فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو چیست؟

فناوری نوین نانوتكنولوژی، تمام دنیا را فرا گرفته است. به بیان دیگر، «نانوتكنولوژی بخشی از آینده نیست بلكه همه آینده است». در این نوشتار بعد از تعریف نانوتكنولوژی و بیان كاربردهای آن دلایل و ضرورت‌های توجه به این فناوری، بیان شده است.

● تعریف نانوتكنولوژی و آشنایی با آن

نانوتكنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با كنترل سطوح مولكولی و اتمی و استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر می‌شود. نانوتكنولوژی، رشته‌ای جدید نیست، بلكه رویكردی جدید به تمام رشته‌هاست. نانوتكنولوژی، در حوزه‌های مختلفی نظیر: غذا، دارو، تشخیص پزشكی، بیوتكنولوژی، الكترونیك، رایانه، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی، كاربرد دارد. كاربردهای وسیع و پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی نانوتكنولوژی آن را به زمینه‌ای فرابخشی، تبدیل كرده است.
آزمایش و تحقیق در مورد نانوتكنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به‌طور جدی پیگیری شد، اما آثار معجزه‌آسا و باور نكردنی آن در روند تحقیق و توسعه، توجه همه كشورهای بزرگ را به خود جلب كرد. این امر، فناوری نانو را به یكی از مهم‌ترین اولویت‌های تحقیقاتی در دهه اول قرن بیست و یكم، تبدی كرد.
استفاده از فناوری نانو در علوم پزشكی، پتروشیمی، مواد، صنایع دفاعی، الكترونیك، رایانه‌های كوانتومی و غیره آن را به عنوان چالشی علمی و صنعتی برای جهانیان مطرح كرد. محققان، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در مورد این موضوع، مشخص كنند و با برنامه‌ریزی علمی و دقیق به حضوری فعال و رقابتی سالم در این جایگاه روی آورند. طراحی برنامه‌ای منسجم، فراگیر و همه جانبه برای این منظور، اجتناب‌ناپذیر است.

● نانوتكنولوژی و كاربردهای آن

فناوری نانو، عنصری اساسی باری درك بهتر طبیعت در دهه‌های آینده خواهد بود. همكاری‌های تحقیقاتی میان رشته‌ای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت از جمله مزایای نانوتكنولوژی در آینده است.

بخشی از تأثیرات و كاربردهای نانوتكنولوژی به شرح زیر است:

۱) تولید، مواد و محصولات صنعتی
نانوتكنولوژی تغییر بنیانی مسیری است كه در آینده، موجب ساخت مواد و ابزار خواهد شد. امكان سنتز بلوك‌های ساختمانی نانو با اندازه و تركیب به دقت كنترل شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگ‌تر، كه دارای خواص و كاركرد منحصر به فرد باشند، انقلابی در مواد و فرایندهای تولید آنها، ایجاد می‌كند. محققان، ساختارهایی از مواد را ایجاد خواهند كرد كه در طبیعت وجود ندارد و شیمی مرسوم، قادر به ایجاد آنها نیست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتند از: مواد سبك‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی، كاهش هزینه عمر كاری با كاهش دفعات نقص فنی، ابزار نوین بر پایه اصول و معماری جدید و به‌كارگیری كارخانه‌های مولكولی یا خوشه‌ای كه مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
۲) پزشكی و بدن انسان
رفتار مولكولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره كرده و مقیاسی را ایجاد می‌كند كه شیمی، فیزیك، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی رایانه‌ای به آن سمت گرایش دارند.
نانوتكنولوژی، فراتر از استفاده بهینه از دارو، فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو[۱] تهیه می‌كند و توان درمانی داروها را به نحو حیرت‌انگیزی، افزایش می‌دهد.
مواد زیست سازگار با كارایی بالا، از توانایی بشر در كنترل نانوساختارها به دست می‌آیند. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را می‌توان نظیر اجزای فعال، برای اعمال نقش تشخیصی، (مثل ذرات كوانتومی كه برای مرئی‌سازی به كار می‌رود) درون سلول‌ها وارد كرد.
افزایش توان محاسباتی به وسیله نانوتكنولوژی، ترسیم وضعیت شبكه‌های ماكرومولكولی را در محیط‌های واقعی ممكن می‌كنند. این‌گونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات كاسته شده زیست سازگار در بدن و برای فرایند كشف دارو، الزامی هستند.
۳) دوام‌پذیری منابع كشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاك
نانوتكنولوژی تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و‌ آب ایجاد می‌كند و پساب و آلودگی را كاهش می‌دهد. همچنین فناوری‌های جدید، امكان بازیافت مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند كرد. نانوتكنولوژی، بر محیط زیست، تأثیری قابل توجه دارد. از آن جمله: ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی با كنترل انتشار آلاینده‌ها، توسعه فناوری‌های «سبز» جدید كه محصولات جانبی كمتری دارند. نانوتكنولوژی، توان حذف آلودگی‌های كوچك از منابع آبی (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی را در مناطق بزرگ‌تر دارد.
نانوتكنولوژی می‌تواند كارایی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار دهد مصرف آن را كاهش دهد. برای مثال، شركت‌های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده با نانوذرات را ساخته‌اند كه می‌تواند جایگزین اجرای فلزی بدنه خودروها باشد. استفاده گسترده از این نانوكامپوزیت‌ها سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی در مصرف بنزین، ایجاد می‌كند.
فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده، تغییرات عمده‌ای خواهد داشت. نیمه هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید خواهد شد. تقریباً ۲۰ درصد از كل برق تولیدی امریكا، صرف روشنایی (چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود، اما مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌های نانوتكنولوژی، مصرف جهانی را بیش از ۱۰درصد كاهش می‌دهد و سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار، صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن، كاهش انتشار كربن را به همراه دارد.
۴) هوا و فضا
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و ارسال فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، كاهش اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌كند. مواد و ابزار نانوساختاری، امیدهایی را برای حل این مشكل، ایجاد كرده است.
«نانو ساختن[۲]، طراحی و ساخت مواد سبك‌وزن، پرقدرت و سكوهای اكتشافی سیاره‌ای یا خورشیدی، فراهم كرده است. استفاده روزافزون از سیستم‌های كوچك شده خودكار به پیشرفت‌های شگرف در فناوری ساخت و تولید می‌انجامد. توجه به اینكه محیط فضا، نیروی جاذبه كم و خلأ بالا دارد، توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو كه ساخت آنها در زمین ممكن نیست در فضا میسر خواهد شد.
۵) امنیت ملی
برخی كاربردهای دفاعی نانوتكنولوژی عبارتند از: تسلط اطلاعاتی با نانوالكترونیك پیشرفته به عنوان قابلیتی مهم و نظامی، امكان آموزش مؤثر نیرو به كمك سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده و به دست آمده از الكترونیك نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیك پیشرفته برای جبران كاهش نیروی انسانی نظامی، كاهش خطر برای سربازان و بهبود كارایی خودروهای نظامی، دستیابی به كارایی بالاتر (وزن كمتر و قدرت بیشتر) در صحنه‌های نظامی، كاهش نقص فنی و هزینه در عمر كاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در شناسایی و مراقبت از عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طراحی در سیستم‌های كنترل و مدیریت عدم تكثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزار نانو و میكرومكانیكی برای كنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مكمل یكدیگرند. كاربردهای درازمدت نانوتكنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی كننده امنیت ملی خواهد بود.
۶) كاربرد نانوتكنولوژی در صنعت الكترونیك
نانوتكنولوژی، ذخیره اطلاعات را در مقیاس فوق‌العاده كوچك، ممكن می‌كند. فناوری نانو، ظرفیت ذخیره اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش می‌دهد و در نهایت، ابزار ابرمحاسباتی كوچكی به اندازه ساعت مچی، ساخته خواهد شد.
اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یك ترابیت در هر اینچ ربع برسد، ذخیره ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در هارد دیسكی با ابعاد یك كارت اعتباری، ممكن خواهد شد.
ساخت تراشه‌ها در اندازه‌هایی كوچك نظیر ۳۲ تا ۹۰ نانومتر و یا تولید دیسك‌های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه‌های كوچك از جمله این موارد است.

● تاریخچه فناوری نانو در جهان

۴۰ سال پیش، Richard Feynman متخصص كوانتوم نظری و دارند جایزه نوبل، بعد رشد نیافته علم مواد را بررسی كرد. وی در كنفرانس معروف خود عنوان «آن پایین فضایی بسیار وجود دارد»[۳] گفت: «اصول فیزیك، تا آنجا كه من آن را می‌فهمم، برخلاف امكان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی‌زند» او فرض را بر این قرار داد كه اگر دانشمندان چگونگی ساخت ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاس‌های كوچك، فرا گرفته‌اند. پس ما می‌توانیم آنها را كوچك و كوچك‌تر كنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی خود در لبه‌های نامعلوم كوانتوم، نزدیك خواهند بود به گونه‌ای كه یك اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار می‌دهیم كه بتوانیم كوچك‌ترین محصول مصنوعی و ساختگی ممكن را ایجاد كنیم. با استفاده از این فرم‌های بسیار كوچك چه وسایلی را ایجاد خواهیم كرد؟

تفكرات Marvin Minsky به اندیشه‌های Feynman قوت بخشید. Minsky، پدر پاینده هوش‌های مصنوعی دهه ۷۰-۱۹۶۰، جهان را در تفكرات مربوط به آینده، رهبری می‌كرد. Eric Drexler در اواسط دهه ۷۰ Minsky را استاد راهنمای پایان‌نامه خود انتخاب كرد. Drexler به وسایل بسیار كوچك Feynman علاقه‌مند شده بود و می‌خواست مورد توانایی آنها را بررسی كند. Drexler در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم رایانه دریافت كرده و انجمنی از دانشجویان را به دور خود جمع كرده بود. او افكار جوانان را با «نانوتكنولوژی» مشغول كرده بود. Drexler اولین مقاله خود را در مورد نانوتكنولوژی مولكولی (MNT) در ۱۹۸۱ ارائه داد. او كتاب Engin Of Creation: The coming era of Nanotechnology را در ۱۹۸۶ چاپ كرد. Drexler درجه دكترای نانوتكنولوژی را در ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دریافت كرد. او پیشروی طرح نانوتكنولوژی و هم‌اكنون رئیس انستیتو Foresight و Research Fellow است. Feynman ذر ذهن خود «دكتری مولكولی» تصور كرد كه صدها بار از سلولی منحصر به فرد، كوچك‌تر است و به بدن انسان تزریق می‌شود. این دكتر مولكولی، درون بدن برای انجام كاری، تأیید سلامتی سلول‌ها، انجام اعمال ترمیمی و نگهداری بدن در سلامت كامل، سیر می‌كند. در بحبوبه؟؟؟ سال‌های صنعتی، واژه «بزرگ» اهمیتی ویژه داشت. حتی رایانه‌ها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال می‌كردند. زمانی كه Feynman، نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان به سوی كوچك شدن، گام برداشت.

● تعیین بودجه‌های كلان در كشورهای صنعتی برای تحقیقات در زمینه نانوتكنولوژی

بسیاری از كشورهای توسعه یافته و در حال توسعه، برنامه‌هایی را در سطح ملی برای پشتیبانی از فعالیت‌های تحقیقاتی و صنعتی نانوتكنولوژی تدوین و اجرا می‌كند.
نانوتكنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع، آینده اقتصادی كشورها و جایگاه آنها را در جهان، تحت تأثیر قرار خواهد داد. صاحب‌نظران و محققان كشورهای مخالف این امر را تبیین كرده‌اند. در بخشی از این كشورها، در ۲ سال اخیر تحركات شدیدی از سوی دولت‌ها برای سرعت‌بخشی به توسعه نانوتكنولوژی انجام شده است و فعالیت‌های خودجوش محققان، با تشویق و حمایت‌های مستقیم دولت، ادامه یافته است. نمودار یك، میزان سرمایه‌گذاری دولت‌ها را نشان می‌دهد.

● اهمیت مطرح شدن طرح

بسیاری از كشورهای پیشرفته و در حال پیشرفت، برنامه‌هایی را برای پشتیبانی از فعالیت‌های تحقیقاتی و صنعتی نانوتكنولوژی تدوین و اجرا می‌كنند، اما سؤالی مهم برای كشور ما و كشورهایی كه هنوز به نانوتكنولوژی به؟؟؟ توجه نكرده‌اند، این است كه آیا باید با این روند همراه شد یا خیر؟ فضای بسیار بزرگ نانوتكنولوژی و حجم وسیع فعالیت‌های مربوط به آن در دنیا، این باور را به انسان القا می‌كند كه دیر یا زود باید آینده‌نگری كرده و برای ورود به آن اقدام كرد.
● ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژی، اجتناب‌ناپذیر است.
صاحب‌نظران و محققان، نانوتكنولوژی را مساوی آینده دانسته‌اند. كمیته مشاوران رئیس‌جمهور امریكا در علوم فناوری در تأیید برنامه ملی نانوتكنولوژی برای سال ۲۰۰۱، از نانوتكنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می‌كند. صاحب‌نظران به دلیل تأثیرات این فنوری بر بیشتر فناوری‌های موجود، معتقدند متخصصان رشته‌های مختلف بدون گرایش به مباحث مقیاس نانو در دهه‌های آینده فرصتی برای رشد ندارند. آنها شكوفایی فناوری‌های مهم نظیر فناوری اطلاعات و بیوتكنولوژی را بدون بهره‌گیری از نانوتكنولوژی مختل می‌دانند.

● دلایل ضرورت ورود كشور به عرصه نانوتكنولوژی

مهم‌ترین دلایل ضرورت توجه كشورهایی نظیر ایران به نانوتكنولوژی به قرار زیر است:

۱) تأثیر اساسی نانوتكنولوژی بر رشد و پیشرفت بسیاری از فناوری‌ها
ماهیت فرارشته‌ای فناوری نانو به عنوان توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با دقت اتم و مولكول، موجب تعریف كاربردهای بسیاری در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی شده است. نانوتكنولوژی كاربردهای بسیاری در حوزه‌های دارو، غذا، بهداشت، درمان بیماری‌ها، محیط‌زیست، انرژی، الكترونیك، رایانه، اطلاعات، مواد، ساخت، تولید، هوافضا، بیوتكنولوژی، كشاورزی، امنیت ملی و دفاع دارد. این فناوری بر تمام فناوری‌ها تأثیر می‌گذارد و دیر یا زود باید شاهد محصولات آنها بود. برای مثال در بخش پزشكی و بهداشت، زمینه كاری بسیار مهم، سیستم توزیع دارو در داخل بدن است. مصرف فعلی دارو به صورت حجمی است در حالی كه سلول‌های خاصی از بدن نیازمند آن هستند. دارو در روش تزریق با وسایل جدید به صورت مستقیم و به سلول‌های مشخص، تحویل داده می‌شود. بنابراین، بیماری‌های بزرگ و كوچك با این مكانیزم در آغاز شكل‌گیری، درمان می‌شوند. در بخش مواد نیز پروژه‌هایی در حال اجراست كه موادی با وزن بسیار كم و خواص مناسب، تولید می‌كنند. این مواد در ساختمان، خودرو، هواپیما و دیگر ملزومات زندگی انسان‌ها كاربرد دارند. بنابراین، نانوتكنولوژی عرصه‌ای وسیع از زندگی انسان‌ها را در برخواهد گرفت و نمی‌توان از آن چشم‌پوشی كرد.

۲) تأثیر نانوتكنولوژی بر امنیت جهانی
نانوتكنولوژی به لحاظ دفاعی هم فرصت است و هم تهدید، این فناوری كاربردهای زیاد در امور نظامی دارد. بخش دفاعی كشورهای مختلف به تحقیق و توسعه نانوتكنولوژی، گرایش دارند. این كاربردها از لباس‌های محافظ تا پرنده‌های بسیار كوچك، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است و هم‌اكنون با حمایت وزارتخانه‌های دفاع كشورهایی نظیر: امریكا، ژاپن و دیگر كشورهای اروپایی به صورت پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام است. این فناوری از این جهت برای كشورها تهدید محسوب می‌شود، اما برای كشورهایی كه با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، فرصت خواهد بود. با توجه به تنوع كاربردهای نانوتكنولوژی، در آینده رقابت بین‌المللی كشورها نقش مؤثر دارد.

● شكل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ

شواهد نشان می‌دهد كه درصدی بالا از بازار محصولات مختلف بر نانوتكنولوژی، متكی خواهد بود. دولت‌ها و شركت‌های بزرگ و كوچك به دنبال كسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روكو، رئیس كمیته علوم و فناوری نانو در ریاست جمهوری امریكا بر پتانسیل نانوتكنولوژی برای تغییر چشمگیر اقتصاد جهانی تأكید كرده است. وی معتقد است نانوتكنولوژی در ده الی ۱۵ سال آینده، بازار نیمه هادی را به طور كامل تحت تأثیر قرار خواهد داد.
سازندگان پردازنده‌های رایانه در امریكا و ژاپن از ورود پردازنده‌های حاوی یك میلیارد نانوترانزیستور تا پیش از ۱۰ سال آینده خبر داده‌اند. برای مثال شركت اینتل اعلام كرده است در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های متكی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بیشتر و مصرف كمتر به بازار، عرضه خواهد كرد.
نیمی از صنعت دارو تا ۱۵ سال آینده بر نانوتكنولوژی، متكی خواهد بود و به وسایل تزریق جدید و آموزش‌های پزشكی روزآمد، نیاز خواهد داشت. مواد شیمیایی نیز دارای بازار ۱۰۰ میلیارد دلاری كاتالیست‌ها هستند و تا ۱۰ سال آینده بر كاتالیست‌های نانوساختاری، متكی خواهد بود.
از هم‌اكنون بازاری برای به‌كارگیری مواد جدید در محصولات، شكل گرفته است. این مواد، خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات می‌بخشند و قیمت آنها را كاهش می‌دهند. مثلاً نانو لوله‌های كربنی[۴] با وزن كمتر و استحكام بیشتر نسبت به موادی نظیر فولاد، بخش‌های از صنایع را تحت تأثیر قرار خواهد داد.
از آنجا كه سهم هر كشور یا بنگاه در زمان شكل‌گیری بازار، تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای دستیابی به جایگاه مناسب، امروز است. سؤالی كه پیش می‌آید این است: جایگاه كشورهایی كه به نانوتكنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود؟

فناوری نانو چیست؟

مطالب مشابه :

جامع ترین لینکهای جزوات مهندسی شیمی

اصول بنیادی محاسبات در مهندسی شیمی

نانو تکنولوژی بخشی از آینده نیست؛ بلکه همه آینده است.

فناوری نانو چیست؟

برترین سئوالهای بی پاسخ علمی در جهان!

جزوه درسی جامعه شناسی تبلیغ دینی استاد سید محسن میرسندسی

معماری داخلی در طراحی بیمارستان

منطق فازی

برترین سئوالهای بی پاسخ علمی در جهان!