دانلود مقاله نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی یعنی فناوری یک میلیاردم متر یا تکنولوژی اتمها . در زبان یونانی نانو بمعنای کوتوله و معادل یک میلیاردم  می باشد یعنی 50000 بار نازکتر از ضخامت یک تار مو یعنی اندازه چندین اتم.

اگر انسان به این اندازه بزرگ شود 2 میلیون کیلومتر طول قد او می شد یعنی به اندازه 5 برابر فاصله ماه تا زمین.

قطعات الکترونیکی هر روز کوچکتر می شوند . ما از لامپهای رادیوهای پدربزرگهامان به اجزای نیمه رسانا در مدارهای الکترونیکی رسیدیم ونهایتا کیتها ساخته شد که شامل میلیونها ترانزیستور می باشند. صنایع میکرو الکترونیک از بزرگ به کوچک رسیده اند روش کل به جزء ولی در نانوتکنولوژی از جزء به کل می رسند و بدین ترتیب می توان ساختارهای جدیدی ساخت این مواد که خواص جدیدی دارند مواد هوشمند نامیده میشوند

بطور مثال اگر یک سطح ساخته شده از مولکولهای آب گریز داشته باشیم این سطح خودش را تمیز می کند چون آب با سطح برخورد نمی کند و آلودگی را از خودش دور می کند . دلیل خشک ماندن سطح برگ نیلوفر آبی نیز همین است.آب روی شیشه معمولی پخش می شود ولی  آب روی سطحی با ساختار نانو نمی ماند با یکنواخت سازی سطوح می توان سطحی کاملا ضد خش را بوجود آورد . امروزه پنجره هایی ساخته می شود که شفافیتشان با جریان الکتریسیته تغییر می کند یا شیشه هایی که در دماهای بالا عایقند .

رسیدن به ماده را از اتمها شروع می کنیم فرض کنید می توانیم آنها را ببینیم و ابزار لازم را در اختیار داریم ( میکروسکوپ قرن 21 بر اساس پدیده کوانتوم ) . رد شدن توپ از دیوار در مکانیک کلاسیک غیر ممکن است ولی در مقیاس اتمی الکترونها می توانند از لایه ها و ساختارها رد شوند ، اساس کار این میکروسکوپ همین است . به کمک این وسیله سطح مواد را در مقیاس اتمی بررسی میکنیم قلب میکروسکوپ موازی سطح ماده حرکت می کند البته ماده باید رسانای جریان الکتریسیته باشد هرگاه نوک میکروسکوپ از روی یک اتم رد شود الکترونها از ماده وارد نوک میکروسکوپ می شوند بدین شکل جریان ضعیفی بوجود می آید هر چه این نوک به ماده نزدیکتر شود جریان قویتر می شود این جریان را بر حسب ارتفاع محاسبه می کنند نقطه به نقطه و خط به خط این کار انجام می شود و به این شکل تصویر توپوگرافی از سطح ماده بدست خواهد آمد. این تصویر کاملا دقیق بوده و می توان بوسیله آن نه تنها ماده را در مقیاس اتمی دید، بلکه می توان در مقیاس اتمی روی آن کار کرد .

در حقیقت میکروسکوپ الکترونی دقیقترین و بهترین ماشین ابزار دنیاست . با دادن بار الکتریکی می توان اتمها را یک به یک حرکت داد به این ترتیب می توان اجسام بزرگتری ساخت مانند آجر برای ساختن خانه ، قفسه ، سیم ، لوله در مقیاس نانوسکوپی . با استفاده از اتم کربن می توانیم ساختارهایی را بسازیم که قبلا وجود نداشتند.

یکی از ساختارهایی که از کربن می شناسیم گرافیت است که در آن اتمهای کربن بصورت شش ضلعی کنار هم قرار گرفته اند و ساختار ورقه ای ایجاد کرده اند . ودیگری الماس که در آن اتمهای کربن شکل چهارضلعی دارند و در سه جهت فضا تکرار شده اند .

ساختار جدیدی از کربن فولرن است که شامل 60 اتم کربن می باشد. باکی بال شناخته شده ترین فولرن استکه شبیه توپ فوتبال امی باشد و از 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی ساخته شده است . لوله های بسیار باریک کربنی انواع مختلف فولرن می باشند که به نانوتیوب یا نانو لوله معروفنداین لوله ها بسیار مقاومند وقطر آنها حدود 1/4 نانومتر و طول آنها حدود 10-20 میکرون است در مقیاس اتمی میکرون طول زیادی است ولی در مقیاس معمولی خودمان 100000 بار نازکتر از مو !

برای ساخت لوله های کربنی دمای زیادی نیاز است تا اتمها بتوانند با هم ترکیب شوند که این دما از طریق سوختن گاز استیلن تامین می شود .

یکی از مقاومترین الیافی که بشر ساخته 6 بار از فولاد سبکتر ولی مقاومت آن 100 برابر فولاد است.

محققینی که قوه تخیل قوی دارند به فکر ساخت کابلهایی هستند که بتوان بوسیله آن به فضا رفت.

کاربرد عینی تر آن تلاش برای ساخت پروتزهای استخوان است از آنجا که این پروتزها از کربن هستند با بدن سازگاری دارند.

شیمیدانها و زیست شناسها بمنظور تشکیل خودبخودی درشت مولکولها بدنبال راههایی هستند که مولکولها در مکان مورد نظر آنها قرار گیرد .

سطحی را در نظر بگیرید که مولکولها بر روی آن دو منطقه با خواص متفاوت بوجود می آورند . سپس مولکولهایی فرستاده می شوند که یک منطقه را می شناسند و با بار الکتریکی متصل می شوند . سپس سری بعدی مولکولها فرستاده می شود که روی سری قبل قرار می گیرند و کار ادامه پیدا می کند بدین ترتیب می توان سطوح واسطه ای بین مدارهای الکترونیکی دارای لایه ها و بافتهای زنده درشت مولکولها برقرار کرد یعنی می توان بافتهای زنده را به کامپیوترها متصل کرد.

با ربط دادن زیست شناسی به کامپیوترها می توان نابینا را بینا و ناشنوا را شنوا کرد ویا داروهایی را در شرایط بدنی هر بیمار آزمایش کرد.

برای نانوتکنولوژی باید یک شیمیدان ، زیست شناس ، فیزیکدان ومهندس الکترونیک بود .

محققان رویای نانو روباتها را دارند که می توانند سلولهای آلوده را شناسایی کنند و از بین ببرند . نانو اجزایی که دارویی هستند و روی ویروسها اثر می کنند.

«نانوتکنولوژی» و تجارت

از دیدگاه تجارت، «نانوتکنولوژی» از جمله علومی محسوب می شود که دارای نرخ رو به رشد بسیار بالایی است. در حال حاضر بیش از 1200 شرکت «نانوتکنولوژی» در سراسر دنیا محصولات جدید خود را که منتج از این دانش نوپاست روانه بازار کرده اند که از آن جمله می توان به دوربین دیجیتالی    Easy Share LS 633 محصول شرکت Kodak ،  اتومبیل Chevrolet Impala محصول شرکت GM اشاره کرد. از این میان، حدود 600 کمپانی در ایلات متحده و مابقی در اروپا و ژاپن قرار گرفته اند.

  بر اساس برآوردهای بعمل آمده، میزان گردش سرمایه در بخش «نانوتکنولوژی» دنیا بالغ بر 5/45 میلیارد دلار خواهد بود که باعث اشتغالزایی حدود 800 هزار تا 2 میلیون نفر خواهد شد. تنها در سال 2004 میلادی، 16 کمپانی آمریکایی که در زمینه تولید نانوذرات فعالیت داشته اند، حدود 8/3 میلیارد دلار فروش داشته اند.

 بنابراین «نانوتکنولوژی» در آینده ای نچندان دور می تواند تأثیرات چشمگیری را بر اقتصاد دنیا داشته باشد. اما لازمه ایجاد این تأثیرات سرمایه گذاری بر بخش R&D این علم جدید و پیشرو   می باشد. میزان سرمایه گذاری های انجام شده در بخش R&D «نانوتکتولوژی» در سال 2004، حدود 6/8 میلیارد دلار بوده است که سهم بخش دولتی 6/4 میلیارد دلار و بخش خصوصی حدود 8/3 میلیارد دلار بوده است. بیشترین میزان سرمایه گذاری توسط بخش خصوصی در ایالات متحده با 7/1  میلیارد دلار بوده است و بعد از آن ژاپن با 1/1 میلیارد دلار و نهایتاً اتحادیه اروپا با 7/0 میلیارد دلار حجم سرمایه گذاری قرار داشته است.

بر اساس برآوردهای بعمل آمده «نانوتکنولوژی» تا سال 2014 در تمامی عرصه های تولیدی وارد خواهد شد و حدود 15 درصد از کل محصولات تولید شده در دنیا به نوعی از این علم بهره مند خواهند بود که گردش سرمایه ای حدود 6/2 هزار میلیارد دلار  را در پی خواهد داشت. این برآوردها خاطر نشان می سازد که حجم درآمدهای حاصل از «نانوتکنولوژی» در حدود 10 برابر بیوتکنولوژی خواهد بود و تقربیاً معادل درآمدهای حاصل از IT خواهد شد.

(نانوتکنولوژی) + بیوتکنولوژی = نانوبیوتکنولوژی

(نانوتکنولوژی) + بیوتکنولوژی = نانوبیوتکنولوژی

نانو بیوتکنولوژی حوزه نوظهور علمی وفنی است که شاخه ای چند-رشته ای از علوم است. این حوزه به فعالیت‌های همگام علوم مواد و بیولوژی اشاره دارد. در شکل زیر ارتباط دو حوزه علمی نانو و بیوتکنولوژی نشان داده شده است.

کاربردهای نانوبیوتکنولوژی

·         نانو بیوتکنولوژی در پزشکی

–         دستیابی به قدرت اندازه گیری و ساخت اجسام در مقیاسی است که ارگانیسم های زنده قادر به انجام اکثر وظایفشان شوند

–         مثال: سیستم های انتقال و رهایش دارو، بانداژهای هوشمند و هیدروسل ها

l       نانو بیوتکنولوژی در محیط زیست

–         راه حلی برای برطرف ساختن برخی مسائل زیست محیطی موجود از طریق کاهش مواد زاید و کمک به فراهم آوردن غذا، آب و انرژی فراوان

–         مثال: ساخت نانوبیوسنسورها، نانوبیوپروب ها

l       نانو بیوتکنولوژی در مهندسی

مثال: ابزار مادون ریز، حسگر های نوری، نانوذرات، نانوماشین ها و نانوبیوراکتور ها

در حقیقت تعامل دو فناوری نانو و بیو بر گرفته از استفاده از مدل‌های بیو و نانوفناوری و ابزار نانو در فناوری بیو است.

مادامی که مهندسین و دانشمندان آرزوی ساخت کنترل شده بناهایی در مقیاس میکرو و نانومتر را در سر دارند, طبیعت چنین وظایفی را انجام داده و ساختارهایی پیچیده را با دقت و راندمان بالا با استفاده از مولکول های بسیار ویژه‌ای نظیر DNA و پروتئین‌ها بنا می‌کند. از زمانی که گروه میرکین و گروه آلیویاستوز ساخت بناهای همراه با DNA از نانوذرات طلا را نشان دادند، گزارش‌های بسیاری همراه با تمایل بسیار زیاد برای ساخت ساختارهایی دقیق از نانو و میکروذرات جهت ردیابی شیمیایی و بیولوژیکی و به منظور کاربرد در مدارهای الکترونیکی، جهت ساخت دستگاههای نانو الکترونیکی آینده ارائه شده است. راهکارهای متعددی در ساخت این مواد نظیر روشهای بر مبنای زیستی و شیمیایی، الکتریکی و سیالاتی  مطرح شده است.

طبیعت، ساختارهای نانو را با استفاده از شناسایی مولکولی بنا می کند. در مورد DNA، پیوند هیدروژنی ، نوعی انحصار را در اتصال جفت های مکمل تک رشته به دو رشته فراهم می کند.

کاملا آشکار شده است که تعدادی از روندهای مهم مرتبط با تکنولوژی، اثرات مهم جهانی را تا سال 2015 در پی خواهند داشت. این روندها از پیشرفتهای بیوتکنولوژی، نانوتکنولوژی، تکنولوژی مواد و تکنولوژی اطلاعات اثر می پذیرند.

بسیاری معتقدند اگرچه قرن بیستم مقهور پیشرفت‌های شیمی و فیزیک شده بود، قرن بیست و یک با پیشرفت‌های بیوتکنولوژی اداره می‌گردد. آشکار است که بشر در آستانه درک، مطالعه و کنترل کدهای ژنتیکی موجودات زنده است، که انقلابی در کنترل ارگانیسم‌های بیولوژیکی و کمبود‌هایشان به ارمغان می‌آورد. دیگر پیشرفت‌های حوزه مهندسی پزشکی در زمینه درمان و توسعه داروها چشم‌اندازهای دیگری را از پیشرفت بیوتکنولوژی و کاربردهای جدید آن به همراه دارد.

علوم و مهندسی مواد نیز در موضعی بحرانی به دو رشته بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی وارد می‌شوند. به نظر می‌رسد، تحقیقات بین رشته‌ای جهت تولید موادی با خواصی بهبود یافته برای کاربردهایی عمومی (نظیر ساخت بناهای نانو) و خاص ( نظیر سیستمهای هوا- فضا) همچنان ادامه یابد. مواد تولید شده در قرن بیست و یک ، موادی هوشمند تر، چندکاره و سازگار با محیط های بسیار مختلف می‌باشند .

ماشین مولکولی طبیعت، هر آنچه که بشر چگونگی ساخت آنرا با روشهای سنتی می داند، با مقیاسی چند برابر تهیه میکند. برای مثال، یک تک-سلول Escherichia coli که قطری تقریبا برابر μm 1 دارد، ظرفیت ذخیره کردن دیجیتالی ژنوم آن در حد یک دیسک لرزان با دانسیته بالاست؛ یک ریبوزوم می تواند توسط بیش از پنجاه پروتئین مختلف خودبخود ساخته شود؛ سلولهای یوکاریوت سنتز DNA را به نحوی مدیریت می‌کنند که خطایی کمتر از 11- 10 به ازاء هر نوکلئوتید اضافه شده دارد و گیاهان سبز انرژی به توده‌ای از مواد شیمیایی به اندازه بیش از کل صنایع شیمیایی جهان تبدیل می‌کنندتوانایی‌های گسترده سیستم‌های بیولوژیکی برای تبدیل و انتقال انرژی، سنتز مواد شیمیایی خاص، تولید توده های زیستی، ذخیره کردن اطلاعات، شناسایی، حس کردن، پاسخ دادن، حرکت، خود-ساخت یافتن (Self assembly) و باز-تولید نمایانگر حوزه جدیدی از تحقیقات آینده است. در نتیجه، درک رو به رشدی از رشته نوین نانوبیوتکنولوژی، زمینه ای برای ساخت بناهای مولکولی بدیعی با صحت، دقت و انعطاف‌پذیری بالا فراهم کرده است، که نسبت به فرایندهای ساخت سنتی هزینه های کمتری را به همراه خواهد داشت. بر این اساس، با استفاده از ابزارهای ساخت در مقیاس نانو، کلاس جدیدی از دستگاه‌ها و سیستم های مقاوم، بسیار سبک و زیست-سازگار قابل تولید است.  بهره گیری از چنین تکنیک‌هایی انقلابی را در ساخت دستگاه های الکترونیکی، مدارها و کامپیوترها، حس گرها، مواد هوشمند، سیستم‌های انتقال دارو، میکرو روبوت‌ها و ابزارهای دقیق جراحی به وجود خواهد آورد.