فناوری نانو چیست؟

تا سال ۱۹۸۱، با توسعه میکروسکوپ تونلی اسکن که قادر به دیدن اتم های فردی بود، نانو تکنولوژی مدرن آغاز شد.

مفاهیم اساسی در علوم و فناوری نانو

سخت است تصور کنید که چگونه فناوری نانو کوچک است. یک نانومتر یک میلیاردمتر متر است. در اینجا چند مثال نشانگر وجود دارد:
۲۵،۴۰۰،۰۰۰ نانومتر در اینچ وجود دارد.
ورق روزنامه در حدود ۱۰۰۰۰۰ نانومتر ضخامت دارد.

علوم نانو و فناوری نانو شامل توانایی مشاهده و کنترل اتم ها و مولکول های فردی می شوند. همه چیز در زمین از اتم تشکیل شده است، غذایی که می خوریم، لباس هایی که می پوشیم، ساختمان ها و خانه هایی که در آن زندگی می کنیم و بدن های خودمان.

اما چیزی به اندازه یک اتم غیرممکن با چشم غیر مسلح است. در واقع، با استفاده از میکروسکوپ هایی که معمولا در کلاس های علوم دبیرستان استفاده می شوند، امکان دیدن آن وجود ندارد.

به میکروسکوپ هایی احتیاج داریم که بتوان اتم ها را در مقیاس نانو دید، که نسبتا حدود ۳۰ سال پیش اختراع شد.

تولد نانو توسط میکروسکوپ تونلی اسکن و نیروی اتمی

هنگامی که دانشمندان ابزارهای مناسب مانند میکروسکوپ تونلی اسکن (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) داشتند، فناوری نانو متولد شد.

دانشمندان و مهندسان امروز روش های گسترده ای را در مواد نانومقیاس ایجاد می کنند تا از خواص افزایش یافته خود مانند قدرت بالاتر، وزن سبک تر، افزایش کنترل طیف نور و واکنش شیمیایی بیشتر نسبت به همتایان بزرگترشان بهره بگیرند.

کاربردهای فناوری نانو ( ریز ذره)

علوم و فناوري نانو، عنصري اساسي در درک بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آينده، همکاري هاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تاثيرات و کاربردهاي نانوتکنولوژي به­ شرح زير مي‌باشد:

۱ – توليد ، مواد و محصولات صنعتی :(نانوتکنولوژي Nanotechnology)

تغيير بنياني مسيري است که در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌هاي ساختماني نانو با اندازه و ترکيب به دقت کنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر، که داراي خواص و کارکرد منحصربه‌ فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد مي‌کند.

محققين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد که در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزي ؛ کاهش هزينة عمر کاري از طريق کاهش دفعات نقص فني ؛ ابزارهايي نوين بر پاية اصول و معماري جديد ؛ بکارگيري کارخانجات مولکولي يا خوشه‌ا‌ي که مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲- نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان: 

نانوتکنولوژي در پزشکي رفتار مولکولي در مقياس نانومتر، سيستمهاي زنده را اداره مي‌کند. يعني مقياسي که شيمي، فيزيک، زيست‌شناسي و شبيه‌سازي کامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.

•  فراتر از سهل‌شدن استفادة بهينه از دارو، نانوتکنولوژي مي‌تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه کند، که به‌نحو حيرت‌انگيزي توان درماني داروها را افزايش مي‌دهد.

•  مواد زیست سازگار با کارآيي بالا، از توانايي بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعال، مي‌توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات کوانتومي که براي مرئي‌سازي بکار مي‌رود) درون سلولها وارد نمود.

•  افزايش توان محاسباتي بوسيلة نانوتکنولوژي، ترسيم وضعيت شبکه های ماکروملکولی را در محيط‌هاي واقعي ممکن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ها براي بهبود قطعات کاشته‌شدة زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند کشف دارو، الزامي خواهد بود.

۳- دوام‌پذيري منابع: کشاورزی ، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاک:

نانوتکنولوژي چنان چه ذکر شد، منجر به تغييراتي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس آب و آلودگي را کاهش خواهد داد. همچنين فناوري‌هاي جديد، امکان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواهند کرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، مي‌تواند تاثير قابل ملاحظه‌ا‌ي ، در درک مولکولي فرآيندهاي مقياس نانو که در طبيعت رخ مي‌دهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌محيطي از طريق کنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعة فناوری سبز جديد که محصولات جانبي ناخواستة کمتري دارند و يا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژي توان حذف آلودگي‌هاي کوچک از منابع آبي (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد.

فناوری نانو در کشاورزی

در زمينه انرژي ، نانوتکنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي کارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار د اده مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شرکت هاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيل ها شود. استفاده گسترده ازاين نانوکامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌ باشد .

يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فناوري روشنايي در ۱۰ سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه‌هادي‌هاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد کرد. در امريکا ، تقريبا” ۲۰% کل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپ هاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفت هايي از اين دست مي‌تواند مصرف جهاني را بيش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويي و ۲۰۰ ميليون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

۴ – تکنولوژي نانو در هوا و فضا :

محدوديت‌هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي ماموريت هاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب‌ناپذير مي‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشکل را بوجود آورده‌است.

“نانوساختن” ( Nanofabrication ) همچنين در طراحي و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز براي هواپيماها، راکت‌ها، ايستگاه هاي فضايي و سکوهاي اکتشافي سياره‌ا‌ي يا خورشيدي، تعيين‌کننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستم هاي کوچک‌شدة تمام خودکار، منجر به پيشرفت هاي شگرفي در فناوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مساله با توجه به اينکه محيط فضا، نيروي جاذبة کم و خلا بالا دارد، موجب توسعة نانوساختارها و سيستم هاي نانو – که ساخت آنها در زمين ممکن نيست- در فضا خواهدشد.

۵- کاربرد ریزذره ها در صنایع نظامی و امنيت ملي:

برخي کاربردهاي دفاعي ریز ذره ها عبارتند از: تسلط اطلاعاتي از طريق نانوالکترونيک پيشرفته بعنوان يک قابليت مهم نظامي ، امکان آموزش موثرتر نيرو، به کمک سيستم هاي واقعيت مجازي پيچيده‌تر حاصله از الکترونيک نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و نانو ربات های پيشرفته براي جبران کاهش نيروي انساني نظامي، کاهش خطر براي سربازان و بهبود کارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به کارآيي بالاتر (وزن کمتر و قدرت بيشتر) مورد نياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فني کمتر و هزينة کمتر در عمر کاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طراحي در سيستم هاي مورد استفاده در کنترل و مديريت عدم تکثير سلاح هاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميکرومکانيکي جهت کنترل سيستم هاي دفاع هسته‌ا‌ي . در بسياري موارد، فرصت هاي اقتصادي و نظامي مکمل هم هستند. کاربردهاي دراز مدت  نانوتکنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني کننده امنيت ملي است و بالعکس.

۶- کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونیک

فناوری نانو در صنعت ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از اين فناوري مي‌توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به کوچکي يک ساعت مچي منتهي شود.

ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود که ذخيره‌ سازي ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباري شود.

ساخت تراشه‌ها در اندازه­ هاي فوق­العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه ­هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسک‌هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه­ هاي کوچک نيز مي ­باشد.

اهميت مطرح شدن طرح

بسياري از کشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليت هاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتکنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. اما يک سوال مهم براي کشور ما و بسياري از کشورها که هنوز به نانوتکنولوژي به عنوان تمدن آينده علمي توجه کافي نکرده‌اند، اين است که آيا بايد با اين روند همراه شد يا نه؟ توجه به فضاي بسيار بزرگ و در حال ايجاد نانوتکنولوژي و حجم وسيع فعاليت هاي مربوط به آن در دنيا، اين باور را به انسان القاء مي‌کند که دير يا زود بايد آينده را ديد و براي ورود به آن اقدام نمود.

۱- ورود کشورها به عرصه نانوتکنولوژي اجتناب‌ناپذير است.

بسياري از صاحب‌نظران و محققان، نانوتکنولوژي را مساوي آينده دانسته‌اند. به عنوان نمونه کميته مشاوران رئيس‌جمهور آمريکا در علوم و فناوري در تاييد برنامه ملي نانو فناوری براي سال ۲۰۰۱، از نانوتکنولوژي به عنوان محور آينده جهان ياد مي‌کند. به دليل تاثيرات اين فناوري بر اکثر فناوري هاي موجود، عقيده صاحب‌نظران اين است که متخصصان رشته‌هاي مختلف بدون گرايش به مباحث مقياس نانو در دهه‌هاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شکوفايي بسياري از فناوري هاي مهم ازجمله فناوري اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم بدون بهره‌گيري از نانوتکنولوژي دچار اختلال خواهند شد. از اين جهت اين مسئله براي دانشگاهيان، محققان و مسوولان هر کشور امري حياتي است.

۲- دلايل اساسي ضرورت ورود کشور به عرصة نانوتکنولوژي

علاوه بر موضوع فوق، مي‌توان دلايل زير را براي اجتناب‌ناپذيري ورود کشورهايي چون ايران اقامه نمود:

– تاثير اساسي نانوتکنولوژي در رشد و پيشرفت بسياري از فناوري ها

ماهيت فرارشته‌اي علوم و فناوري نانو به عنوان توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم هاي جديد با دقت اتم و مولکول، موجب تعريف کاربردهاي بسياري زيادي در عرصه‌هاي مختلف علمي و صنعتي شده است. براي نانوتکنولوژي کاربردهاي بسياري را در حوزه‌هاي دارو و غذا و بهداشت، درمان بيماري ها، محيط‌زيست، انرژي، الکترونيک، کامپيوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و توليد، هوافضا، بيوتکنولوژي و کشاورزي و امنيت ملي و دفاع برشمرده‌اند. به همين دليل بر تمام فناوري ها تاثير گذاشته و دير يا زود بايد شاهد محصولات آنها بود. به عنوان نمونه در بخش پزشکي و بهداشت، يک زمينه کاري بسيار مهم، سيستم توزيع دارو در داخل بدن مي‌باشد. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمي است در حالي که سلول هاي خاصي از بدن نيازمند آن مي‌باشند. در روش جديد دارو با وسايل ترزيق متفاوت با امروزه به صورت مستقيم به سمت سلول هاي مشخص جهت‌گيري شده و دارو به محل نياز تحويل داده مي‌شود. با همين مکانيزم، بيماري هاي بزرگ و کوچک در آغاز شکل‌گيري قابل تشخيص و درمان خواهند بود. يا در بخش مواد، پروژه‌هايي در دست کار مي‌باشد که موادي با وزن بسيار کم و خواص بسيار مناسب توليد شوند. کاربرد اين مواد در ساختمان، خودرو، هواپيما و بسياري از ملزومات زندگي انسانها ديده خواهد شد. بنابراين عرصه بسيار وسيع نانوتکنولوژي که زندگي انسانها را نيز در برخواهد گرفت، خود القاءکننده اين نتيجه خواهد بود که نمي‌توان به روي آن چشم بست.

– تاثير نانوتکنولوژي بر امنيت جهاني

تکنولوژي نانو از نظر دفاعي، نانوتکنولوژي براي کشورها، هم فرصت است هم تهديد. به لحاظ کاربردهاي بسيار زيادي که اين فناوري مي‌تواند در امور نظامي داشته باشد، گرايش زيادي در بخش دفاعي کشورها به تحقيق و توسعه نانوتکنولوژي صورت گرفته است. اين کاربردها از لباسهاي مانع خطر تا پرنده‌هاي بسيار کوچک، تجهيزات اطلاعاتي و بسياري موارد ديگر است که هم‌اکنون با حمايت وزارتخانه‌هاي دفاع کشورهايي چون آمريکا، ژاپن و برخي کشورهاي اروپايي به صورت پروژه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام هستند. از اين جهت اين فناوري براي کشورها يک تهديد محسوب مي‌شود. اما براي کشورهايي که بتوانند با استفاده از روند موجود، جايگاهي را در آينده امنيت جهاني براي خود در نظر بگيرند، يک فرصت خواهد بود. با توجه به اينکه اين کاربردها بسيار متنوع هستند، هر کشوري مي‌تواند زمينه‌اي را براي پيشگامي در جهان سهم خود نمايد و در آينده رقابتهاي بين‌المللي نقشي داشته باشد.

شکل گیری بازارهای بسیار بزرگ

شواهد موجود نشان مي‌دهد که درصد بالايي از بازارهاي محصولات مختلف متکي بر نانوتکنولوژي خواهد بود و به همين دليل دولتها و شرکتهاي بزرگ و کوچک به دنبال کسب جايگاهي براي خود در اين بازارها هستند. ميهيل روکو، رئيس کميته علوم و فناوري نانو در رياست‌جمهوري آمريکا طي مقاله‌اي در ماه مي سال ۲۰۰۱، پتانسيل نانوتکنولوژي براي تغيير چشمگير در اقتصاد جهاني را يادآوري نموده است. بر مبناي پيش‌بيني وي و بخش ديگري از صاحب‌نظران در ده الي ۱۵ سال آينده نانوتکنولوژي بازار نيمه‌هادي را به طور کامل تحت تاثير قرار خواهد داد. خبرهايي نيز که اخيراً از شرکتهاي اصلي سازنده پردازنده‌هاي کامپيوتر در آمريکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌هاي حاوي يک ميليارد نانوترانزيستور تا قبل از ۱۰ سال آينده حکايت دارد. به عنوان مثال شرکت اينتل اعلام نموده است که در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌هاي متکي بر نانوترانزيستور را با قدرت و سرعت بسيار بيشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرين دستاوردهاي امروزي نيمه‌هادي‌ها وارد بازار خواهد کرد.

در بخش دارو نيز پيش‌بيني شده است تا ۱۰ الي ۱۵ سال آينده نيمي از اين صنعت متکي بر نانوتکنولوژي خواهد بود که خود نياز به وسايل تزريق جديد و آموزشهاي پزشکي روزآمد خواهد داشت يا در مورد موادشيميايي، فقط ذکر بازار ۱۰۰ ميليارد دلاري کاتاليستها که تا ۱۰ سال آينده به طور کامل متکي بر کاتاليستهاي نانوساختاري خواهد بود براي نشان دادن اهميت بحث کافي است. از هم‌اکنون بازار بزرگي براي بکارگيري مواد جديد در محصولات فعلي در حال شکل‌گيري است. موادي که مي‌توانند خواص جديد و فوق‌العاده‌اي به محصولات موجود بخشيده و موجب کاهش قيمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌هاي کربني ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسيار کمتر و استحکام بسيار بيشتر نسبت به موادي چون فولاد، بخش زيادي از صنايع را در آينده تحت تاثير قرار خواهد داد.

در کنار اين پيش‌بيني‌ها، اين سوال بايد مطرح شود که جايگاه کشورهايي که به نانوتکنولوژي دسترسي ندارند، در بازارهاي آينده و اقتصاد جهاني چه خواهد بود. با توجه به اينکه سهم هر کشور يا بنگاه در زمان شکل‌گيري يک بازار تثبيت مي‌شود، زمان سرمايه‌گذاري براي رسيدن به جايگاه مناسب، همين امروز است.