نانو تکنولوژی

[setayesh shb]

مقدمه:
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است.یک نانومتر یک میلیاردم متر (10^-9 m) است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی - عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک - از خود نشان می‌دهند. فناوری نانو موج چهارمانقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم است که در تمامی گرایشات علمی راه یافته واز فناوریهای نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه می‌باشد. از ابتدای دهه ۱۹۸۰ میلادی گستره طراحی و ساخت ساختمانها هر روزه شاهد نوآوری‌های جدیدی در زمینه مصالح کارآراتر و پربازده ترمقاومت، شکل پذیری، دوام و توانایی بیشتر نسبت به مصالح سنتی است.
نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون مهندسی مواد،پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست‌شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو، فناوری زیستی (Biotechnology) و فناوری اطلاعات (IT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند
نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
تاریخچه ی نانو:
هر چند کلمه ی نانو تکنولوژی نسبتا جدید است، لیکن ابزارهای مفید و ساختارهایی با ابعاد نانومتری از دیرباز وجود داشته اند و در حقیقت قدمت آنها به شروع حیات روی کره ی زمین برمی گردد . جانوران نرم تن صدف دارو حلزون ، صدف های بسیار سختی را می سازند که دارای سطوح داخلی رنگین کمان مانند هستند . این صدف ها با آرایش دادن کربنات کلسیم در واحدهای نانو ساختاری بسیار محکم که بوسیله ی چسبی ساخته شده از ترکیب کربوهیدرات- پروتئین به یکریگر متصل می شوند ، این حالت را بوجود می آورند . صدف ها یک دلیل تجربی و طبیعی بر این مطلب هستند که ساختارهای بدست آمده از نانو ذرات می توانند بسیار محکمتر از ساختارهای عادی باشند .
در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست.نانو ریشه یونانی "نانس" به معنی کوتوله می‌باشد
مشهور است که در قرن چهارم پس از میلاد شیشه سازان رومی شیشه هایی حاوی فلزات نانو سایز می ساختند . جام لیکورگوس که منقوش به تصویر مرگ پادشاه لیکورگوس است ، از شیشه ی آهکی کربنات سریم ساخته شده و حاوی نانوذرات طلا و نقره می باشد .

جام لیکورگوس هنگامی که از بیرون روشن می‌شود سبز است و هنگامی که از داخل روشن می‌گردد، قرمز می‌شود و علت آن نانوذرات فلزی، طلا و نقره است که بر اثر نور باعث برانگیزش پلاسمون‌های سطحی می‌شود. در فیزیک یک پلاسمون به‌صورت شبه‌ذره‌ای تعریف می‌شود که از کوانش نوسان‌های پلاسما ایجاد می‌شود؛ مانند فوتون و فونون که نتیجة کوانش نور و صوت است.
اهمیت بالقوه ی خوشه ها ( کلاسترها ) توسط یک شیمیدان ایرلندی با نام ربرت بویل تشخیص داده شد و در کتابش ( شیمیدان شکاک ، انتشار 1661) از آن سخن به میان آورد . در آن کتاب بویل عقیده ی ارسطو را مبنی بر اینکه ماده از چهار عنصر ( خاک ، آتش ، آب و هوا) تشکیل شده، مورد نکوهش قرار داد . در عوض پیشنهاد کرد ، ذرات ریزی از مواد به روش های مختلف ترکیب می شوند تا چیزی به اسم کورپسل ها ( بخش های بسیار کوچکی از یک ماده) را شکل دهند . او به جرم های بسیار ریز یا خوشه هایی اشاره می کند که بسادگی به ذراتی که از آنها ساخته شده اند، فروپاشیده نمی شوند . در سال 1857 مایکل فارادی مقاله ی خود را در Philosophical Transactions of the Royal Society منتشر نمود . دراین مقاله او تلاش کرده بود ، چگونگی تاثیر ذرات فلزی بر رنگ پنجره های کلیسا را توضیح دهد . به هر حال تا سال 1980 روش های مناسبی برای تولید نانو ساختاره به ظهور نرسیده بود.
تعریف نانو:
به دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه‌گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو می‌گویند و هدف آن تولید مواد، ابزار و سیستم‌هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردهای جدید می باشدپس علم نانو علمی است برای زندگی.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ،خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود.

نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

1. محصولات خود_اسمبل
2. کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3. اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)
4. سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5. نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها ، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6. دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا
7. احیاء و سازماندهی اراضی

نانو و رشته های مختلف:
نانو تکنولوژی و معماری:

تهيه مصالح مناسب و با ويژگيهاي مورد نظر در بخشهاي مختلف ساختمان و تاسيسات و تجهيزات سرمايي و گرمايي وابسته به آن با توجه به نيازها و خواسته هاي ما ، در كاهش مصرف انرژي بصورت مستقيم و غير مستقيم نقش بسزائي خواهد داشت که نانوتکنولوژی این امر را نیز میسر خواهد نمود.
کاربرد مواد نانو ساختار در صنعت ساختمان را می توان به طور عمده به صورت های زیر بیان کرد :

1. فیلم های نانو لایه برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی
2. نانو پوشش های حفاظتی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی
3. نانو ذرات به عنوان پیش سازنده یا اصلاح ساز پدیده های شیمیایی و فیزیکی
4. نانو لوله ها که یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختار جامدی است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستال های تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده است

نانو تکنولوژی و کشاورزی:

فناوری نانو قابلیت متحول ساختن صنایع غذایی و کشاورزی را با ابزارهای جدید برای درمان مولکولی بیماری‌ها، شناسایی سریع امراض، افزایش توانایی گیاهان در جذب مواد مغذی و موارد دیگری از این دست دارد. حسگرها و سامانه‌های رسانش هوشمند به صنعت کشاورزی کمک خواهند کرد تا با ویروس‌ها و عوامل بیماری‌زای دیگر برای گیاهان مقابله کند. در آینده نزدیک کاتالیزورهای نانوساختاری در دسترس خواهند بود که کارایی آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها را افزایش داده و در نتیجه مقدار مصرفی آن‌ها را کاهش خواهند داد. فناوری نانو همچنین به صورت غیرمستقیم و از طریق استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و فیلترها و کاتالیزورهایی که آلودگی را کاهش داده و آلاینده‌های موجود را تمیز می‌کنند، به حفظ محیط زیست کمک خواهد کرد.
فناوری نانو در پزشکی:

نانو پزشکي عبارت است از به کارگيري فن آوري نانو براي منافع سلامت انسان و بهزيستي او، استفاده از نانو تکنولوژي در بخش هاي مختلف درماني و پزشکي انقلاب ايجاد کرده است. ذرات نانو با ابعاد 1 تا 100 نانومتر طراحي و در تشخيص، درمان و توليد ابزار و وسايل پزشکي استفاده شده اند. در حال حاضر اين امکان وجود دارد که درمان در سطح ملکولي با کمک اين ابزار تحقق يابد. بنابراين، درمان بيماري و مطالعه روند بيماري زايي (پاستور) بيماري ها نيز امکان پذير شده است
داروهايي که در حال حاضر استفاده مي شوند از محدوديت عمده اي به نام «عوارض جانبي» رنج مي برند که معمولا به علت عدم اختصاصي عمل کردن دارو اتفاق مي افتد. همچنين اثر بخشي بسياري از داروها، نيز، مثل داروهايي که در شيمي درماني سرطان يا درمان ديابت استفاده مي شوند، بسيار کم است. بنابراين، توليد داروهايي با درجه اختصاصيت بالاتر اثر بخشي را بهبود مي دهد و عوارض جانبي را به حداقل مي رساند.
در زمينه روش هاي تشخيص بيماري ها نيز، افزايش درجه حساسيت ابزارها و وسايل مي تواند کمک شاياني به تشخيص بيماري در ابتداي بيماري مي کند و بنابراين پيش آگهي بيمار و شانس درمان يا زنده ماندن بيمار افزايش مي يابد.
تازه ترین های نانو:نمایش گرهای تماسی ساخته شده از کربن:

نمایشگرهای تماسی به خاطر اینکه حاوی عناصر گران و کمیاب هستند، هنوز قیمت بالایی دارند. به همین دلیل پژوهشگران در مؤسسه آلمانی فرانهوفر تلاش می‌ کنند که از مواد خام تجدید پذ یر کم هزینه که در همه جا قابل دسترس هستند، نمایشگر تماسی جایگزینی بسازند. این نمایش گرهای تماسی جدید، حاوی نانولوله‌های کربنی هستند.
نمایشگرهای تماسی دارای الکترود نازک ویفری ساخته شده از اکسید قلع ایندیوم (ITO) هستند که در زیر سطح شیشه‌ای نمایشگر قرار دارد. این ماده برای استفاده در نمایشگرهای تماسی تا حدی ایده‌آل است، زیرا در هدایت جریان‌های کوچک عالی است و اجازه می‌دهد که رنگ‌های نمایشگر بدون ممانعت عبور کنند. اما یک مشکل کوچک وجود دارد، مقادیر کمی از ایندیوم در جهان وجود دارد. سازندگان افزاره ‌های الکترونیکی بیم دارند که در دراز مدت وابسته به قیمت‌هایی شوند که تهیه‌کنندگان این ماده تعیین می‌ کنند.
بنابراین صنایع خصوصی علاقه زیادی دارند که جایگزینی برای اکسید قلع ایندیوم پیدا شود. اکنون پژوشگران مؤسسه فرانهوفر موفق شده‌ اند که برای این الکترودها، ماده ‌ی جدیدی استفاده کنند که همان کارایی اکسید قلع ایندیوم را دارد و علاوه بر آن بسیار ارزان‌ تر نیز است.
اجزاء ‌اصلی این ماده نانولوله‌های کربنی و پلیمرهای ارزان قیمت هستند. این ورقه الکترودی جدید از دو لایه تشکیل شده است. یکی از این لایه‌ها، حامل بار است که یک ورقه نازک ساخته شده از پلی‌ اتیلن ‌ترفتالات (PET) ارزان ‌قیمت می ‌باشد. این پلیمر برای ساخت بطری ‌های پلاستیکی استفاده می ‌شود. سپس ترکیبی از پلیمرهای رسانا و نانولوله ‌های کربنی اضافه می‌ شود. این ترکیب به ‌صورت یک محلول به لایه ‌ی PET اضافه می ‌شود که بعد از خشک شدن، تشکیل یک فیلم نازک می ‌دهد.
در مقایسه با اکسید قلع ایندیوم، این ترکیبات پلیمری دوام چندانی ندارند، اما نانولوله‌های کربنی آنها را بادوام می ‌کنند.این پژوهشگران نتایج تحقیق خود را در کنفرانس و همایش بین‌ المللی فناوری ‌نانو در توکیو ارایه کردند.
ساخت اولین نانوپردازنده های قابل برنامه ریزی جهان
کاشی‌ ‌های نانوسیمی توانایی انجام کارهای منطقی و ریاضی را دارند و کاملاً مقیاس ‌پذیر می ‌باشند. مهندسان دانشگاه هاروارد اولین نانوپردازنده قابل برنامه‌ ریزی جهان را ساخته و به نمایش گذاشته‌ اند. نمونه اولیه این سیستم رایانه ‌ای جدید، بیانگر یک گام مهم در راستای ارتقای پیچیدگی مدارهای رایانه‌ ای است که می‌ توانند از مولفه‌ های نانومقیاسی سنتزی، آرایش یابند.
چارلز لایبر، از دانشگاه هاروارد و یکی از این محققان، می ‌گوید: "این کار نشان‌ دهنده یک پرش کوانتومی به سوی افزایش پیچیدگی و عملکرد مدارهای ساخته شده از روش ‌های پایین به بالا است و به ‌همین خاطر نشان می ‌دهد که این نمونه پایین به بالا، که با روشی که امروزه مدارهای تجاری از آن ساخته می ‌شود، متفاوت است، می‌ تواند در آینده در ساخت نانوریزپردازنده‌ها و سایر سیستم‌ های مجتمع مورد استفاده واقع شود".

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با رنگ مصنوعی از یک نانو پردازنده نانوسیمی قابل برنامه ریزی که روی طرحواره یک ساختا رمدارنانو ریز پردازنده قرار گرفته است.

این کار به خاطر پیشرفت‌ های انجام شده در طراحی و سنتز آجربناهای نانوسیمی امکان‌ پذیر شده است. اکنون این مولفه ‌های نانوسیمی نشان گر تکرارپذیری مورد نیاز برای ساخت مدارهای الکترونیکی عملکردی هستند و همچنین این کار را در اندازه ‌ها و موادی انجام می ‌دهند که انجام آنها با رهیافت‌ های بالا به پایین متداول بسیار مشکل است.
علاوه براین، این ساختار کاشی‌ کاری شده بسیار مقیاس‌ پذیر است و به‌ همین خاطر اجازه آرایش نانوریزپردازنده ‌های بزرگ ‌تر و با خواص عملکردی بیشتر را می ‌دهد. ویژگی دیگر این پیشرفت آن است که مدارهای موجود در این نانوپردازنده‌ها، با لحاظ کردن اندازه کوچک آنها، توان مصرفی بسیار کمی دارند. این به این دلیل است که سوئیج های ترانزیستوری آن ها «غیرفرار» هستند. این بدان معناست که برخلاف ترانزیستورهای موجود در مدارهای ریزرایانه ای متدوال، همین که این ترانزیستورهای نانوسیمی برنامه ‌ریزی شوند دیگر هیچ نیازی به توان الکتریکی اضافی برای نگهداری آنها نخواهد بود. این محققان نتایج خود را در مجله ‌ی Nature منتشر کرده ‌اند.

ساخت قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا

دانشمندان در دانشگاه منچستر قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا را تولید کرده اند. این میکروسکوپ می تواند به درک دلیل بسیاری از بیماری ها و ویروس ها کمک کند. این پژوهش گران میکروسکوپی ساخته اند که رکورد کوچک ترین اشیایی را که با چشم می توان دید، شکسته است و بر محدودیت تئوری میکروسکوپ های نوری غلبه کرده است.

تا قبل از این با میکروسکوپ نوری استاندارد فقط می توانستید اشیایی با اندازه های در حد یک میکرومتر را به وضوح ببینید اما اکنون پژوهشگران دانشگاه منچستر با ترکیب یک میکروسکوپ نوری با یک میکرو کره شفاف بنام نانوسکوپ میکروکره ای، می توانند اشیایی با اندازه هایی 20 برابر کوچک تر (50 نانومتر) را با نور طبیعی ببینند این دقت مافوق حد تئوری میکروسکوپ نوری است.رسیدن به این دقت بالای میکروسکوپ نوری بدین معنی است که این دانشمندان به طور بالقوه می توانند داخل سلول های بشری و ویروس های زنده را بررسی کنند و برای اولین بار آنچه که سبب این ویروس ها می شوند، را مشاهده کنند.
میکروسکوپ های کنونی که قابلیت بررسی اجسام ریز این چنینی را دارند، میکروسکوپ های الکترونی هستند که با آن ها بجای بررسی ساختار یک سلول فقط می توان سطح آن را مشاهده کرد و هیچ ابزاری وجود ندارد که بتوان با آن یک سلول زنده را مشاهده کرد.
این دانشمندان اکنون باور دارند که آن ها می توانند این میکروسکوپ را برای شناسایی تصاویر بسیار ریزتر در آینده استفاده کنند. از نظر تئوری در اندازه اشیایی که می توان با این روش جدید مشاهده کرد، هیچ محدودیتی وجود ندارد.این سیستم نانو تصویربرداری جدید بر گرفتن تصاویر مجازی میدان- نزدیک نوری ( که عاری از تفرق نوری هستند) و تقویت آن ها با استفاده از یک میکروکره استوار است. این میکروکره، ذره کروی ریزی است که به وسیله یک میکروسکوپ نوری استاندارد برزگ نمایی می شود.
این پژوهش گران جزییات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی Nature Communications منتشر کرده اند.