تحقیق مقاله نانو تکنولوژی چیست؟

نانوتکنولوژی یکی از مدرن ترین علوم روز دنیاست که دارای خصوصیاتی منحصر به فرد با کاربرد هایی در تمام زمینه های علم و فناوری است. توجه روز افزون بشر به این علم فقط بواسطه ی تازگی و کنجکاوی بشر برای دانستن آنچه نمی داند، نیست؛ بلکه بدلیل قابلیت های ویژه ای است که پیش روی انسان قرار می دهد و دستیابی به آنها جز از این راه ممکن نیست. از طرفی اطلاعات مختلف درباره ی زمینه های تحقیقاتی و عملی این علم در حیطه دانش هر فرد، باعث پویایی فکر و اندیشه ی وی می شود. این تحقیق بنا دارد تا گوشه ای از مبانی، ساختار، اهمیت و کاربردهای نانوتکنولوژی را بیان کرده و به چشم اندازهایی که این شاخه در پی دست یابی به آنهاست اشاره کند.

روند رو به رشد کنونی نشان می دهد که نانوتکنولوژی در حال پیشی گرفتن از رقیبان سرسخت خود یعنی پروژه­ ی ژنوم انسانی و IT است و می خواهد یکه تاز عرصه ی انقلاب صنعتی سوم باشد. آیا در عمل نیز چنین اتفاقی خواهد افتاد؟ باید منتظر ماند.

نانوتکنولوژی چیست؟

" نانوتکنولوژی یعنی بررسی هر چیز در مقیاس یک میلیاردیوم آن"، این ساده ترین و عامیانه ترین تعریفی است که می توان از نانوتکنولوژی ارائه داد. می دانیم که یک نانومتر برابر 9-10 متر است. این عدد 80000/1 قطر موی انسان و یا 10 برابر قطر یک اتم هیدروژن است! آلبرت فرانکس1 یکی از پیشگامان توسعه ی کاربردهای صنعتی نانوتکنولوژی معتقد است:

(( نانوتکنولوژی بخشی از علم و تکنولوژی است که ابعاد و کوچکترین ارقام با معنی در محدوده ی 0.1تا 100 nmدر آن نقش اساسی ایفا می کنند.))

با توجه به این تعریف در واقع نانوتکنولوژی توصیف همه جانبه ی فعالیت ها و تلاش هایی است که با دست بردن در اساسی ترین فرم ماده (اتم ها) باعث می شود تا به خواص خارق العاده ای از ماده دست یابیم، چرا که اگر مواد به کوچکترین ابعادشان (اتم ها یا مولکول ها) شکسته شوند، می توانیم خصوصیات بنیادیشان را تغییر داده و به ماده ای تبدیل کنیم که در حالت عادی تهیه و تولید آن به هیچ عنوان امکان پذیر نیست.

پس نانوتکنولوژی علمی است که به دنبال دستیابی به روش ها، فنون، مواد لازم و ابزارهای مورد نیازی است که بتواند چنین تحولاتی را در مواد مختلف ایجاد کند، به عبارت بهتر نانوتکنولوژی نگرشی جدید به انواع رشته های علمی است و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را در بر می گیرد.

تاریخچه‌ای بر نانوتکنولوژی

همانطور که اشاره شد نانوتکنولوژی یکی از جدیدترین و مدرن ترین علومی است که امروزه در جهان مطرح است. عمر این فناوری چیزی کمتر از 10 سال است، ولی محققان پیش بینی می کنند ظرف 5 سال آینده تحولات بسیار عظیمی در این زمینه صورت خواهد گرفت. دکتر سامر می گوید:

((نانوتکنولوژی یکی از فناوری هایی است که نسبت به سال های ابتدایی تحقیقات صنعتی و دانشگاهی آن در مقایسه با سایر علوم بسیار بسیار سریعتر دستخوش تغییرات و پیشرفت های فراوان شده است.))

دکتر تیمپ2 نیز در کتاب "Nanotechnology" می نویسد:

((نقشی که نانوتکنولوژی در توسعه پیشرفت بشر ایفا خواهد کرد بسیار بیشتر و تأثیر گذارتر از نقشی است که مارکوپولو و سفر هایش به شرق در توسعه و پیشرفت غرب ایفا نمود. چرا که مارکوپولو ذهنی خلاق و نگاهی دقیق و موشکافانه داشت و تمام آنچه را که در طول سفر تا چین در نقاط مختلف می دید به دقت یادداشت می کرد و الگو گرفتن از همان نوشته ها باعث شروع توسعه و پیشرفت در غرب شد.))

اهمیت و ضرورت نانوتکنولوژی

امروزه علم و فن آوری در بسیاری از زمینه ها تقریباً به مرز نهایی خود نزدیک می شود و شاید دیگر جوابگوی توقعات روزافزون بشر نباشد. اینجاست که نانوتکنولوژی قابلیت های نهفته ی خود را یکی پس از دیگری به بشر عرضه نموده و به یکی از مهمترین و جذابترین زمینه های تحقیقاتی بشر در سال های اخیر تبدیل شده است. شاید به این جهت که می توان با آن به بسیاری از رویاهای دیرین بشر دست یافت. آیا کسی تصور می کرد که روزی متخصصان نانوتکنولوژی بتوانند ماشین های بسیار کوچکی را بسازند که در درون بدن در حال گشت و گذارند و به تعقیب باکتری ها و ویروس های بد و مضر می پردازند؟ و می توانند مشکلات ما را با کلسترول ها و چربی ها حل کنند؟ یا ماشین های کوچکی که لخته های خونی را می شکنند و موجب افزایش متوسط طول عمر می شوند؟

نه مطمئناً سال ها پیش زمانی که ریگول ولچ در فیلم سینمایی خیره کننده اش ((سفر دریایی خیالی)) داستان یک کشتی مینیاتوری را به تصویر کشید که جریان خون را درمی نوردید و با گلبول های قرمز روبرو می شد و.... هرگز چنین روزی را پیش بینی نمی کرد!

از کاربردهای دیگر نانوتکنولوژی در زمینه های مختلف می توان به موارد زیر اشاره کرد:

در زمینه الکترونیک، ساخت رایانه های کوانتومی که تقریبا سرعتی 1000 برابر رایانه های امروزی دارند. در پزشکی، ساخت کپسول هایی که می توانند بافت های مریض بدن را شناسایی کرده و دقیقاً دارو را در آن محل قرار دهند. در حمل و نقل، استفاده از مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شده اند و به میزان چشم گیری موجب کاهش وزن وسائل نقلیه شده، که نتیجه آن سرعت بالاتر، مصرف سوخت کمتر، آلودگی ناچیز و .... است. یا استفاده از نانو ذرات به جای فولاد که وزن بسیار ناچیز، استحکام حیرت انگیز، (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با فولاد، چند صد برابر بیشتر است) و قیمت بسیار ارزان دارند. با استفاده از این فناوری لاستیک هایی می توان ساخت که با دارا بودن درصدی از خاک رس، مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش پیدا کرده و عمری چندین برابر لاستیک های معمولی دارند.

از کاربردهای نانوتکنولوژی در شیمی، تولید کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالاست که راندمان را در واکنش های شیمیایی یا واحدهای صنعتی به میزان بسیار زیادی افزایش می دهند.

ساخت سلول های خورشیدی کوانتومی، استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز، نسل جدید باطری ها، پوشش های بسیار مقاوم، رنگ های بی نیاز از شستشو، لباس هایی هوشمند و بی نیاز از شستشو که علاوه بر قابلیت ترمیم خود بخودی می توانند به رنگ محیط اطراف درآیند، از دیگر کاربردهای نانوتکنولوژی در شیمی می باشند.

از این فناوری می توان در تولید آشکار سازهای گازی لایه نازک که نیاز به اطلاعات جامعی از فرآیندهای سطحی لایه مرزی میانی گاز- جامد در مقیاس مولکولی دارد را تولید کرد. در این روش دو پارامتر اساسی آنها یعنی حساسیت و تفکیک پذیری به مراتب افزایش می یابد.

همه و همه ی خصوصیاتی که به آنها اشاره شد تنها با دستیابی به دانش نانوتکنولوژی امکان پذیر است. از اینرو شمار زیادی از کشورها به این موضوع مهم پی برده و توجه خاصی نسبت به آن دارند. این کشورها مبالغ هنگفتی را برای تحقیق و توسعه ی فناوری نانو اختصاص داده اند. به عنوان مثال، بودجه سرمایه گذاری آمریکا در سال 2003 در این زمینه معادل 710 میلیون دلار بوده و پیش بینی می شود میزان این سرمایه در سال 2004 به یک میلیارد دلار بالغ گردد.

همچنین میزان سرمایه گذاری دیگر کشورها در این زمینه به شرح زیر است:

ژاپن 165 میلیون دلار، کره جنوبی 500 میلیون یوآن، چین 105 میلیارد یوآن، آلمان 94 میلیون مارک و اسرائیل 2 میلیون دلار.

حال با این توضیحات و با این افق های روشنی که نانوتکنولوژی به همراه خواهد آورد، آیا جایی برای تعلل و درنگ بر ما باقی می ماند؟

ماهیت و ساختار نانوتکنولوژی

ساختار عملی نانوتکنولوژی از دستکاری در اتم ها یا مولکول های مواد شکل گرفته است. از طرفی تولید محصولات نیز به اتم ها وابسته است و خصوصیات آنها به چگونگی نظم بین اتم هایشان بستگی دارد. مثلاً اگر بتوان اتم های درون یک معدن را بازآرایی کرد، می توان الماس بدست آورد، اگر می شد اتم های موجود در شن را بازآرایی کرد(و به آن مقداری عناصر افزود) تراشه های کامپیوتری تولید می شدند و اگر امکان پذیر بود اتم های موجود در گرد و غبار یا آب و هوا را بازآرایی کرد می توانستیم سیب زمینی داشته باشیم!

نوع دیگر رویکردهای نانوتکنولوژی کشف ساختارهای اسپین مولکول است که به فهم و درک قابل توجهی از نقل و انتقالات قابل کنترل در ترازهای مولکولی مواد مختلف منجر می شود. هریک از دو رویکرد فوق (اتمی و مولکولی) کاربردهای بسیار وسیعی در قلمرو پزشکی، شیمی، فیزیک، الکترونیک و تکنولوژی اطلاعات بر عهده دارند.

از سوی دیگر برای کارکردن در مقیاس اتمی و مولکولی باید از وسائل بخصوصی استفاده کرد (بهترین روش استفاده از میکروسکوپ تحقیقاتی است). حرکت کردن اتم ها به صورت انفرادی در حول یک سطح، خیلی آهسته و مشکل است، برای انجام این کار محققان دانشگاه هاروارد انبردست هایی با نوک نانوتیوپ ساخته اند که قادر به حرکت دادن اشیایی کوچکتر از سلول های بیو شیمیایی هستند. آنها معتقدند این ابزارها قادر به منظم کردن تک تک مولکول ها هستند.

پس از بررسی ساختار نانوتکنولوژی در مقیاس اتمی با ذکر یک مثال به مقایسه ی نسبت سطح به حجم (A/V) در مقیاس نانو با حالت عادی می پردازیم، در آخر هم اثبات ریاضی آن را ارائه می کنیم.

وقتی گفته می شود نسبت(A/V) در اجسام با مقیاس نانو به مراتب بیشتر از حالت عادی است، یعنی با تغییر در مقیاس اتمی (یا کوچکتر)، اجزاء سازنده ی ماده به گونه ای در کنار هم قرار می گیرند که بیشترین سطح ممکن را ایجاد کنند و چون این حالت در مقیاسی است که اندازه ها بسیار بسیار کوچکند، به همان نسبت افزایش سطح بسیار بسیار زیاد می شود که نتیجه ی آن هم اغلب سبکتر شدن ماده و... خواهد بود، چرا که مثلاً وقتی g 1 از یک جسم معمولی، سطحی برابر2 1 cmدارد (مقیاس ها فرضی اند)، در مقیاس نانو همانg 1سطحی به مراتب بیشتر تولید می کند؛ مثلاً 2 m 10. پس اگر بتوان در مقیاس نانو به غلط سطح را با عکس جرم متناسب دانست، (A α 1/m)، به این معنی است که وقتی در یک حجم ثابت سطح افزایش یابد، می توان آن را به صورت کاهش جرم بیان کرده و نتیجه گرفت که نسبت m/v کوچک می شود و این هم یعنی کاهش دانسیته ی ماده که نتیجه آن سبک تر شدن ماده خواهد بود. حال به عنوان یک پیش فرض برای اثبات ریاضی فرض کنید لوله ای توپر به طول1cm در اختیار داریم. این لوله دارای مساحت سطح معینی است، اگر این لوله را به 100 قسمت تقسیم کنیم، آیا سطح موثر آن کاهش می یابد یا افزایش؟ اگر به 109 قسمت تقسیم شود چطور؟

در ابتدای بررسی ویژگی (A/V) توصیه می کنم منطق صرف ریاضی را کنار گذاشته و آن را با مقداری استدلال و قوه ی تجسم در آمیزید. می خواهیم نسبت سطح به حجم در یک استوانه به قطر r و ارتفاع l (شکل 1) را با n استوانه با همان قطر ولی به ارتفاع l/n (شکل 2) مقایسه کنیم ( اگر این n استوانه به طول l/n را در کنار هم قرار دهیم، یک استوانه با طول l بدست می آید).