پيش‌بيني پيشرفت نانوتكنولوژي با كمك شاخصهاي علم و فناوري

چكيده
قرار است نانوتكنولوژي يكي از فناوريهاي كليدي و كارآمد قرن ۲۱ شود. قابليت اقتصادي آن، حاكي از وجود بازاري بالغ بر چندصد ميليارد يورو براي اين فناوري در دهة بعد است. بنابراين نانوتكنولوژي موجب جهت‌دهي فعاليتهاي بسياري از بخشهاي صنعتي و تعداد زيادي از شركتها در جهت

آماده‌سازي آنها براي اين رقابت جديد شده است. در همين زمان دولتمردان در بخشهاي تحقيق و توسعه در سراسر دنيا نيز در حال اجراي برنامه‌هاي تحقيقاتي خاص در زمينة نانوتكنولوژي هستند تا آيندة كشورهاي خود را به وضعيتي مطلوب برسانند. هدف اين مقاله، استفاده از شاخصهاي تكنولوژيكي و علمي براي پيش‌بيني پيشرفت اقتصادي و مقايسة وضعيت كشورهاي مختلف است.
۱- مقدمه
علوم نانو در دو دهه گذشته، پيشرفت بزرگي حاصل كرده است. ما شاهد كشفيات علمي و پيشرفتهاي تكنولوژيكي مهمي بوده‌ايم. به عنوان مثال، اين پيشرفتها شامل اختراع ميكروسكوپ تونل‌زني پيمايشگر (STM) در سال ۱۹۸۲ ]۱[ يا كشف فولرينها در سال ۱۹۸۵ مي‌باشد]۲[. در حال حاضر تعداد اندكي از محصولات مبتني بر نانوتكنولوژي به استفادة تجاري رسيده‌اند. با اين وجود، آيا دانش واقعي علمي، جوابگوي اشتياق جهاني نسبت به اين فناوري هست ؟ تا چه حد احتمال دارد كه بازار جهاني در طي ۱۰ تا ۱۵ سال آينده به هزار ميليارد دلار در سال برسد]۳[؟

ارزيابي قابليت فناوريهاي تكامل يافته كار آساني نيست و براي يك فناوري جديد مثل نانوتكنولوژي، اين كار دشوارتر است. البته در پيش‌بيني سعي مي‌شود از شاخصهايي استفاده شود كه توانشان در پيش‌بيني قابليت ديگر فناوريهاي جديد به اثبات رسيده باشد. دو تا از واضح‌ترين شاخصهاي پيش‌بيني، تعداد مقاله‌هاي علمي و تعداد اختراعات ثبت شده هستند. اولي معمولاً شاخص خوبي براي فعاليتهاي علمي و دومي براي قابليت انتقال نتايج علمي به كاربردهاي عملي است. شكل

۱ تكامل تدريجي انتشارات و اختراعات نانوتكنولوژي از شروع دهة ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۸ را نشان مي‌دهد. اطلاعات انتشارات جهاني نانوتكنولوژي از داده‌هاي Science Citation Index (SCI) اقتباس شده است. اختراعات نانو، آنهايي هستند كه در European Patent Office (EPO) در مونيخ ثبت شده‌اند. اختراعاتEPO داده‌هاي بسياري از كشورها را در بر مي‌گيرد. از نظر گسترة كار و هزينة بالا، منطقي به نظر مي‌رسد كه مخترعين از اختراعات به صورت تجاري بهره‌برداري كنند. ليستي از كلمات كليدي علوم و فناوري نانو جهت دستيابي به انتشارات، اختراعات و روشها منتشر شده‌است]۴[.
تعداد انتشارات در سالهاي ۱۹۸۰ و ۱۹۸۵ نسبتاً اندك است، اما در سالهاي بعد سير صعودي مي‌يابد و از سال ۱۹۸۶ به بعد سرعت افزايش آنها محسوس مي‌باشد. اين تغيير ناگهاني را مي‌توان به اختراع ميكروسكوپ تونل‌زني پيمايشگر در چند سال قبل از آن]۱[، آغاز حضور وسايل تحقيقاتي مفيد در آزمايشگاههاي تحقيقاتي، دانشگاهي و صنعتي و نيز توجه تحقيقات به سوي مقياس نانو نسبت داد. افزايش سرعت انتشار مقالات همچنان ادامه پيدا كرده و سير صعودي آنرا مي‌توان ناشي از دسترسي به ميكروسكوپ نيروي اتمي كه گسترة كاربرد وسيعتري نسبت به STM در مواد غيرهادي دارد (اختراع در سال ۱۹۸۶ ]۵[) و نيز كشف مولكول C60 در سال ۱

۹۸۵ ]۲[ و يا نانولوله‌هاي كربني در سال ۱۹۹۱ ]۶[ دانست. افزايش تعداد انتشارات در بازة زماني ۱۹۸۹ تا ۱۹۹۸ بسيار چشمگير است؛ جهش از ۱۰۰۰ مقاله تا بيش از ۱۲۰۰۰ مقاله در سال ۱۹۹۸٫
ميانگين رشد سالانه معادل ۲۷ درصد بوده و رشد ساليانه از ۱۰ تا ۸۰ درصد در نوسان است. اطلاعات بدست آمده از دفتر ثبت اختراعات ايالات متحده]۷[ نيز رشدي مشابه با اطلاعات اروپا

نشان مي‌دهد.
تعداد اختراعات ثبت شده، شاخص‌ مناسبي براي اندازه‌گيري ظرفيت آزمايشگاهها جهت انتقال نتايج تحقيقات به مصارف صنعتي مي‌باشد. شكل (۱) بيانگر گسترش تعداد اختراعات نانوتكنولوژي در EPO و انتشارات علمي در يك دوره يكسان مي‌باشد. به طور معمول، تعداد اختراعات پيرو الگوي انتشارات علمي، البته با تأخير زماني محسوسي مي‌باشد. منحني فوق در تمام سالهاي ۱۹۸۱ تا ۱۹۹۸ رشد مشخص ۲۸ تا ۱۸۰ عددي اختراعات را با ضريب رشد %۷ در دهة ۹۰ نشان مي‌دهد. منحني اختراعات نوسانات بيشتري را نسبت به منحني انتشارات نشان مي‌دهد. اين امر به اين علت است كه هرگاه تعداد داده‌ها كمتر باشد، نوسانات آماري تاثيرات بيشتري بر روي آنها مي‌گذارد. به علاوه پيشرفتهاي صنعتي در هر سال تأثير بيشتري بر روي اختراعات دارد.
تكامل فعاليتهاي تكنولوژيكي و علمي نانوتكنولوژي را مي‌توان با فناوريهاي قبلي مقايسه كرد. در وهلة اول مي‌توان از مدل توسعه تكنولوژيكي عمودي (Lineal) استفاده كرد. گراپ]۸[، براي چنين مدلي كه در شكل (۲) به آن اشاره شده است، هشت مرحله را ارائه داده و تكامل از تحقيقات بنيادي تا ورود آن به توليدات را تشريح نموده است. مرحلة (۱) زمان شروع كار تحقيقاتي علمي را نشان مي‌دهد. هنگامي كه فناوري شروع به ظاهر شدن مي‌كند، پيشرفت بيشتري در علوم مشاهده مي‌شود (مرحله ۲). در مرحلة (۳) درك اصول علمي بيشتر شده و اولين نمونه‌هاي تكنولوژيكي ظاهر مي‌گردند.
در مرحلة ۴ مشكلات انتقال فناوري به كاربردهاي تجاري نمايان مي‌شود و در مرحلة ۵ پيشرفت در علوم و فناوري راكد مي‌ماند. با جهت‌دهي مجدد تحقيقات صنعتي، فرصتهاي جديدي ظاهر مي‌شود (مرحله ۶) و استفاده‌هاي تجاري كه باعث شروع تحقيقات هزينه‌بر صنعتي مي‌شود آشكار مي‌گردد (مرحله ۷). نهايتاً ورود به تمام بازارها انجام شده و با توليد محصولات حاصل از اختراعات، ميزان تحقيقات انك اندك كاهش مي‌يابد (مرحلة ۸).
جدول ۱: انتشارات و اختراعات ۱۵ كشور فعال در اين زمينه. داده‌ها به صورت درصد نسبت به كل رقم جهاني داده شده‌اند. دورة انتشارات نانوتكنولوژي بين سال‌هاي ۱۹۹۷ تا ۱۹۹۹ با هم مقايسه شده‌اند. در مورد اخترعات ثبت شده در EPO و PCT اين دوره از سال‌هاي ۱۹۹۱ تا ۱۹۹۹ را نيز در بر مي‌گيرد. دليل انتخاب اين مدت زمان اين است كه تعداد مطلق اختراعات ساليانه اندك است و در صورت انتخاب زمانهاي كوتاهتر، بررسيها دچار اشكال مي‌شود.
منابع: داده‌هاي PCTPAT, PCT, EPAT, SCI و محاسبات شخصي.
انتشارات (۱۹۹۷ – ۱۹۹۹) (%) اختراعات EPO & PCT (1991- 1999) (%)
1 آمريكا ۷/۲۳ آمريكا ۰/۴۲

۲ ژاپن ۵/۱۲ آلمان ۳/۱۵
۳ آلمان ۷/۱۰ ژاپن ۶/۱۲
۴ چين ۳/۶ فرانسه ۱/۹
۵ فرانسه ۳/۶ انگليس ۷/۴
۶ انگليس ۴/۵ سوئيس ۷/۳
۷ روسيه ۶/۴ كانادا ۰/۲
۸ ايتاليا ۶/۲ بلژيك ۷/۱
۹ سوئيس ۳/۲ هلند ۷/۱
۱۰ اسپانيا ۱/۲ ايتاليا ۷/۱
۱۱ كانادا ۸/۱ استراليا ۴/۱

۱۲ كرة جنوبي ۸/۱ اسرائيل ۱/۱
۱۳ هلند ۶/۱ روسيه ۱/۱
۱۴ هند ۴/۱ سوئد ۹/۰
۱۵ سوئد ۴/۱ اسپانيا ۵/۰
چنين مدلي كه براساس شاخصهاي اختراعات و انتشارات مي‌باشد و زماني كه از آن براي بررسي فناوريهاي رايج امروزي مانند بيوتكنولوژي يا فناوري ميكروسيستمها استفاده ‌شود، نتايج خوبي در برخواهد داشت]۹[.

با مقايسة اطلاعات مربوط به اختراعات و انتشارات نانوتكنولوژي (شكل ۱) با مدل (شكل۲) مشخص مي‌شود كه نانوتكنولوژي به طوركلي فعلاً در انتهاي مرحلة (۲) يا ابتداي مرحلة (۳) مي‌باشد. با فرض اينكه اين مدل، اطلاعات را به درستي تشريح نمايد، حداكثر فعاليت علمي در علوم نانو در ۳ تا ۵ سال آينده خواهد بود؛ بهره‌برداري عظيم از نتايج آن ممكن است تا ۱۰ سال ديگر به طول انجامد. در يك تخمين اوليه، منحني نانوتكنولوژي (به عنوان مجموع تمام فناوريهاي مقياس نانو) مي‌تواند به عنوان حلقة ارتباط تعدادي از فناوريهاي نانو با اهداف و زمان رشد مختلف در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، بازاري بزرگ براي وسايل الكترونيكي نانومتري پيش‌بيني مي‌شود، ولي ممكن است ۱ تا ۱۵ سال تا ورود آنها به بازار، زمان نياز باشد، هرچند هم‌اكنون نانوذرات TiO2 به صورت مواد جاذب اشعة UV-B در كرمهاي ضد آفتاب يا نانومواد كربني براي افزايش مقاومت لاستيكها، مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
هم اكنون حدوداً بيش از يك چهارم تمام اختراعات بر روي وسايل و ابزارآلات متمركز شده است]۷[. اين امر نشان‌دهندة اين ديدگاه است كه نانوتكنولوژي در ابتداي مرحله توسعه فناوري قرار دارد كه اولين هدف آن توسعه ابزار مناسب براي نانوساختارسازي سطوح، توليد نانومواد، آناليز نانواشياء و غيره مي‌باشد. از نظر بخش صنعتي، مهمترين فناوريها، فناوري اطلاعات(IT)، فناوري دارويي و شيميايي است. براي بخش اول ابزار ذخيره‌سازي اطلاعات، صفحه‌هاي نمايش تخت يا كاغذهاي الكترونيكي جزء اختراعات مهم محسوب مي‌شوند. به علاوه، CMOS گسترش يافته، پردازش اطلاعات در مقياس نانو و وسايل نمايش يا ذخيره‌سازي اطلاعات نيز جزء اين زمينه محسوب مي‌شوند. زيرا طبق اطلاعات انجمنهاي مواد نيمه‌هادي و ساير پيش‌بينيها ]۱۱و۱۰[ پيچيدگي مداوم مراحل فناوري CMOS به زودي به محدوده نانومتري خواهد رسيد. (پيش‌بيني مي‌شود كه ابعاد پردازشگرها در سال ۲۰۱۱ به ۲۲ نانومتر برسد.) صنايع نيمه‌هادي با آگاهي از مشكلات

آينده، تاكنون به تحقيق براي يافتن راه‌حلهايي جهت گسترش CMOS به مقياس نانو و ساخت وسايل جديد در اين مقياس دست زده‌اند.
در مورد صنايع شيميايي و دارويي، تعداد زيادي از اختراعات براي يافتن روشهاي دارورساني، تشخيصهاي پزشكي، درمان سرطان و غيره به ثبت رسيده‌اند، كه اين اختراعات قسمت عظيمي از بازار آينده را در بر خواهند گرفت. اختراعات نانوتكنولوژي در بخشهاي ديگر نظير صنايع هوايي،

صنايع ساخت، فرآوري مواد غذايي، اتومبيل‌سازي، پالايش نفت، بازرسي محيط زيست و غيره هرساله با رشد همراه است. اما تعداد مطلق آنها با توجه به عرصه‌هاي مورد بحث (ابزارسازي، فناوري اطلاعات، داروسازي و پزشكي) اندك است.
۲- فعالان جهاني
بسياري از كشورها در علوم و فناوري نانو فعالند. ۱۵ كشوري كه در زمينه انتشار و اختراع بسيار فعال هستند در جدول (۱) ذكر شده‌اند.