هدف فناوری نانو یا نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشینها توسط بازوهای روبات برنامهریزی شده در مقیاس نانومتریک است (نانومتر یک میلیاردم متر است یعنی پهنای معادل با 3 تا 4 اتم.)
رایانهها اطلاعات را تقریباً بدون صرف هیچ هزینهای باز تولید میکنند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریباً بدون هزینه - شبیه عمل بیتها در رایانه - اتمها را به صورت مجزا بهم اضافه کنند (کنار هم قرار دهند). این امر ساختن خودکار فراوردهها را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشینهای زیراکس میسر میکند. صنعت الکترونیک با روند کوچکسازی احیاء میگردد و کار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری میشود که قادر به دستکاری اتمهای منفرد مثل پروتئینها در سیبزمینی و همانندسازی اتمهای خاک، هوا و آب از خودشان میگردد.
فهرست مندرجات[مخفی شود] |
نانو به بررسی و فناوری ساخت ذراتی که حداقل یکی از ابعاد فضایی آنها در محدودهٔ ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، میپردازد.
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر میشود. از همین تعریف ساده برمیآید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزههای مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژی، محیط زیست، مهندسی مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمردهاند. کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را بهعنوان یک زمینه فرا رشتهای و فرابخش مطرح نمودهاست.
هر چند آزمایشها و تحقیقات پیرامون نانوتکنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزهآسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دههٔ اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند.
نانو تکنولوژی علمی است با تاریخ تولد مشخص! چهل سال پیش ریچارد فاینمن، متخصص کوانتوم نظری و دارندهٔ جایزهٔ نوبل، در هنگام گرفتن جایزه نوبل خود، نظریهی جدیدی مطرح کرد. او در سخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان "آن پایین فضای بسیاری هست!" ( There is plenty of room in the bottom ) به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی درآن زمان اظهار داشت: "اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، مخالفتی با ساختن اتم به اتم چیزها ندارد." او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفتهاند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازهها را با مقیاسهای کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقیشان در لبههای نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود، بطوری که یک اتم را در مقابل دیگری بگونهای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول ممکن را ایجاد کنیم.
کامپیوترها اطلاعات را تقریبا" بدون صرف هیچ هزینهای باز تولید مینمایند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریبا" بدون هزینه - شبیه عمل بیتها در کامپیوتر - اتمها را به صورت مجزا بهم اضافه کنند ( کنار هم قرار دهند). این امر ساختن اتوماتیک محصولات را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشینهای زیراکس میسر میکند. صنعت الکترونیک با روند کوچک سازی احیاء می گردد وکار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری میشود که قادر به دستکاری اتمهای منفرد مثل پروتئینها در سیب زمینی و همانندسازی اتمهای خاک، هوا و آب از خودشان میگردد. پیوند علم مواد، شیمی و علوم مهندسی که نانوتکنولوژی نامیده میشود عرصه أی را بوجود میآورد که ماشین آلات خود تکثیرکننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند. نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا به زبان سادهتر، ساخت اشیاء اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط بازوهای روبات برنامهریزی شده در مقیاس نانومتریک است و نانومتر یک میلیاردم متر است ( پهنای معادل با 3 تا 4 اتم). نانوتکنولوژی ساخت ابزارهای نوین مولکولی منحصر به فرد با بکارگیری خواص شیمیایی کاملا" شناختهشده اتمها و مولکولها ( نحوه پیوند آنها به یکدیگر) را ارائه میدهد. مهارت مطرحه در این تکنولوژی دستکاری اتمها بطور جداگانه و جای دادن دقیق آنان در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایدهآل موردنیاز میباشد. این قابلیت تقریبا" حاصل شده است. بازده پیشبینی شده از تسلط بر این تکنولوژی بسیار فراتر از موفقیتهایی است که تاکنون انسان بدانها نائل شده است. قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از :
دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است: “در جهان اطلاعات، تکنولوژیهای دیجیتالی کپیبرداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینهبری یا پیچیدگی محتوایی نمودهاند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه میشود. هزینه تولید یک تن تری بیت تراشههای RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد میشود”. دکترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف Buckyballs میگوید: " نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد". در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است : " تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقهتان حل شده است سرطان را معالجه کنید. یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی 4 نفره که به دور مدار زمین میگردد با هزینهای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید". موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری میگردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافتشده، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحتالشعاع این روند قرار خواهد گرفت.
با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک، چه وسایلی میتوانیم ایجاد کنیم؟
فاینمن در ذهن خود یک "دکتر مولکولی" تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و میتواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و بهطور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد. در بحبوحه سالهای صنعتی کلمه "بزرگ" از اهمیت ویژهای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژههای مهندسی بزرگ و غیره حتی کامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال میکردند. ولی از وقتی فاینمن نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی بهسوی کوچک شدن در پیش گرفت.
Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت، که میتوانست به اندیشههای فاینمن قوت ببخشد. Minsky پدر یابنده هوشهای مصنوعی دهه 70-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده میشد، رهبری میکرد. در اواسط دهه ۷۰، Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ التحصیل بود، Minskey را بهعنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایاننامهاش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت. Drexler سخت به وسایل بسیار کوچک فاینمن علاقهمند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد. Minskey نیز با وی موافقت کرد. Drexler در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با یک سری ایدهها که خودش "نانوتکنولوژی" نامگذاری کرده، مشغول میداشت. Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی(Molecular Nano Technology:MNT) در سال ۱۹۸۱ ارایه داد. او کتاب Engine of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دکتری در نانوتکنولوژی را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هماکنون رئیس انستیتو Foresight و Research Fellow میباشد.
علوم و فناوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهههای آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاریهای تحقیقاتی میانرشتهای، آموزش خاص و انتقال ایدهها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی ب هشرح زیر میباشد:
نانوتکنولوژی، تغییر بنیادی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوکهای ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترلشده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربهفرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها ایجاد میکند. محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبودهاست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبکتر، سختتر و قابل برنامهریزی؛ کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی؛ ابزارهایی نوین بر پایهٔ اصول و معماری جدید؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشهای که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره میکند. یعنی مقیاسی که شیمی]، فیزیک، زیستشناسی و شبیهسازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
نانوتکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوریهای جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، میتواند تأثیر قابل ملاحظهای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد؛ در ایجاد و درمان مسائل زیستمحیطی از طریق کنترل انتشار آلایندهها؛ در توسعه فنّاوریهای "سبز" جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشتهباشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگیهای کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازهگیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی میتواند بهطور قابل ملاحظهای کارآیی، ذخیرهسازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکتهای مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویتشده با نانوذرات را ساختهاند که میتواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیلها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیتها میتواند سالیانه ۵٬1 میلیارد لیتر صرفهجویی مصرف بنزین به همراه داشتهباشد.
همچنین انتظار میرود تغییرات عمدهای در فنّاوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. میتوان نیمههادیهای مورد استفاده در دیودهای نورانی( LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا" 20% کل برق تولیدی، صرف روشنایی(چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) میشود. مطابق پیشبینیها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفتهایی از این دست میتواند مصرف جهانی را بیش از 10% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفهجویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را بههمراه خواهدداشت.
محدودیتهای شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتنابناپذیر میسازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آوردهاست.
"نانوساختن"( Nanofabrication ) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبکوزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکتها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّارهای یا خورشیدی، تعیینکننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستمهای کوچکشده تمام خودکار، منجر به پیشرفتهای شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستمهای نانو –که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.
برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارتند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستمهای واقعیت مجازی پیچیدهتر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارآیی بالاتر(وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنههای نظامی و در عینحال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هستهای، بهبود طرّاحی در سیستمهای مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاحهای هستهای، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستمهای دفاع هستهای. در بسیاری موارد، فرصتهای اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینههای دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.
ذخیرهسازی اطلاعات در مقیاس فوقالعاده کوچک: با استفاده از این فناوری میتوان ظرفیت ذخیرهسازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، و این امر موجب ذخیره سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری میشود. ساخت تراشهها در اندازههای فوقالعاده کوچک بهعنوان مثال در اندازههای 32 تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسکهای نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازههای کوچک نیز میباشد.
شواهد موجود نشان میدهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولتها و شرکتهای بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاستجمهوری آمریکا طی مقالهای در ماه میسال 2001، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیشبینی وی و بخش دیگری از صاحبنظران در ده الی 15 سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمههادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازندههای کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازندههای حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ۱۰ سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال 2007 پردازندههای متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمههادیها وارد بازار خواهد کرد.
در بخش دارو نیز پیشبینی شده است تا ۱۰ الی ۱۵ سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار 100 میلیارد دلاری کاتالیستها که تا ۱۰ سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیستهای نانوساختاری خواهد بود، برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هماکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکلگیری است. موادی که میتوانند خواص جدید و فوقالعادهای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولولههای کربنی( Carbon NanoTubes ) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تاثیر قرار خواهد داد.
در کنار این پیشبینیها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکلگیری یک بازار تثبیت میشود، زمان سرمایهگذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.
در دستهبندی علوم نانویی، همچنان مسایل حل نشدهٔ زیادی وجود دارد. اما شاخههایی که در زیر آورده شدهاند، اساس نانو تکنولوژی را تشکیل میدهند:
علم مواد، شیمی و علوم مهندسی