انقلاب نانو
نانو به یک میلیاردیم گفته می شود . آغازگر این تحول ، قدرت تصویربرداری از اتم ها و توانایی دستکاری آنهاست . بخش مهمی از نانوتکنولوژی ، ساختن محصولاتی در مقیاس نانو با دستکاری و چیدن اتم ها و مولکول ها است . بنابراین ، ساخت ابزارآلاتی با این امکانات ضروری به نظر می رسد .
تصویربرداری از اتم ها
اولین تصویربرداری در مقیاس نانو توسط میکروسکوپ الکترونی روسکا ، در سال 1931 انجام شد
[1]. ولی پیشرفت های عمده دستگاهی که سبب شدند تحقیقات نانو در خط مقدم فیزیک قرار گیرند ، اکثراً به میکروسکوپ های پیمایشگر سوزنی
[2] مربوط می شوند . این میکروسکوپ ها ، بجای عدسی از سوزن (نانوبازو) استفاده می کنند که روی سطح نمونه حرکت کرده و کمیت خاصی را در محل اتم ها می سنجند و تصویری از آن به دست می دهند .
اولین نسل میکروسکوپ های سوزنی در سال 1981 ، با نام « میکروسکوپ تونلی روبشی
[3]» اختراع شد که می توانست تک اتم ها را با درجه وضوح کمتر از یک نانومتر ( حدوداً یک دهم نانومتر ) آشکار کند . موفقیت این میکروسکوپ ، باعث توسعه سایر میکروسکوپ های سوزنی گردید ( مثل میکروسکوپ نیروی اتمی
[4] ) .
هر کدام از این میکروسکوپ ها در موارد خاصی کاربرد دارند . مثلا میکروسکوپ تونلی روبشی برای تصویربرداری از سطح نمونه های رسانا و میکروسکوپ نیروی اتمی برای نارساناها مناسب است .
دستکاری اتم ها
میکروسکوپ های سوزنی علاوه بر تصویربرداری ، برای جابجایی و دستکاری اتم ها نیز مورد استفاده قرار می گیرند . برای مثال ، در سال 1990 ، یکی از متخصصین IBM به کمک یک میکروسکوپ تونلی روبشی توانست اتم های زنون را روی صفحه ای از نیکل به شکل IBM قرار دهد .
در سال 1993 یک سیستم واقعیت مجازی ساخته شد که که به کاربر اجازه می داد به کمک یک میکروسکوپ تونلی روبشی اتم ها را لمس کند . این سیستم آغازگر گسترش نانوبازوها
[5] بود . بعد ها در دانشگاه کارولینا ، طی یک پروژه چند رشته ای در چند دانشکده ( از جمله : فیزیک ، شیمی و کامپیوتر ) ، یک رابط مجازی برای میکروسکوپ های سوزنی ساخته شد که به دانشمندان اجازه دستکاری سطوح در مقیاس اتمی را می داد . نتیجه ساختن چنین سیستمی کشفیات جدید در علم مواد ، زیست شناسی و مهندسی بود .
تاريخچه نانو فناوریاولين جرقه های فناوری نانو در تاريخ ، به 29 دسامبر سال 1959
[6] باز می گردد . هنگامی که فيزيکدان بزرگ ، ريچارد فاينمن
[7] اولين سخنرانی تاريخ را در اين باب با نام « در پايين دست فضای زيادی وجود دارد
[8]» ايراد نمود . در اين سخنرانی پيش بينی های بسياری انجام پذيرفت و حوزه کار بسیاری از دانشمندان نانو مشخص گردید . به همین علت ، فاینمن را « پدر علم نانو » می دانند .
بعد از فاينمن ، این موضوع مسكوت ماند ، تا اینكه « اریك دركسلر
[9]» دانشجوی تحصیلات تكمیلیMIT ندای فاینمن را شنید و یك قالب‌كاری برای مطالعه « وسایلی كه توانایی حركت دادن اشیاء مولكولی و مكان آنها را با دقت اتمی دارند » ایجاد كرد ، كه در سپتامبر ۱۹۸۱ در مقاله‌ای با نام «پروتئین راهی برای تولید انبوه مولكولی» آن را ارائه داد . درکسلر آن را با كتابی بنام « موتورهای خلاقیت » دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژی را همانند یك كوشش علمی ادامه داد . اولین نشانه های ثبت شده از نانوفناوری ، تغییر مكان دادن اشیای مولكولی
[10] ، در سال ۱۹۸۹ بود ؛ موقعی كه دانشمندی در مركز تحقیقات آلمادن IBM اتم های منفرد زنون را روی صفحه نیكل حركت داد ، تا نام IBM را روی سطح نیكل نقش كند ( همانطور که اشاره گردید ) .
« می‌خواهم حوزه‌ای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد . این حوزه شبیه حوزه فیزیک ذرات بنیادی نیست ، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه « ذرات بنیادی عجیب چه هستند » نمی‌گوید. بلکه بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است ، چون در مورد پدیده‌های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق می‌افتند ، اطلاعات جالبی می‌دهد . به علاوه ، نکته‌ای که از همه مهمتر است ، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است.
چیزی که می‌خواهم بگویم ، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است . به محض طرح این موضوع ، مردم به من در مورد کوچک سازی و میزان پیشرفت آن تا امروز می‌گویند . آنها از موتورهایی الکتریکی به کوچکی ناخن انگشت سخن می‌رانند . آنها می گویند وسیله‌ای وجود دارد که می تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد . اما دنیای کوچک شگفت‌آورتری در پایین‌دست وجود دارد. در سال 2000 ، وقتی به روزگار ما نگاه کنند ، با تعجب می پرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود ؟ چرا ما نمی توانیم 24 جلد «دایره‌المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم ؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند . پهنای سر سوزن یک میلی‌متر مربع است . اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنیم ، سطح سر سوزن برابر با مساحت همة صفحات « بریتانیکا » می‌شود. بنابراین ، تنها لازم است که اندازه‌های نوشته های دایره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم . آیا چنین چیزی ممکن است ؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلی‌متر است که برابر با یکی از نقطه های کوچک دایره‌المعارف یادشده می باشد . اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید ، هنوز هشتاد انگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد ؛ یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی . به زبان دیگر ، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای می‌دهد . بنابراین ، هر نقطه می‌تواند در اندازه لازم برای چاپ تنظیم شود ؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن « دایره‌المعارف بریتانیکا » موجود است .
حال که « دایره‌المعارف بریتانیکا » روی سر سوزن جا شد ، بیایید همه کتاب‌های عالم را در نظر بگیریم . کتابخانه کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد ، کتابخانه موزه بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانه ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر . مسلما در میان اینها نسخه های تکراری هم وجود دارند . بنابراین ، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتاب غیر تکراری در دنیا وجود دارند . کتابدار ما در کَلتِک ( مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق می کرد) هر چه قدر تند و تیز باشد ، بعد از ده سال فقط می‌تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی کارت‌ها بنویسد . متن کتاب هایی که از کف تا سقف همه ساختمان کتابخانه چیده شده‌اند ، و کارت هایی که همه کشوهای کتابخانه را انباشته‌اند ، همه می توانند تنها در یک کارت نگه داری شوند . آیا چنین چیزی ممکن است ؟
اصلی‌ترین مسائل در زیست‌شناسی امروز چه هستند ؟ سؤال‌هایی هستند مثل : ترتیب پایه های DNA چیست ؟ وقتی یک جهش ژنتیکی رخ دهد ، چه اتفاقی می‌افتد ؟ ترتیب پایه‌ها در DNA چه ارتباطی با اسید آمینه ها در پروتئین دارد ؟ ساختار RNA چیست ؟ یک زنجیره‌ای است یا دوزنجیره‌ای و چگونه در ترتیب پایه‌ها با DNA مرتبط می‌شود ؟ ساختار میکروزوم چیست ؟ پروتئین‌ها چطور سنتز می‌شوند ؟ RNA کجا می‌رود ؟ چگونه قرار می گیرد ؟ پروتئین‌ها کجا قرار می گیرند ؟ آمینواسیدها از کجا داخل می‌شوند ؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست ؟ چگونه چیده شده است ؟ کاروتنویدها کجا در این فرآیند دخیل می‌شوند ؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست ؟
پاسخ دادن به این سؤالات بنیادی زیست‌شناسی بسیار ساده است . کافی است به ساختارها نگاه کنید . می توانید ترتیب پایه‌ها را در زنجیره یا ترکیب میکروزوم را ببینید. متأسفانه میکروسکوپ ها در حال حاضر ، مقیاسی را می بینند که بسیار زمخت است . میکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنید . در این صورت ، بسیاری از مسائل زیست شناسی ساده‌تر می شوند .
اگر فیزیکدانان بخواهند ، می‌توانند دشواری کار شیمیدانان در مسائل تجزیه شیمیایی را حل کنند . تجزیه هر ترکیب پیچیده شیمیایی بسیار ساده است ، فقط باید به آن نگاه کرد و دید اتم‌ها کجا هستند . یک سیستم زیستی می تواند بسیار کوچک باشد . سلول‌ها خیلی ریز ، اما بسیار فعال‌اند . آنها ترکیبات مختلفی می‌سازند ، حرکت می‌کنند ، و همه جور اعمال شگفت‌انگیز انجام می‌دهند ، همه در مقیاسی بسیار ریز . همچنین آنها اطلاعات را ذخیره می‌کنند.
[12] امکانش را تصور کنید که ما هم بتوانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که آنچه ما می خواهیم انجام دهد یا به عبارت دیگر بتوانیم شیئی بسازیم که در آن ابعاد مانور دهد!
امکانات یک ماشین کوچک با قابلیت تحرک چیست ؟ آنها ممکن است به‌درد نخور باشند ، اما مسلما ساختن آنها مُفرّح است . من نمی دانم به طور عملی چطور در ابعاد ریز این کار را انجام دهم ، اما می دانم که ماشین های محاسبه بسیار بزرگ هستند ، آنها اتاق‌های متعدد را اشغال می‌کنند . چرا نمی توانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم ، آنها را از سیم های ریز بسازیم ، از اجزای کوچک ؟ - و منظور من از کوچک این است که به عنوان مثال سیم ها 10 یا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گستره چند انگستروم قرار گیرند - .
امکانات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست ؟ دوست من ، آلبرت هیبس ، امکان جالبی برای یک ماشین کوچک پیشنهاد می‌کند . او می‌گوید که اگرچه ایده بسیار خامی است ، اما بسیار جالب است اگر بتوانی جراح را ببلعی . جراح مکانیکی را درون رگ قرار می‌دهی و او به داخل قلب می‌رود و اطراف را مشاهده می کند (مسلماً اطلاعات باید به خارج ارسال شوند) . او پیدا می کند که کدام دریچه مشکل دارد و با یک چاقوی کوچک آن را جراحی می‌کند . بعضی ماشین‌های کوچک دیگر می توانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضایی که نارسایی دارند ، کمک کنند .
اما من هراسی ندارم که سؤال آخرم را طرح کنم . آیا - در آینده بسیار دور - می توانیم اتم ها را آن طور که می خواهیم بچینیم ؟ خود اتم‌های بسیار ریز ! چه اتفاقی می افتد اگر بتوانیم اتم ها را یکی یکی طوری بچینیم که می خواهیم ؟ »
تحلیل و بررسی سخنرانی فاینمن
علم نانو با شناخت هستي و تدوين قوانين پايه کاري ندارد . اين علم به بررسي پديده هايي مي پردازد که قبلاً به نوعي متفاوت تر بودند . مواد در برخي حالات خاص ، خواصي متفاوت از آنچه در حالت رايج دارند ، نشان مي دهند
[13] . علم نانو در مورد چنين پديده هاي نوظهوري بحث مي کند . فاينمن در مورد ساختن در مقياس هاي اتمي سخن رانده است (جاي دادن دايره المعارف بريتانيکا در سر سوزن) . ولي چنين کاري عملاً در آن زمان ممکن نبود . در حاليکه اکنون مي توان با ليتوگرافي پرتوي الکتروني ، نقش هایی در اين ابعاد و با اين دقت بر سر سوزن تخت از جنس سيليکون ايجاد کرد .
اگر از بسياري از متخصصين پرسيده شود که يکي از بزگترين تحولات در زمينه نانو چه بوده است ، قطعاً به ميکروسکوپ هاي نسل پيمايشگر سوزني اشاره مي کنند . اين ميکروسکوپ ها ، توانايي دستيابي و دستکاري مواد در مقياس نانو (اتم ها) را به ما مي دهند – در حد دهم نانومتر . فاينمن معتقد بود که با افزايش توانايي ميکروسکوپ هاي الکتروني مي توان شاهد جهش هاي عظيمي در علم زيست شناسي بود. زيرا اين علم هنوز قادر نبود که مانند ساير علم ها پيشرفت کند . اختراع ميکروسکوپي با اين قابليت ها و بکارگیری آن ، موجب همگرايي علوم فيزيک و شيمي و زيست شناسي مي گردد .
کامپیوتر ها در زمان فایمن بسیار بزرگ بودند ؛ در حدی که چند اتاق را اشغال می نمودند . از دید فاینمن ، اگر بتوانیم در ساخت مدارها از سیم ها و قطعاتی به ضخامت 10 تا 100 اتم استفاده کنیم ، در محدوده خیلی کوچکی قرار می گیرند . این روش ( و حتی بهتر از آن ) امروزه در فناوری سیلیکون دیده می شود . البته فناوری های بهتری نیز در حوزه نانو وجود دارند ؛ مثل : ترانزیستورهای مولکولی ، تک الکترونی و اسپینترونیک .
ساخت قطعات الکترونیک در حد نانو ، ایده « نانوروبات ها » به یاد می آورد که برای نخستین بار توسط فاینمن مطرح گردید . هرچند بسیاری از دانشمندان- حتی امروزه - در عملی شدن چنین ایده ای شک دارند ، ولی بسیاری از تحلیل گران آنرا در آینده ای نزدیک امکان پذیر می پندارند . یک نانو روبات باید بتواند حرکت کند ، حس کند ، اطلاعات را ارسال ، دریافت و پردازش کند و نهایتاً عملیات خاصی را انجام دهد . هرچند دانشمندان موفق به اختراع حسگرها ، ردیاب ها و موتورهایی در این ابعاد شده اند ، ولی نیاز به قطعات جنبی بزرگ دارند و امکان گنجاندن این قطعات در ابعاد نانو مورد تردید متخصصین این علم می باشد .
همچنین ، فاینمن به فرایندی اشاره می کند که امروزه از آن تحت عنوان « دستکاری در مقیاس نانو
[14] » یاد می شود
[15] که با آن ، اتم ها را می توان دستکاری و جابجا کرده و ساختارهای دلخواهی را ایجاد نمود. بنابراین می توانیم مولکول هایی مهندسی شده با خواص جدید ایجاد کنیم . در حال حاضر این فرایند با میکروسکوپ های نسل پیمایشگر سوزنی انجام می گردد .
همانطور که مشاهده می شود ، فاینمن توانست زمانی که هنوز فعالیتی در این زمینه آغاز نشده بود ، بسیاری از حوزه های پژوهشی دانشمندان علم نانو را مشخص نماید . هرچند خود اظهار می دارد که ایده هایش بسیار خام و دور از واقعیت است .
سال 2005 نقطه عطفی در تحولات نانوتکنولوژيک[16] در سال 2005 ، فناوری نانو عملا وارد عرصه تجارت شد ومحصولاتی که از نظر اقتصادی به صرفه باشند ، وارد بازار گردیدند . به همین دليل ، اين سال نقطه عطفی در تحولات نانوتکنولوژیک به حساب می آید .
قابل ذکر است که محصولات نانوفناوری در سال های قبل ، هم ارتباط کمتری با این فناوری داشته اند و هم اکثرا در مراحل آزمایشی به سر می بردند . ولی محصولات نانوتکنولوژیک عرضه شده در سال 2005 ، علاوه بر دارا نبودن معایب بالا ، موفقیت های بزرگی را نیز کسب کرده اند .
ده محصول برتر نانو در این سال به ترتیب زیر گزارش شده اند :
· دستگاه ضبط و پخش iPod Nano
در تولید این دستگاه که با ظرفیت های 2 و 4 و 8 گیگا بایت در بازار موجود است ، از روش های تولید نیمه هادی ها استفاده شده است و دقتی زیر 100 نانومتر دارد .
این دستگاه قابلیت نگهداری 2000 آهنگ و 25000 عکس در حافظه خویش را دارد .
· روغن فعال کانولا
[17]این ماده برای اولین بار در سال 1957- 1956 از دانه کلزا برای مصارف خوراکی تولید گردید و می تواند با ترکیب با فیتوسترول موجب جذب کلسترول خون گردد .
در سال 2005 نوع سالمتری از این روغن به بازار آمد که در آن از کپسول های 30 نانومتری استفاده شده است . به همین دلیل می تواند از طریق پوست به داخل بافت ها نفوذ کرده و به این ترتیب غذارسانی زیستی بهتری صورت پذیرد .
· آدامس های شکلاتی
تا به حال کره کاکائو نتوانسته جای پلیمرهای مورد استفاده در آدامس را که باعث ایجاد خاصیت کشسانی می شود ، بگیرد . در واقع این چربی ها خاصیت کشسانی را از بین می برند .
شرکت « اولالا » توانسته با استفاده از بلورهای نانومقیاس آدامس را اصلاح شکل کرده و آن را به صورت یک بافت کرمی با طعم شکلات در بیاورد .
· کرم صورت فولرینی
در این محصول از فولرین که خواص آنتی اکسیدان بسیار قوی دارد ، استفاده شده است . به تصریح « دکتر مارکو لنز » ، سازنده کرم ، و مسئولان شرکت « زلنز » ، تولید کننده آن ، این اولین باری است از توانایی های فولرن در صنایع بهداستی – آرایشی استفاده شده است .
· چوب بیسبال با استفاده از نانولوله های کربنی
[18]در این محصول از نانولوله های کربنی استفاده شده است . بکارگیری این فناوری در ساخت چوب بیسبال باعث انعطاف ، قابلیت پاسخ ، قدرت ضربه بیشتر و در نتیجه موجب عملکرد بالا در مدت قانونی بازی می شود .
· لباس های عرق گیر ضد رطوبت
در این محصول ، کشباف و نخی بکارگرفته شده که از رزینِ مبتنی بر فناوری نانو برای بهبود خواص آن استفاده شده است . این کار ضمن حفظ راحتی ، با جذب رطوبت ( ده برابر سریعتر از الیاف نخی رزینی امروزی ) بدن وی را هم خشک نگه می دارد .
· جوراب های محافظ سرمای مبتنی بر نانوفناوری
نقره از قدیم به دلیل خاصیت آنتی باکتریال خود ، شناخته شده بود . ولی هیچگاه بخوبی پلیمرها به هم متصل نمی شد و به صورت اسپری یا نخ فلزی ، همراه الیاف مورد استفاده در ساخت جوراب استفاده می گردید که برای مصرف کننده راحت نبود .
در این محصول از ذرات 19 نانومتری نقره استفاده شده که نتیجه آن الیاف مصنوعیِ راحت برای بافت جوراب و مقاومت دائمی در برابر بوی بد است .
· افزودنی های نانوگارد
[19]افزودنی های نانوگارد ، افزودنی هایی درابعاد نانو هستند که چگالی بیشتری را برای حامل های آبی پلاستیک آکریلیک فراهم می آورد . با خشک شدن این حامل ها ، افزودنی های نانوگارد لایه ای نارک ایجاد می کنند که سخت تر و مقاوم تر در برابر آب ، کپک ، لک و چربی است .
· شیشه های خود تمیز شونده
پوشاندن شیشه ها با مقدار کمی از فیلم نانومتری حساس به نور
[20] موجب می شود تا سطح آن به نحو موثری تمیز شود . به این ترتیب که تاباندن نور به آن باعث واکنش شیمیایی این فیلم با آلودگی های آلی سطح شده و در صورت ریختن آب روی آن ، قطرات آب به طور یکنواخت و هموار روی سطح شیشه پخش می گردد .
· تصفیه کننده های نانوبریز
[21]در ساخت این تصفیه کننده ها از فناوری « نانو توین
[22] » استفاده می شود ؛ بدین گونه که نوعی نانولوله را داخل حلقه فایبرگلاس پوشیده شده با لایه ای از بلورهای دی اکسید تیتانیوم ، با ابعاد 40 نانومتر قرار می دهند . این نانولوله با تابش پرتوهای فرابنفش موجب باردار شدن این بلورها شده ، عوامل اکسیدکننده قوی ایجاد می کند ؛ به طوری که با چرخش هوا در سطح این لوله ، آلودگی های موجود در هوا از بین می روند .
[1] مخترع این میکروسکوپ در دهه 80 به این خاطر ، موفق به دریافت نوبل گردید .
[2] SPM
[3] STM
[4] AFM
[5] Nanomanipulator : به دستکاری کنندگان اتم در مقیاس نانو گفته می شود .
[6] 23 آذر 1338
[7] Richard Feynman
[8] There is plenty of room at the bottom.
[9] Eric Drexler
[10] Nanomanipulation
[11] ترجمه اين سخنرانی از سايت اينترنتی باشگاه نانو برداشته شده است .
[12] ذخیره اطلاعات در مقیاس نانو از نقاط همگرایی فناوری اطلاعات با بیوفناوری است .
[13] در بحث در مورد مواد حالت توده و نانو ، بيشتر توضيح داده خواهد شد .
[14] Nanomanipulation
[15] در مبحث نانوبازوها به این مطلب پرداخته خواهد شد .
[16] به گزارش Nanotech Product Guide ، به نقل از باشگاه نانو
[17] Canola
[18] CNT Bat
[19] Nano Guard
Photoactive[20]
[21] Nano Breeze
[22] Nano Twin
