تعريف نانو تکنولوژی و آشنايی با آن

نانو تکنولوژی، توانمندی توليد مواد، ابزارها و سيستم های جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر ميشود. از همين تعريف ساده برميآيد که نانوتکنولوژی يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردی جديد در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهايی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکی و بيوتکنولوژی تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژی، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهای وسيع اين عرصه به همراه پيامدهای اجتماعی، سياسی و حقوقی آن، اين فن آوری را به عنوان يک زمينه فرا رشته ای و فرابخش مطرح نموده است.

هر چند آزمايش ها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدی پيگيری شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامی کشورهای بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان يکی از مهمترين اولويت های تحقيقاتی خويش طی دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند.

استفاده از اين فن آوری در کليه علوم پزشکی، پتروشيمی، علوم مواد، صنايع دفاعی، الکترونيک، کامپوترهای کوانتومی و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو به عنوان يک چالش اصلی علمی و صنعتی پيش روی جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايرانی نيز بايد در يک بسيج همگانی، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامه ريزی علمی دقيق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در اين جايگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمايند و برای چنين کاری طراحی يک برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب ناپذير است.

سه فناوری تسخیر کننده
از طرفی شاید بتوان گفت تسخیر کنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات ، نانو فناوری و زیست فناوری خلاصه می‌شوند. قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی کوچک از ابعاد همگرایی نانو فناوری و فناوری اطلاعات می‌باشد، از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک موضوعی بسیار آشنا می‌باشد.

در کوچکترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یک موجود زنده از قبیل رنگ مو ، رشد استخوان و عصبها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار کوچکی از سلول به نام DNA که شامل حدودا پنجاه اتم می‌باشد، همه این اطلاعات ذخیره می‌گردد (نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلکه نحوه قرار گرفتن این زنجیره‌ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یکی از علل همگرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترک این سه فناوری است.

نانوتکنولوژی از کجا آمده است؟
برای اولین بار ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک پتانسیل نانو علم را در یک سخنرانی تکان‌ دهنده با نام "درپایین اتاق های زیادی وجود دارد"، مطرح کرد. فاینمن اصرار داشت، که دانشمندان ساخت وسائلی را ، که برای کار در مقیاس اتمی لازم است، شروع کنند. این موضوع مسکوت ماند، تا اینکه اریک درکسلر (دانشجوی تحصیلات تکمیلیMIT) ندای فاینمن را شنید و یک قالب ‌کاری برای مطالعه "وسایلی که توانایی حرکت دادن اشیاء مولکولی و مکان آنها را با دقت اتمی دارند" ایجاد کرد، که در سپتامبر 1981 در مقاله‌ای با نام "پروتئین راهی برای تولید انبوه مولکولی ایجاد می‌کند" آن را ارائه داد.

درکسلر آن را با کتابی بنام "موتورهای خلقت" دنبال کرد و توسعه مفهوم نانو تکنولوژی را همانند یک کوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه‌های ثبت ‌شده از این مفهوم نانو تکنولوژی تغییر مکان دادن اشیا مولکولی ، در سال 1989 بود، موقعی که دانشمندی در مرکز تحقیقات آلمادن IBM اتمهای منفرد گزنون را روی صفحه نیکل حرکت داد، تا نام IBM را روی سطح نیکل نقش کند.

وضعیت جهانی نانوتکنولوژی
از فناوری نانو به عنوان "رنسانس فناوری" و "روان کننده جریان سرمایه گذاری" یاد می‌شود. ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائیهای بزرگ اقتصادی خواهد شد. هم اکنون بخشهای دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا ، اتحادیه اروپا ، چین ، هند ، تایوان ، کره جنوبی ، استرالیا ، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر می‌برند. 

ایران نیز در فناوری نانو مقام هفتم را در دنیا داراست.

کاربردهای فناوری نانو ( ریز ذره)
علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبيعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاری های تحقيقاتی ميان‌رشته‌ا‌ی، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثيرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح زير میباشد:

۱ – توليد ، مواد و محصولات صنعتی :

نانوتکنولوژی تغيير بنيانی مسيری است که در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکيب به دقت کنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآيندهای توليد آنها، ايجاد می کند.
محققين قادر به ايجاد ساختارهايی از مواد خواهند شد که در طبيعت نبوده و شيمی مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخی از مزايای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قویتر و قابل برنامه‌ريزی ؛ کاهش هزينه عمر کاری از طريق کاهش دفعات نقص فنی ؛ ابزارهايی نوين بر پايه اصول و معماری جديد ؛ بکارگيری کارخانجات مولکولی يا خوشه‌ا‌ی که مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

۲- نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان:

رفتار مولکولی در مقياس نانومتر، سيستم های زنده را اداره میکند. يعنی مقياسی که شيمی، فيزيک، زيست‌شناسی و شبيه‌سازی کامپيوتری، همگی به آن سمت درحال گرايش هستند.

• فراتر از سهل‌شدن استفاده بهينه از دارو، نانوتکنولوژی میتواند فرمولاسيون و مسيرهايی برای رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه کند، که به‌ نحو حيرت‌انگيزی توان درمانی داروها را افزايش میدهد.
• مواد زیست سازگار با کارآيی بالا، از توانايی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، میتوان برای اعمال نقش تشخيصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی سازی بکار میرود) درون سلولها وارد نمود.

• افزايش توان محاسباتی بوسيله نانوتکنولوژی، ترسيم وضعيت شبکه های ماکروملکولی را در محيط‌های واقعی ممکن میسازد. اينگونه شبيه‌سازیها برای بهبود قطعات کاشته‌ شده زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

3- دوام‌ پذيری منابع: کشاورزی ، آب، انرژی، مواد و محيط زيست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چه ذکر شد، منجر به تغييراتی شگرف در استفاده از منابع طبيعی، انرژی و آب خواهد شد و پس اب و آلودگی را کاهش خواهد داد.همچنين فناوری های جديد، امکان بازيافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسی نانو، میتواند تاثير قابل ملاحظه‌ا‌ی ، در درک مولکولی فرآيندهای مقياس نانو که در طبيعت رخ میدهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌محيطی از طريق کنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعه فناوری سبز جديد که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جريانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌ باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گيری و تخفيف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.

در زمينه انرژی ، نانوتکنولوژی میتواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآيی، ذخيره‌سازی و توليد انرژی را تحت تاثير قرار داده مصرف انرژی را پايين بياورد . به عنوان مثال، شرکت های مواد شيميايی، مواد پليمری تقويت‌ شده با نانوذرات را ساخته‌اند که میتواند جايگزين اجزای فلزی بدنه اتومبيل ها شود. استفاده گسترده ازاين نانوکامپوزيت‌ها میتواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويی مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌ باشد .
يا انتظار میرود تغييرات عمده‌ا‌ی در فناوری روشنايی در ۱۰ سال آينده رخ دهد. میتوان نيمه‌هادی های مورد استفاده در ديودهای نورانی ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد کرد. در ا مريکا ، تقريبا” ۲۰% کل برق توليدی، صرف روشنايی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) میشود. مطابق پيش‌بينی ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفتهايی از اين دست میتواند مصرف جهانی را بيش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويی و ۲۰۰ ميليون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهد داشت .
۴ – تکنولوژی نانو در هوا و فضا :
محدوديت‌های شديد سوخت برای حمل بار به مدار زمين و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما برای ماموريت های طولانی به مناطق دور از خورشيد ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذير میسازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، اميد حل اين مشکل را بوجود آورده‌است.
“نانوساختن” ( Nanofabrication ) همچنين در طراحي و ساخت مواد سبک‌ وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز برای هواپيماها، راکت‌ها، ايستگاه های فضايی و سکوهای اکتشافی سياره‌ا‌ی يا خورشيدی، تعيين‌کننده است. همچنين استفاده روزافزون از سيستم های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پيشرفت های شگرفی در فناوری ساخت و توليد خواهدشد. اين مساله با توجه به اينکه محيط فضا، نيروی جاذبه کم و خلا بالا دارد، موجب توسعه نانوساختار ها و سيستم های نانو  که ساخت آنها در زمين ممکن نيست در فضا خواهد شد.
۵- کاربرد ریزذره ها در صنایع نظامی و امنيت ملی:
برخی کاربردهای دفاعی ریز ذره ها عبارتند از: تسلط اطلاعاتی از طريق نانوالکترونيک پيشرفته بعنوان يک قابليت مهم نظامی ، امکان آموزش موثرتر نيرو، به کمک سيستم های واقعيت مجازی پيچيده‌تر حاصله از الکترونيک نانوساختاری ، استفاده بيشتر از اتوماسيون و نانوربات های پيشرفته برای جبران کاهش نيروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآيی خودروهای نظامی ، دستيابی به کارآيی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌های نظامی و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر و هزينه کمتر در عمر کاری تجهيزات نظامی ، پيشرفت در امر شناسایی و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايی، زيستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طراحی در سيستم های مورد استفاده در کنترل و مديريت عدم تکثير سلاح های هسته‌ا‌ی ، تلفيق ابزارهای نانو و ميکرومکانيکی جهت کنترل سيستم های دفاع هسته‌ا‌ی. در بسياری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوتکنولوژی در زمينه‌های ديگر، پشتيبانی کننده امنيت ملی است و بالعکس.
۶- کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک:

ذخيره‌ سازی اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از اين فناوری میتوان ظرفيت ذخيره سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی يک ساعت مچي منتهی شود.

ظرفيت نهايی ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود که ذخيره‌ سازی ۵۰ عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباری شود.

ساخت تراشه‌ها در اندازه ­های فوق­ العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه­ های ۳۲ تا ۹۰ نانو متر، توليد ديسک‌های نوری ۱۰۰ گيگا بايتی در اندازه­ های کوچک نيز مي­باشد.