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.