نانو تکنولوژی چیست؟

>>> تاریخ انشتار پست :1396/7/26

نانوتکنولوژي یا ریزذره ها (Nanotechnology)، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيقتر “نانو تکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است” . در اين نوشتار بعد از تعريف نانوتکنولوژی ( فناوری نانو ) و بيان کاربردهاي آن دلايل و ضرورتهاي توجه به اين فناوري آورده شده است:
تعريف نانو تکنولوژی و آشنايي با آن
نانوتکنولوژي Nanotechnology

نانوتکنولوژي Nanotechnology

نانو تکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر مي­شود. از همين تعريف ساده برمي­آيد که نانوتکنولوژي يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتکنولوژي کاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوتکنولوژي تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حمل­و­نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن ­ آوري را به­عنوان يک زمينه فرا رشته­اي و فرابخش مطرح نموده است.

هر چند آزمايش­ها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردني نانوتکنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يکي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند .

استفاده از اين فن­آوري در کليه علوم پزشکي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الکترونيک، کامپوترهاي کوانتومي و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو به­عنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يک بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامه­ ريزي علمي دقيق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض­اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين کاري طراحي يک برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب­ناپذير است.
کاربردهای فناوری نانو ( ریز ذره)

علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درک بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ي نده، همکاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تاثيرات و کاربردهاي نانوتکنولوژي به­شرح زير مي‌باشد:
۱ – توليد ، مواد و محصولات صنعتی :
کاربردهاي نانوتکنولوژي Nanotechnology

نانوتکنولوژي Nanotechnology

نانوتکنولوژي 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 منحصربه‌فرد 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:
تکنولوژي نانو در پزشکي

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 خواهدبود.
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 اب و آلودگي را کاهش خواهدداد. همچنين فناوري‌هاي جديد، امکان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواه ن د 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 ي ا 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.
نانو تکنولوژی در کشاورزی

فناوری نانو در کشاورزی

در زمينه انرژي ، نانوتکنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي کارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شرکتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيلها شود. استفاده گسترد ه ازاين نانوکامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌باشد .

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 ا مريکا ، تقريبا” ۲۰% کل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپهاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفتهايي 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 ماموريتهاي 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، ايستگاههاي فضايي و سکوهاي اکتشافي سياره‌ا‌ي يا خورشيدي، تعيين‌کننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستمهاي کوچک‌شدة تمام خودکار، منجر به پيشرفتهاي شگرفي در فناوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مساله با توجه به اينکه محيط فضا، نيروي جاذبة کم و خلا بالا دارد، موجب توسعة نانوساختار ها و سيستمهاي 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 سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيده‌تر حاصله از الکترونيک نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و نانوربات 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) موردنياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فني کمتر و ه ز ينة کمتر در عمر کاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طراحي در سيستمهاي مورد استفاده در کنترل و مديريت عدم تکثير سلاحهاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميکرومکانيکي جهت کنترل سيستمهاي دفاع هسته‌ا‌ي . در بسياري موارد، فرصتهاي اقتصادي و نظامي مکمل هم هستند. کاربردهاي درازمدت نانوتکنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني کننده امنيت ملي است و بالعکس.
۶- کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونیک
کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونيک

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 اندازه­هاي فوق­العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه­هاي ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسک‌هاي نوري ۱۰۰ گيگا بايتي در اندازه­هاي کوچک نيز مي­باشد.

 
تاریخچه فناوری نانو در جهان

چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان ” آن پايين فضاي بسياري هست “( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : “اصول فيزيک، تا آنجايي که من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي­زنند.” او فرض را بر اين قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته­اند که چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه­ها را با مقياسهاي کوچک بسازند، پس ما خواهيم توانست که آنها را کوچک و کوچک­تر کنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي­شان در لبه­هاي نامعلوم کوانتوم نزديک خواهند بود به­طوري که يک اتم را در مقابل ديگري به­گونه­اي قرار دهيم که بتوانيم کوچکترين محصول مصنوعي و ساختگي ممکن را ايجاد کنيم.

با استفاده از اين فرمهاي بسيار کوچک چه وسايلي مي­توانيم ايجاد کنيم؟

feynman مخترع فناوری نانوFeynman ( مخترع نانو تکنولوژی) در ذهن خود يک “دکتر مولکولي” تصور کرد که صدها بار از يک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و مي­تواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام کاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و به­طور کلي براي نگهداري بدن در سلامت کامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي کلمه “بزرگ” از اهميت ويژه­اي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه­هاي مهندسي بزرگ و غيره حتي کامپيوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال مي­کردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندي به­سوي کوچک شدن در پيش گرفت.

Marvin Minsky تفکرات بسيار باروري داشت که مي­توانست به انديشه­ هاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوش­هاي مصنوعي دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفکراتي که مربوط به آينده مي­شد، رهبري مي­کرد. در اواسط دهه ۷۰ ، Eric Drexler که يک دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را به­عنوان استاد راهنما جهت تکميل پايان­نامه­اش انتخاب کرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت. Drexler سبت به وسايل بسيار کوچک Feynman علاقه­مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناييهاي آنها به کاوش بپردازد.

مخترع نانو تکنولوژی minsky Minskey نيز با وي موافقت کرد. Drexler در اوايل دهه ۸۰، درجه استادي خود را در رشته علوم کامپيوتر دريافت کرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با يک سري ايده­ها که خودش “نانوتکنولوژي” نامگذاري کرده، مشغول مي­داشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتکنولوژي مولکولي (MNT) در سال ۱۹۸۱ ارايه داد. او کتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دکتري در نانوتکنولوژي را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يک پيشرو در طرح نانوتکنولوژي است و هم­اکنون رئيس استيتو Foresight و Research Fellow مي­باشد.
تعيين بودجه ­هاي کلان در کشورهاي صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتکنولوژي

بسياري از کشورهاي توسعه‌يافته و در حال توسعه (در حدود ۳۰ کشور)، برنامه‌هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتکنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند.
پشتيباني از نانوتکنولوژي با بودجه هاي کلان

نانوتکنولوژي

زيرا ریزذره ها به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي کشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تاثير جدي قرار خواهد داد و اين مس ا له در اين کشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبيين‌شده و براي مديران اجرايي به صورت يک امر شفاف و قطعي درآمده است. در بخشي از اين کشورها، در يکي دو سال اخير تحرکات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانوتکنولوژي صورت گرفته و فعاليتهايي که تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام مي‌گرفته است، با تشويق و حمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافته‌اند که در اين قسمت نمودار ستوني ميزان سرمايه گذاري دولتها آورده شده است:
اهميت مطرح شدن طرح

همانگونه که اشاره شد بسياري از کشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي 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 فعاليتهاي 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 فناوريهاي 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 فناوريهاي 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 فناوريها

ماهيت فرارشته‌اي علوم و فناوري نانو به عنوان توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي 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 بيماريها، 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 فناوريها 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 سلولهاي خاصي از بدن نيازمند آن مي‌باشند. در روش جديد دارو با وسايل ترزيق متفاوت با امروزه به صورت مستقيم به سمت سلولهاي مشخص جهت‌گيري شده و دارو به محل نياز تحويل داده مي‌شود. با همين مکانيزم، بيماريهاي 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 و تاثير آن بر امنيت

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.