سفری کوتاه به دنیای نانو فناوری

سفری کوتاه به دنیای نانو فناوری
دنیایی را تصور کنید که در آن مسئولیت محافظت از بدن انسان ها بر عهده ی پزشکان میکروسکوپی است، دنیایی که در آن پردازنده های رایانه ای به کوچکی ذرات غبار روی میز شماست، دنیایی که در آن توده ای از کاوشگرهای فضایی مینیاتوری داده ها را به جاهای خیلی دور ارسال کنند. بسیاری از خواسته های دور از باور بشر امروز، در آینده به کمک نانو فناوری به وسایل ساده ای تبدیل خواهند شد. اما سؤال این است که واقعاً نانو به چه معناست و دلیل پدیدار شدن این فناوری چیست؟
نانو فناوری یک علم و در عین حال یک مهندسی پیشرفته در مقیاس مولکول ها و اتم هاست؛ دانش تغییر دادن مواد و استفاده از آنها برای ساخت وسایل و تجهیزاتی که کوچک تر از آنها را نمی توان به وجود آورد.

چقدر کوچک؟

اندازه ی مواد نانو بین 0/1 تا 100 نانومتر است. یک نانو متر برابر است با یک میلیونیوم متر.
این مقیاسی است که در آن عملیات بنیادی زیست شناختی صورت می گیرد و مواد در این اندازه ی خواص غیرعادی فیزیکی و شیمیایی از خود نشان می دهند. کوچک شدن سطح و حجم ذرات در این مقیاس، دلیل بروز این خواص متفاوت از مواد است.
اگر یک نانومتر را به اندازه پهنای یک سر سوزن فرض کنیم، در این صورت یک متر در این مقیاس به یک هزار کیلومتر تبدیل می شود. البته یک سر سوزن یک میلیون بار بزرگ تر از یک نانو متر است.
پهنای بیشتر اتم ها بین 0/1 تا 0/2 نانومتر، پهنای یک رشته ی DNA حدود 2 نانومتر، قطر یک گلبول قرمز خون 7 هزار نانومتر، و پهنای یک رشته ی موی انسان 80 هزار نانومتر است.
از دیرباز انسان ها بدون این که بدانند، از خواص مواد در مقیاس نانو استفاده می کردند. برای مثال ذرات ریز طلا به رنگ های قرمز با سبز دیده می شوند و این خاصیتی بود که از آن در ساخت شیشه های رنگی استفاده می شد.
امروزه فناوری نانو در بخش عظیمی از زندگی انسان ها مورد استفاده قرار می گیرد، از ساخت صفحات ضخیم پنجره ها تا تولید ضد آفتاب ها و مواد آرایشی.

تولد نانو فناوری

نظریه ی فناوری نانو در سال 1959 توسط فیزیکدانی به نام "ریچارد فاینمن" ارائه شد. این فیزیکدان در پایان نامه ی خود پیرامون نظریه ی ساخت اجسام در مقیاس اتم و مولکول بحث کرده بود. او در تصورات خود گفته بود می توان تمام دایره المعارف را روی سر سوزنی جای داد.
در هر حال فناوری نانو تا سال 1981 به صورت تئوریک (نظری) باقی ماند و مورد بحث و استفاده قرار نگرفت، تا این که مؤسسه ی علمی واقع در زوریخ، سوئیس، اولین میکروسکوپ تجسس تونلی (1) را با استفاده از این فناوری ساخت. این دستگاه قدرت دیدن تک اتم ها را به دانشمندان می داد.
در سال 1990 مؤسسه ی IBM کشف کرد که چگونه می توان تک اتم های زنون را روی سطح نیکل به چرخش درآورد.
با پیشرفت علم نانو، بهره های بیشتری از آن برده شد. یکی از آنها رسیدن به فناوری عکس برداری در مقیاس اتم بود. این فناوری شامل یک میکروسکوپ قدرتمند اتمی AFR، دستگاه عکس برداری رزونانسی مغناطیسی MRI و حتی نوعی میکروسکوپ اصلاح شده ی نوری بود.
دیگر پیشرفت های قابل توجه این فناوری در سال 1985 توسط شیمی دانان ارائه شد. آنها با استفاده از این علم کشف کردند که چگونه می توانند 60 اتم کربن را کنار یکدیگر قرار داده و آنها را به شکل یک توپ درآورند.
در سال 1991 نخستین رشته ی فوق قوی از کربن ها ساخته شد که به آن نانولوله های کربنی می گویند. این نانولوله ها 6 بار سبک تر و در عین حال 100 بار قوی تر از فولاد هستند.
نانولوله ها به صورت رشته های مارپیچی بسیار بلند ساخته می شوند و در ساخت و تولید پلاستیک های سفت، تراشه های رایانه ای و هزاران وسیله ی دیگر کاربرد دارند.
دور از تصور نیست که در آینده های دور، از نانولوله ها بتوان حتی در ساختن آسانسورهای فضایی هم استفاده کرد.
دانشمندان با کار روی ذرات نانو توانسته اند تجهیزاتی مانند ترانزیستورهای بسیار کوچک، پیستون هایی در ابعاد مولکول، یک نانو قطار، نانو گیتار و ... درست کنند.

مهندسی شگفت انگیز

مهندسی در ابعاد نانو کار ساده ای نیست و دانشمندان باید با سؤالات متفاوت و راه حل های کاملاً متفاوتی دست و پنجه نرم کنند تا به نتیجه ی نهایی و البته مطلوب برسند. بعضی از مواد نانو مثل نانو سیم ها و دیگر تجهیزات ساده، در صورتی که حالت صحیح به آنها داده شود، می توانند خود به خود مونتاژ شوند؛ اما وسایل و تجهیزات بزرگ تر نمی توانند به صورت خودکار در جایگاه صحیح قرار گیرند.
محققان همچنین راه هایی برای قرار دادن پروتئین ها، DNA، ویروس ها، باکتری ها و دیگر میکروارگانیسم ها در ساختار نانو مواد یافته اند.

پتانسیل عظیم

در یک دوره ی کوتاه بزرگ ترین پیشرفت های نانو فناوری در دستگاه های جدید پزشکی و پردازنده ها مورد استفاده قرار می گیرد، همچنین در تولید کاتالیزورهای صنایع و دیگر قطعات رایانه ای.
امروزه تحقیقی در بخش پزشکی نانو در حال اجراست که راه های جدید رساندن دارو از طریق لنزهای برخوردی را بررسی می کند؛ روشی برای رساندن دارو به تومورها توسط نانو بمب ها یا نانو گلوله هایی از جنس طلا که پس از برخورد به تومورها، توسط محتویاتشان باعث نابودی آنها می شوند، همچنین تشخیص دادن بیماری ها و یا حتی مبارزه با آنها توسط روبات های فوق العاده کوچک.
زیست شیمی دان ها به این امید هستند که با استفاده از علم نانو بتوانند با استخدام ویروس ها به عنوان دوربین های ضبط کننده، از اتفاقات در حال رخ دادن در سلول باخبر شوند.
با پیشرفت بخش محاسباتی علم نانو شاید بتوان پردازنده های کوچک تر و حتی قوی تر از امروز تولید کرد. برخی از تحقیقات نشان می دهند که حتی می توان قطعات رایانه ای را تا حدی کوچک کرد که در دل یک باکتری جای گیرند.
در واقع پیشرفت بشر در زمینه های رایانه و محاسبات پیشرفته، فقط و فقط به خاطر پیشرفت فناوری نانو و تکنیک های بهره گیری از آن است.
از فناوری نانو در ارتباط با محیط زیست هم استفاده شده و به کمک آن فیلترهایی برای کشف و از بین بردن باکتری ها و آلاینده ها و سموم موجود در آب ساخته شده است. علم نانو با ساخت مبدل های کاتالیزی کمک زیادی به حفظ محیط زیست کرده است. نوآوری های علم نانو در زمینه ی محیط زیست و حفاظت از آن بی تردید بی شمار خواهد بود که از آنها می توان به ساخت باتری های مؤثرتر و کارآمدتر و همچنین پیشرفت در زمینه ی بهره بری از انرژی خورشیدی اشاره کرد.
به علاوه، تولید دیودهای نورافشان (LED) جدید و قدرتمند هم از نوآوری های علم نانو است که به صرفه جویی انرژی کمک بسیار زیادی می کند.
در زمینه ی فناوری نظامی، برای ساخت سلاح های جدید، کم وزن و قدرتمندتر، خرج های هنگفتی می شود. ساخت لباس های ضد گلوله، لباس های استتار و یا حتی ساخت تجهیزاتی برای ترمیم شکستگی استخوان ها و یا ساخت نانو حسگرهایی که شاید بتوانند مواد شیمیایی و مواد زیستی را کشف کنند، همه به دست علم نانو میسر می شود و می تواند از هزینه های اضافی بکاهد.
در یک کلام، می توان گفت که فراگیرشدن دانش نانو و محصولات تولید شده به وسیله ی نانو فناوری، آینده ی زندگی بشر را دگرگون خواهد کرد.

پی نوشت ها :

Scanning Tunneling Microscope

منبع:ماهنامه ی علمی - فنی دانشمند، شماره ی 558