تحقیق مقاله نانو

نانوتکنولوژی چیست؟

کامپیوترها اطلاعات را تقریبا" بدون صرف هیچ هزینهأی باز تولید مینمایند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریبا" بدون هزینه - شبیه عمل بیتها در کامپیوتر - اتمها را به صورت مجزا بهم اضافه کنند ( کنار هم قرار دهند). این امر ساختن اتوماتیک محصولات را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشینهای زیراکس میسر میکند. صنعت الکترونیک با روند کوچک سازی احیاء می گردد وکار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری میشود که قادر به دستکاری اتمهای منفرد مثل پروتئینها در سیب زمینی و همانندسازی اتمهای خاک، هوا و آب از خودشان میگردد.

پیوند علم مواد ، شیمی و علوم مهندسی که نانوتکنولوژی نامیده میشود عرصه أی را بوجود میآورد که ماشین آلات خود تکثیرکننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند.

نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا به زبان ساده‌تر ، ساخت اشیاء اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک است و نانومتر یک میلیاردم متر است

( پهنای معادل با 3 تا 4 اتم). نانوتکنولوژی ساخت ابزارهای نوین مولکولی منحصر به فرد با بکارگیری خواص شیمیایی کاملا" شناخته‌شده اتمها و مولکولها ( نحوه پیوند آنها به یکدیگر) را ارائه می‌دهد. مهارت مطرحه در این تکنولوژی دستکاری اتمها بطور جداگانه و جای دادن دقیق آنان در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده‌آل موردنیاز می‌باشد. این قابلیت تقریبا" حاصل شده است.

بازده پیش‌بینی شده از تسلط بر این تکنولوژی بسیار فراتر از موفقیتهایی است که تاکنون انسان بدانها نائل شده است.

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از :

1- محصولات خوداسمبل

2- کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی

3- اختراعات بسیار جدید ( که امروزه ناممکن است(

4- سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه

5- نانوتکنولوژی پزشکی که درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.

6- دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا

7- احیای مجدد بسیاری از حیوانات و گیاهان منقرض‌شده

8- احیاء و سازماندهی اراضی

دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است: “در جهان اطلاعات ، تکنولوژیهای دیجیتالی کپی‌برداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یک تن ‌تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد می‌شود”.

دکترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف Buckyballs می‌گوید:

" نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد". در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است :

" تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی 4 نفره که به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید" .

موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت

مطالعه نانوتکنولوژی

نانوسیستم‌ها :

متن استاندارد این رشته، کتاب دکتر اریک درکسلر با نام "نانوسیستمها: ماشین‌آلات ساخت، تولید و محاسبه مولکولی" است. شما می‌توانید یک نسخه از آن را خریده، و مطالعه کنید.

مکانیک مولکو لی:

هر فنّاوری تولیدی باید بتواند اتمها را از جایی که هستند، به جایی که ما می‌خواهیم باشند، حرکت دهد. بنابراین، چگونه حرکت اتمها و نیروهای اثرگذار روی آنها در طول حرکت، رشته‌ا‌ی حیاتی در مطالعه نانوتکنولوژی محسوب می شود. این رشته، مکانیک مولکولی نامیده می‌شود. یک بحث خیلی خلاصه در مورد مکانیک مولکولی و اهمیتش برای نانوتکنولوژی در وب در "نانوتکنولوژی محاسباتی" موجود است، که شامل مراجعی برای مطالعات بیشتر است.

یک مقدّمه کلاسیک به مکانیک مولکولی، کتاب مکانیک مولکولی نوشته اولریخ بورکرت و نورمن آلینجر، چاپ انتشارات American Chemical Society در سال 1982 است، که هرچند چاپ نمی‌شود، ولی در کتابخانه‌های دانشگاهی موجود است.

کتاب نانوسیستمها مفهوم پایه مکانیک مولکولی را در فصل 3 خود شروع کرده‌است. مزیت بزرگ این کار درکسلر، پذیرش واحدهای سازگار SI است. مطالعه آهسته و دقیق این فصل شایسته انجام است.

پیش‌درآمدهای بسیار دیگری به مکانیک مولکولی موجود است. بسته‌های نرم‌افزاری که مداخل ورودی خاصی به این زمینه دارند، موجود بوده و برای درک مفاهیم آن، بسیار مفید هستند.

کنترل مکانی، سختی و انعطاف‌پذیری :

یک ایده اساسی در نانوتکنولوژی، کنترل مکانی است؛ که با ابزارهای رباتیک کاملا" استاندارد قابل حصول است. تفاوت عمده ابزارهای رباتیک مرسوم با انواع مولکولی، مسأله نویز حرارتی است. در مقیاس مولکولی، ذرّات به دلیل حرکت براونی درحال جست‌وخیز هستند. برای کنترل این مسأله، ذرّات را بایستی محکم نگهداشت، یعنی یک نیروی برگرداننده باید وجود داشته‌باشد که برای بازگرداندن ذرّات به موقعیت تعادلی، در صورت انحراف عمل کند (تعریف موجزی از "کنترل مکانی"، همین وجود نیروی برگرداننده است). نیروی برگرداننده معمولا" به صورت تابع خطی جابجایی فرض می‌شود :

نیروی برگرداننده = جابجایی× Ks

ثابت Ks معیاری از سختی سیستم است. هرچه سختی بیشتر باشد، نیروی برگرداننده بزرگتر و انحراف سیستم از موقعیت تعادلی، کوچکتر می‌شود. رابطه بنیاد‌ی سختی و بی‌ثباتی مکانی عبارتست از :

б2 = kT / Ks

این رابطه 4-5 فصل 5 کتاب نانوسیستمها است، که باید به‌خاطر سپرده و کاربردهای اصلی آن را شناخت. برای استفاده از آن، لازم است سختی (Ks) مشخص شود. سختی یک ساختار را از هندسه و خواص مواد آن می‌توان تعیین کرد. این مفاهیم پایه در فصول 38 و 39 دروس فیزیک فینمن نوشته فینمن، لیتون و سندز، چاپ انتشارات Addison-Wesley سال 1964 موجود است. لذا خواندن این فصل پیشنهاد می‌شود.

کاربرد این معادلات در بعضی ابزارهای رباتیک (ازجمله سکّوی استوارت که به علت سختی بالایش برای مصارف رباتیک مولکولی) مورد توجه است)، در خانواده جدیدی از ابزارهای مکانی با 6 درجه آزادی، توضیح داده شده‌است. این کاربردها همچنین در فصل 5 نانوسیستمها و بخش 4-13 آن، که یک بازوی رباتیک را مورد بحث قرار داده، بیان شده‌است.

خودهمانندسازی :

اندیشه اساسی دوم در نانوتکنولوژی، خودهمانندسازی است. دانشجو باید صفحه وبی را بعنوان مقدمه خودهمانندسازی خوانده و چند مرجع موجود در آن را برای مطالعه بیشتر انتخاب کند. تئوری دور و تکرار (recursion theorem) مبنای سیستمهای خودهمانندساز است. فهم این تئوری، الزامی است. بعنوان تمرین برنامه‌ا‌ی بنویسید که خودش را دقیقا" چاپ کند. نسخه‌ای از مطالعات 1980NASA را می‌توانید بخرید، که دارای بخش باشکوهی در مورد سیستمهای خودهمانندساز است.

مطالعات بیشتر :

البته موضوعات زیاد دیگری نیز در زمینه پیشرفت نانوتکنولوژی وجود دارد. به‌نظر می‌رسد مفیدتر باشد که لیست کوتاه و فشرده‌ا‌ی از موضوعات اساسی ارائه شود که بتوان با یک تلاش معقول بر آنها تسلط یافت، تا اینکه لیست آنچنان بلند و سنگین باشد که هر موضوعی با هر درجه اهمیتی را پوشش دهد. دانشجو می‌تواند مطمئن باشد که هیچ کمبودی از نظر مفاد مطالعاتی در مورد این رشته جدید تحقیقاتی وجود ندارد.

نانو و مکانیک

ایرانیان در قرن‌های چهارم تا هفتم هجری از نانوذرات نقره و مس برای تزیین سفال‌های خود استفاده می‌کرده‌اند

محققانی از کشور ایتالیا به همراه مهندس فرح شکوهی، مهندس پروین اولیایی، دکتر جواد رهیقی و دکتر محمد لامهی رشتی از سازمان انرژی اتمی کشورمان، نتایج تحقیقات صورت‌گرفته بر روی لعاب‌های استفاده‌شده بر روی سفال‌های ایرانی قرن‌های 4 تا 7 هجری را به صورت مقاله‌ای در مجله Applied Physics A منتشر کرده‌اند.

طبق نتایج این تحقیق، وجود نانوذرات نقره و مس در لعاب مورد استفاده در تزئینات سفالی قرون 4 تا 7 هجری موجب پیدایش اثرات کروماتیکی مختلفی در این سفالینه‌ها شده است.

تصاویر TEM ارائه‌شده در این مقاله، حاکی از پخش‌شدن نانوذرات هم‌اندازه نقره با قطر حدود 20 نانومتر در پایه شیشه‌ای لعاب روی سفال‌هاست.

الکترونیک

شکی وجود ندارد که صنایع میکروالکترونیک به زودی مجبور خواهد بود با طبیعت محدود ماده در مقیاس نانو کار کنند . این مشکل بزرگ, که در صنایع نیمه‌هادیها به "خط قرمز" معروف است, باعث شده است تا فعالیت زیادی برای درک رفتار الکترونیکی مقیاس نانو و فراگیری فرآیندهای مناسب نانو ساختن و توسعه معمارهای نوین کامپیوتری صورت گیرد. در حالی که فرآیند سیلیکونی " بالا به پایین" با سرعت ثابت بین 5 تا 10 سال ترقی یابد، انتظار می‌رود که نانوالکترونیک یک نمونه جدید از محاسبات را ارائه نماید و این مورد یکی از کاربردهای داغ و مورد توجه نانوتکنولوژی است.

فوتونیک

مواد با فاصله باند فوتونی ( PBG) که در آنها الکترونها توسط فوتونها جابجا می‌شوند به نیمه‌هادیها شباهت دارند. همانگونه که در نیمه‌هادیها میتوان الکترونها را بین مناطق آغشته(نوع N یا P) انتقال داد، با ایجاد ساختارهای متناوبی از مواد PBG که ثوابت دی‌الکتریک متفاوتی دارند، می‌توان جریانی از نور را از درون این مواد هدایت کرد.فاصله تناوبی این ساختارها بستگی به طول موج شعاع نوری دارد که از PBG عبور می‌کند؛مثلاً این طول موج برای نور مرئی چند صد نانومتر می‌باشد. این مواد تقریباً یک کشف جدید هستند و گستره کاربردی وسیعی را از دیودهای منتشرکننده نور ( LED) گرفته تا کامپیوترهای کوانتومی دارا می‌باشند.

نانولوله های کربنی

10 سال پیش سومیو لیجیما (یکی از شرکت‌کنندگان TNT 2001 در حال حاضر) دریافت که تعداد انواع نانولوله‌ها ( و مواد مربوط به آنها) همانند موارد کاربرد آنها بسیار گسترده و زیاد است. بعضی از این کاربردها که در کنفرانس مورد بررسی قرار گرفتند، عبارتند از: میکروسکوپی پروب اسکن‌کننده ( SPM) ، نمایشگرهای انتشارمیدانی، نانومدارها و حتی کاتالیست‌ها. نانولوله‌ها با کاربردهای فراوانشان می‌توانند بعنوان چرخها و عوامل حرکت رو به جلوی نانوتکنولوژی مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به اندازه نانومتری این لوله‌ها، اختراعات زیادی ممکن است در مسیر تحقیق و توسعه آنها به وقوع بپیوندد.