نانو (Nano) — به زبان ساده

احتمالاً بارها عبارت‌هایی نظیر نانو تکنولوژی، ساختار نانو، مقیاس نانو و ... به گوشتان خورده است. با شنیدن این عبارات چه چیزی در ذهنتان شکل می‌گیرد؟ آیا درک شهودی مناسبی از کلمه نانو (Nano) دارید؟ در این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده و به دور از فرمول و روابط فیزیکی و شیمیایی به معرفی مقیاس نانو بپردازیم.

مقیاس نانو

ما در مقیاس متر زندگی می‌کنیم و عموماً با ابزارهایی سروکار داریم که ابعاد نسبتاً قابل لمسی در حدود میلی‌متر تا متر دارند. به عبارت دیگر ما در دنیای ماکروسکوپی زندگی می‌کنیم. اما احتمالاً برایتان پیش آمده که عکس چشمان یک زنبور عسل، ذرات بسیار ریز گرد و غبار و ... که توسط میکروسکوپ‌های الکترونی تهیه شده‌اند را در وب‌سایت‌ها یا مجلات دیده باشید. این تصاویر که در مقیاس میکرومتر گرفته می‌شوند، در واقع تا ۱ میلیون برابر توسط میکروسکوپ‌ها بزرگنمایی شده‌اند.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

مقیاس نانو تا 1000 بار از مقیاس میکروسکوپی و تا 1 میلیارد بار از مقیاس متر (دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم) کوچک‌تر است. برای این که درک شهودی بهتری از مقیاس نانو داشته باشید، به طول و ابعاد موارد زیر دقت کنید:

• ابعاد اتم: 0.1 نانومتر
• اتم‌های یک مولکول: 0.15 نانومتر
• ساختار DNA: حدود 2 نانومتر
• پروتئین معمولی: حدود 10 نانومتر
• ترانزیستورهای یک تراشه: بین 100 تا 200 نانومتر عرض
• باکتری : حدود 200 نانومتر طول
• موی انسان: قطری بین 50.000 تا 100.000 نانومتر
• ضخامت کاغذ: حدود 100.000 نانومتر
• میله دومتری: 2000 میلیون نانومتر
• یک ساختمان 380 متری: 380.000 میلیون نانومتر

علم نانو (تکنولوژی نانو)

در مقیاس متر و زندگی روزمره با چیزهایی سروکار داریم که به راحتی لمس و یا دیده می‌شوند. در دنیای ماکروسکوپی می‌توانیم پاسخ چرایی و چگونگی بسیاری از پدیده‌ها را بدون اینکه نیازی به بررسی مولکولی و یا اتمی آن‌ها باشد، بدهیم. اما برای پاسخ به بسیاری از سوال‌ها در خصوص چگونگی کارکرد یک سیستم میکروسکوپی یا رفتار یک ماده و ... نیاز است تا با نگاهی دقیق‌تر سیستم را بررسی کنیم.

فرض کنید که عکسی هوایی (ماهواره‌ای) در دست داشته که قسمتی از آن به رنگ سبز است. با زوم کردن متوجه می‌شوید که این ناحیه سبز رنگ، چمن است. با ادامه بیشتر عمل زوم، کلروپلاست‌های (کپسول‌های سبز رنگ کوچک در گیاهان که می‌توانند از نور خورشید انرژی جذب کنند) موجود در چمن را می‌توانید ببینید. با زوم بیشتر نیز مولکول‌های ساخته شده از اتم‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن قابل رویت هستند. حال به اهمیت علوم نانو پی بردید؟! به کمک علم نانو می‌توانیم به نوع اتم‌های تشکیل دهنده یک ساختار مولکولی پی ‌ببریم. در واقع پاسخ بسیاری از سوالات از بررسی اتمی و مولکولی ساختارهای مختلف نتیجه می‌شود.

با درک علوم نانو و بررسی فیزیک پدیده‌های مختلف در مقیاس‌های اتمی و مولکولی و یا حتی ‌اتم‌آرایی به شکل دلخواه، نه تنها به چرایی و چگونگی رخ دادن بسیاری از پدیده‌ها پی می‌بریم، بلکه می‌توانیم ساختارهای نانو مقیاس را وارد دنیای فناوری و تکنولوژی جهت حل مشکلاتمان کنیم.

دقت کنید که متاسفانه در تجارت و بازار با عبارت‌هایی مواجه می‌شویم که اساساً از لحاظ علمی اشتباه هستند. به عنوان مثال شاید عبارت «جوراب‌های نانو» را زیاد شنیده باشید؛ از این عبارت اینگونه برداشت می‌شود که اندازه و مقیاس جوراب در حدود نانومتر است! این در حالی است که جوراب‌های مذکور تنها در میان بافت خود حاوی نانوذرات هستند.

مزایای مقیاس نانو

مواد در مقیاس نانو، ویژگی‌های جالب توجهی از خود نشان می‌دهند که در مقیاس‌های ماکروسکوپی و بزرگ از آن مواد مشاهده نمی‌شوند. به طور مثال فلز مس در مقیاس نانو شفاف است و یا فلز طلا که در حالت عادی از لحاظ ترکیب و یا واکنش شیمیایی غیرفعال است، در مقایس نانو بسیار فعال می‌شود. همچنین در مقاله «گرافن -- به زبان ساده» دیدیم که کربن در حالت عادی گرافیت، بسیار نرم است و اگر به صورت نانولوله و یا گرافن در آید، خواص فوق‌العاده‌ای پیدا می‌کند.

فیلم آموزش مبانی نانوفیزیک + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

به عبارت دیگر مواد در مقیاس‌های حدود نانومتر، خواص فیزیکی متفاوتی نسبت به حالت عادی از خود نشان می‌دهند. دلیل این امر را می‌توان اینگونه پاسخ داد که اتم و مولکول‌های مواد در مقیاس نانو، آزادی عمل بیشتری داشته که این امر روی خواص شیمیایی و در نتیجه خواص فیزیکی آن‌ها نیز تاثیر می‌گذارد. ساختارهای نانو مواد سطح بیشتری را در معرض پیوند با دیگر نانو ذرات قرار می‌دهند، از این حیث یکی از کاربردهای نانو مواد استفاده به عنوان کاتالیزور جهت افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی است.

یکی از دلایل تفاوت رفتار مواد در مقیاس‌های نانومتر و میکرومتر، تقاومت در عملکرد عوامل خارجی است. به طور مثال در مقیاس متر و دنیای ماکروسکوپی، گرانش مهمترین و نیرومندترین نیرویی است که با آن مواجه هستیم. نیرو گرانش بر هر چیزی که در اطراف خود مشاهده می‌کنیم اثر می‌گذارد. اما در مقیاس نانو، تاثیر این نیرو بسیار کمتر از نیروهای الکترومغناطیسی بین اتم‌ها و مولکول‌ها است. به طور خلاصه به نظر می‌آید قواعد بازی علم، زمانی که شما در مقیاس‌های کوچک نانومتری در حال کار هستید، متفاوت است.

کار با نانو مواد

بدون شک با دستان خالی که اندازه‌ای در حدود میلیون‌ها نانومتر دارند نمی‌توانید با ذرات و ساختار‌های نانو کار کنید. این امر به منزله خوردن غذا با قاشقی به طول ۱۰۰ متر است! با پیشرفت و توسعه میکروسکوپ‌های الکترونی به راحتی می‌توانیم نانوذرات را مشاهده و حتی ساختارهای دلخواه خود را ایجاد کنیم. البته بهتر است که از واژه نانوسکوپ به جای میکروسکوپ استفاده کنیم. اسامی این میکروسکوپ‌ها به قرار زیر است:

فیلم آموزش مبانی و مقدمات ذرات نانو و روش های رایج سنتز

کلیک کنید

• میکروسکوپ نیرو اتمی (Atomic Force Microscopes : AFM)
• میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning Probe Microscopes : SPM)
• میکروسکوپ تونل روبشی (Scanning Tunneling Microscopes : STM)

ایده اصلی یک میکروسکوپ الکترونی، استفاده از پرتو الکترونی برای دیدن چیز‌هایی است که ابعادی کوچکتر از طول موج نور مرئی دارند. یک میکروسکوپ الکترونی از اثرات الکترونیکی و کوانتومی برای دیدن ذرات و ساختارهای نانو استفاده می‌کند. این میکروسکوپ‌ها همچنین دارای یک پروب بسیار کوچکی هستند که توانایی تغییر در ساختار مولکولی یا چینش اتمی را دارد. به طور مثال محققی به نام «دان ایگر» (Don Eigler) که در شرکت IBM کار می‌کرد، با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی STM توانست واژه I-B-M را با تغییر جایگاه اتم‌ها بنویسد.

از این دست تصاویر مشابه با شکل فوق در دنیای تکنولوژی زیاد است که بیشتر به منزله قدرت‌نمایی تکنولوژیکی شرکت‌های بزرگ است. اما یکی از مهم‌ترین کاربردهای تکنولوژی نانو، توانایی کنترل یا تغییر در چینش اتمی و ساختار مولکولی مواد است که منجر به کاربردهای‌ فراوانی نظیر رشد لایه‌های اتمی بر روی دیگر سطوح (لایه نشانی)، کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، نانو دارو و ... شده است.

کاربرد نانو مواد

یکی از کاربردهایی نانو تکنولوژی، نانوالیاف بوده که اخیراً در بازارهای تجاری موفق ظاهر شده است. احتمالاً در بازار، لباس‌هایی با عناوین مختلف نظیر پیراهن نانو و یا شلوار ضد لک را دیده باشید. فرش‌، پتو و یا کیف و چمدان‌های نانو با وعده‌هایی همیشه تمیز و ضد گرد و غبار چطور؟ تمامی این مواردی که نام بردیم در ساختار خود پارچه‌هایی با پوشش «nano whiskers» دارند. این الیاف سطح بسیار کوچکی داشته که ذرات گرد و غبار را از خود عبور نمی‌دهند.

فیلم آموزش نانومتریال ها Nanomaterials و کاربردهای زیستی در فرادرس

کلیک کنید

در نتیجه لایه‌های پایینی و عمیق تمیز باقی می‌مانند. یکی دیگر از خواص جالب توجه نانوپوشش‌ها، آبگریزی است. منظور از آبگریزی این است که سطح مذکور خیس نمی‌شود و مولکول‌های آب روی آن شکل کروی به خود گرفته و به راحتی سر می‌خورند. اخیرا در بازار‌های تجاری تبلیغات نانو پوشش‌های آبگریز برای بدنه‌های خودر و لباس‌ها مشاهده می‌شود. اغلب برای تولید نانو پوشش‌ها از سیستم‌های لایه نشانی به کمک پلاسما استفاده می‌کنند.

یکی دیگر از کاربردهای نانوتکنولوژی، تولید نانو ساختارهای کربنی است که در شکل‌های متفاوتی نظیر گرافن یا نانو لوله‌های کربنی ظاهر می‌شوند. گرافن ساختاری است که تنها از یک لایه اتم ساخته شده است. گرافن و نانولوله‌های کربنی ساختاری سخت و محکم، با رسانایی الکتریکی فوق‌العاده دارند، انعطاف پذیر و بسیار سبک هستند و هر کدام بسته به شرایط دارای کاربرد و استفاده مفیدی هستند. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با گرافن و خواص شگفت انگیز آن، نگاهی بر مقاله «گرافن -- به زبان ساده» داشته باشید.

توجه داشته باشید که لیست کردن خواص تمامی نانو مواد و نانو ذراتی که روز به روز در تحقیقات دانشگاهی بر تعداد آن‌ها افزوده می‌شود، امری غیر ممکن است. ما در اینجا فقط اشاره‌ای به برخی از این کاربردها داریم.

نانو الکترونیک

یکی دیگر از کاربردهای تکنولوژی نانو، که تاثیر بسیار زیادی در پیشرفت دنیای امروزی به خصوص در چند سال اخیر داشته است، کاربرد آن در ساخت و طراحی ترانزیستورهایی است که درون تراشه‌های مرکزی (CPU) سیستم‌های محاسباتی استفاده می‌شوند.

با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، در یک مساحت ثابت از تراشه، می‌توان تعداد بیشتری از ترانزیستورها را جای داد که در نتیجه منجر به افزایش سرعت محاسبات می‌شود. همچنین با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها انرژی مصرفی آن‌ها نیز کاهش پیدا کرده که در نتیجه آن گرمای کمتری توسط تراشه نیز تولید می‌شود. اخیراً شرکت ساخت تراشه AMD موفق به ساخت تراشه‌هایی با لیتوگرافی ۷ نانومتری شده است. همچنین شرکت‌های تولید کننده تراشه بر اساس معماری ARM نیز وعده تولید تراشه‌هایی با لیتوگرافی 5nm را داده‌اند.

لازم به ذکر است که کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها و ورود به لیتوگرافی‌های زیر ۱۰ نانومتر، خود مشکلاتی نظیر تونل زنی الکترونی ایجاد می‌کند که منجر به از دست رفتن اطلاعات می‌شود. از این حیث یکی از مزیت‌های تکنولوژی نانو، ایجاد ساختارهای تراشه‌ای چند لایه‌ است. به عبارت دیگر، به جای آنکه ترانزیستورها در یک لایه کنار یکدیگر قرار گیرند در چندین لایه کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این روش خود یکی از روش‌های زنده نگه داشتن قانون تجربی مور (Moore's law) است. قانون مور بیان می‌کند که هر دو سال یک بار، تعداد ترانزیستورهای یک تراشه در مساحت ثابت، دو برابر می‌شود.

نانو ماشین

یکی از زمینه‌های هیجان انگیز فناوری نانو، امکان ساخت ماشین‌های فوق‌العاده کوچک نظیر چرخ دنده‌، سوییچ‌، پمپ و یا موتور از اتم‌ها است. نانو ماشین‌ها می‌توانند منجر به ساخت نانوربات‌ها (nanobots) شوند. نانو ربات‌ها می‌توانند کاربردهای بسیار موثری در علوم پزشکی داشته باشند. به طور مثال نانوربات‌های حامل دارو، می‌توانند از طریق رگ‌ها به هر جایی از بدن بروند که دسترسی به آن مشکل و یا غیر ممکن است. نانوربات‌ها بدون آنکه نیرویی خارجی به آن‌ها وارد شود، می‌توانند از طریق نیروی الکترواستاتیکی بین مولکولی فعالیت خود را انجام دهند. به طور مثال در شکل زیر، چینش اتمی سبز رنگ که به صورت یک حلقه با بار الکتریکی مثبت در آمده است، بین دو قطب منفی به واسطه نیروی دافعه کولمبی حرکت می‌کند.

در صورتی که مطلب فوق برایتان مفید واقع شد، مطالب زیر را نیز به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش مبانی مکانیک آماری پیشرفته ۱
• مجموعه آموزش‌های شیمی
• ابر رسانا -- به زبان ساده
• گاز نجیب -- به زبان ساده
• کامپیوتر کوانتومی -- به زبان ساده
• هم ارزی جرم و انرژی -- به زبان ساده

^^