فناوری نانو و چالش‌های آن از گذشته تاکنون

مقدمه

قرن بیست یکم قرن فناوری نانو است .نانو نه یک ماده است و نه یک جسم ، فقط یک مقیاس است .مقیاس کوچکی که با چشم به راحتی دیده نمی شود اما تاثیرات زیادی در زندگی انسان دارد .مواد در این مقیاس خصوصیات منحصر به فرد خود را دارند …

نانو چیست؟

نانو در لغت به معنای یک میلیاردیم  یعنی 10^-9  (0/000000001) و در اصل ریشه یونانی واژه «نانس»  ( νάνος)  به معنی کوتوله است .نانو را به هر چیز کوچکی می توان نسبت داد.

نانو یک پیشوند است که قبل از هر واحد اندازه گیری که آورده شود به معنای یک میلیاردیم آن واحد است.

جالب است بدانید که در بین همه ی واحد های اندازه گیری ( دسی سانتی میلی میکرو نانو پیکو … ) تنها و تنها نانو به عنوان یک علم بطور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است.

شاید تاریخچه نانو به حدود 400 سال پیش برگردد زمانی که دموکریت فیلسوف یونانی از واژه «اتم» (Άτομο) به معنای تجزیه ناپذیر برای توصیف کوچک ترین ذرات سازنده ماده استفاده کرد . چرا که اندازه کوچک ترین واحد های سازنده مواد( اتم ها و مولکول ها ) در همین محدوده قرار می گیرد .

اگر چه تا کنون دانشمندان 108 نوع اتم و شمار زیادی ایزوتوپ کشف کردند و همچنین پی برده اند که خود اتم ها از ذرات کوچک تری نظیر کوارک ها و لپتون ها تشکیل شده اند که کشف آن ها تاثیر مهمی در پیدایش این فناوری پیچیده نداشته است .

اولین بار ریچارد فاینمن (1918_1988) ،فیزیکدان برنده جایزه نوبل سال 1965، دیدگاه خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان «در پایین دست، فضای زیادی وجود دارد» درمورد علوم نانو مطرح کرد.( 29 دسامبر 1959 برابر با 23 آذر 1338) که در آن زمان کسی تحقق آن را ممکن نمی دانست و اکنون که این مقاله را می‌نویسم بسیاری از دیدگاه‌های فاینمن نه‌تنها روی کاغذ بلکه در دنیای واقعی نمود پیدا کرده است.

فناوری+نانو

فناوری نانو یا Nanotechnology از دو کلمه‌ی فناوری (Technology) و نانو(Nano) تشکیل شده است. به همین دلیل خیلی از افراد مرتبط با این فناوری از عبارت ( نانو تکنولوژی) استفاده می کنند! اما از آنجا که فرهنگستان زبان و ادبیات فارسی سعی در جایگزین کردن واژگان فارسی به جای واژگان بیگانه دارد معادل عبارت «نانو تکنولوژی» در زبان فارسی «فناوری نانو»  نام گرفت.

فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده ایست عظیم که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته و از فناوری‌های نوینی است که با سرعت هر چه تمام تر در حال توسعه می‌باشد.فناوری نانو در کنار علوم و فناوری‌های زیست شناسی و ژنتیک مولکولی، فناوری اطلاعات (IT) مولفه‌های انقلاب سوم صنعتی جدید را تشکیل می‌دهند.

هدف از فناوری نانو در نهایت تولید ثروت و افزایش کیفیت زندگی و سلامت مردم است. ( دکتر محسن جهانشاهی) اما هدف خود این فناوری یا بهتر بگویم موضوع اصلی آن مهار ماده یا دستگاه های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر ( μm )، معمولا حدود یک تا صد نانومتر (nm) است. به زبان ساده فناوری نانو فهم و به کار گیری خواص جدیدی از مواد و سیستم های در ابعاد نانو است که اثرات خواص فیزیکی جدیدی_عمدتا متاثر از غلبه ی خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک_ از خود نشان می دهد. در واقع خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم ها و مولکول ها با خواص توده ماده متفاوت است.

هرچند فناوری نانو جزء فناوری‌های نوین محسوب می‌شود اما شاید بتوان گفت نقطه ابتدایی و شروع توسعه این فناوری به قرون وسطا برمی‌گردد.

در آن زمان شیشه‌گران برای شکل دادن شیشه‌ها از قالب‌های قدیمی (Medieal forges) استفاده می‌کردند. اولین نانو تکنولوژیست‌ها برای ساخت شیشه‌های کلیسا‌های خود از ذرات نانو متری طلا استفاده می‌کردند. ما امروزه می دانیم که خواص فیزیکی مواد در ابعاد نانو متر (1تا100nm ) دستخوش تغییر می شود اما آنان نمی دانستند، نمی دانستند که دارند بطور نا خود آگاه با استفاده از تغییر رنگ به وجود آمده از شیشه‌ها بر پایه خواص مواد در ابعاد نانو از این فناوری بهره می برند.

هم اکنون این قبیل شیشه‌ها در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شود.

وجه منحصربه‌فرد فناوری نانو

وجه منحصر به فرد فناوری نانوداشتن عناصری به نام نانو مواد و نانو ساختار است که نقش بسزایی در شکل‌گرفتن فناری نانو داشته است .

نانو ساختار ها سنگ بنای فناوری نانو هستند.آن ها در همه زمینه ها به چشم می خورند چه در دستگاه های زنده و چه غیر زنده. از نظر اندازه بین ساختار های مولکولی و میکرونی هستند . از تجمع تعداد زیادی اتم شکل می گیرند. نسبت حجم به سطح (  volume ratio_to_surface) آن ها زیاد است .

لیتو گرافی ( اسمش را گذاشتم نانو ساختن)

“اما من هراسی ندارم که پرسش آخرم را طرح کنم. آیا ــ در آینده بسیار دور ــ می‌توانیم اتم‌ها را آن‌جور که می‌خواهیم بچینیم؟ خود اتم‌های بسیار ریز! چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی‌یکی طوری بچینیم که می‌خواهیم؟”(ریچارد فاینمن)

یکی از اهداف مهم فناوری نانو وجود آوردن ساختارهایی از مواد است که در آنها آرایش مولکول‌ها از پیش طراحی شده باشد.

سوال : چگونه این کار را انجام دهیم ؟!

بگذارید پاسخ را خودم بگویم : فرض کنید نجارهستید و چند قطعه آجر در اختیار دارید اگر بخواهید با آن‌ها یک دیوار نصفه کاره بسازید چگونه آجر هارا روی هم قرار می دهید ؟

چهار آجر دو در دو را کنار هم می‌گذارید و بعد چهار آجر دو در دوی دیگر را به صورت عمودی به آنها متصل می‌کنیدتا ساختار مورد نظر شکل بگیرد.

بسیار خوب، حالا فرض کنید که وقتی آجرهای خانه‌سازی را از فروشگاه می‌خرید، آنها به شکل یک مکعب بزرگِ پیش‌ساخته باشند. حال چگونه می خواهید به ترکیب اول برسید ؟! خوب عقل سلیم می گوید قطعات اضافی را جدا کنیم … این روش ساختن از بالا به پایین است و روش اول همان ک فاینمن گفت از پایین به بالا !

حالا اگر شما بودید از کدامین روش بهره می بردید ؟ خوب قضیه کمی پیچیده شد ولی من پیچیدگی را برایتان حل میکنم غصه نخورید !

اگر مادة دمِ دست ما تعدادی قطعه‌ی کوچک و ریز باشد، از روش پایین به بالا استفاده می‌کنیم؛ اگر مادة اولیه یک قطعه‌ی بزرگ باشد، از روش بالا به پایین استفاده می‌کنیم. در عین حال، ممکن است هر دو روش هم به کار رود.

این همه قصه بافتم که این را بگویم به نانو فناوری فکر کنید، در فناوری نانو از کدام روش استفاده می شود پایین به بالا یا بالا به پایین؟!

به نظر شما کدام روش در فناوری نانو کاربرد دارد؟

تا چند سال پیش، راه دست‌کاری و جابه‌جا کردن تک‌مولکول‌ها و ساختارهای نانویی یک‌طرفه بود. یعنی برای ساختن چیزها در مقیاس کوچک، می‌بایست یک قطعه‌ی بزرگ‌تر را با تراشیدن و خرد کردن یا حل کردن بخش‌های اضافی با اسید و… آن‌قدر کوچک می‌کردیم تا به قطعه‌ی نهایی برسیم. به عیارت دیگر، روش‌ تولید ساختارهای کوچک، از نوع بالا به پایین بود.

در چند سال اخیر فنونی ابداع شده‌اند که اجازه می‌دهند مولکول‌ها یا ذرات نانویی را جابه‌جا و آنها را به هم متصل کنیم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانویی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یا فنون ساختن نانولوله‌های کربنی. این فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پایین به بالا هستند.

پیدا کردن فنون تولید مناسب در نانوفناوری موضوعی است که در چند سال اخیر به‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانوفناوری هم از روش‌ ساختن از بالا به پایین استفاده می‌شود (به کمک فنونی مانند لیتوگرافی و آسیاب کردن ذرات) و هم از روش ساختن از پایین به بالا (به کمک فنونی مانند خودآرایی یا رسوب‌دهی بخار).

ورود به فروشگاه محصولات نانو