نانو تكنولوژي
قاسم عرفاني‌فر

دانشمندان يونان باستان بر اين باور بودند كه مواد را مي‌توان آنقدر به اجزاي كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند ؛ ذراتي كه بنيان مواد را تشكيل مي‌دهند. دموكريتوس - فيلسوف يوناني - حدود 400 سال پيش از ميلاد او اولين كسي بود كه واژه <اتم> را (به معني تقسيم‌نشدني) براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد. با تحقيقات و آزمايشهاي بسيار، دانشمندان تاكنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنين پي برده‌اند كه اتمها از ذرات كوچكتري مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكيل شده‌اند. ‌نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست‌ها، شيشه‌گران قرون وسطايي بوداند كه از قالبهاي قديمي(‌‌Medieal forges) براي شكل‌دادن شيشه‌هايشان استفاده مي‌كردند. البته آنها نمي‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي‌كند. در آن زمان براي ساخت شيشه‌هاي كليساها از ذرات نانومتري طلا استفاده مي‌‌شد و با اين كار شيشه‌هاي رنگي بسيار جذابي به دست مي‌آمد. رنگ به‌وجودآمده در اين شيشه‌ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي‌باشند. در واقع يافتن مثالهايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست.رنگدانه‌هاي تزييني جام مشهور ليكرگوس در روم باستان ( قرن چهارم ميلادي) نمونه‌اي از آنهاست. اين جام در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن، رنگهاي متفاوتي دارد. نور انعكاس يافته از آن سبز است؛ ولي اگر نوري از درون آن بتابد، قرمز ديده مي‌شود. آناليز اين شيشه حكايت از وجود مقادير بسيار‌اندكي از بلورهاي فلزي ريز700(‌‌nm) دارد كه حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا 14 به 1 است . حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليكرگوس گشته است.‌در سال1959 ريچارد فاينمن مقاله‌اي را درباره قابليت‌هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت‌هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب‌شده بود، فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي‌شناسند. او كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد، درآن سال در يك مهماني شام كه توسط انجمن فيزيك آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت.عنوان سخنراني وي <فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد> بود.سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي‌توان تمام دايره‌المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نوشت؛ يعني ابعاد آن به‌اندازه25000/1ابعاد واقعي اش كوچك مي‌شود. او همچنين از دوتايي‌كردن اتم‌ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت. در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند؛ اما او احتمال مي‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش‌بيني نمود.‌

برخي از رويدادهاي مهم تاريخي در شكل گيري فناوري و علوم نانو

1857‌ مايكل فارادي محلول كلوئيدي طلا را كشف كرد

1905‌ آلبرت انيشتين رفتار محلولهاي كلوئيدي را تشريح كرد

1932‌ ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يك مولكول توسط لنگموير

1959‌ فاينمن ايده <فضاي زياد در سطوح پايين> را براي كار با مواد در مقياس نانو مطرح كرد

1974‌ نوريو تانيگوچي براي اولين بار واژه فناوري نانو را بر زبانها جاري كرد

‌‌1891 ‌IBM دستگاهي اختراع كرد كه به كمك آن مي‌توان اتم‌ها را تك تك جا‌به‌جا كرد.‌

1985‌ كشف ساختار جديدي از كربن 60‌C‌

1990‌ شركت ‌ ‌IBMتوانايي كنترل نحوه قرارگيري اتم‌ها را نمايش گذاشت‌

1991‌ كشف نانو لوله‌هاي كربني‌

1993‌ توليد اولين نقاط كوانتومي با كيفيت بالا

1997‌ ساخت اولين نانو ترانزيستور

2000‌ ساخت اولين موتورDNA ‌

2001‌ ساخت يك مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله‌

2002‌ شلوارهاي ضد لك به بازار آمد

2003‌ توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي نانوسلولهاي خورشيدي‌

2004‌ تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد

 

فناوري نانو چيست؟

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوريهاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق مي‌شود. معمولا منظور از مقياس نانوابعادي در حدود ‌1 ‌nmتا ‌‌100nm مي‌باشد. (1 نانومتر يك ميليارديم متر است). اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال فاينمن طي يك سخنراني با عنوان <فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد> ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.‌

واژه فناوري نانو را اولين بار نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها‌انداحت. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 كي اريك دركسلر اين واژه را در كتاب <موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو> بازآفريني و تعريف مجدد كرد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتري خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آن را در كتاب <نانوسيستم‌ها، ماشين‌هاي مولكولي و چگونگي ساخت و محاسبات آنها> توسعه داد.‌

تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري‌هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. البته تنها كوچك بودن‌اندازه مد نظر نيست، بلكه زماني كه‌اندازه مواد دراين مقياس قرار مي‌گيرد، خصوصيات ذاتي آنها (از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي) و ... مورد نظر است. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود <عناصر پايه> را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواصشان در حالت نانومقياس با خواصشان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند.‌

اولين و مهمترين عنصر پايه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همان گونه كه از نامش پيداست، ذراتي با ابعاد نانومتري در هر سه بعد مي‌باشد. نانوذرات مي‌توانند از مواد مختلفي تشكيل شوند، مانند نانوذرات فلزي، سراميكي، ... .‌

دومين عنصر پايه، نانوكپسول است؛ كپسول‌هايي كه قطر نانومتري دارند و مي‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سالهاست كه نانوكپسول‌ها در طبيعت توليد مي‌شوند؛ مولكولهاي موسوم به فسفوليپيدها كه يك سر آنها آبگريز و سر ديگر آنها آبدوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي‌گيرند، خود به خود كپسولهايي را تشكيل مي‌دهند كه قسمت‌هاي آبگريز مولكول در درون آنها واقع مي‌شود و از تماس با آب محافظت مي‌شود. حالت برعكس نيز قابل تصور است.‌

عنصر پايه بعدي نانولوله كربني است. اين عنصر پايه در سال 1991 در شركت ‌‌NEC كشف شدند و در حقيقت لوله‌هايي از گرافيت مي‌باشند. اگر صفحات گرافيت را بپيچيم و به شكل لوله در بياوريم، به نانولوله‌هاي كربني مي‌رسيم. اين نانولوله‌ها داراي اشكال و‌اندازه‌هاي مختلفي هستند و مي‌توانند تك ديواره يا چند ديواره باشند. اين لوله‌ها خواص بسيار جالبي دارند كه منجر به ايجاد كاربردهاي جالب توجهي از آنها مي‌شود.‌

در حقيقت كاربرد فناوري نانو از كاربرد عناصر پايه نشات مي‌گيرد. هر كدام از اين عناصر پايه، ويژگيهاي خاصي دارند كه استفاده از آنها در زمينه‌هاي مختلف، موجب ايجاد خواص جالبي مي‌گردد؛ مثلا از جمله كاربردهاي نانوذرات مي‌توان به دارو رساني هدفمند و ساده، بانداژهاي بي‌نياز از تجديد، شناسايي زود هنگام و بي‌ضرر سلولهاي سرطاني، و تجزيه آلاينده‌هاي محيط زيست اشاره كرد. همچنين نانولوله‌هاي كربني داراي كاربردهاي متنوعي مي‌باشند كه موارد زير را مي‌توان ذكر كرد:‌

- تصوير برداري زيستي دقيق‌

- حسگرهاي شيميايي و زيستي قابل اطمينان و داراي عمر طولاني‌

- شناسايي و جداسازي كاملا اختصاصيDNA ‌

- ژن‌درماني كه از طريق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت مي‌پذيرد.‌

- از بين بردن باكتري‌ها

اينها تنها مواردي از كاربردهاي بسيار زيادي هستند كه براي عناصر پايه قابل تصور مي‌باشند. كاربرد اين عناصر پايه در صنايع مختلف، در درخت ديگري به نام <درخت صنعت> آورده شده است كه با مراجعه به گروه مطالعاتي آينده‌انديشي، بخش درخت صنعت، مي‌توانيد آن را مشاهده كنيد.در نهايت <درخت فناوري نانو> معرفي مي‌گردد كه فناوري نانو را به شكل يك زنجيره از رويكرد ساخت عناصر پايه تا كاربرد آنها، در يك درخت چهار سطحي نمايش مي‌دهد. ‌

مقالات علمي ايران‌