مقاله نانو تکنولوژی چیست؟

 مقدمه :

درک ماهیت مواد و چگونگی ساختارهای آنها همیشه از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده است . مواد علاوه بر اینکه جزء مواهب طبیعت به شمار می آیند ، در ساخت وسایل و تامین احتیجات انسان نقش عمده ای دارند . علم هم به تناسب پیشرفتی که در چند سال اخیر داشته ،توانسته است دیدگاه درستی از ماده و توانایی های آن پیدا کند به گونه ایکه اکنون با بررسی زمینه های اتمی و زیر اتمی مواد و عناصر، امکان ساخت و بنا گذاری مدل های جدیدتری از مولکول ها فراهم شده است . در این نوشتار کاربردهای این فناوری را مورد بررسی قرار می دهیم . با این امیدکه شما نیز از فناوری معرفی شده نهایت استفاده را داشته باشید .

نانوتکنولوژی چیست ؟

بشر از همان ابتدای تاریخ توجهی به ساختارهای خیلی بزرگ و یا خیلی کوچک نداشته ، بلکه تمامی همت خود را معطوف ساخت و ساز در محدوده ی عادی و مورد دسترس نموده است.

برای اینکه تصور جامع تری نسبت به موضوع ارائه دهیم می توانیم از سیستم SI یادکنیم ، در این سیستم واحد طول متر انتخاب شده و دیگر اندازه های طولی از آن مشتق می شوند . بشر در ابتدا نه توانایی این را داشت که به محدوده های دیگر وارد شود و نه لزوم کار در چنین محدوده هایی را احساس می کرد . اما این روند که انسان تا به دیروز دنبال می کرد ، دیگر جواب گوی نیاز بشر امروزی نیست . هر چند با اختراع ترانزیستور ها و … توانسته ایم تا حدودی وارد میکروالکترونیک شده و از آن بهره مند شویم با این وجود برای ساخت کامپیوترها به مشکل برخورد کرده ، مشکلی به بزرگی کوچک کردن اندازه در حد اتمی که تقریبا تمام استراتژیهای حل این مسئله به نوعی با نانوتکنولوژی در ارتباط می باشند.

و اما نانوتکنولوژی که در بالا اشاره کردیم ، این واژه ی عجیب که از ترکیب نانو به معنای عدد نه و همچنین تکنولوژی ساخته شده است ، چه مفهومی را می رساند … ؟! نه فناوری ؟ تکنولوژی عدد نه ؟

خیر در حقیقت نانو در این واژه مخفف نانومتر و یا در کل اندازه ی 9-10 متر است .که تلفیق آن با نانوتکنولوژی مفهومی کلی را در بر می گیرد، به هر کاری که در اندازه ی اتمی و مولکولی انجام شود نانوتکنولوژی اطلاق می شود و هیچ نوع تفاوتی وجود ندارد که یک پروژه ی زیست شناسی باشد و یا اینکه برای درک ماهیت اتم و ساختن یک ساختمان اتمی صورت گیرد و خوشبختانه نانوتکنولوژی توانسته محققان رشته های مختلف را به سوی خود بکشاند . دانشمندان به اهمیت کار در این محدوده پی برده اند و امروزه شاهد فعالیت گروه های مختلف تحقیقاتی هستیم که پیشرفت های حاصله از کار آنها گویای پتانسیل های بالای نانوتکنولوژی است .

برای اینکه مفصل تر با کاربردها و تاثیراتی که روند کوچک سازی بر زندگی و پیشرفت دنیا خواهد داشت پی ببریم ، بهتر است سفری به 45 سال پیش داشته باشیم . زمانی که ریچارد فاینمن فیزیک دان آمریکایی در حال ارائه ی ایده های اولیه ی خود در باب نانوتکنولوژی بود . ابتدایی ترین آنها کوچک سازی تمامی بیست و نه جلد دایره المعارف بریتانیا است ، وی که فضای موجود برسر سوزن را بهتر از افراد دیگر می دید ( زیرا فیزیک دان ذرات بنیادی بود ) به دانشمندان این نوید را داد که می توانند این کتاب را بر سر یک سوزن جای دهند .چرخ دنده های اتمی و غیره نیز از جمله مباحث پیشنهادی توسط فاینمن به شمار می آیند . این قبیل پیش بینی ها زمینه ای شد برای یکی از جوان ترین نانوتکنولوژیست ها به نام اریک درکسلر ،او با نوشتن کتب متعدد توانست نظرات خود را به دیگران انتقال دهدو به افراد مشتاق کوچک سازی ایده و هدف ارائه کند .

درکسلر کسی بود که اولین بار پژوهشگران را با روبات های شناور در جریان خون بدن انسان که می توانستند به انجام عمل جراحی و درمان بیماریهای انسان بپردازند ، آشنا ساخت . این روبات های مولکولی شناور در جریان خون بدن همانند اختراع تلفن برای برخی از مردم ناراحت کننده بودند ، ولی به هر حال مشخص است که ماشینهایی از این دست انجام بسیاری از عمل های جراحی و نیز درمان بیماریهای خطر آفرین را تسهیل میکرد . هم اکنون موسسات مختلفی در سراسر جهان مشغول تحقیق بر روی این نوع ماشینها هستند .

به موازات پیش بینی های ذکر شده برخی دیگر از ایده های ا فراطی خطر ناک نیز شکل گرفته اند ، که هر چند تعدادی از آنها با حقائق علمی امروز منطبق نیست ، اما می توان ثابت کرد که نانوتکنولوژی دستیابی به آنها را آسان می نماید. مثلا رنگی هوشمند که می تواند بسته به شرایط محیطی تغییر ماهیت دهد ، و یا اینکه لاستیکی که تا مدت زمان زیادی فروسوده نشود اینها ایده هایی هستند که امکان دستیابی به آنها زیاد بعید نیست . اما ساختن ماده ای به نام Gray goo که در صورت کنترل نکردن صحیح آن می تواند در عرض هفتاد و دو ساعت تمامی جهان را احاطه کند باعث به وجود آمدن ترس و واهمه در میان جوامع نسبت به نانوتکنولوژیست ها و اهدافشان شده است .

در هر صورت ما برای اینکه مجبور نباشیم هر روز صبح داندانهایمان را مسواک بزنیم به نانوتکنولوژی و ساخت مولکول به مولکول آینده نیازمندیم ؟!!

فناوری نانو چیست؟

نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا به عبارت دیگر ، ساخت اشیاء در سایزهای اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط روبات های برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک است و نانومتر یک میلیاردم متر است .

جمهوری اسلامی ایران و فناوری نانو

جمهوری اسلامی ایران، فناوری نانو را به عنوان اولویت اصلی فناوری کشور انتخاب نموده و برای آن برنامه ریزی می کند. تشکیل ستاد ویژه توسعه فناوری نانو با هدف برنامه ریزی بلند مدت و نظارت بر تحقق اهداف نیز در همین راستا می باشد.بر اساس بند ب ماده 43 برنامه چهارم توسعه کشور، دولت باید در سال اول برنامه، سند جامع توسعه فناوری نانو را به تصویب برساند که تدوین این سند توسط ستاد انجام شد و در حال ارائه به هیأت دولت می باشد .

نانو تکنولوژی و میکرو الکترونیک

دانش میکروالکترونیک امروزه گسترش چشمگیری پیدا کرده است . طبق تئوری scaling که در شرکت IBM مطرح شد ، کاهش ابعاد ترانسیزتور CMOS منجر به بهبود سرعت ، قیمت و توان مصرفی می شود

بنابراین سایز ترانزیستورها هر 3 سال به طور متوسط 0.7 برابر کوچکتر شده است اما به دلیل قوانین مکانیک کوانتوم محدودیت تکنیک های ساخت ممکن است . از کاهش بیش از این از لحاظ اندازه در ترازیستورهای FET معمولی جلوگیری شود و در یکی دو دهه آینده با روش های متداول ساخت در ابعاد زیر 50 نانومتر متوقف شود به این ترتیب کوچک سازی عناصر مدارها تا به حد نانومتری حتی در اندازه مولکولی محققان را به سمتی سوق می دهد که در جهت افزایش قدرت و کارایی ترانزیستور ها خیلی بیشتر از حالت معمولی فعالیت می کنند دستگاههای نانومتری جدید می توانند در دو حالت سوییچ و آمپلی فایر ایفای نقش می کنند با وجود این بر عکس FET های امروزی که عمل آنها بر اساس جابه جایی اجرام الکترونها در حجم ماده می باشند دستگاههای جدید بر اساس پدیده مکانیکی کوانتومی عمل می کنند و در اندازه نانومتری ظاهر می شوند.

در سیستم های مجتمع فوق العاده فشرده امروزی ULSI که ضخامت اکسید گیت آنها به چند لایه اتمی می رسد .

تفاوت اساسی میان تکنولوژی ULSI و نانوتکنولوژی تفاوت میان روش پیاده سازی "بالا به پایین " و " پایین به بالا "برای تولید یک محصول است در روش بالا به پایین مساله اصلی هزینه بسیار زیاد کوچک تر کردن ابعاد ترانزیستورها با روش لیتوگرافی است ، در حالی که هدف اصلی تکنولوژی ULSI کاهش هزینه ها بر بیت در حافظه ها و هزینه بر سوییچ در مدارات منطقی بوده است. از آن سو در روش پایین به بالا انتظار می رود که با استفاده از روش های پیچیده شیمیایی و طراحی مولکولی بتوان بلوک های پایه سیستم را پیاده سازی کرد .

اما مساله اصلی یکنواختی و قابلیت اطمینان سیستم در مقیاس وسیع است . اگر بتوان معماری فعلی مدارات مجتمع را بر اساس روش پایین به بالا و با قابلیت اطمینان بالا پیاده کرد ، نانو تکنولوژی اهمیت فوق العاده در توسعه صنعت IC پیدا میکند.

در تکنولوژی ULSI از آنجایی که کارآمدی سیستم مورد نظر است بیشترین درجه آزادی در طراحی سیستم و سپس طراحی مدار وجود دارد ، لذا فرآیند ساخت و ادوات نیمه هادی مثل ترانزیستورها کمترین تنوع را دارند . متقابلا در نانو تکنولوژی بلوکهای پایه متنوعی با کارآمدی بالا وجود دارند در حالی که معماری سیستم وارتباط بین بلوک ها به خوبی در نظر گرفته نشده است .

به هر حال دو روش برای توسعه نانو الکترنیک متصور است . روش اول آن که نانو تکنولوژی با تکنولوژی موجود ULSI ترکیب شود . تلفیق رشته هایی مثل بیوتکنولوژی و الکترونیک ترکیب بازار صنعت داروسازی و صنعت نیمه هادی و نهایتا پیاده سازی سیستم های مجتمع که از مواد و اجزا متنوعی تشکیل شده اند از نتایج این روش به شمار می ایند. روش دوم آن که نانوتکنولوژی جایگزین تکنولوژی ULSI شود .این در صورتی مقدور خواهد بود که بتوان سیستم های فعلی را با کارکرد بهتر و قیمت پایین تر به روش پایین به بالا پیاده سازی کرد.

نتیجه:

آنچه که مسلم است، الکترونیک مولکولی دارای آینده‌ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تکامل است. از این رو توجه خاصی را می‌طلبد . نتایج عملی رشد و توسعه شاخه‌های نانوتکنولوژی مانند نانوالکترونیک سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد که در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل کاملاً جدیدی با قابلیت‌های منحصر به فرد خواهد بود . نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار کارآمد در تولید محصولات نانوالکترونیک از اهمیت خاصی برخوردارند، ولیکن در این میان DNA به دلیل داشتن خواص محلی و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهمیت بیشتری برخوردار است . نانوتکنولوژی و شاخه‌های کاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالکترونیک به عنوان پدیده‌هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تکنولوژیکی را دارد. با توجه به اینکه هم‌اکنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش‌بینی اینکه کدامیک از محصولات آینده بهتری دارند (از نظر رقابتی) نیاز به بررسی بیشتر شاخصهای این فناروی در بخشهای صنعت و زیرمجموعه‌های این فناوری دارد.

آینده زیر سایه نانو

نانو فناوری در تعریفی بسیار ساده ، یعنی تکنولوژی هایی که در ابعاد نانومتری عمل می کنند. نانومتر واحد اندازه گیری است و برابر یک میلیاردم متر یا ۱۰به توان ۹-متر است . اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد، بنابراین با ورود به این فضای کوچک بشر می تواند در نحوه چینش و آرایش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایی متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد.

تولید نانو تیوب های کربنی (ساختارهای لوله ای کربنی) ماده ای در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است. همچنین با استفاده از نانو ذرات می توان سطوح خود تیزشونده یا همیشه تمیز ساخت و ربایش مغناطیسی را چندین برابر کرد. لاستیک های با عمر بالای ۱۰ سال و دارورسانی به تک سلول های آسیب دیده در بدن از توانایی هایی است که بشر به مدد نانوفناوری به آن دست یافته است.

اگر بپذیریم که نانو فناوری توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح اتمی و مولکولی و استفاده از خواص آن سطوح است آنگاه درخواهیم یافت که کاربردهای این فناوری در حوزه های مختلف اعم از غذا، دارو، تشخیص پزشکی، فناوری زیستی ، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی ، محیط زیست و امنیت ملی خواهد بود به گونه ای که به زحمت می توان عرصه ای را که از آن تأثیر نپذیرد معرفی کرد.

هرچند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانو تکنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به طور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین و باورنکردنی نانوفناوری در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر همگی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند. لذا محققان ، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه و وضعیت خویش را درباره این موضوع مشخص کنند و با یک برنامه ریزی علمی و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی دراین جایگاه ابراز وجود کنند.

زیرا بسیاری از صاحب نظران و محققان، نانوفناوری را مساوی آینده دانسته اند به عبارت دیگر می توان گفت، اولویت کشور، هر صنعت و فناوری که باشد بدون تسلط بر ابعادنانو، در دنیای جدید نمی توان در آن صنعت و فناوری حرفی در دنیا زد. ماهیت فرارشته ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولیدمواد، ابزارها و سیستم های جدید با دقت اتم و مولکول، موجب کاربردهای بسیار زیادی در عرصه های مختلف علمی و صنعتی شده است.

برای مثال در بخش پزشکی و بهداشت از زمینه های کاری بسیار مهم نانوفناوری، سیستم توزیع دارو درداخل بدن است . مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است در حالی که سلول های خاصی از بدن نیازمند آن هستند ، در روش جدید دارو با وسایل تزریق متفاوت با امروزه، به صورت مستقیم به سمت سلول های مشخص جهت گیری شد و دارو به محل نیاز تحویل داده می شود. از نظر دفاعی نیز این فناوری برای کشورها هم فرصت و هم تهدید است. به لحاظ کاربردهای زیاد این فناوری گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه صورت گرفته است.

این کاربردها از لباس های مانع خطر تا پرنده های بسیار کوچک تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه های دفاع کشورهایی چون آمریکا ، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت طرح های تحقیقاتی در حال انجام هستند. نانوفناوری، تغییر بنیانی مسیری است که در آینده موجب ساخت مواد جدیدخواهد شد و انقلابی در مواد ایجادخواهد کرد که محققان قادر به ساخت موادی خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نیست.