دانلود مقاله شیمی مولکولی

آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کرده‌اید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟

چه اتفاقی می‌افتد وقتی پیستون سرنگ را فشار می‌دهید؟

هوا چگونه متراکم می‌شود؟

چگونه در یک فضای کوچکتر جا می‌گیرد؟

یک تکه اسفنج را می‌توان در فضای کوچکتری متراکم کرد.

علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد، وقتی اسفنج را فشار می‌دهیم هوای داخل این سوراخها خارج می‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزدیکتر می‌گردد.

درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار می‌دهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم می‌شود.

"بویل"، دانشمند انگلیسی در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشه‌ای پنچ متری ریخت.

این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود.

بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم می‌شود و فضای کمتری اشغال می‌کند.

بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد.

میان اتم‌ها فضایی است که در آن هیچ چیز نیست.

وقتی هوا متراکم می‌شود، اتم‌ها به هم نزدیکتر می‌شوند.

بویل همان سال‌ها در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد.

شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد ساده‌تر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است." دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند.

بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان از مولکول‌های ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند.

کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد.

در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق می‌کردند.

هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد.

وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند.

با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود.

به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست.

و این اتمها باید آرایش ویژه‌‌‌ای داشته باشند.

بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها می‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.

با توجه به اینکه هم مولکول ها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمی‌شوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتم‌ ها را در مولکولها بیابند؟

نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت.

او مولکول‌های آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلزِ، همیشه با تعداد مشخصی از مولکول‌های آلی ترکیب می‌شود.

او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد.

او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت.

"والانس" کلمه‌ای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است.

برای مثال وقتی می‌گوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر می‌تواند ترکیب شود.

ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است.

اسکات کوپرِ اسکاتلندی، نیز در 1858 میلادی نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد.

او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر متصل می‌شوند و مولکولهای مختلف را تشکیل می‌دهند.

طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود می‌تواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد.

کوپر همچنین پیشنهاد کرد که اتم‌ها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که می‌توانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند: به این ترتیب می‌توانیم مولکول‌ها را با رسم پیوندهای میان اتم‌ها، به شکل زیر نشان بدهیم: استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکول‌های کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکول‌های بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی می‌شد.

از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ مواد مرکب آلی برطرف کند.

"فردریش آگوست ککوله" با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر می‌رسید- را حل کند.

امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده می‌شود.

اما شیمی‌دانان ها چگونه می‌توانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟

مواد مختلف بسته به این‌که از چه عناصر تشکیل شده‌اند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند.

برای مثال موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان می‌دهند در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و...

پیوند دارد.

حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ...

قرار گیرد، ترکیب به جای "خصلت اسیدی"، "خاصیت قلیایی" خواهد داشت.

در داروها و مولکول‌های بزرگ، خواص ترکیب به عوامل متعددی بستگی دارد.

در نانو فناوری که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خواص است، یک دانشمند شیمی مولکولی با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتم‌ها را پیشنهاد می‌کند که خواصیت مورد نظر ما را داشته باشد.

از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها صرفاً آنچه ما روی کاغذ رسم می‌کنیم نیستند.

مولکول‌ها دارای بعد هستند و فضا اشغال می‌کنند.

یک مولکول در فضا آرایشهای مختلفی را می‌تواند اختیار کند.

درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر می‌توان آرایش‌های مختلف را پیش‌بینی کرده و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر را بررسی کرد.

همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی چه خواصی را موجب می‌شود.

این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر می‌باشد.

شاخه‌ای از نانوفناوری که با بهره‌گیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی می‌کند را نانوفناوری محاسباتی می‌نامند.

فناوری نانو چیست؟

نانوتکنولوژی، فناوری جدید است که تمام دنیا را فرا گرفته است و به تعبیر دقیقتر "نانوتکنولوژی بخشی از آینده نیست بکله همه آینده است" .

در این نوشتار بعد از تعریف نانوتکنولوژی و بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورتهای توجه به این فناوری آورده شده است: تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود.

از همین تعریف ساده برمیآید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست.

برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوری را بهعنوان یک زمینه فرا رشتهای و فرابخش مطرح نموده است.

نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود.

هر چند آزمایشها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه 80 قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .

استفاده از این فنآوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو بهعنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد.

لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامهریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است.

نانوتکنولوژی و کاربردهای آن علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود.

از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاریهای تحقیقاتی میان‌رشته‌ا‌ی، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود.

بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح زیر می‌باشد: 1 – تولید ، مواد و محصولات صنعتی : نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد.

امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترل‌شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد می‌کند.

محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده‌است.

برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی ؛ کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی ؛ ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه‌ا‌ی که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

2- پزشکی و بدن انسان: رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره می‌کند.

یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.

• فراتر از سهل‌شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ( Drug Delivery ) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.

• مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد.

نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلولها وارد نمود.

• افزایش توان محاسباتی بوسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد.

اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

3- دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک: نانوتکنولوژی چنان چ ه ذکر شد، منجر به تغییرات ی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگی را کاهش خواهدداد.

همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد.

در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ا‌ی ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها ؛ در توسعه فنّاوری‌های "سبز" جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد.

لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زیر 20 نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.

در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد .

به عنوان مثال، شرکتهای مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیلها شود.

استفاده گسترد ه ازاین نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه 5/1 میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌باشد .

یا انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ا‌ی در فنّاوری روشنایی در 10 سال آینده رخ دهد.

می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی ( LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد.

در ا مریکا ، تقریبا" 20% کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود.

مطابق پیش‌بینی‌ها در 10 تا 15 سال آینده ، پیشرفتهایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از 10% کاهش دهد که 100 میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و 200 میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

4 - هوا و فضا : محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد.

مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.

"نانوساختن" ( Nanofabrication ) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ا‌ی یا خورشیدی، تعیین‌کننده است.

همچنین استفاده روزافزون از سیستمهای کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پیشرفتهای شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد.

این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستمهای نانو – که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.

5- امنیت ملّی: برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارتند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان یک قابلیت مهم نظامی ، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستمهای واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری ، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی ، دستیابی به کارآیی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و ه ز ینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی ، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طرّاحی در سیستمهای مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاحهای هسته‌ا‌ی ، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستمهای دفاع هسته‌ا‌ی .

در بسیاری موارد، فرصتهای اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند.

کاربردهای درازمدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.

6- کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد 1000 برابر یا بیشتر افزایش دهد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود.

ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ ربع برسد، و این امر موجب می‌شود که ذخیره‌ سازی 50 عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری شود.

ساخت تراشه‌ها در اندازههای فوقالعاده کوچک به عنوان مثال در اندازههای 32 تا 90 نانو متر، تولید دیسک‌های نوری 100 گیگا بایتی در اندازههای کوچک نیز میباشد.

تاریخچه فناوری نانو در جهان چهل سال پیش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، درسخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان " آن پایین فضای بسیاری هست "( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت.

وی درآن زمان اظهار داشت : "اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمیزنند." او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفتهاند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازهها را با مقیاسهای کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر کنیم.

در واقع آنها به مرزهای حقیقیشان در لبههای نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود بهطوری که یک اتم را در مقابل دیگری بهگونهای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم.

با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی میتوانیم ایجاد کنیم؟

Feynman در ذهن خود یک "دکتر مولکولی" تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و میتواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و بهطور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد.

در بحبوبه سالهای صنعتی کلمه "بزرگ" از اهمیت ویژهای برخوردار بود.

مثل علوم بزرگ، پروژههای مهندسی بزرگ و غیره حتی کامپیوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال میکردند.

ولی از وقتی Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی بهسوی کوچک شدن در پیش گرفت.

Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت که میتوانست به اندیشههای Feynman قوت ببخشد.

Minsky پدر یابنده هوشهای مصنوعی دهه 70-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده میشد، رهبری میکرد.

در اواسط دهه 70 ، Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ التحصیل بود، Minskey را بهعنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایاننامهاش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت.

Drexler سبت به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقهمند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد.

Minskey نیز با وی موافقت کرد.

Drexler در اوایل دهه 80، درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود.

او افکار جوانترها را با یک سری ایدهها که خودش "نانوتکنولوژی" نامگذاری کرده، مشغول میداشت.

Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) در سال 1981 ارایه داد.

او کتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال 1986 به چاپ رساند.

Drexler تنها درجه دکتری در نانوتکنولوژی را در سال 1991 از دانشگاه MIT دریافت داشت.

او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هماکنون رئیس استیتو Foresight و Research Fellow میباشد.

تعیین بودجههای کلان در کشورهای صنعتی برای تحقیقات در زمینه نانوتکنولوژی بسیاری از کشورهای توسعه‌ یافته و در حال توسعه (در حدود 30 کشور)، برنامه‌هایی را در سطح ملی برای پشتیبانی از فعالیتهای تحقیقاتی و صنعتی نانوتکنولوژی تدوین و اجرا می‌نمایند.

زیرا نانوتکنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع، آینده اقتصادی کشورها و جایگاه آنها در جهان را تحت تأثیر جدی قرار خواهد داد و این مس أ له در این کشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبیین‌شده و برای مدیران اجرایی به صورت یک امر شفاف و قطعی درآمده است.

در بخشی از این کشورها، در یکی دو سال اخیر تحرکات شدیدی از طرف دولتها برای سرعت بخشیدن به توسعه نانوتکنولوژی صورت گرفته و فعالیتهایی که تا قبل از این به صورت خودجوش توسط محققان انجام می‌گرفته است، با تشویق و حمایتهای مستقیم دولت ادامه یافته‌اند که در این قسمت نمودار ستونی میزان سرمایه گذاری دولتها آورده شده است: اهمیت مطرح شدن طرح همانگونه که اشاره شد بسیاری از کشورهای پیشرفته و در حال پیشرفت، برنامه‌هایی را برای پشتیبانی از فعالیتهای تحقیقاتی و صنعتی نانوتکنولوژی تدوین و اجرا می‌نمایند.

اما یک سوال مهم برای کشور ما و بسیاری از کشورها که هنوز به نانوتکنولوژی به عنوان تمدن آینده علمی توجه کافی نکرده‌اند، این است که آیا باید با این روند همراه شد یا نه؟

توجه به فضای بسیار بزرگ و در حال ایجاد نانوتکنولوژی و حجم وسیع فعالیتهای مربوط به آن در دنیا، این باور را به انسان القاء می‌کند که دیر یا زود باید آینده را دید و برای ورود به آن اقدام نمود.

١1) ورود کشورها به عرصه نانوتکنولوژی اجتناب‌ناپذیر است.

بسیاری از صاحب‌نظران و محققان، نانوتکنولوژی را مساوی آینده دانسته‌اند.

به عنوان نمونه کمیته مشاوران رئیس‌جمهور آمریکا در علوم و فناوری در تأیید برنامه ملی نانوتکنولوژی برای سال 2001، از نانوتکنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می‌کند.

به دلیل تأثیرات این فناوری بر اکثر فناوریهای موجود، عقیده صاحب‌نظران این است که متخصصان رشته‌های مختلف بدون گرایش به مباحث مقیاس نانو در دهه‌های آینده فرصتی برای رشد نخواهند داشت و شکوفایی بسیاری از فناوریهای مهم ازجمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره‌گیری از نانوتکنولوژی دچار اختلال خواهند شد.

از این جهت این مسئله برای دانشگاهیان، محققان و مسؤولان هر کشور امری حیاتی است.

2٢) دلایل اساسی ضرورت ورود کشور به عرصه نانوتکنولوژی علاوه بر موضوع فوق، می‌توان دلایل زیر را برای اجتناب‌ناپذیری ورود کشورهایی چون ایران اقامه نمود: ١2-٢1) تاثیر اساسی نانوتکنولوژی در رشد و پیشرفت بسیاری از فناوریها ماهیت فرارشته‌ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با دقت اتم و مولکول، موجب تعریف کاربردهای بسیاری زیادی در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی شده است.

برای نانوتکنولوژی کاربردهای بسیاری را در حوزه‌های دارو و غذا و بهداشت، درمان بیماریها، محیط‌زیست، انرژی، الکترونیک، کامپیوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و تولید، هوافضا، بیوتکنولوژی و کشاورزی و امنیت ملی و دفاع برشمرده‌اند.

به همین دلیل بر تمام فناوریها تأثیر گذاشته و دیر یا زود باید شاهد محصولات آنها بود.

به عنوان نمونه در بخش پزشکی و بهداشت، یک زمینه کاری بسیار مهم، سیستم توزیع دارو در داخل بدن می‌باشد.

مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است در حالی که سلولهای خاصی از بدن نیازمند آن می‌باشند.

در روش جدید دارو با وسایل ترزیق متفاوت با امروزه به صورت مستقیم به سمت سلولهای مشخص جهت‌گیری شده و دارو به محل نیاز تحویل داده می‌شود.

با همین مکانیزم، بیماریهای بزرگ و کوچک در آغاز شکل‌گیری قابل تشخیص و درمان خواهند بود.

یا در بخش مواد، پروژه‌هایی در دست کار می‌باشد که موادی با وزن بسیار کم و خواص بسیار مناسب تولید شوند.

کاربرد این مواد در ساختمان، خودرو، هواپیما و بسیاری از ملزومات زندگی انسانها دیده خواهد شد.

بنابراین عرصه بسیار وسیع نانوتکنولوژی که زندگی انسانها را نیز در برخواهد گرفت، خود القاءکننده این نتیجه خواهد بود که نمی‌توان به روی آن چشم بست.

٢2-٢2) تأثیر نانوتکنولوژی بر امنیت جهانی از نظر دفاعی، نانوتکنولوژی برای کشورها، هم فرصت است هم تهدید.

به لحاظ کاربردهای بسیار زیادی که این فناوری می‌تواند در امور نظامی داشته باشد، گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه نانوتکنولوژی صورت گرفته است.

این کاربردها از لباسهای مانع خطر تا پرنده‌های بسیار کوچک، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم‌اکنون با حمایت وزارتخانه‌های دفاع کشورهایی چون آمریکا، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام هستند.

از این جهت این فناوری برای کشورها یک تهدید محسوب می‌شود.

اما برای کشورهایی که بتوانند با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، یک فرصت خواهد بود.

با توجه به اینکه این کاربردها بسیار متنوع هستند، هر کشوری می‌تواند زمینه‌ای را برای پیشگامی در جهان سهم خود نماید و در آینده رقابتهای بین‌المللی نقشی داشته باشد.

2٣-٢3) شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولتها و شرکتهای بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند.

میهیل روکو، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می سال 2001، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است.

بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی 15 سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد.

خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از 10 سال آینده حکایت دارد.

به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال 2007 پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.

در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده است تا 10 الی 15 سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار 100 میلیارد دلاری کاتالیستها که تا 10 سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیستهای نانوساختاری خواهد بود برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است.

از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است.

موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند.

به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تاثیر قرار خواهد داد.

در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود.

با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.

ماخذ: • سایت کمیته مطالعات سیاست نانوتکنولوژی.

www.irannano.org • نانوتکنولوژی، آیئنه تکنولوژی آفرینش، انجمن علمی دانشجویی دانشکده فنی دانشگاه تهران.

• سیاستگذاری علم و تکنولوژی (مطالعه موردی نانوتکنولوژی در ایران)، دکتر قاضی نوری.

• مجموعه مقالات 0 اولین همایش نانوتکنولوژی، کمیته مطالعات سیاست نانوتکنولوژی.

• پیام دکتر عارف به اولین همایش نانوتکنولوژی، اسفند 1380.

باشگاه دانش آموزی نانو در یک نگاه رویکرد آموزشی باشگاه دانش آموزی نانو محتوای وب‌گاه 1.

مقالات 2.

فعالیت ـ مسابقه 3.

گزارش ـ مصاحبه 4.

واژه‌نامه زیرساخت‌های اینترنتی باشگاه نانو تولید محتوا در باشگاه مجازی نانو سوابق کاری تیم پروژه سایتِ باشگاهِ نانو • علیرضا منسوب بصیری • یاسر خوشنویس • سیامک دهبد • محسن مرادی همکاران باشگاه و اعضای شبکه تحریریه نانو به زبان ساده باشگاه دانش آموزی نانو پیشنهاد باشگاه نانو آذرماه 1383 از سوی بنیاد توسعه فردا در ستاد ویژه توسعه فناوری نانو مطرح گردید و مورد تصویب آن ستاد قرار گرفت، تلاش برای ایجاد وب‌گاه و باشگاه دانش‌آموزی نانو با درک این ضرورت صورت گرفت که حرکت بنیادین برای رشد و توسعه پایدار در یکی از زمینه‌های نوین و کلان علم و فناوری در کشور، نیاز به فرهنگ‌سازی و آشنایی ریشه‌ای دانش‌آموزان ــ که دانشگران و فناوران فردای جامعه ما هستند ــ با این مقوله نسبتاً پیچیده دارد.

این ضرورت، جهت‌دهنده اهداف کلان این تلاش به شرح ذیل شده است: n افزایش سواد علمی، درک علمی و منش علمی در دانش‌آموزان نسبت به علوم و فناوری نانو n تشویق دانش‌آموزان به مطالعه و تحقیق در زمینه‌های مختلف علوم و فناوری نانو n تولید محتوای علمی ـ آموزشیِ فارسی و مستند در شبکه جهانی برای دانش‌آموزان و معلمان n چشاندن طعم پیشرفت و تقویت غرور ملی جامعه به وسیله اطلاع‌رسانی در مورد توسعه بومی این فناوری در نوجوانان (برگرفته از اهداف ستاد) رویکرد آموزشی با توجه به ماهیت آموزشی طرح، و نیز ماهیت علوم و فناوری‌های نانو، یک راهبرد کلان آموزشی، فعالیت‌های وب‌گاه را هدایت می‌کند.

این راهبرد، مبتنی بر این واقعیت است که در نانو، علوم مختلف در هم تنیده شده‌اند و نمی‌توان آن را فارغ از گرایش‌ها و زمینه‌های مختلف علمی دیگر آموزش داد.

در طرح وب‌گاه و باشگاه نانو تلاش شده است، آشنا ساختن دانش‌آموزان با فناوری نانو به ارتقای سطح سواد علمی آنها در زمینه‌های‌ فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و علوم مواد در سطح مولکولی شود.

به طور خلاصه، رویکرد آموزشی این طرح، آموزش درهم‌تنیده زمینه‌های مختلف علوم با تأکید بر کاربرد آنها در علوم و فناوری‌های نانو است.

محتوای وب‌گاه محتوایی که در وب‌گاه ارائه شده‌ است، این عناوین را دارد: 1.

واژه‌نامه 1.

مقالات‌ مقالات محتوای اصلی آموزشی وب‌گاه را تشکیل می‌دهند.

روش‌های مختلفی برای تبیین مفهوم نانودانش و نانوفناوری وجود دارند.

هر یک از این روش‌ها از یک موضوع برای شروع آموزش و انتقال مفاهیم اولیه آغاز می‌کنند.

مثلاً تاریخچه شکل‌گیری نانوفناوری، یا امکانات فوق‌العاده‌ای که در اختیار ما خواهد گذاشت بهانه‌ای برای ورود به یک مبحث است.

سپس مفاهیم، ابزارها و...

ارائه می‌شوند.

روشی که برای آموزش نانو و تولید مقالات وب‌گاه طراحی می‌شود، این مزیت را دارد که مجموعه نانودانش و نانوفناوری را به صورت یک شبکه به‌هم‌پیوسته تبیین می‌کند.

1.1.

مباحث کلیدی وب‌گاه، مجموعه‌مقالاتی با عنوان «مباحث کلیدی» دارد.

مفاهیم این مجموعه‌مقالات عبارتند از: توصیف مقیاس نانو، اهمیت مقیاس نانو و مفهوم دست‌کاری (manipulation) که یکی از مهمترین مفاهیم نانوفناوری است.

1.2.

موضوعات اساسی برای تبیین این مفاهیم، موضوعات اساسی دیگری به میان می‌آیند.

این موضوعات عبارتند از: • مبانی تئوریک نانودانش: فیزیک کوانتوم، شیمی مولکولی و...

• ابزار کسب اطلاعات از مقیاس نانو: میکروسکوپ ها و...

• ابزار و روشهای دست کاری مواد و تولید در ابعاد نانو • ارتباط نانو با علوم و فناوری های پیشین: روشهای توده ای، فناوری های قدیمی با رویکرد نانومقیاس • گذشته، حال و آینده نانو: تاریخچه، اخبار و آینده نگری • نانومواد ونانوساختارها • نانوفناوری در ایران • محصولات و بازار نانوفناوری این فهرست ممکن است با توجه به پیشنهادها و راهنمایی های نویسندگان مقالات و دیگر صاحبنظران تغییر کند.

هنگامی که در مقاله کلیدی به یکی از این موضوعات اشاره شود، لینک به صفحه مرتبط داده می شود.

در هریک از صفحات دیگر نیز لینک به مقاله کلیدی و همین طور لینک به صفحه دیگر موضوعات لیست بالا که به آنها اشاره می شود، ایجاد خواهد شد.

این ساختار در شکل زیر نشان داده شده است: 2.

فعالیت‌‌ ـ مسابقه برای تعمیق مباحث آموزشیِ مقالات و نیز ایجاد آموزش تعاملی، فعالیت‌هایی طراحی و اجرا می‌شوند.

این فعالیت‌ها بر مبنای تجربیات کارگاه‌های آموزشی و نیز جست‌وجو در وب‌گاه‌های مشابه تعریف می‌شوند.

فعالیت‌ها در سه دسته قابل ارائه‌اند: 2.1.

فرآیندهای راهنما این فرآیندها شامل آزمایش‌ها و مشاهداتی در مقیاس بزرگ‌اند که می‌توانند راهنمای درک فرآیندهای ریز که قابل مشاهده نیستند، باشند.

2.2.

شبیه‌سازی رایانه‌ای یکی از بهترین روش‌های ممکن برای تعاملی کردن آموزش و تعمیق دانسته‌ها «شبیه‌سازی» است.

شبیه‌سازی‌ها از ساده‌ترین مسائل مانند شبیه‌سازی برخورد صُلب مولکول‌ها آغاز می‌شود و تا حد امکان به سمت شبیه‌سازی رفتار شبکه مولکولی پیش می‌رود.

2.3.سخت‌افزارهای کمک‌آموزشی برای آنکه نانودانش و نانوفناوری از حد یک سری مفاهیم یا قوانین نظری و نرم‌افزاری فراتر رود و عینی شود، به روش‌های سخت‌افزاری کردن این موضوعات نیاز داریم.

یکی از وسایل موجود که استفاده از آن کاملاً تجربه‌شده و بسیار مفید بوده، «لِگو» است.

در این حالت فرض می‌کنیم که هر یک از آجرهای لِگو، یا مجموعه‌ای از آنها، بیانگر یک مولکول یا ساختار نانویی است.

بدین وسیله مفاهیم نانودانش و نانوفناوری و خصوصاً امکان دست‌کاری مواد، عینی و مشاهده‌پذیر می‌شود.این امکان پیش‌بینی شده است که فعالیت‌ها به صورت مسابقه طراحی و ارائه شوند.

3.

گزارش ـ مصاحبه در این بخش گزارش‌هایی درباره وضعیت مطالعات و پژوهش در زمینه نانودانش و نانوفناوری در ایران ارائه می‌شود.

همچنین مصاحبه‌هایی با استادان و محققان صورت می‌گیرد.

اهمیت این بخش در این است که نشان می‌دهد مفاهیم و موضوعات عنوان‌شده در بخش‌های پیشین که ممکن است بسیار شگفت‌آور و غیر قابل دسترس تلقی شوند، هم‌اکنون در کشور خودمان در حال پیگیری هستند.

4.

واژه‌نامه واژه‌نامه انگلیسی به فارسی و فارسی به انگلیسی برای محتوای وب‌گاه ایجاد می‌شود.

باید به این نکته اشاره کرد که بخش عمده محتوای موجود در نانوفناوری، مانند سایر حوزه‌های فناوری، به زبان انگلیسی است.

اگرچه تلاش ما در این طرح، تولید محتوای فارسیِ نانو برای دانش‌آموزان است، اما نمی‌توان اهمیت استفاده از مراجع به زبان اصلی را نادیده گرفت.

طراحی و گسترش این واژه‌نامه قدم اولیه و اساسی برای آماده‌سازی و ترغیب مخاطبان به استفاده از متون مرجع است.