دانلود مقاله پیش‌ بینی پیشرفت نانوتکنولوژی با کمک شاخص های علم و فناوری

نشریه نانوتکنولوژی، سال 2002، شماره 13، (243-247)

چکیده

قرار است نانوتکنولوژی یکی از فناوریهای کلیدی و کارآمد قرن 21 شود. قابلیت اقتصادی آن، حاکی از وجود بازاری بالغ بر چندصد میلیارد یورو برای این فناوری در دهه بعد است. بنابراین نانوتکنولوژی موجب جهت‌دهی فعالیتهای بسیاری از بخشهای صنعتی و تعداد زیادی از شرکتها در جهت آماده‌سازی آنها برای این رقابت جدید شده است. در همین زمان دولتمردان در بخشهای تحقیق و توسعه در سراسر دنیا نیز در حال اجرای برنامه‌های تحقیقاتی خاص در زمینه نانوتکنولوژی هستند تا آینده کشورهای خود را به وضعیتی مطلوب برسانند. هدف این مقاله، استفاده از شاخصهای تکنولوژیکی و علمی برای پیش‌بینی پیشرفت اقتصادی و مقایسه وضعیت کشورهای مختلف است.

1- مقدمه

علوم نانو در دو دهه گذشته، پیشرفت بزرگی حاصل کرده است. ما شاهد کشفیات علمی و پیشرفتهای تکنولوژیکی مهمی بوده‌ایم. به عنوان مثال، این پیشرفتها شامل اختراع میکروسکوپ تونل‌زنی پیمایشگر  (STM) در سال 1982 ]1[ یا کشف فولرینها در سال 1985 می‌باشد]2[. در حال حاضر تعداد اندکی از محصولات مبتنی بر نانوتکنولوژی به استفاده تجاری رسیده‌اند. با این وجود، آیا دانش واقعی علمی، جوابگوی اشتیاق جهانی نسبت به این فناوری هست ؟ تا چه حد احتمال دارد که بازار جهانی در طی 10 تا 15 سال آینده به هزار میلیارد دلار در سال برسد]3[؟

ارزیابی قابلیت فناوریهای تکامل یافته کار آسانی نیست و برای یک فناوری جدید مثل نانوتکنولوژی، این کار دشوارتر است. البته در پیش‌بینی سعی می‌شود از شاخصهایی استفاده شود که توانشان در پیش‌بینی قابلیت دیگر فناوریهای جدید به اثبات رسیده باشد. دو تا از واضح‌ترین شاخصهای پیش‌بینی، تعداد مقاله‌های علمی و تعداد اختراعات ثبت شده هستند. اولی معمولاً شاخص خوبی برای فعالیتهای علمی و دومی برای قابلیت انتقال نتایج علمی به کاربردهای عملی است. شکل 1 تکامل تدریجی انتشارات و اختراعات نانوتکنولوژی از شروع دهه 1980 تا 1998 را نشان می‌دهد. اطلاعات انتشارات جهانی نانوتکنولوژی از داده‌های Science Citation Index (SCI) اقتباس شده است. اختراعات نانو، آنهایی هستند که در European Patent Office (EPO)  در مونیخ ثبت شده‌اند. اختراعات EPO داده‌های بسیاری از کشورها را در بر می‌گیرد. از نظر گستره کار و هزینه بالا، منطقی به نظر می‌رسد که مخترعین از اختراعات به صورت تجاری بهره‌برداری کنند. لیستی از کلمات کلیدی علوم و فناوری نانو جهت دستیابی به انتشارات، اختراعات و روشها منتشر شده‌است]4[.

تعداد انتشارات در سالهای 1980 و 1985 نسبتاً اندک است، اما در سالهای بعد سیر صعودی می‌یابد و از سال 1986 به بعد سرعت افزایش آنها محسوس می‌باشد. این تغییر ناگهانی را می‌توان به اختراع میکروسکوپ تونل‌زنی پیمایشگر در چند سال قبل از آن]1[، آغاز حضور وسایل تحقیقاتی مفید در آزمایشگاههای تحقیقاتی، دانشگاهی و صنعتی و نیز توجه تحقیقات به سوی مقیاس نانو نسبت داد. افزایش سرعت انتشار مقالات همچنان ادامه پیدا کرده و سیر صعودی آنرا می‌توان ناشی از دسترسی به میکروسکوپ نیروی اتمی که گستره کاربرد وسیعتری نسبت به STM در مواد غیرهادی دارد (اختراع در سال 1986 ]5[) و نیز کشف مولکول C60 در سال 1985 ]2[ و یا نانولوله‌های کربنی در سال 1991 ]6[ دانست. افزایش تعداد انتشارات در بازه زمانی 1989 تا 1998

شکل 1- اختراعات و انتشارات نانوتکنولوژی از سال 1981 تا 1998 در سراسر دنیا. تعداد انتشارات شامل تمامی مقالات مربوط به نانوتکنولوژی در سراسر دنیا بوده و از داده‌های SCI بدست آمده است. اطلاعات مورد نظر بوسیله جستجوی کلمات کلیدی نانوتکنولوژی در مرجع ]8[ حاصل شده است. از فهرست کلمات کلیدی مشابهی که در همان مرجع وجود دارد برای یافتن اختراعات نانوتکنولوژی که در EPO ثبت شده‌اند استفاده شده است. به مقیاسهای متفاوت دو منحنی توجه داشته باشید. منابع: SCI، داده‌های (EPAT) EPO و محاسبات شخصی

بسیار چشمگیر است؛ جهش از 1000 مقاله تا بیش از 12000 مقاله در سال 1998.

میانگین رشد سالانه معادل 27 درصد بوده و رشد سالیانه از 10 تا 80 درصد در نوسان است. اطلاعات بدست آمده از دفتر ثبت اختراعات ایالات متحده]7[ نیز رشدی مشابه با اطلاعات اروپا نشان می‌دهد.

تعداد اختراعات ثبت شده، شاخص‌ مناسبی برای اندازه‌گیری ظرفیت آزمایشگاهها جهت انتقال نتایج تحقیقات به مصارف صنعتی می‌باشد. شکل (1) بیانگر گسترش تعداد اختراعات نانوتکنولوژی در EPO و انتشارات علمی در یک دوره یکسان می‌باشد. به طور معمول، تعداد اختراعات پیرو الگوی انتشارات علمی، البته با تأخیر زمانی محسوسی می‌باشد. منحنی فوق در تمام سالهای 1981 تا 1998 رشد مشخص 28 تا 180 عددی اختراعات را با ضریب رشد %7 در دهه 90 نشان می‌دهد. منحنی اختراعات نوسانات بیشتری را نسبت به منحنی انتشارات نشان می‌دهد. این امر به این علت است که هرگاه تعداد داده‌ها کمتر باشد، نوسانات آماری تاثیرات بیشتری بر روی آنها می‌گذارد. به علاوه پیشرفتهای صنعتی در هر سال تأثیر بیشتری بر روی اختراعات دارد.

شکل 2- توسعه سنتی فناوری. وابستگی فعالیتهای علمی، تکنولوژیکی و تجاری به زمان]8[. طبق یک مدل تئوری، شرایط واقعی نانوتکنولوژی عملاً در مراحل 2و3 خواهد بود.

تکامل فعالیتهای تکنولوژیکی و علمی نانوتکنولوژی را می‌توان با فناوریهای قبلی مقایسه کرد. در وهله اول می‌توان از مدل توسعه تکنولوژیکی عمودی (Lineal) استفاده کرد. گراپ]8[، برای چنین مدلی که در شکل (2) به آن اشاره شده است، هشت مرحله را ارائه داده و تکامل از تحقیقات بنیادی تا ورود آن به تولیدات را تشریح نموده است. مرحله (1) زمان شروع کار تحقیقاتی علمی را نشان می‌دهد. هنگامی که فناوری شروع به ظاهر شدن می‌کند، پیشرفت بیشتری در علوم مشاهده می‌شود (مرحله 2). در مرحله (3) درک اصول علمی بیشتر شده و اولین نمونه‌های تکنولوژیکی ظاهر می‌گردند.

در مرحله 4 مشکلات انتقال فناوری به کاربردهای تجاری نمایان می‌شود و در مرحله 5 پیشرفت در علوم و فناوری راکد می‌ماند. با جهت‌دهی مجدد تحقیقات صنعتی، فرصتهای جدیدی ظاهر می‌شود (مرحله 6) و استفاده‌های تجاری که باعث شروع تحقیقات هزینه‌بر صنعتی می‌شود آشکار می‌گردد (مرحله 7). نهایتاً ورود به تمام بازارها انجام شده و با تولید محصولات حاصل از اختراعات، میزان تحقیقات انک اندک کاهش می‌یابد (مرحله 8).

جدول 1: انتشارات و اختراعات 15 کشور فعال در این زمینه. داده‌ها به صورت درصد نسبت به کل رقم جهانی داده شده‌اند. دوره انتشارات نانوتکنولوژی بین سال‌های 1997 تا 1999 با هم مقایسه شده‌اند. در مورد اخترعات ثبت شده در EPO و PCT این دوره از سال‌های 1991 تا 1999 را نیز در بر می‌گیرد. دلیل انتخاب این مدت زمان این است که تعداد مطلق اختراعات سالیانه اندک است و در صورت انتخاب زمانهای کوتاهتر، بررسیها دچار اشکال می‌شود.

 چنین مدلی که براساس شاخصهای اختراعات و انتشارات می‌باشد و زمانی که از آن برای بررسی فناوریهای رایج امروزی مانند بیوتکنولوژی یا فناوری میکروسیستمها استفاده ‌شود، نتایج خوبی در برخواهد داشت]9[.

 با مقایسه اطلاعات مربوط به اختراعات و انتشارات نانوتکنولوژی (شکل 1) با مدل (شکل2)  مشخص می‌شود که نانوتکنولوژی به طورکلی فعلاً در انتهای مرحله (2) یا ابتدای مرحله (3) می‌باشد. با فرض اینکه این مدل، اطلاعات را به درستی تشریح نماید، حداکثر فعالیت علمی در علوم نانو در 3 تا 5 سال آینده خواهد بود؛ بهره‌برداری عظیم از نتایج آن ممکن است تا 10 سال دیگر به طول انجامد. در یک تخمین اولیه، منحنی نانوتکنولوژی (به عنوان مجموع تمام فناوریهای مقیاس نانو) می‌تواند به عنوان حلقه ارتباط تعدادی از فناوریهای نانو با اهداف و زمان رشد مختلف در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، بازاری بزرگ برای وسایل الکترونیکی نانومتری پیش‌بینی می‌شود، ولی ممکن است 1 تا 15 سال تا ورود آنها به بازار، زمان نیاز باشد، هرچند هم‌اکنون نانوذرات TiO2 به صورت مواد جاذب اشعه UV-B  در کرمهای ضد آفتاب یا نانومواد کربنی برای افزایش مقاومت لاستیکها، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

هم اکنون حدوداً بیش از یک چهارم تمام اختراعات بر روی وسایل و ابزارآلات متمرکز شده است]7[. این امر نشان‌دهنده این دیدگاه است که نانوتکنولوژی در ابتدای مرحله توسعه فناوری قرار دارد که اولین هدف آن توسعه ابزار مناسب برای نانوساختارسازی سطوح، تولید نانومواد، آنالیز نانواشیاء و غیره می‌باشد. از نظر بخش صنعتی، مهمترین فناوریها، فناوری اطلاعات(IT)، فناوری دارویی و شیمیایی است. برای بخش اول ابزار ذخیره‌سازی اطلاعات، صفحه‌های نمایش تخت یا کاغذهای الکترونیکی جزء اختراعات مهم محسوب می‌شوند. به علاوه، CMOS گسترش یافته، پردازش اطلاعات در مقیاس نانو و وسایل نمایش یا ذخیره‌سازی اطلاعات نیز جزء این زمینه محسوب می‌شوند. زیرا طبق اطلاعات انجمنهای مواد نیمه‌هادی و سایر پیش‌بینیها ]11و10[ پیچیدگی مداوم مراحل فناوری CMOS به زودی به محدوده نانومتری خواهد رسید. (پیش‌بینی می‌شود که ابعاد پردازشگرها در سال 2011 به 22 نانومتر برسد.) صنایع نیمه‌هادی با آگاهی از مشکلات آینده، تاکنون به تحقیق برای یافتن راه‌حلهایی جهت گسترش CMOS به مقیاس نانو و ساخت وسایل جدید در این مقیاس دست زده‌اند.