تحقیق مقاله نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژى چیست؟

Nano کلمه اى یونانى به معنى کوچک است که در فیزیک و ریاضیات نشان دهنده یک میلیاردیم یک کمیت است. چون قطر یک اتم تقریباً به اندازه ۱۰ نانومتر است، این اصطلاح براى مطالعه عمومى روى ذرات اتمى و مولکولى به کار برده مى شود. نانو تکنولوژى عبارت است از توانمندى تولید مواد، ابزارها و ترکیبات جدید با تغییر ساختار سطوح مولکولى و اتمى آنها براى ایجاد خواص و ویژگى هاى دلخواه در این مواد. از فن آورى نانو به عنوان «رنسانس فن آورى» و «روان کننده جریان سرمایه گذارى» یاد مى شود.

در حال حاضر بخش هاى دولتى و خصوصى کشورهاى مختلف جهان شامل ژاپن، آمریکا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، کره جنوبى، استرالیا، اسرائیل و روسیه در رقابتى تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازى جهانى در لااقل یک حوزه از این فن آورى به سر مى برند و روى هم رفته حدود ۳۰ کشور دنیا در زمینه فن آورى نانو داراى «برنامه ملى» یا در حال تدوین آن هستند، و طى پنج سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فن آورى نانو را به ۳‎/۵ برابر افزایش داده اند. کشورهاى ژاپن و آمریکا نیز فن آورى نانو را مهمترین اولویت کشور خود در زمینه فن آورى اعلام کرده اند.
هرچند آزمایش ها و تحقیقات نانو تکنولوژى ، بیشتر از ابتداى دهه ۸۰ قرن بیستم شروع شده است اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باور نکردنى نانو تکنولوژى در روند تحقیق و توسعه باعث شد، نظر تمامى کشورهاى بزرگ به این موضوع جلب شود و فن آورى نانو را به عنوان یکى از مهمترین اولویتهاى تحقیقاتى خویش طى دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند ورود محصولات متکى بر این فن آورى جهشى بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگى و توانایى هاى دفاعى و زیست محیطى به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابه جایى هاى بزرگ اقتصادى خواهد شد.
استفاده از این فن آورى در کلیه علوم پزشکى، پتروشیمى، علوم مواد، صنایع دفاعى، الکترونیک، کامپیوترهاى کوانتومى و غیره باعث شده، تحقیقات در زمینه نانو به عنوان یک چالش اصلى و علمى و صنعتى پیش روى جهانیان باشد.

علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تکنولوژی) توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد.
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملکولی ) - مثل یک درخت یا یک میکروب - ساخته می شود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال: ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نوورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلیهمه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف  سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار شناسائی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر.

از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند

تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!

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.

تاریخچه نانوتکنولوژی:

1-2-   1959- 1958 شکل گیری مفاهیم نانوتکنولوژی

2-2-  1986-  1988 شروع شکل گیری تحقیقات با تعاریف شفاف،

پیشرفتهایی در بعضی امکانات و تجهیزات

3-2-  1989- 1991 گسترش فعالیتها و شروع حضور دولتها

4-2-  1992-1994 تعریف پروژه‌های تحقیقاتی زیاد و جواب دادن بعضی از پروژه‌ها

5-2-  1995 تاکنون ورود جدی دولتها و سرایه گذاری بخش خصوصی

  یک نانومتر چیست؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (m 9-10) است. این مقدار حدوداً چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 5/2 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین ICهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی‌شکل (مکانیک کوآنتمی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارایی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود. نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما  اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرارداده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پرقدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرایندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانوذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیک‌های نانوساختاری غالباً سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنش‌ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

آیا موضوع نانوتکنولوژی کاملاً جدید است؟

بسیاری از تکنولوژیهای موجود به فرایندهایی در مقیاس نانو وابسته هستند فتوگرافی و کاتالیزور دو نمونه از نانوتکنولوژی‌های قدیمی هستند که بصورت تجربی در مقیاس نانو پیشرفت کرده‌اند. بنظر می‌رسد که این دو تکنولوژی همراه با پیشرفت نانوتکنولوژی رشد شایانی نسبت به گذشته داشته باشند. بیشتر تکنولوژی‌‌هایی که امروزه وجود داشته و از ماده در مقیاس نانو استفاده می‌کنند توسط افراد غیرمتخصص در این زمینه کشف شده و در اکثر آنها نیز تا مدتی پیش،  نقشی که مقیاس نانومتر بازی کرده است، مورد توجه قرار نمی‌گرفت. بعنوان مثال حالا معلوم شده که اضافه کردن نوعی خاص از خاک رس به لاستیک، به طور قابل توجهی باعث افزایش طول عمر و بهبود خواص سایش آن می‌گردد زیرا ذرات نانومتر خاک رس ب0ه انتهای مولکولهای پلیمر چسبیده و تشکیل رشته مولکولی داده و آنها را از شکسته‌شدن باز می‌دارد. این فرایند ساده باعث بهبود قابل توجهی در خواص این ماده مرکب – جزئی لاستیک و جزئی خاک رس- شده است.

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش‌بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده‌اند‌‌‌، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده‌اند، هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانوذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ‌دانه.

 بسیاری دیگر از ساختارها نیز هم‌ اکنون در مرحله تحقیق و یا توسعه هستند که لیست برخی از آنها در زیر آمده است:

 صنایع اتومبیل‌سازی و هوانوردی: مواد جدید که  از نانو ذرات ساخته شده‌اند برای بدنه های سبک‌تر، لاستیکهایی با مقاومت سایش بهتر و قابل بازیابی،  رنگ‌کارهای بیرونی که احتیاجی به شستشو ندارند،  پلاستیکهای ارزان غیرقابل اشتعال، صنایع الکترونیکی برای کنترل، پوشش‌های خود ترمیم و منسوجات بکار میروند.

 الکترونیک و ارتباطات: ضبط کامل صدا توسط نانولایه‌ها و نقطه‌چین‌کردن، صفحه‌های نمایش صاف، تکنولوژی بی‌سیم، ابزار و فرایندهای جدید در تکنولوژیهای اطلاعات و ارتباطات، هزاران اصلاح و پیشرفت در ظرفیت ذخیره داده‌ها و سرعت پردازش  در سطح پایین‌تر قیمت و کارایی بالاتر در مقایسه با مدارات فعلی الکترونیکی.

 مواد و شیمی: کاتالیزورهایی که راندمان انرژی را در واحدهای شیمیایی بالا می‌برند و باعث بهتر شدن بازدهی احتراق در وسایل نقلیه می‌شوند، در‌یلهای خیلی سخت و مقاوم، ابزارآلات برش، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان‌سازها.

 داروسازی، بهداشت و علوم زندگی: داروهای جدید با ساختار نانو،  ژنها و سیستمهای ارسال دارو که بسوی مکانهای مشخصی از بدن هدف‌گیری شده‌اند، قطعات سازگار برای جایگزینی اعضای بدن،  سنسورها برای آزمایشگاههای کامل  روی یک تراشه، موادی برای استخوان و بازسازی بافت‌ها.

 تولید تکنولوژیهای انرژی: انواع جدید باطریها،  فتوسنتز مصنوعی برای انرژی تمیز، سلولهای خورشیدی کوانتمی،  ذخیره ایمن هیدروژن برای استفاده بعنوان سوخت تمیز، ذخیره انرژی با استفاده از مواد سبکتر و مدارات کوچکتر.

 اکتشافات فضایی: وسایل نقلیه سبک فضایی، تولید و مدیریت اقتصادی انرژی ، سیستمهای روباتی فوق‌العاده کوچک و توانا.

 محیط‌زیست: پره‌های انتخاب‌کننده که می‌توانند آلودگیها و حتی نمک را از آب جدا کنند، جرم‌‌گیرها و صافی‌های نانوساختار برای برطرف کردن آلودگیها از بیرون ریزهای صنعتی،  افزایش بهره‌وری در نگهداری و تعمیرات صنعتی با مواد و انرژی کمتر و افزایش امکان بازیافت.

امنیت ملی: آشکارسازها و مسمومیت‌زداهای مؤسسات بیولوژیکی و شیمیایی، مدارات الکترونیکی تواناتر، مواد و پوشش‌های سخت نانو ساختار،  منسوجات سبک و خود ترمیم، جایگزینی خون، سیستمهای نظارتی مینیاتوری

دولت چه باید بکند تا کشور بتواند از تمام مزایای نانوتکنولوژی استفاده کند؟ دولت  در اطمینان دادن نسبت به اینکه کشور سودهای عظیم نانوتکنولوژی را دریافت خواهد کرد نقش کلیدی ایفا می‌نماید. اهداف تحقیقات نانوتکنولوژی بسیار پایه‌أی، درازمدت (بیشتر از 10 سال) و فرا رشته‌ ای است و ریسکهای زیادی برای صنعت در به عهده گرفتن سریع رهبری آن وجود دارد. صنعت توان سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقات درازمدت و مخاطره‌آمیز را که سالهای دراز طول خواهد کشید تا به مرحله تولید برسند را ندارد لذا در کشور بایستی تحقیقات دانشگاهی و دولتی این خلاء را پر کنند. بخاطر طبیعت فرارشته‌أی نانوتکنولوژی تیمهایی از فیزیکدانان، شیمی‌دانان، بیولوژیست‌ها و مهندسان برای توسعه آن موردنیاز می‌باشد. مؤسسات دولتی نیز بایستی این کار تیمی را پرورانده و به ثمر برسانند. علاوه بر آن زیرساختارهای جدیدی در دانشگاهها و آزمایشگاههای ملی برای توسعه در این بخش لازم است.

نانوتکنولوژی و صنعت نفت

فناوری نانو می­تواند 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 ) برنده جایزه نوبل، بالک مینسترفلورسنس را در سال 1985 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 62 درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینه ‌ 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 بهبودیافته 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 درباره مخزن بدست آورد.