري با اندازه‌اي حدود ۱۰ نانومتر، هزار برابر كوچكتر از قطر يك موي انسان است.
چرا اين مقياس طول اينقدر مهم است؟
خواص موجي‌شكل (مكانيك كوآنتمي) الكترونهاي داخل ماده و اثر متقابل اتمها با يكديگر از جابجايي مواد در مقياس نانومتر اثر مي‌پذيرند. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر، امكان كنترل خواص ذاتي مواد ازجمله دماي ذوب، خواص مغناطيسي، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در تركيب شيميايي بوجود مي‌آيد. استفاده از اين پتانسيل به محصولات و تكنولوژيهاي جديدي با كارايي بالا منتهي مي‌شود كه پيش از اين ميسر نبود. نظام سيستماتيك ماده در مقياس نانومتري، كليدي براي سيستمهاي بيولوژيكي است. نانوتكنولوژي به ما اجازه مي‌دهد تا اجزاء و تركيبات را داخل سلولها قرارداده و مواد جديدي را با استفاده از روشهاي جديد خود_اسمبلي بسازيم. در روش خود_اسمبلي به هيچ روبات يا ابزار ديگري براي سرهم كردن اجزاء نيازي نيست. اين تركيب پرقدرت علم مواد و بيوتكنولوژي به فرايندها و صنايع جديدي منتهي خواهد شد.

ساختارهايي در مقياس نانو مانند نانوذرات و نانولايه‌ها داراي نسبت سطح به حجم بالايي هستند كه آنها را براي استفاده در مواد كامپوزيت، واكنشهاي شيميايي، تهيه دارو و ذخيرة انرژي ايده‌ال مي‌سازد. سراميك‌هاي نانوساختاري غالباً سخت‌تر و غيرشكننده‌تر از مشابه مقياس ميكروني خود هستند. كاتاليزورهاي مقياس نانو راندمان واكنشهاي شيميايي و احتراق را افزايش داده و به ميزان چشمگيري از مواد زائد و آلودگي آن كم مي‌كنند. وسايل الكترونيكي جديد، مدارهاي كوچكتر و سريعتر و … با مصرف خيلي كمتر مي‌توانند با كنترل واكنش‌ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آيند. اينها تنها اندكي از فوايد و مزاياي تهيه مواد در مقياس نانومتر است.

آيا موضوع نانوتكنولوژي كاملاً جديد است؟
بسياري از تكنولوژيهاي موجود به فرايندهايي در مقياس نانو وابسته هستند فتوگرافي و كاتاليزور دو نمونه از نانوتكنولوژي‌هاي قديمي هستند كه بصورت تجربي در مقياس نانو پيشرفت كرده‌اند. بنظر مي‌رسد كه اين دو تكنولوژي همراه با پيشرفت نانوتكنولوژي رشد شاياني نسبت به گذشته داشته باشند. بيشتر تكنولوژي‌‌هايي كه امروزه وجود داشته و از ماده در مقياس نانو استفاده مي‌كنند توسط افراد غيرمتخصص در اين زمينه كشف شده و در اكثر آنها نيز تا مدتي

پيش، نقشي كه مقياس نانومتر بازي كرده است، مورد توجه قرار نمي‌گرفت. بعنوان مثال حالا معلوم شده كه اضافه كردن نوعي خاص از خاك رس به لاستيك، به طور قابل توجهي باعث افزايش طول عمر و بهبود خواص سايش آن مي‌گردد زيرا ذرات نانومتر خاك رس ب۰ه انتهاي مولكولهاي پليمر چسبيده و تشكيل رشته مولكولي داده و آنها را از شكسته‌شدن باز مي‌دارد. اين فرايند ساده باعث بهبود قابل توجهي در خواص اين مادة مركب – جزئي لاستيك و جزئي خاك رس- شده است.

منافع نانوتكنولوژي چيست؟
مفهوم جديد نانوتكنولوژي آنقدر گسترده و ناشناخته است كه ممكن است روي علم و تكنولوژي در مسيرهاي غيرقابل پيش‌بيني تأثير بگذارد. محصولات موجود نانوتكنولوژي عبارتند از: لاستيكهاي مقاوم در برابر سايش كه از تركيب ذرات خاك رس با پليمرها بدست آمده‌اند‌‌‌، مواد دارويي كه در مقياس نانو ذرات درست شده‌اند، هد ديسكهاي ليزري و مغناطيسي كه با كنترل دقيق ضخامت لايه‌ها از كيفيت بالاتري برخوردارند، چاپگرهاي عالي با استفاده از نانوذرات با بهترين خواص جوهر و رنگ‌دانه.

بسياري ديگر از ساختارها نيز هم‌ اكنون در مرحله تحقيق و يا توسعه هستند كه ليست برخي از آنها در زير آمده است:
صنايع اتومبيل‌سازي و هوانوردي: مواد جديد كه از نانو ذرات ساخته شده‌اند براي بدنه هاي سبك‌تر، لاستيكهايي با مقاومت سايش بهتر و قابل بازيابي، رنگ‌كارهاي بيروني كه احتياجي به شستشو ندارند، پلاستيكهاي ارزان غيرقابل اشتعال، صنايع الكترونيكي براي كنترل، پوشش‌هاي خود ترميم و منسوجات بكار ميروند.

الكترونيك و ارتباطات: ضبط كامل صدا توسط نانولايه‌ها و نقطه‌چين‌كردن، صفحه‌هاي نمايش صاف، تكنولوژي بي‌سيم، ابزار و فرايندهاي جديد در تكنولوژيهاي اطلاعات و ارتباطات، هزاران اصلاح و پيشرفت در ظرفيت ذخيره داده‌ها و سرعت پردازش در سطح پايين‌تر قيمت و كارايي بالاتر در مقايسه با مدارات فعلي الكترونيكي.

مواد و شيمي: كاتاليزورهايي كه راندمان انرژي را در واحدهاي شيميايي بالا مي‌برند و باعث بهتر شدن بازدهي احتراق در وسايل نقليه مي‌شوند، در‌يلهاي خيلي سخت و مقاوم، ابزارآلات برش، ذرات مغناطيسي باهوش براي پمپهاي مكنده و روان‌سازها.

داروسازي، بهداشت و علوم زندگي: داروهاي جديد با ساختار نانو، ژنها و سيستمهاي ارسال دارو كه بسوي مكانهاي مشخصي از بدن هدف‌گيري شده‌اند، قطعات سازگار براي جايگزيني اعضاي بدن، سنسورها براي آزمايشگاههاي كامل روي يك تراشه، موادي براي استخوان و بازسازي بافت‌ها.
توليد تكنولوژيهاي انرژي: انواع جديد باطريها، فتوسنتز مصنوعي براي انرژي تميز، سلولهاي خورشيدي كوانتمي، ذخيره ايمن هيدروژن براي استفاده بعنوان سوخت تميز، ذخيره انرژي با استفاده از مواد سبكتر و مدارات كوچكتر.

اكتشافات فضايي: وسايل نقليه سبك فضايي، توليد و مديريت اقتصادي انرژي ، سيستمهاي روباتي فوق‌العاده كوچك و توانا.
محيط‌زيست: پره‌هاي انتخاب‌كننده كه مي‌توانند آلودگيها و حتي نمك را از آب جدا كنند، جرم‌‌گيرها و صافي‌هاي نانوساختار براي برطرف كردن آلودگيها از بيرون ريزهاي صنعتي، افزايش بهره‌وري در نگهداري و تعميرات صنعتي با مواد و انرژي كمتر و افزايش امكان بازيافت.
امنيت ملي: آشكارسازها و مسموميت‌زداهاي مؤسسات بيولوژيكي و شيميايي، مدارات الكترونيكي تواناتر، مواد و پوشش‌هاي سخت نانو ساختار، منسوجات سبك و خود ترميم، جايگزيني خون، سيستمهاي نظارتي مينياتوري

دولت چه بايد بكند تا كشور بتواند از تمام مزاياي نانوتكنولوژي استفاده كند؟ دولت در اطمينان دادن نسبت به اينكه كشور سودهاي عظيم نانوتكنولوژي را دريافت خواهد كرد نقش كليدي ايفا مي‌نمايد. اهداف تحقيقات نانوتكنولوژي بسيار پايه‌أي، درازمدت (بيشتر از ۱۰ سال) و فرا رشته‌ اي است و ريسكهاي زيادي براي صنعت در به عهده گرفتن سريع رهبري آن وجود دارد. صنعت توان سرمايه‌گذاري بر روي تحقيقات درازمدت و مخاطره‌آميز را كه سالهاي دراز طول خواهد كشيد تا به مرحله توليد برسند را ندارد لذا در كشور بايستي تحقيقات دانشگاهي و دولتي اين خلاء را پر كنند. بخاطر طبيعت فرارشته‌أي نانوتكنولوژي تيمهايي از فيزيكدانان، شيمي‌دانان، بيولوژيست‌ها و مهندسان براي توسعه آن موردنياز مي‌باشد. مؤسسات دولتي نيز بايستي اين كار تيمي را پرورانده و به ثمر برسانند. علاوه بر آن زيرساختارهاي جديدي در دانشگاهها و آزمايشگاههاي ملي براي توسعه در اين بخش لازم است.

نانوتکنولوژی و صنعت نفت
فناوری نانو می¬تواند اثرات قابل توجهی در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زیر بعد از اشاره به برخی از این تأثیرات، تعدادی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت بویژه در بحث آلودگی محیط زیست و نیز سنسورهای نانو به طور مختصر معرفی گردیده است:

مقدمه هنگامی که ریچارد اسملی ( Richard Smally ) برندة جایزة نوبل، بالک مینسترفلورسنس را در سال ۱۹۸۵ در دانشگاه رایس کشف نمود،‌ انتظار اندکی داشت که تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریکا ( DOE ) سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با ۶۲ درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باکی‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باکی‌تیوب‌ها ( Bulky Tubes )‌ استوانه‌های کربنی که دارای قطر متر می‌باشند صورت گیرد.

نانولوله‌های کربنی با وزنی در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحکم ¬ تر از آن بوده، دارای رسانش الکتریکی معادل با مس و رسانی گرمایی هم ارز با الماس می‌باشند. نانوفیلترها می‌توانند به جداسازی مواد در میدان‌های نفتی کمک کنند و کاتالیست‌های نانو می‌توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیند پالایش به‌دنبال داشته باشند. از سایر مزایای نانولوله‌های کربنی می‌توان به کاربرد آن‌ها در تکنولوژی اطلاعات (‌ IT ) نظیر ساخت پوشش‌های مقاوم در مقابل تداخل‌های الکترومغناطیسی، صفحه‌های نمایش مسطح، مواد مرکب جدید و تجهیزات الکترونیکی با کارآیی زیاد اشاره نمود.

علم نانو یک تحول بزرگ در مقیاس بسیار کوچک بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تکنولوژی بهره‌مند خواهد گشت.

علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهتر فرآیندها در سطوح مولکولی امکانپذیر می‌باشد. با توجه به اینکه نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولکول‌ها و اتم‌ها در این مقیاس می‌باشد.

خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه‌ای دارند. نانوتکنولوژی دیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبودیافتة نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب کمک می‌کند . با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان با گسترش تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای کوچک،‌ اطلاعات بهتری دربارة مخزن بدست آورد.
علوم محاسباتی و علم نانو

یکی از کاربردی ترین و مولدترین زمینه ها در علوم محاسباتی، کاربرد آن در شاخه های علوم مولکولی و نانوفناوری است. این زمینه ها در کنار هم و در کنار علومی چون بیولوژی مولکولی ، ژنتیک مولکولی، فناوری اطلاعات و علوم شناختی ارکان انقلاب صنعتی-علمی را تشکیل می دهند. اشتراک بین این ۴ رکن در آینده نزدیک ،به خلق فناوری همگرای فوق العاده ای منجر می شود که بوجود آمدن سیستم ها و ابزار و مواد هوشمندی را نوید می دهد؛ که ازپایین به بالا، اتم به اتم و مولکول به مولکول چیده شده و این در بر دارنده تمام کاراکترها، عملکردها و مکانیزم های پیچیده در سیستم های هوشمند زنده مانند حافظه، تعمیر خود به خود، تکثیربرنامه ریزی شده بی نقص، خود چیدمانی و خود سازماندهی می‌باشد.

همگرایی در مقیاس نانو رخ می دهد؛ جایی بنیادین که در آنجا بلوک های ساختمانی پایه، اعم از فیزیکی، بیلوژیکی و مواد هوشمند در کنار هم قرار می گیرند. نانوساختارها (یعنی اندازه ای بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر) چیده می شوند و قوانین میکروسکوپی چیدمان، ساختار قرارگیری زیر لایه ها را کنترل می کنند. در نهایت علوم محاسباتی و فناوری نانو با هم دانشی عالی را برای دستکاری و اصلاح ساختاری مواد در سطوح اتمی و هسته ای، بوجود آورده و چگونگی امکان کنترل کامل روی شکل گیری، عملکرد و خواص آنها را به عنوان مواد جدید هوشمند در اختیار ما می گذارند. باکمک علوم نانو محاسبات اکنون می توانیم روی یک تک اتم در یک سیستم پیچیده مولکولی سوار شده و به بررسی تعاملات ذرات آن بپردازیم، نظربه اینکه این سیستم نانومتری می تواند جامد، سیال، گاز، یک پروتئین DNA و یا یک ویروس باشد که در فاز خود از یک میکرو حالت به میکرو حالتی دیگر سویچ کرده و نتایج محاسباتی معنی داری را برای خواص قابل مشاهده بدست دهد.

مثال این آزمایش مفید در تصاویر زیر آمده؛ جایی که توزیع یک شکافت دینامیک در یک لایه اتمی به تصویر کشیده شده است.
رنگ ها نشان دهنده فشار در تراز مولکولی هستند بدین ترتیب که رنگ آبی کمترین و رنگ قرمز بیشترین فشار را نشان می دهد. موتورهای پروتئینی برائونی که از انواع آن می توان کینسین ها و میوسین ها(انتقال دهنده های غذا به داخل سلول های بدن) را نام برد و موتور چرخنده ATPase که برای سلول ها تولید سوخت ATP می کند ،جزسیستم هایی هستند که در چندین بخش دچار تغییر شده اند و بر اساس دینامیک لانژوین بهترین مثال برای کاربرد مدل سازی

محاسباتی در سیستم های نانو بیولوژیکی هستند. شبیه سازی در مقیاس های بزرگ در بخش نانو هم اکنون در کشورهای آمریکا، ژاپن و اروپا در حال انجام است. علاوه بر شبیه سازی مبتنی بر دینامیک کلاسیک، ما اکنون شاهد وقوع انفجاری در کاربردهای کوآنتم مکانیکی بر پایه روش های شبیه سازی برای طراحی مواد جدید وسیستم های کوچک که شامل چدین تن اتم می باشند هستیم. وقتی شبیه سازی انجام می شود داده های خروجی به سادگی به

چشم می آیند و دیدی عمیق را نسبت به عمل شبیه سازی در اختیار محققان قرار می دهند. به عنوان یک نتیجه ابزار بصری در حال ورود به انقلابی در کاربردهای خود می باشند. دید خوب نسبت به نتایج، به ما امکان تصحیح فیزیک پایه را بوسیله دستیابی سریع به تغییر شکل های تحمل شده توسط سیستم می دهد.

در سطوح بین المللی علوم محاسباتی افق های جدیدی را برای کشورهای در حال توسعه بوسیله منابع و تعدیل مصارف روشن کرده است تا بتوانند در سطح جهانی نقش آفرین باشند. در ایران انستیتو تحقیقات علوم پایه (IPM) که در سال ۱۹۸۹ تاسیس شد، موسسه پیشگام در این زمینه بوده و در چندین شاخه از علوم پایه مانند فیزیک پلاسما، علوم نانو، پردازش تصویر، ریاضیات محاسباتی و مدل سازی پدیده ها در فیزیک ذرات با استفاده از داده های CERN فعالیت می کند. ما اکنون از این شادمان هستیم که می بینیم علوم محاسباتی در ایران با استقبال از سوی مراکز علمی همچون دانشگاه ها روبرو شده و در حال تبدیل به شاخه ای مستقل است.
سه فناوري تسخيركننده

تسخيركنندگان علم و فناوري آينده در سه گروه فناوري اطلاعات، نانوفناوري و زيست فناوري خلاصه مي شوند
قرارگيري مقادير و حجم زيادي از اطلاعات در فضائي كوچك از ابعاد هم گرائي نانوفناوري و فناوري اطلاعات مي باشد از طرفي در زيست فناوري و يا به عبارتي براي زيست شناسان قرار گيري حجم زيادي از اطلاعات در يك فضاي بسيار كوچك موضوعي بسيار آشنا مي باشد.
در كوچكترين سلول انساني همه اطلاعات مربوط به يك موجود زنده از قبيل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتي در قسمت بسيار كوچكي از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم مي باشد همه اين اطلاعات ذخيره مي گردد ( نه تنها سطح يا به عبارتي تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن اين زنجيره ها در ذخيره سازي اطلاعات زيستي اهميت دارد). شايد يكي از علل هم گرائي اين فناوري و فناوري اطلاعات وجود همين مسائل مشترك اين سه فناوري است.

ابزارهاي جديد براي كارهاي ظريف
اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسيد كه چه پيشرفتهاي عمده دستگاهي باعث شده‌اند تا نانوتكنولوژي در خطوط مقدم تحقيقات علوم فيزيكي قرار گيرد، تقريبا” همه آنها به داستان ميكروسكوپ پروب اسكن‌كننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM يك پروب نانوسكوپي در ارتفاع ثابتي بر بالاي بستري از اتم‌ها حفظ مي‌شود. اين فاصله مي‌تواند آن‌قدر كم باشد كه الكترون‌هاي اتم‌هاي تيرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. اين تعاملات مي‌تواند آن‌قدر قوي باشد، كه اتم‌ها از جا كنده شده و به جاي ديگري بروند.)

اشاره مي‌كنند. عليرغم تازه واردگي به عرصه تحليل دستگاهي، استفاده از ميكروسكوپي تونل‌زني اسكن‌كننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسيله‌اي براي تهيه تصوير از اتمهاي روي سطوح مواد، كه نقش مهمي در درك توپوگرافي و خواص الكتريكي مواد و رفتار قطعات ميكروالكترونيكي دارند. STM بر خلاف يك ميكروسكوپ نوري، براي تهيه تصوير نيروهاي الكتريكي را با يك پروب نازك‌شده به حد تيزي يك اتم آشكار مي‌كند. پروب سطح را جاروب كرده،

بي‌نظمي‌هاي الكتريكي حاصل از پوسته‌هاي الكتروني يا ابرالكتروني پيرامون اتم‌ها را به كمك يك كامپيوتر به تصوير مبدل مي‌كند. به دليل يك اثر مكانيك كوانتومي موسوم به «تونل‌زني»، الكترون‌ها مي‌توانند به سادگي از تيرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاوير در حدود nm1 يا كمتر است. از STM مي‌توان براي جابجايي تك به تك اتم‌ها و تهيه نقشه‌هاي پروضوح از سطوح مادي استفاده كرد.) ، ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) و ديگر تكنيكهاي

مشتق‌شده از اين دو مورد اصلي در بسياري از آزمايشگاهها ، به دليل حجم زياد اطلاعاتي كه از مقياس نانومتر به دست مي دهند، متداول و حتي گريزناپذير شده است. ريچارد فينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در ۱۹۵۹ در مؤسسه تكنولوژي كاليفرنيا كه بعد در آنجا استاد فيزيك شد ايده‌هايي بنيادي در زمينه كوچك‌سازي نوشتجات، مدارها و ماشين‌ها ايراد كرد : ” آنچه من مي‌خواهم به شما بگويم، مسئله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دايره‌‌المعارف بريتانيكا را جا داد.” فينمن براي به تفكر واداشتن محققين و تاكيد

نمودن بر عقيده‌اش مبني بر امكان فيزيكي چنين معجزه‌اي ، جايزه‌هايي ۱۰۰۰ دلاري براي اولين افرادي كه به اهداف مشخص شده اي در كوچك‌سازي كتابها و موتورهاي الكتريكي دست يابند تعيين كرد. فينمن تاكيد كرد : ” من در حال خلق ضد جاذبه نيستم كه به فرض روزي اگر قوانين (فيزيك) آنچه ما مي‌پنداريم، نبودند عملي شود. من صحبت از چيزي مي‌كنم اگر قوانين آنچه ما مي‌پنداريم باشند، عملي خواهد بود. ما به آن دست پيدا نكرده‌ايم چون خيلي ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ايم