به اهتمام معصومه معرفتی در مقاله‌ی حاضر به تعریف نانو فناوری و تاریخچه‌ی وجود و به کارگیری این تکنولوژی پرداخته خواهد شد. هم‌چنین شیوه‌های تولید نانو فیلم‌ها و نانو مواد که عبارتند از روش لایه‌ی نشانی، کند و پاش جریان مغناطیسی و ... پرداخته خواهد شد. در انتها چند نمونه کاربرد از نانولوله‌ها و نانو فیلم و نانوذرات مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
تاریخچه
پیشوند نانو در کلمه‌ی نانوتکنولوژی به معنای یک میلیاردم است. نانوتکنولوژی با ساختارهای متنوعی از مواد سر و کار دارد که ابعادی در محدوده‌ی یک میلیاردم متر دارند. هر چند علم نانوتکنولوژی نسبتأ جدید است، لیکن ابزارهای مفید و ساختارهایی با ابعاد نانومتری از دیرباز وجود داشته‌اند و در حقیقت قدمت آنها به شروع حیات روی کره‌ی زمین برمی‌گردد. جانوران نرم‌تن صدف‌دار و حلزون، صدف‌های بسیار سختی را می‌سازند که دارای سطوح داخلی رنگین کمان مانند هستند. این صدف‌ها با آرایش دادن کربنات کلسیم در واحدهای نانو، ساختاری بسیار محکم دارند و به وسیله‌ی چسبی ساخته شده از ترکیب کربوهیدراتپروتئین به یکدیگر متصل شده و این حالت را به وجود می‌آورند. صدف‌ها یک دلیل تجربی و طبیعی بر این مطلب هستند که ساختارهای به دست آمده از ذرات نانو می‌توانند بسیار محکم‌تر از ساختارهای معمول باشند. برای قدم گذاشتن در عرصه‌ی فناوری نانو می‌بایست درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت.
فناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک
اغلب گفته می‌شودفناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک است، اشیاء خیلی کوچک و در واقع استفاده و تولید ماده در مقیاس زیر مولکولی است که در این ابعاد، اتم‌ها و مولکول‌ها به شکلی متفاوت از ابعاد بزرگتر عمل می‌کنند و گستره‌ای از کاربردهای جالب و شگفت‌انگیز را فراهم می‌نمایند. هم‌چنین می‌توان اصطلاح «فناوری مولکولی» را برای فناوری نانو استفاده نمود، چرا که ابعاد نانو ابعاد کارآییمولکول‌ها است. مثلأ ضخامت تار موی انسان حدود 50000 نانومتر است، این ابعاد در مقایسه با یک مولکول گلوکز که کمتر از یک نانومتر است، بسیار زیاد است. جالب است که با چنین تفاوتی، مولکول گلوکز که پنجاه هزار بار کوچکتر از تار مو است، می‌تواند انرژی فعالیت‌های متابولیک را تأمین کند. یک توپ فوتبال صد میلیون برابر کوچکتر از کره‌ی زمین است، این درحالی است که همین توپ؛ صد میلیون برابر بزرگتر از فولرین است. نخستین مرتبه امکان دست‌کاری ماده در سطح نانومتری توسط ریچارد فاینمن در محافل علمی مطرح گردید. فاینمن در طول کنفرانس خود با عنوان «فضای زیادی در آن پایین وجود دارد» استفاده از آجربنای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد و عنوان کرد: تا آنجا که می‌دانیم، اصول فیزیکی، حرکت اتم به اتم روی اشیاء را غیر ممکن نمی‌داند و ما هم سعی نداریم قانونی را از اعتبار ساقط کنیم. در اصل این کاری است که می توان انجام داد، ولی تاکنون در عمل انجام شده است، زیرا فکر می‌کنیم ما خیلی بزرگ هستیم. سال‌ها بعد زمینه‌ی فناوری نانو از سر اریک در کسلر و ریچارد اسمالی بنا نهاده شد، و چاد میرکین نیز حوزه‌ی بیونانوفناوری را شروع کرد.
پیشگامان نانوفناوری
دکتر ریچارد اسمالی، پروفسور رشته‌ی شیمی دانشگاه رایس از پیشگامان نانوفناوری بود و در سال 1996میلادی به دلیل ابداع باکی‌بال‌ها، جایزه‌ی نوبل دریافت نمود. او نقش برجسته‌ای در عرصه‌ی فناوری نانو داشته است و گروه تحقیقاتی که او و اعضاء سرطان اندرسون تشکیل دادند، خلاقیت بالقوه‌ای در حوزه‌ی بیونانوفناوری داشتند. گروه اسمالی با فعالیت‌های خلاقانه، کار خود را ادامه داده و در این فعالیت‌ها، تأثیر به سزایی در فناوری نانو و کاربردهای پزشکی آن داشته است. از تلاش‌های این گروه می‌توان به ابداع یک روش کاربردی برای تولید انبوه نانولوله کربنی اشاره کرد. این روش گامی حیاتی برای توسعه‌ی تجاری نانولوله‌های کربنی در سال 2000 میلادی بود که برای اهداف تحقیقاتی و تجاری به آن نیاز بود. اریک درکسلر در سال1991میلادی درجه‌ی دکترای خود را در فناوری نانومولکولی از دانشگاه MIT دریافت کرد (وی اولین دکترای نانوفناوری را دریافت نموده است). او به عنوان محقق، مؤلف و مشاور سیاسی یکی از پیشگامان توجیه فناوری‌های نو ظهور و اثرات آنها در آینده محسوب می‌شود. وی هم‌چنین مؤسسه‌ی فورسایت را تأسیس نمود و مشاور فنی آن گردید.
تعامل عرصه‌های مختلف با نانوفناوری
شرکت اریک درکسلر نرم افزار طراحی و شبیه‌سازی سیستم‌های ماشین مولکولی را ابداع کرده است. تألیفات درکسلر با عناوین موتورهای آفرینش (در حوزه ی آینده‌ی نانوفناوری)، نانوسیستم‌ها (ماشین مولکولی، ساخت و محاسبه) و آینده‌ی نامحدود (انقلاب نانوفناوری) بسیار تأثیرگذار بودند، زیرا موجب تعامل عرصه‌های مختلف با نانوفناوری شده‌اند. چاد میرکین پروفسور سازمان شیمی و مؤسسه‌ی نانوفناوری دانشگاه نورث وسترن، از پیشگامان عرصه‌ی بهبود شیمیایی توسط نانوسیستم‌ها برای پیشرفت بیونانوفناوری به شمار می‌رود. کار تحقیقاتی وی بر تک‌لایه‌های خود تجمع یافته، طراحی وسایل الکترونیکی با اساس مولکولی، نانولیتوگرافی، سنتز نانوذرات وسنتز هدف‌مند DNA، توانسته است پایه‌هایی برای تحقیقات فناوری نانو در بسیاری از حوزه‌های گوناگون کاربردی را فراهم آورد.
حوزه‌ی نانو، متعلق به همه‌ی علوم می‌باشد
حوزه‌ی نانو، به هیچ حوزه‌ی خاصی از علم تعلق نداشته و متعلق به همه‌ی علوم می‌باشد. این تعریف تنوع بسیار و منحصر به فرد بودن نانوفناوری را به ذهن می‌رساند و در عین حال لزوم آمادگی کسانی را نشان می‌دهد که می‌خواهند در آن نقش داشته باشند. مؤسسه‌ی ملی نانو فناوری آمریکا در تلاش برای تعریف مرزهای این نظم جدید و نوظهور، حدود مشخصی را پیشنهاد کرده است. طبق این تعریف، نانوفناوری، شناخت و کنترل ماده در ابعاد نزدیک به 100 تا 1 نانومتر است، ابعادی که در آن پدیده‌های منحصر به فرد کاربردهای جدیدی را پیدا می‌کنند. مقیاس‌های مهم، از متر به میلیمتر، از میلیمتر به میکرومتر و از میکرومتر به نانومتر تغییر می‌کنند. فناوری نانو به سه سطح قابل تقسیم است: مواد، ابزارها و سیستم‌ها. موادی که در سطوح نانومتری این فناوری به کار می‌رود را نانومواد می‌گویند. به هر ماده‌ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس زیر 100 نانومتر باشد، یک نانو ماده اطلاق می‌گردد. این تعریف به وضوح انواع بسیار زیادی از ساختارها، اعم از ساختارهای ساخت بشر یا طبیعت را شامل می‌شود. منظور از یک نانوماده، جامدی است که در سراسر بدنه‌ی آن کریستال‌های تشکیل‌دهنده و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشند. در حقیقت این مواد متشکل از کریستال‌ها یا دانه‌های نانومتری هستندکه هر کدام ازآن‌ها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی و یا ترکیب شیمیایی، با هم متفاوت باشند. همه‌ی مواد از جمله فلزات، نیمه‌هادی‌ها، شیشه‌ها، سرامیک‌ها و پلیمرها می‌توانند در ابعاد نانومتر وجود داشته باشند. نانومواد می‌توانند به صورت نانوذرات بی‌شکل (آمورف)، کریستالی، آلی، غیر آلی و یا به صورت منفرد، مجتمع، پودر، کلوییدی، سوسپانسیونی یا امولسیونی و یا به صورت نانوساختارها باشند.
نانوساختارها
نانوساختارها به دسته‌های نانولایه‌ها، نانوپوشش‌ها، نانوخوشه‌ها، نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها، نانومواد و نانومواد متخلخل قابل تقسیم می‌باشند. لکن حقیقت آن است که رسیدن به دسته‌بندی کاملی که همه‌ی نانوساختارها در آن قرارداشته باشند، کار آسانی نیست. برای مثال نانوالیاف، نانوساختاری متفاوت با همه‌ی دسته‌های ذکر شده است. در ادامه به بررسی برخی از انواع ساختارها می‌پردازیم. در ساده‌ترین تقسیم‌بندی، می‌توان ساختارهای نانو را براساس شکل ظاهری آنها نشان داد.
خواص و کاربردهای نانومواد
شناخت نانومواد، خواص و کاربردهای آنها به ما کمک می‌کند که در کاربردهای مختلف قابلیت آنها را بررسی نماییم و یا تهیه نانوذرات متناسب با یک کارآیی خاص را مورد ارزیابی قرار دهیم. خصوصیات مربوط به نانومواد مشخص و ثابت نمی‌باشند، برای مثال نقاط کوانتومی 20 نانومتری، خصوصیاتی دارد که کاملأ متفاوت با نقاط کوانتومی 30 نانومتری است. اما آن‌چه که در ابعاد نانومتری مهم است، قابلیت و توانایی بهره‌گیری از این خصوصیات است. خصوصیات نانومواد آنها را مستعد برای ساخت محصولاتی مفید می‌کند. کارآیی نانومواد در کاربردهای مختلف است که از آن جمله می‌توان به بهبود خواص کاتالیستی، جذب، عبوردهی یونی، عبوردهی حرارتی، قابلیت جداسازی، سبک سازی، راندمان، قابلیت قطع و وصل خواص، کاهش آلودگی و قابلیت‌های نوری اشاره کرد.
لایه نشانی g
یکی از روش‌های تولید نانوساختارها روش‌های رایج رشد فیلم‌های نازک نانویی استکه است که به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند و از میان آنها دو روش اصلی برای لایه‌ی نشانی وجود دارد. در روش پایین به بالا که همیشه مورد توجه شیمی‌دانان و زیست‌شناسان بوده است، تلاش می‌شود که ساختار مولکولی از یک ساختار زیرین رشد داده شود و به مقیاس نانومتری (نانوساختار ریز) انتقال یابد. در روش بالا به پایین که بیشتر مورد توجه فیزیک‌دانان است تلاش می‌شود که مواد از ساختار ماکروسکوپی به ساختار ریز (نانومتری) تبدیل شوند. البته روش بالا به پایین از اهمیت و رواج بیشتری برخوردار است. در روش پایین به بالا نیاز به آن است که مواد به سه فاز بخار یا محلول شیمیایی یا محلول باشند. لایه‌ی نشانی از یک فاز این تقدم را دارد که ماده‌ی اولیه ابتدا به حالت بخار یا محلول تبدیل و سپس به صورت یک زیر لایه (بستر) روکش می‌شود. برای این کار به روش‌های الکتریکی وحرارتی واکنش‌های شیمیایی نیاز است.
کند و پاش مغناطیسی جریان مستقیم
گاز پس از ورود به محفظه‌ی کند و پاش تحت یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، اگر میدان به قدر کافی قوی باشد، درصد بالایی از اتم‌های گازیونیزه می‌شوند. گازیونیزه شده منفجر و انرژی الکترون‌های آزاد شده مجموعأ شامل گاز پلاسما یا پلاسما می‌باشد. اتم‌های گازیونیزه شده انرژی جنبشی نسبتأ کمی دارند، مگر در مواردی که از میدان الکتریکی عبور کنند و تسریع شوند. هنگامی که این اتم‌ها تسریع می‌شوند سطح هدف را با یک نیروی کافی بمباران نموده و اتم‌ها را از سطح ماده جدا می‌کنند. کند و پاش در اساس از جای خود بیرون کردن اتم‌ها از سطح ماده یا نشاندن یک فیلم نازک بر روی یک ماده است. کند و پاش یک تکنیک قدیمی است که در سال 1850میلادی کشف شد. نخستین مقاله‌ها در مورد دستگاه کند و پاش مغناطیسی در سال 1960 میلادی گزارش ارائه شده است. از آنجا که کند و پاش‌های مغناطیسی به عنوان یک پیشرفت در میدان‌های صنعتی مختلف شناخته شده‌اند به طور ویژه در پروژه‌های سطح، میکروالکترونیک و به طور وسیع برای انباشت فیلم‌های نازک استفاده می‌شوند.
کاربرد نانوفناوری
صنایع شیمیایی:
- نقش ارتعاشات در مقیاس نانو در کاهش اصطکاک در سطح اتمی
- روکش‌های ضد خوردگی ترمیم‌کننده
- ساخت نانوکاغذهای سه بعدی جدید
- آشکارسازی سرطان با نانوذرات سیلیکا
- افزایش خاصیت ضدسرطانی داروها
- تشخیص چندین ژن به طور هم‌زمان، با حس‌گرهای زیستی نانو لرزانکی
- محصولات با بسته‌بندی جدید با استفاده از فناوری نانو
- ابداع روش زیست‌سازگاری برای جذب پرکلرات از آب
- پیش‌گیری از سرایت زباله‌های اتمی به محیط زیست
- تولید ارزان انرژی
- نانولوله‌ها راهی بهتر برای تفکیک مولکول‌های هیدروژن از آب
- اختراع پارچه‌ای با توانایی تجزیه‌ی گرد و غبار
- کاربرد نانوپلاست‌ها در ابزارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر
- چرخش اجسامی با وزن بسیار بالا توسط موتورهای مولکولی
نتیجه‌گیری
مقاله‌ی فوق به بررسی نانو تکنولوژی، شیوه های تولید و برخی کاربردهای آن پرداخته است. این تکنولوژی نو پا به سرعت در حال رشد در زمینه‌های گوناگون علمی در کشور است و امید است با توجه به رشد این تکنولوژی در کشور شاهد کاربرد روز افزون آن به فناوری در حوزه‌های صنعت، پزشکی، کشاورزی و ... به دست متخصصان توان‌مند ایرانی باشیم.