امروزه تقریباً در هر جایی، از مقالات و کتاب‌های علمی و تخصصی تا اخبار شبانگاهی و حتی تبلیغ وسایل دست‌فروشان مترو، با واژه «نانو» برخورد می‌کنیم؛ اما این واژه به چه معنایی است و چرا فناوری نانو از اهمیت خاصی برخوردار است؟ چرا وسایلی که با استفاده از این فناوری ساخته شده‌اند دارای ویژگی‌های متمایزی نسبت به همنوعان معمولی خود هستند؟ ما در قالب سلسله مقالاتی درباره فناوری نانو، تلاش می‌کنیم شما را با مفاهیم کلی و ابتدایی این علم آشنا کنیم و کاربردهای نوین این فناوری در شاخه‌های گوناگون علم را بررسی کنیم تا شما بتوانید از آن در زندگی و کار خود استفاده کنید.

تعریف فناوری نانو

تعریف و توضیح فناوری نانو کمی دشوار است. از نگاه شیمی دانش نانو دانش جدیدی نیست. از صدها سال پیش با وارد کردن ذرات نانو در ساختار شیشه، شیشه‌هایی به رنگ نارنجی، قرمز، بنفش، یا سبز ساخته شده است. انیشتین در قسمتی از دانشنامه دکترای خود اندازه مولکول قند را یک نانومتر محاسبه کرده بود. با این حساب هم شیشه‌گران باستان و هم اینشتین دانشمندان علم نانو بودند. چیزی که دانش نوین نانو را از آن‌ها متمایز می‌کند به کارگیری فناوری‌های پیشرفته برای ایجاد تغییرات در حد نانومتر است.

در ایالات متحده آمریکا کمیته‌ای برای تعریف مفهوم فناوری نانو تشکیل شد (NNI) که طبق مصوبه آن فناوری نانو شامل موارد زیر می‌شود:

  1.  فناوری نانو شامل تحقیقات و فناوری‌هایی است که در آن‌ها تغییرات و بهینه‌سازی در محدوده 1 تا ۱۰۰ نانومتر ایجاد می‌شود.
  2. فناوری نانو باعث به وجود آمدن و استفاده از ساختارهایی می‌شود که ویژگی‌های جدید و منحصر به فردی به خاطر اندازه کوچکشان دارند.
  3. فناوری نانو بر اساس توانایی ایجاد تغییرات در ابعاد اتمی کار می‌کند.

تعریف اول و سوم کاملاً مشخص هستند ولی تعریف دوم شاید به خاطر معیار «ویژگی‌های جدید» کمی گیج کننده به نظر برسد.

یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است ($$10^{-9}m$$). برای درک بهتر ابعاد نانو می‌توان گفت اگر توپ تخم مرغی را برابر یک نانومتر در نظر بگیریم، کره زمین تقریباً یک متر خواهد بود. قطر موی انسان حدود ۲۵ هزار نانومتر است و ناخن انسان تقریباً یک نانومتر در ثانیه رشد می‌کند. فاصله بین دواتم کربن برابر 12 تا 15 صدم نانومتر، فاصله بین دو مارپیچ DNA حدود ۲ نانومتر و قطر ویروس کورونا حدود ۱۲۰ نانومتر است.

نانوذرات دارای ویژگی‌های منحصر به فردی هستند. در دنیای نانومتری همه چیز نسبت به دنیای شناخته شده انسان متفاوت است، برهمکنش بین اتم‌ها از فیزیک کلاسیک پیروی نمی‌کنند و برای تفسیر رفتار آن‌ها باید از قوانین مکانیک کوانتوم استفاده کرد. اگر دنیای شناخته شده اطرافمان را به دنیای نانو ببریم، شاید وقتی توپ فوتبال را به سمت دیوار شوت می‌کنیم بعد از برخورد با دیوار از آن رد شود و برنگردد.

نانوذرات ساخته شده از طلا، دارای رنگ، دمای ذوب و خواص شیمیایی کاملاً متفاوتی نسبت به طلای عادی که به شکل گردنبند می‌بینید هستند. ویژگی‌هایی که در یک شمش طلا مشاهده می‌کنیم در واقع میانگین برهمکنش‌های اتم‌های موجود در آن شمش هستند در حالی که ویژگی‌های یک نانوذره طلا در واقع خصوصیات همان ذره بدون در نظر گرفتن میانگین برهمکنش‌های اتم‌های دیگر است.

بر خلاف حالت معمولی، نانوذرات طلا مایع هستند و به راحتی وارد واکنش می‌شوند، نانوذرات مس شفاف هستند، نانوذرات آلومینیوم را می‌توان سوزاند و نانوذرات سیلیکون بر خلاف سیلیکون معمولی رسانا هستند.

مقایسه ابعاد مختلف
شکل 1: مقایسه ابعاد نانو، میکرو و ماکرو

برای آشنایی بیشتر با مکانیک کوانتومی، می‌توانید فیلم آموزش مکانیک کوانتومی ۱ را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش مکانیک کوانتومی ۱ + کلیک کنید.

تاریخچه فناوری نانو

واژه فناوری نانو اولین بار توسط دانشمند ژاپنی Nario Taniguchi در سال 1353 برای توضیح ماشین‌هایی با دامنه کاربردی کوچک‌تر از یک میکرون استفاده شد؛ اما این شروع واقعی این مبحث نبود. رویدادها و کشف‌های دیگر باعث به وجود آمدن و پیشرفت اصلی این فناوری شدند.

فناوری نانو در دوران باستان

قرن ۴ بعد از میلاد:‌ نمونه‌ای از فناوری نانو را می‌توان در نوعی جام رومی مشاهده کرد که در آن با استفاده از نانوذرات طلا و نقره شیشه‌ای ساخته شده است که اگر منبع نور بیرون از جام باشد به رنگ سبز و اگر منبع نور درون جام باشد به رنگ قرمز دیده می‌شود (Lycurgus Cup).

فناوری نانو در دوران باستان
شکل ۲: جام شیشه‌ای در موزه انگلستان. سمت راست منبع نور از داخل جام است و رنگ شیشه قرمز دیده می‌شود و در چپ منبع نور بیرون جام قرار دارد و رنگ جام سبز دیده می‌شود.

قرن 3 تا ۱1 هجری:‌ مسلمانان با استفاده از نانوذرات فلزی نقره و مس ظروف سرامیکی رنگارنگ درخشنده و جلا داری می‌ساختد که بعدها این روش ساخت ظروف به اروپا رفت و در آنجا دنبال شد.

نانو در دوران باستان
شکل ۳: ظرف سرامیکی رنگارنگ درخشنده متعلق به قرن ۹ بعد از میلاد عراق. محل نگهداری موزه انگلستان.

قرن 6 تا ۱1 هجری:‌ شمشیر سابر دمشقی حاوی نانولوله‌های کربن و نانوسیم‌های سیمانی شده است. این ترکیب فوق سبک و بسیار محکم به آن‌ها امکان ساخت شمشیرهای بسیار نازک و خمیده‌ای را می‌داد که بر روی آن طرح‌های اسلیمی و نام صاحب شمشیر مشخص بود.

شمشیر سابر دمشقی
شکل ۴: شمشیر سابر دمشقی. در چپ تصویر حاصل از میکروسکوپ اکترونی عبوری نانولوله‌های کربن جدا شده از شمشیر سابر دمشق بعد از حل شدن در اسید کلریدریک آورده شده است.

فناوری نانو در زمان مدرن

  • 1236 هجری شمسی:‌ مایکل فارادی نانوذرات کلوئید طلای یاقوتی را که در شرایط نوری متفاوت رنگ‌های مختلفی داشت کشف کرد.
  • 1315: اروین مولر که در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت زیمنس کار می‌کرد «میکروسکوپ نشر میدان» را ساخت که می‌شد با استفاده از آن تصاویری با بزرگنمایی در حدود اتم را دید.
  • 1326: گروهی از دانشمندان آزمایشگاه Bell‌ ترانزیستورهای نیمه رسانا را کشف کردند. این کشف باعث پیشرفت بزرگی در دانش نیمه رساناها و منجر به ساخت وسایل الکترونیکی ارزشمندی شد که انسان را وارد عصر اطلاعات کرد.
  • 1329: ویکتور لامر و رابرت دینگر تئوری و چگونگی رشد مواد کلوئیدی با اندازه یکسان را ارائه کردند. این تئوری منجر به ساخت کاغذهای خاص، رنگ‌ها، مواد لایه نازک و فناوری دیالیز شد.
  • 1330:‌ اروین مولر «میکروسکوپ جریان یون» را ساخت که به وسیله آن می‌شد آرایش اتم‌ها را در لبه فلز تیز دید. وی اولین بار فلز تنگستن را با استفاده از این میکروسکوپ بررسی کرد.
  • 1335: آرتور ون‌هیپل در دانشگاه MIT مفهوم مهندسی مولکولی را پایه ریزی کرد و پیش برد که در نتیجه آن بسیاری از مواد دی‌الکتریک،‌ فروالکتریک و پیزوالکتریک ساخته شدند.
  • 1337: جک کیلبی از شرکت Texas Instruments اولین «مدار مجتمع» را ساخت و به همین دلیل در سال 1379 برنده جایزه نوبل شد.
  • 1338: ریچارد فاینمن فیزیکدان دانشگاه فناوری کالیفرنیا سخنرانی معروفی با عنوان «فضای زیادی در زیر وجود دارد» انجام داد و در آن امکان و بررسی مهندسی اتم‌ها را مطرح کرد.
  • 1344: گوردون مور از مؤسسان شرکت Intel در مقاله‌ای که در مجله Electronics چاپ شد چندین پیش بینی درباره آینده لوازم الکتریکی، ترانزیستورها و IC ها کرد.
  • 1353: دانشمند ژاپنی نوریو تانیگوچی از دانشگاه فناوری ژاپن اولین بار از واژه «فناوری نانو» استفاده کرد.
  • 1360: گِرد بینیگ و هنریش روهرر که در آزمایشگاه IBM‌ در زوریخ کار می‌کردند «میکروسکوپ تونلی روبشی» (Scanning Tunneling Microscope) را ساختند که با استفاده از آن دانشمندان می‌توانستند برای اولین بار اتم‌ها را ببینند و کنترل کنند. آن‌ها در سال 1365 برنده جایزه نوبل شدند.
  • 1360: دانشمند روسی الکسی اکیمف ساختارهای نیمه رساناهای نانوکریستال ساخته شده از ذرات کوانتومی در بستر شیشه را کشف کرد و پژوهش‌های گسترده‌ای بر خواص الکتریکی و نوری آن‌ها انجام داد.
  • 1364:‌ چند دانشمند توانستند ساختاری از مولکول‌های کربن شبیه به توپ فوتبال به نام Buckminsterfullerenes یا C60 بسازند که ۰٫۷ نانومتر قطر داشت. این گروه در سال ۱۳۷۵ برنده جایزه نوبل شیمی شدند.
  • 1364:‌ لوییس بروس از آزمایشگاه Bell‌ «نانوکریستال‌های نیمه رسانای کلوئیدی» یا «ذرات کوانتومی» را ساخت و به همین خاطر در سال 1387 برنده جایزه نوبل شد.
  • 1365: گروهی از دانشمندان موفق به اختراع «میکروسکوپ نیروی اتمی» شدند که با کمک آن می‌توانستند ساختار مواد را در ابعاد کمتر از نانومتر ببینند، اندازه بگیرند و کنترل کنند.
  • 1368: در آزمایشگاه IBM‌ Don Eigler و Erhard Schweizer توانستند با ۳۵ اتم زنون علامت تجاری شرکت IBM‌ را بسازند که نشان‌دهنده توانایی آن‌ها در کنترل دقیق جایگاه اتم‌ها و ساخت تجهیزات با استفاده از فناوری نانو بود.
علامت تجاری شرکت IBM
شکل ۵: ساخت علامت تجاری شرکت IBM با استفاده از ۳۵ عدد اتم زنون.
  • 1369:‌ نخستین شرکت‌های فناوری نانو همچون Nanophase Technologies، Helix Energy Solutions Group، Zyvex و Nano-Tex آغاز به کار کردند.
  • 1370:‌ Sumio Iijima از شرکت NEC‌ «نانو لوله‌های کربنی» را کشف کرد. این نانو لوله‌ها ویژگی‌های بسیار منحصر به فردی از نظر استقامت،‌ رسانایی الکتریکی و گرمایی دارند.
برش عرضی نانولوله کربی چند لایه
شکل ۶: برش عرضی نانولوله کربنی چند لایه
  • 1371: گروهی از دانشمندان در شرکت Mobil Oil مواد کاتالیز شده با مواد نانو را با نام‌های MCM-41 و MCM-48 ساختند که از آن‌ها در صنایع مختلفی همچون نفت و گاز، تصفیه آب، داروسازی و غیره استفاده می‌شود.
  • 1372:‌ مونگی باوندی از دانشگاه MIT‌ روش ساخت کنترل شده نانوکریستال‌ها (ذرات کوانتومی) را ابداع کرد و راه را برای پیشرفت‌های بسیاری در زمینه‌های گوناگون از محاسبات زیستی تا مولدهای نیروی خورشیدی باز کرد.
  • 1377: کارگروه مشارکتی فناوری نانو (IWGN) تحت نظارت کنسول ملی علوم و فناوری آمریکا تأسیس شد تا درباره علوم و فناوری در مقیاس نانو و آینده این فناوری تصمیم گیری کند.
  • 1378: چاد میرکین از دانشگاه Northwestern «نانولیتوگرافی dip-pen» را کشف کرد که با استفاده از آن امکان ساخت مدارهای الکتریکی تکرار پذیر و ساخت طرح‌های مختلف از مواد زیستی برای تحقیقات سلولی، حکاکی در مقیاس نانو و کاربردهای دیگر فراهم شد.
  • 1379: وسایل ساخته شده با استفاده از فناوری نانو روانه بازار مصرف شدند. این وسایل شامل دست‌اندازهای مقاوم به سایش، توپ‌های گلف با هدایت بهتر، راکت‌های تنیس سبک‌تر، جوراب‌های ضدباکتری دارای نانوذرات نقره، عینک‌های آفتابی شفاف‌تر، لباس‌های ضد لک و ضد آب، لوازم آرایشی و بهداشتی با عمق نفوذ بیشتر، شیشه‌های عینک ضد خش، باتری‌هایی با سرعت شارژ بالاتر و نمایشگرهایی با کیفیت بهتر برای تلویزیون، تلفن همراه و دوربین دیجیتال بودند.
  • 1382: گروهی از دانشمندان دانشگاه Rice پوسته نانوذرات طلا را ساختند که اندازه آن‌ها قابل تنظیم بود و می‌شد از آن به عنوان بستری برای ساخت وسایل تشخیصی، اکتشافی، دارو رسانی، جراحی و غیره استفاده کرد.
  • 1383:‌ سانی آلبانی اولین دوره دانشگاهی در زمینه فناوری نانو را در آمریکا راه اندازی کرد.
  • 1384:‌ دانشمندان دانشگاه انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا تئوری «محاسبات بر اساس DNA» و «خود سامانی الگوریتمی» را ارائه دادند که در محاسبات رشد نانوکریستال‌ها از آن استفاده شد.
  • 1385: دانشمندان دانشگاه Rice‌ نانو خودرویی بر اساس oligo(phenylene ethynylene) با محورهایی از جنس آلکین و چهار چرخ از جنس C60 ساختند. این خودرو بر اثر افزایش حرارت بر روی بستری از طلا به خاطر چرخش C60 حرکت می‌کرد. در دمای بالای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد سرعت حرکت این خودرو آن‌قدر زیاد می‌شد که دانشمندان نمی‌توانستند آن را دنبال کنند.
نانو خودرو
شکل ۷: خودرو در ابعاد نانو که با افزایش دما بر سطح طلا حرکت می‌کند.
  • 1386: دانشمندان دانشگاه MIT با استفاده از ویروس‌های بی‌خطر باتری لیتیوم‌-یون ساختند که با روشی بسیار کم هزینه و دوستار محیط زیست ساخته می‌شد. این باتری دارای ویژگی‌هایی مشابه باتری‌های معمولی مورد استفاده در خودروهای الکتریکی و وسایل کوچک بود.
  • 1389: دانشمندان دانشگاه نیویورک دستگاه‌هایی بر اساس نانو ربات‌های شبیه به DNA‌ ساختند. گروهی از این نانو ربات‌ها توانایی خودسازی داشتند و می‌توانستند در شرایط مناسب نسخه‌های مشابه و پیچیده‌ای از خود بسازند.
  • 1390: شرکت IBM‌ سوزن سیلیکونی برای تشخیص مواد در ابعاد نانو و رسم نقشه نانومتری از سطح در کمترین زمان ممکن ساخت. این وسیله قادر است نقشه سطح مورد نظر را با دقت ۱۵ نانومتر تهیه کند.

روش ساخت تجهیزات در فناوری نانو

واژه نانو برخلاف معنای کوچکش، شامل طیف وسیعی از علوم همچون شیمی، فیزیک،‌ ریاضی،‌ مهندسی و زیست‌شناسی می‌شود و در نتیجه اتفاقات بسیار کوچکی که بر اثر کاربرد این فناوری در این علوم می‌افتد، تغییرات بسیار بزرگی ایجاد می‌شود.

فناوری نانو دانشی بین رشته‌ای است که نمی‌توان تنها با استفاده از قوانین حاکم بر مکانیک کوانتومی یا خواص شیمیایی اتم‌ها و مولکول‌ها در دنیای نانو آن را به درستی درک کرد و از آن استفاده کرد. در کنار دانشمندان علوم شیمی، فیزیک و ریاضی، متخصصان علومی همچون پزشکی، مهندسی و کامپیوتر به رشد و کارآیی فناوری نانو کمک می‌کنند. صنایعی همچون مواد،‌ کامپیوتر و پزشکی در این زمینه مشارکت‌های بسیاری داشته‌اند و به همان اندازه از این فناوری سود برده‌اند.

دو روش کلی برای ساخت تجهیزات در فناوری نانو وجود دارد:‌ روش بالا به پایین و روش پایین به بالا. روش بالا به پایین مثل ساختن یک صندلی از تنه یک درخت است. اول باید تنه درخت را به قطعه‌های کوچک خرد و با استفاده از این قطعه‌ها صندلی درست شود. در صنعت ابتدا بر روی قطعه بزرگ تغییر ایجاد می‌شود و سپس آن را به قطعات کوچک‌تر تقسیم می‌کنند تا به ابعاد نانومتری برسند. از این روش برای ساخت ریزپردازنده‌ها در صنایع کامپیوتر استفاده می‌شود. با وجود موفقیت بالا، این روش در جایی که نیاز به تغییرات در ابعاد اتمی هست ناکارآمد است زیرا با آن نمی‌توان بر چینش اتم‌ها نظارت داشت. عمده‌ترین مشکلی که استفاده از این روش ایجاد می‌کند زبری و ناصاف بودن سطح محصولات تولید شده است.

روش دیگر ساخت تجهیزات با روش پایین به بالا است که در آن قطعه، از کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها ساخته می‌شود. اگر در ساختار طبیعت دقت کنید، می‌بینید که تمام پدیده‌های طبیعی از این روش ساخته شده‌اند. راه‌گشاترین استراتژی در این روش مشاهده دقیق روندهای طبیعی و شبیه‌سازی دقیق فرایندهای شیمیایی، فیزیکی و زیست شناسی آن‌ها در آزمایشگاه است. با کنار هم قرار گرفتن کوچک‌ترین اجزای سازنده یک ساختار پیچیده،‌ مثل اتم‌ها،‌ بر اساس ساختاری که در طبیعت وجود دارد، می‌توان آن ساختار را دقیق و کاملاً حساب‌شده درست کرد. یکی از نمونه‌های بسیار جذاب روش پایین به بالا، روش خود سازی (self-assembly) است که در آن مولکول‌های موجود در محلول خود به خود با نظم مشخصی بر روی سطح مورد نظر قرار می‌گیرند و ساختاری از پیش تعیین شده را به وجود می‌آورند. در روش بالا به پایین ساخت چنین ساختارهایی اگر غیرممکن نباشد بسیار دشوار است.

استفاده از روش پایین به بالا برای ساخت و طراحی مواد، وسایل و فرآیندها نه تنها از نظر پیچیدگی فناوری به کار رفته در آن‌ها، بلکه از نظر دیدگاه و نوع جدیدی از تفکر یک انقلاب به حساب می‌آید. ویژگی‌های اتم‌های جدا از هم در ساختار نانو تعیین کننده خواص میکروسکوپی و حتی ویژگی‌های ظاهری محصول می‌شود. علاوه بر این با استفاده از روش پایین به بالا می‌توان محصولاتی با ویژگی زیست سازگاری بالاتر و دوستار محیط زیست تولید کرد. امید پژوهشگران این است که با استفاده از روش پایین به بالا و الگو برداری از طبیعت بتوانند اثر مخرب کمتری بر محیط زیست پیرامون جوامع انسانی داشته باشند.

ساخت مواد نانو
شکل ۸: دو روش کلی برای ساخت مواد نانو

مواد نانو

نام بردن و توضیح تمام مواد نانو تقریباً غیرممکن است و در اینجا تنها به مهم‌ترین مفاهیم مواد نانو اشاره‌ای گذرا می‌کنیم به امید این‌که خوانندگان مشتاق به جستجوی بیشتر در این زمینه تشویق شوند.

مواد نانو صفر بعدی (0D) گروهی از مواد نانو هستند که با استفاده از فرآیندهای شیمیایی، فیزیکی و حتی زیستی ساخته شده‌اند و در زمینه‌های مختلفی از جمله الکترونیک، وسایل ورزش، لوازم آرایشی بهداشتی و غیره کاربرد دارند. منظور از صفر بعدی این است که ماده نانو در هیچ کدام از ابعاد بیشتر از ۱۰۰ نانومتر نیست. این گروه شامل تمام نانوذرات فلزی، معدنی و پلیمری می‌شوند. نمونه بسیار مشهور این گروه، C60‌ است که درباره آن توضیح داده شده است.

مواد نانو یک بعدی (1D) موادی که در یک بعد از ۱۰۰ نانومتر بزرگ‌تر هستند، مانند نانوسیم‌ها که دارای ویژگی‌های الکتریکی بسیار خاصی هستند. این مواد نانو را می‌توان با استفاده از روش بالا به پایین و پایین به بالا ساخت. نانوالیاف نیز در این گروه از مواد نانو قرار می‌گیرند و به خاطر ویژگی‌های منحصر به فرد مکانیکی و الکتریکی،‌ جایگاه خوبی در صنایع گوناگون پیدا کرده‌اند. «نانولوله‌های کربنی» (CNT) نیز از مواد نانو یک بعدی هستند که از کنار هم قرار گرفتن و لوله شدن حلقه‌های بنزنی تشکیل شده‌اند. ویژگی‌های الکتریکی و نوری این نانو لوله‌ها به قطر لوله،‌ ساختار اتمی بیرون لوله و خاصیت دستینگی/کایرالی آن بستگی دارد. از آنجا که اتم‌ها و مولکول‌های مختلفی می‌توانند درون فضای خالی این نانولوله‌ها قرار بگیرند، از این نانولوله‌ها در فرآیندهای بی‌شماری می‌توان استفاده کرد. این نانولوله‌ها می‌توانند تک دیواره و چند دیواره باشند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربرهای خاصی دارند.

گرافن لایه‌ای دو بعدی از اتم‌های کربن است که به شکل لانه زنبوری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و ویژگی‌های خاص نوری و الکتریکی آن به خاطر تراکم الکترونی در دو طرف این لایه کربنی است. لایه‌های گرافن می‌توانند بر روی هم قرار گیرند و گرافت چند لایه را تشکیل دهند.

ساختارهایی مثل «آلومینای آنودی متخلخل» (PAA) دارای حفره‌هایی هستند که از آن‌ها می‌توان در نگهداری و انتقال مواد، سنتزهای خاص و الگوی رشد نانو مواد بخصوص استفاده کرد.

اصولاً ساختار نانو مواد سه بعدی نباید مفهومی داشته باشد زیرا هیچ یک از ابعاد این نوع ماده دارای اندازه‌های نانو نیست؛ اما می‌توان از کنار هم گذاشتن مواد نانوی صفر بعدی مثل C60 ساختارهایی در نظر گرفت که در یک، دو یا سه بعد گسترش یافته‌اند. ساختارهای سه بعدی که از اتصال نانوذرات صفر، یک و دو بعدی تشکیل شده‌اند دارای ویژگی‌های بسیار جالب و بی‌نظیری هستند و کاربردهای منحصر به فردی دارند.

نانو مواد در بعدهای مختلف
شکل ۹: مواد نانو صفر، یک، دو و سه بعدی

کاربردهای فناوری نانو

امروزه شاید کمتر صنعتی را بتوان پیدا کرد که تحت تأثیر فناوری نانو قرار نگرفته باشد. در آینده‌ای نه چندان دور استفاده از فناوری نانو تنها یک مزیت رقابتی برای برتری محصولات نخواهد بود، بلکه به الزامی اساسی تبدیل خواهد شد که تضمین کننده کارآیی بهینه و دقیق محصول است.

صنعت الکترونیک پیشگام استفاده از فناوری نانو در محصولات و دستگاه‌هایی با بازده بسیار بالاتر و مصرف انرژی کمتری همچون ماشین حساب‌های پیشرفته، لپ‌تاپ، تلفن‌های همراه و دیگر وسایل الکترونیکی است. ترانزیستورهای ساخته شده در ابعاد نانو قطعات اساسی مدارهای پیچیده امروزی هستند. در سال ۱۳۷۹ تجهیزات الکتریکی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر ساخته شدند و امروزه اندازه برخی قطعات الکترونیکی مورد استفاده در تولید انبوه محصولات الکتریکی در حدود ۵ تا ۷ نانومتر می‌باشند. استفاده از روش بالا به پایین دارای محدودیت تولید قطعات تا ۵ نانومتر است زیرا برای تنظیم آرایش اتم‌ها در قطعاتی با ابعاد کوچک‌تر نمی‌توان از این روش استفاده کرد. در طول ۵ نانومتر از سطح یک بستر سیلیکونی تنها ۱۰ عدد اتم سیلیکون قرار می‌گیرند.

حرکت مکانیکی در ابعاد نانومتری همیشه برای پژوهشگران جذاب بوده است. سامانه‌های الکترومکانیکی نانو NEMS که با استفاده از مواد نانو ساخته شده‌اند نسبت به همتایان میکرومتری یا بزرگ‌تر خود دارای بازده بسیار بیشتری هستند و ویژگی‌های جدیدی دارند که می‌توان از آن در ساخت تجهیزات مختلف استفاده کرد.

استفاده از فناوری نانو در کشاورزی منجر به تولید محصول بیشتر با صرف مواد اولیه کمتر شده است. پزشکی نانو نیز رشته نوینی است که در آن از امکاناتی که فناوری نانو در اختیار مهندسان پزشکی و پزشکان قرار می‌دهد برای ساخت وسایلی همچون ربات‌های زیستی نانو و نانوچیپ‌ها استفاده می‌شود.

پژوهشگران رشته نانوزیست‌فناوری یا نانوزیست‌شناسی به عنوان فرایندهای کمکی پزشکی مدرن در زمینه تشخیص، درمان و بازسازی بافت‌های زیستی می‌کوشند با به‌کارگیری روش‌های شیمیایی، زیست‌شیمیایی و زیست‌شناسی مولکولی مؤلفه‌ها و فرایندهایی را شناسایی کنند که در ساخت مواد و افزاره‌های خودسامان کاربرد دارند.

برای مثال دانشمندان با استفاده از روش‌های نانوزیست‌شناسی و مهندسی بافت موفق به ساخت و کشت مثانه در بیرون از بدن بیماران شدند و آن‌ها را به سه بیمار آمریکایی پیوند زدند. همچنین در مطالعات حیوانی نشان داده شده‌است که می‌توان رحم‌هایی را که بیرون از محیط بدن رشد داده شده‌اند برای رشد جنین درون بدن قرار داد. نانو فناوری DNA نیز مثال مهمی از زیست فناوری نانو است که در آن با استفاده از خواص ذاتی اسید نوکلئیک‌هایی مانند DNA موادی کاربردی تولید می‌گردد. تولید انبوه پروتئین‌های خودسامان نیز کاربرد دیگری از این رشته است.

آزمایشگاه کاملی برای تشخیص ژن
شکل ۱۰: طراحی آزمایشگاه کاملی برای تشخیص ژن با استفاده از فناوری نانو (lab on a chip) در دانشگاه میشیگان

دارو رسانی با استفاده از فناوری نانو می‌تواند عوارض جانبی داروها را کاهش دهد و دارورسانی را هوشمند و هدفمند سازد. محققان دانشگاه تهران در سال ۱۳۹۷ توانستند با استفاده از نانوذرات هوشمند سامانه دارو رسانی طراحی کنند که قادر است پس از تزریق به داخل رگ، از سد خونی مغزی عبور کند، وارد سلول‌های سرطانی مغز شود و به دو روش شیمی درمانی (رها کردن داروهای ضد سرطان داخل این سلول‌ها) و رادیو درمانی (جذب امواج رادیویی برای بالا بردن دمای سلول و نابودی سلول) سلول‌های سرطانی را نابود کند. به علاوه، این نانو ذرات دوگانه دوست را می‌توان با استفاده از دستگاه تصویر برداری CT-Scan ردیابی کرد تا محل دقیق تومور سرطانی برای پزشکان معالج و جراحان مشخص شود. شایان ذکر است که به گزارش ایسنا، بر اساس آمارهای منتشر شده از سوی Web Of Science، ایران تا آذر ماه سال 1396 با انتشار 8 هزار و 791 مقاله در زمینه فناوری نانو توانسته است رتبه چهارم جهانی را از آن خود کند و با انتشار بیش از 10 هزار مقاله پژوهشی در سال‌های 97 و ۹۸ رتبه چهارم دنیا را حفظ و جایگاه خود را تثبیت کرد. ایران همچنین با تولید 40 درصد علم نانو بیشترین سهم تولید این علم را در میان کشورهای اسلامی دارد.

مهندسان در صنایع مختلف می‌توانند از مواد دوستار طبیعت، سبک و دارای بازده بالا استفاده کنند. استفاده از مواد نانو در صنایع کاربردی باعث پدید آمدن بازاری چند میلیون دلاری برای ساخت و بهینه سازی این مواد شده است. در صنایع نظامی نیز می‌توان از فناوری نانو برای ساخت حسگرهای هوشمند و دقیق‌تر، تیرهای بهینه سازی شده، مواد ضد انفجار، مواد منفجره نانو و دیگر وسایل نانو استفاده کرد.

امروزه استفاده از انرژی‌های پاک و تجدید پذیر بحث داغی در حیطه علم و فناوری است. در زمینه تبدیل نور خورشید به جریان الکتریسیته، استفاده از نانو مواد راه‌کاری مؤثر برای بالا بردن بازده جذب و تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی است. مصرف کنندگان تجهیزاتی مانند سلول‌های خورشیدی و دستگاه‌های تبدیل کننده نور خورشید به حرارت قابل استفاده در منزل می‌توانند از انرژی پاک و ارزان تولید شده با فناوری نانو لذت ببرند.

حسگرهای محیطی ساخته شده با فناوری نانو با کنترل دقیق محیط زندگی می‌توانند تأثیر بسیار خوبی در کیفیت زندگی افراد داشته باشند. این حسگرهای نانو تحول بسیار بزرگ در علوم شیمی، فیزیک و زیست شناسی ایجاد کرده‌اند. یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد ساختارهای نانو در مقایسه با ساختارهای بزرگ‌تر، زیاد بودن نسبت سطح به حجم این ساختارها است که باعث افزایش سطح تماس آن‌ها با محیط پیرامون خود و افزایش دقت در تشخیص عامل مورد نظر حسگر می‌شود.

حسگر نانو
شکل ۱۱: حسگر نانو برای شناسایی گازهای شیمیایی بر اساس تغییر در مقاومت مدار

مواد نانو در وسایل و تجهیزات نوری نیز تحول اساسی ایجاد کرده‌اند. کاربردهای روزمره این وسایل دستگاه لیزر و LED های نمایشگرها است. کارکرد بهینه این وسایل به عواملی همچون اندازه دقیق قطر لایه نازک سازنده آن‌ها و خصوصیات کنترل شده سطح آن‌ها بستگی مستقیم دارد. با پیشرفت در فناوری نانو ممکن است در آینده شاهد نمایشگرهای سه بعدی تا شونده بسیار نازک و مقاوم و کاملاً شفاف باشیم که نیازی به تنظیم نور ندارند و با تنظیم زاویه بلور‌های نانو تصاویر را تنها برای صاحب دستگاه قابل دیدن می‌کنند.

در بخش عمده‌ای از وسایل و تجهیزات الکتریکی کنونی که با فناوری نانو ساخته می‌شوند از سیلیکون استفاده می‌شود. برای ساخت این قطعات سیلیکونی باید از روشی استفاده کرد که در آن به خاطر استفاده از واکنش‌های شیمیایی فلورین،‌ گازهای گل‌خانه‌ای بسیاری تولید می‌شوند. آزاد شدن گازهای گل‌خانه‌ای به خاطر خطرات بسیاری که برای محیط زیست ایجاد می‌کند باید به دقت کنترل و کاهش داده شود. جایگزین کردن قطعات الکتریکی بر پایه گرافن نانو می‌تواند تأثیر بسیار زیادی بر کاهش تولید گازهای گل‌خانه‌ای داشته باشد زیرا برای ساخت آن‌ها از روش‌های حکاکی با استفاده از اکسیژن استفاده می‌شود. برای ساخت این قطعات می‌توان از خاصیت خودسازی گرافن نیز استفاده کرد تا پسماند ساخت این قطعات نیز کاهش یابد. شاید در آینده‌ای نه چندان دور تولید کنندگان عمده بتوانند با استفاده از روش پایین به بالا مواد وسایل بدون نقصی بسازند که در مقیاس اتمی تنظیم و مهندسی شده‌اند تا برای کاربردی ویژه بهینه شوند.

در این مطلب تلاش شد تا خوانندگان را با مفاهیم و کاربردهای اصلی فناوری نانو آشنا کنیم. در مقالات بعدی به موضوعات تخصصی‌تری درباره کاربرد فناوری نانو در رشته‌های مختلف پرداخته خواهد شد.

این مطلب توسط نویسنده مهمان، «بهراد شقاقی»، نوشته شده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 10 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “فناوری نانو | تعریف، تاریخچه و کاربردها

  • درود و سپاس از دست اندرکاران همیشه فعال و به روز مجله فرادرس.
    خیلی عالی بود. استفاده کردم.بنده دبیر فیزیک هستم. آیا اجازه استفاده از بخش هایی از متن تان در جزوه ام را دارم؟
    با تشکر

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *