نانوتکنولوژي؛ ذرات کوچک، قابليت هاي بزرگ

چکيده

نانوتکنولوژي يکي از مدرن ترين علوم روز دنياست که داراي خصوصياتي منحصر به فرد با کاربرد هايي در تمام زمينه هاي علم و فناوري است. توجه روز افزون بشر به اين علم فقط بواسطه ي تازگي و کنجکاوي بشر براي دانستن آنچه نمي داند، نيست؛ بلکه بدليل قابليت هاي ويژه اي است که پيش روي انسان قرار مي دهد و دستيابي به آنها جز از اين راه ممکن نيست. از طرفي اطلاعات مختلف درباره ي زمينه هاي تحقيقاتي و عملي اين علم در حيطه دانش هر فرد، باعث پويايي فکر و انديشه ي وي مي شود. اين تحقيق بنا دارد تا گوشه اي از مباني، ساختار، اهميت و کاربردهاي نانوتکنولوژي را بيان کرده و به چشم اندازهايي که اين شاخه در پي دست يابي به آنهاست اشاره کند.

روند رو به رشد کنوني نشان مي دهد که نانوتکنولوژي در حال پيشي گرفتن از رقيبان سرسخت خود يعني پروژهي ژنوم انساني و IT است و مي خواهد يکه تاز عرصه ي انقلاب صنعتي سوم باشد. آيا در عمل نيز چنين اتفاقي خواهد افتاد؟ بايد منتظر ماند.

واژه هاي کليدي : نانوتکنولوژي، نانوذرات، اتم، نانوتيوب کربن، پروتئين هاي موتوري.

نانوتکنولوژي چيست؟

" نانوتکنولوژي يعني بررسي هر چيز در مقياس يک ميليارديوم آن"، اين ساده ترين و عاميانه ترين تعريفي است که مي توان از نانوتکنولوژي ارائه داد. مي دانيم که يک نانومتر برابر ^9-10 متر است. اين عدد 80000/1 قطر موي انسان و يا 10 برابر قطر يک اتم هيدروژن است! آلبرت فرانکس¹ يکي از پيشگامان توسعه ي کاربردهاي صنعتي نانوتکنولوژي معتقد است:

(( نانوتکنولوژي بخشي از علم و تکنولوژي است که ابعاد و کوچکترين ارقام با معني در محدوده ي 0.1تا 100 nmدر آن نقش اساسي ايفا مي کنند.))

با توجه به اين تعريف در واقع نانوتکنولوژي توصيف همه جانبه ي فعاليت ها و تلاش هايي است که با دست بردن در اساسي ترين فرم ماده (اتم ها) باعث مي شود تا به خواص خارق العاده اي از ماده دست يابيم، چرا که اگر مواد به کوچکترين ابعادشان (اتم ها يا مولکول ها) شکسته شوند، مي توانيم خصوصيات بنياديشان را تغيير داده و به ماده اي تبديل کنيم که در حالت عادي تهيه و توليد آن به هيچ عنوان امکان پذير نيست.

پس نانوتکنولوژي علمي است که به دنبال دستيابي به روش ها، فنون، مواد لازم و ابزارهاي مورد نيازي است که بتواند چنين تحولاتي را در مواد مختلف ايجاد کند، به عبارت بهتر نانوتکنولوژي نگرشي جديد به انواع رشته هاي علمي است و تمام عرصه هاي مختلف علم و فناوري را در بر مي گيرد.

پيشينه نانوتکنولوژي

همانطور که اشاره شد نانوتکنولوژي يکي از جديدترين و مدرن ترين علومي است که امروزه در جهان مطرح است. عمر اين فناوري چيزي کمتر از 10 سال است، ولي محققان پيش بيني مي کنند ظرف 5 سال آينده تحولات بسيار عظيمي در اين زمينه صورت خواهد گرفت. دکتر سامر مي گويد:

((نانوتکنولوژي يکي از فناوري هايي است که نسبت به سال هاي ابتدايي تحقيقات صنعتي و دانشگاهي آن در مقايسه با ساير علوم بسيار بسيار سريعتر دستخوش تغييرات و پيشرفت هاي فراوان شده است.))

دکتر تيمپ² نيز در کتاب "Nanotechnology" مي نويسد:

((نقشي که نانوتکنولوژي در توسعه پيشرفت بشر ايفا خواهد کرد بسيار بيشتر و تأثير گذارتر از نقشي است که مارکوپولو و سفر هايش به شرق در توسعه و پيشرفت غرب ايفا نمود. چرا که مارکوپولو ذهني خلاق و نگاهي دقيق و موشکافانه داشت و تمام آنچه را که در طول سفر تا چين در نقاط مختلف مي ديد به دقت يادداشت مي کرد و الگو گرفتن از همان نوشته ها باعث شروع توسعه و پيشرفت در غرب شد.))

از نظر تاريخي آنچه باعث ظهور نانوتکنولوژي شد، کشف خاصيت نسبت سطح به حجم (A/V) بسيار بالاي مواد با ساختار نانو بود. اين جرقه اي بود که به کشف خصوصيات منحصر به فرد و شگفت انگيز نانوتکنولوژي منجر شد، چرا که اين خاصيت ويژه(يعني نسبت سطح به حجم زياد) باعث مي شود تا مواد توليد شده با اين روش داراي خصوصياتي از قبيل وزن بسيار کم، مقاومت و سختي بسيار بالا و هزينه هاي توليد بسيار پائين باشند. دربارهء اين خصوصيت جالب در قسمت ماهيت و ساختار توضيحات بيشتري ارائه شده است.

اهميت و ضرورت نانوتکنولوژي

امروزه علم و فن آوري در بسياري از زمينه ها تقريباً به مرز نهايي خود نزديک مي شود و شايد ديگر جوابگوي توقعات روزافزون بشر نباشد. اينجاست که نانوتکنولوژي قابليت هاي نهفته ي خود را يکي پس از ديگري به بشر عرضه نموده و به يکي از مهمترين و جذابترين زمينه هاي تحقيقاتي بشر در سال هاي اخير تبديل شده است. شايد به اين جهت که مي توان با آن به بسياري از روياهاي ديرين بشر دست يافت. آيا کسي تصور مي کرد که روزي متخصصان نانوتکنولوژي بتوانند ماشين هاي بسيار کوچکي را بسازند که در درون بدن در حال گشت و گذارند و به تعقيب باکتري ها و ويروس هاي بد و مضر مي پردازند؟ و مي توانند مشکلات ما را با کلسترول ها و چربي ها حل کنند؟ يا ماشين هاي کوچکي که لخته هاي خوني را مي شکنند و موجب افزايش متوسط طول عمر مي شوند؟

نه مطمئناً سال ها پيش زماني که ريگول ولچ در فيلم سينمايي خيره کننده اش ((سفر دريايي خيالي)) داستان يک کشتي مينياتوري را به تصوير کشيد که جريان خون را درمي نورديد و با گلبول هاي قرمز روبرو مي شد و.... هرگز چنين روزي را پيش بيني نمي کرد!

از کاربردهاي ديگر نانوتکنولوژي در زمينه هاي مختلف مي توان به موارد زير اشاره کرد:

در زمينه الکترونيک، ساخت رايانه هاي کوانتومي که تقريبا سرعتي 1000 برابر رايانه هاي امروزي دارند. در پزشکي، ساخت کپسول هايي که مي توانند بافت هاي مريض بدن را شناسايي کرده و دقيقاً دارو را در آن محل قرار دهند. در حمل و نقل، استفاده از مواد جديدي که از نانو ذرات ساخته شده اند و به ميزان چشم گيري موجب کاهش وزن وسائل نقليه شده، که نتيجه آن سرعت بالاتر، مصرف سوخت کمتر، آلودگي ناچيز و .... است. يا استفاده از نانو ذرات به جاي فولاد که وزن بسيار ناچيز، استحکام حيرت انگيز، (نسبت استحکام به وزن در اين مواد در مقايسه با فولاد، چند صد برابر بيشتر است) و قيمت بسيار ارزان دارند. با استفاده از اين فناوري لاستيک هايي مي توان ساخت که با دارا بودن درصدي از خاک رس، مقاومت بسيار بالايي در برابر سايش پيدا کرده و عمري چندين برابر لاستيک هاي معمولي دارند.

از کاربردهاي نانوتکنولوژي در شيمي، توليد کاتاليزورهايي با نسبت سطح به حجم بسيار بالاست که راندمان را در واکنش هاي شيميايي يا واحدهاي صنعتي به ميزان بسيار زيادي افزايش مي دهند.

ساخت سلول هاي خورشيدي کوانتومي، استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت تميز، نسل جديد باطري ها، پوشش هاي بسيار مقاوم، رنگ هاي بي نياز از شستشو، لباس هايي هوشمند و بي نياز از شستشو که علاوه بر قابليت ترميم خود بخودي مي توانند به رنگ محيط اطراف درآيند، از ديگر کاربردهاي نانوتکنولوژي در شيمي می باشند.

از اين فناوري مي توان در توليد آشکار سازهاي گازي لايه نازک که نياز به اطلاعات جامعي از فرآيندهاي سطحي لايه مرزي مياني گاز- جامد در مقياس مولکولي دارد را توليد کرد. در اين روش دو پارامتر اساسي آنها يعني حساسيت و تفکيک پذيري به مراتب افزايش مي يابد.

همه و همه ي خصوصياتي که به آنها اشاره شد تنها با دستيابي به دانش نانوتکنولوژي امکان پذير است. از اينرو شمار زيادي از کشورها به اين موضوع مهم پي برده و توجه خاصي نسبت به آن دارند. اين کشورها مبالغ هنگفتي را براي تحقيق و توسعه ي فناوري نانو اختصاص داده اند. به عنوان مثال، بودجه سرمايه گذاري آمريکا در سال 2003 در اين زمينه معادل 710 ميليون دلار بوده و پيش بيني مي شود ميزان اين سرمايه در سال 2004 به يک ميليارد دلار بالغ گردد.

همچنين ميزان سرمايه گذاري ديگر کشورها در اين زمينه به شرح زير است:

ژاپن 165 ميليون دلار، کره جنوبي 500 ميليون يوآن، چين 105 ميليارد يوآن، آلمان 94 ميليون مارک و اسرائيل 2 ميليون دلار.

حال با اين توضيحات و با اين افق هاي روشني که نانوتکنولوژي به همراه خواهد آورد، آيا جايي براي تعلل و درنگ بر ما باقي مي ماند؟

ماهيت و ساختار نانوتکنولوژي

ساختار عملي نانوتکنولوژي از دستکاري در اتم ها يا مولکول هاي مواد شکل گرفته است. از طرفي توليد محصولات نيز به اتم ها وابسته است و خصوصيات آنها به چگونگي نظم بين اتم هايشان بستگي دارد. مثلاً اگر بتوان اتم هاي درون يک معدن را بازآرايي کرد، مي توان الماس بدست آورد، اگر مي شد اتم هاي موجود در شن را بازآرايي کرد(و به آن مقداري عناصر افزود) تراشه هاي کامپيوتري توليد مي شدند و اگر امکان پذير بود اتم هاي موجود در گرد و غبار يا آب و هوا را بازآرايي کرد مي توانستيم سيب زميني داشته باشيم!

نوع ديگر رويکردهاي نانوتکنولوژي کشف ساختارهاي اسپين مولکول است که به فهم و درک قابل توجهي از نقل و انتقالات قابل کنترل در ترازهاي مولکولي مواد مختلف منجر مي شود. هريک از دو رويکرد فوق (اتمي و مولکولي) کاربردهاي بسيار وسيعي در قلمرو پزشکي، شيمي، فيزيک، الکترونيک و تکنولوژي اطلاعات بر عهده دارند.

از سوي ديگر براي کارکردن در مقياس اتمي و مولکولي بايد از وسائل بخصوصي استفاده کرد (بهترين روش استفاده از ميکروسکوپ تحقيقاتي است). حرکت کردن اتم ها به صورت انفرادي در حول يک سطح، خيلي آهسته و مشکل است، براي انجام اين کار محققان دانشگاه هاروارد انبردست هايي با نوک نانوتيوپ ساخته اند که قادر به حرکت دادن اشيايي کوچکتر از سلول هاي بيو شيميايي هستند. آنها معتقدند اين ابزارها قادر به منظم کردن تک تک مولکول ها هستند.

پس از بررسي ساختار نانوتکنولوژي در مقياس اتمي با ذکر يک مثال به مقايسه ي نسبت سطح به حجم (A/V) در مقياس نانو با حالت عادي مي پردازيم، در آخر هم اثبات رياضي آن را ارائه مي کنيم.

وقتي گفته مي شود نسبت(A/V) در اجسام با مقياس نانو به مراتب بيشتر از حالت عادي است، يعني با تغيير در مقياس اتمي (يا کوچکتر)، اجزاء سازنده ي ماده به گونه اي در کنار هم قرار مي گيرند که بيشترين سطح ممکن را ايجاد کنند و چون اين حالت در مقياسي است که اندازه ها بسيار بسيار کوچکند، به همان نسبت افزايش سطح بسيار بسيار زياد مي شود که نتيجه ي آن هم اغلب سبکتر شدن ماده و... خواهد بود، چرا که مثلاً وقتي g 1 از يک جسم معمولي، سطحي برابر² 1 cmدارد (مقياس ها فرضي اند)، در مقياس نانو همانg 1سطحي به مراتب بيشتر توليد مي کند؛ مثلاً ² m 10. پس اگر بتوان در مقياس نانو به غلط سطح را با عکس جرم متناسب دانست، (A α 1/m)، به اين معني است که وقتي در يک حجم ثابت سطح افزايش يابد، مي توان آن را به صورت کاهش جرم بيان کرده و نتيجه گرفت که نسبت m/v کوچک مي شود و اين هم يعني کاهش دانسيته ي ماده که نتيجه آن سبک تر شدن ماده خواهد بود. حال به عنوان يک پيش فرض براي اثبات رياضي فرض کنيد لوله اي توپر به طول1cm در اختيار داريم. اين لوله داراي مساحت سطح معيني است، اگر اين لوله را به 100 قسمت تقسيم کنيم، آيا سطح موثر آن کاهش مي يابد يا افزايش؟ اگر به 10⁹ قسمت تقسيم شود چطور؟

در ابتداي بررسي ويژگي (A/V) توصيه مي کنم منطق صرف رياضي را کنار گذاشته و آن را با مقداري استدلال و قوه ي تجسم در آميزيد. مي خواهيم نسبت سطح به حجم در يک استوانه به قطر r و ارتفاع l (شکل 1) را با n استوانه با همان قطر ولي به ارتفاع l/n (شکل 2) مقايسه کنيم ( اگر اين n استوانه به طول l/n را در کنار هم قرار دهيم، يک استوانه با طول l بدست مي آيد).

براي مساحت و حجم استوانه داريم:

از تقسيم اين دو مقدار بر هم نسبت سطح به حجم استوانه بدست مي آيد:

A/V=(2Πrl+2Πr²)/Πr²l=Πr(2l+2r)/ Πr²l=2/r+2/l (I)

همين محاسبات را براي بدست آوردن نسبت A/V درn استوانه داريم:

A=n(2Πrl/n+2Πr²)

V=n(Πr²l/n)

(A/V)^'=(2Πrl+2Πr²n)/Πr²l=Πr(2l+2rn)/ Πr²l=2/r+2n/l (II)

حال از مقايسه ي (I) و (II) داريم:

2/r+2n/l>2/r+2/l (A/V)^'>(A/V)

از طرفي چون n>1 ، نامساوي بالا هميشه بر قرار است.

بسته به مقدار n و شرائط خاص ديگري که باعث پيچيده شدن محاسبات و در عين حال افزايش اين نسبت مي شود، تفاوت بارز اين ويژگي منحصر به فرد و جالب اجسام نانو و مواد معمولي نمايان تر مي شود

.

نانوتکنولوژي و تحقق روياي مرد نامرئي

در حال حاضر برخي از متخصصان نانوتکنولوژي در حال کار بر روي مواد و پارچه هاي هوشمندي هستند که علاوه بر توانايي استتار خود، بتوانند پارگي هاي خودشان را نيز تعمير کنند. اصل اين کار بر مبناي موادي است که مي توانند بر پايه ي نوري که به آنها مي رسد، واکنش هاي مختلفي از خود نشان دهند. اما اين کار فقط از عهده مواد طبيعي بر مي آيد و سيستم هاي مصنوعي يا سنتزي از اين قابليت بي بهره اند. به همين دليل نانوتکنولوژيست ها قصد دارند از بعضي از ارگانيسم هاي زنده (نظير برخي ماهي ها و ديگر موجودات دريايي مثل هشت پا) تقليد کنند.

وقتي نور به بدن يک ماهي برخورد می کند، ذرات بسيار ريزي که روي پوست ماهي وجود دارد فواصل و پراکنش خود را تغيير مي دهند و به اين ترتيب خواص نوري سطح پوست ماهي دستخوش تغيير رنگ مي دهد. نانوتکنولوژيست ها سعي دارند يک چنين کاري را در سيستم هاي سنتزي انجام دهند.

براي اين کار يک دسته از پروتئين ها موسوم به پروتئين هاي موتوري وظيفه ي حمل و نقل مولکول هاي کوچک و ديگر مواد درون سلول ها را به عهده دارند و مي توانند آنها را به موقعيت هاي خيلي دقيق هدايت کنند، به اين ترتيب خواص نوري آن سلول را تغيير مي دهند. اين پروتئين ها علاوه بر انجام اين کار قادرند تعميرات را نيز انجام دهند؛ يعني مي توانند ذراتي که در مقياس نانو هستند مثلاً به اندازه ي چند اتم جابجا کنند و سپس آنها را به صورت يک رشته متوالي درآورند و در نتيجه کار ترميم و مرمت را انجام دهند.

اين پروتئين ها همچنين مي توانند کريستال هاي بسيار ريزي را که نقاط کوانتومي ناميده مي شوند و هر يک به اندازه يک مولکول هستند، با خود حمل کنند. اين نقاط کوانتومي مي توانند از خود رنگ هاي نئوني ساطع کنند که اين رنگ ها نيز بستگي به سايز هر يک از اين ذرات دارد. به اين ترتيب فاصله ي اين کريستال ها يعني نزديک يا دور شدن آنها از همديگر مي تواند رنگ سطوح مصنوعي را تغيير دهد، درست به همان روشي که يک ماهي رنگ پوست خود را عوض مي کند. معني تمام مطالب اين است که اگر پروتئين هاي موتوري کار خود را به درستي انجام دهند، ديگر نه نيازي به آن است که مرد نامرئي لباس خود را بشويد و نه اينکه اگر پاره شد، آن را تعمير کند.

نانو تيوپ کربن

زماني که توليد نانو تيوپ به صورت انبوه و اقتصادي امکان پذير شود، نانو تيوب ها مواد اصلي و اساسي مهندسي قرن 21 خواهند شد. از نانو تيوپ کربن مي توان استفاده هاي زيادي کرد. به طور جدي در مورد ساخت يک آسانسور از زمين به مدار فکر کنيد. ممکن است شما روزي به آسمان نگاه کنيد و کابلي را ببينيد که شبيه لوبياي سحرآميز جک به آسمان رفته و وسائل حمل و نقل به وسيله نيروي الکتريکي روي آن حرکت مي کنند. از هزاران ماده اي که در حال حاضر در دسترس مهندسان ناسا قرار دارد، فقط يک ماده (نانو تيوپ کربن) براي ساخت اين کابل مناسب است.

نانو تيوپ کربن به صورت لوله اي است که از الماس سخت تر بوده و 500000 بار از موي انسان نازکتر است.

توليد نانو تيوپ کربن مشکل است، ولي کاربردهاي متعددي دارد. شرکت سامسونگ يک نمونه از صفحه ي نمايش تخت ساخته است که الکترون ها از نوک نانو تيوپ بر روي صفحه نمايش تابانده مي شوند يا در آمريکا پژوهشگران يک خودنويس از جنس نانو تيوپ طراحي کرده اند که بجاي اين که مرکب را در خود نگه دارد، اتم ها را در خود ذخيره مي کند.

از خواص الکتريکي جالب نانو تيوپ که به خاطر وجود بعضي از مولکول ها در محيط تغيير مي کند، مي توان براي ساخت حسگرهاي حساس براي مواد شيميايي خطرناک استفاده کرد. نانو تيوپ هاي کربن مي توانند به صورت هادي، نيمه هادي و ابر رسانا ساخته شوند. و نيز به طور استثنايي محکم بوده و قابليت هدايت حرارتي عالي دارند و از لحاظ شيميايي خنثي مي باشند و از همه مهم تر، بسته به آرايش اتمي به صورت نيمه هادي ها يا فلزات عمل مي کنند.

هم اکنون نانو تيوپ ها با استفاده از يک ليزر به وسيله ي تبخير کربن حرارت ديده، ساخته مي شوند. با اين وسيله نانو تيوپ کربن به شکل دسته اي يا طنابي توليد مي شود، ولي براي استفاده در مقياس صنعتي توليد اين لوله ها به اندازه کافي نمي باشد.

آقاي پيتر هاريس متخصص نانو تيوپ از دانشگاه ريدينگ در انگلستان مي گويد:

((ما قادر به ساخت نانو تيوپ در مقياس آزمايشگاهي هستيم، ولي براي توليد انبوه مشکل داريم)). کاربرد ديگر نانو تيوپ کربن به خاطر خواص الکترونيکي آنها است. اين لوله ها جريان هاي الکتريکي را 100 برابر بيشتر از سيم هاي فلزي در خود نگه مي دارند. اين خاصيت جالب و نازک بودن آنها باعث شده که ماده اي ايده آل براي استفاده در صنعت فناوري نانوي الکترونيکي باشند.

کاربرد ديگر نانو تيوپ کربن براي ساخت مخزن ها يا تانک هاي ذخيره ي مولکول هاي هيدروژن مي باشد که در اتومبيل هاي نسل آينده در سلول هاي سوختي بکار برده خواهند شد.

همکاري مشترک سه کشور استراليا، آمريکا و آلمان منجر به ساخت ورق هاي نانو تيوپ شده است که بيشتر از ماهيچه هاي بدن قادر به اعمال تنش مي باشد. محققان معتقدند که از نانو تيوپ کربن مي توان براي ساخت ماهيچه هاي مصنوعي استفاده کرد.

حال با توجه به خصوصيات منحصر به فرد و جالبی که درباره ی اجسام نانو بيان شد، نانوتکنولوژی علم انسان را به کدام سوی هدايت خواهد کرد؟

علی عليزاده (80)

منابع:

1. Nanotechnology Gregrory.Timp Bell babaratories/ Murray Hill 1999-p1,2

2. G.I.T laboratory journal 5/2001 , p.197 , G.I.T publishing LTD , 64220 Darmstadt , Germany

3.The note of Dr.Klaus. H.Sammer – www.bayer – agod

4. Glenn McGee ,"What is the nanotechnology" , associate director of the university of Pennsylvania's center for bioethios.

5. www.nano.org.uk

6.The institute of nanotechnology publishing,2003 7.journal of nanotechnology,Juen 2002

8.www.science central.com

9. مجله صنايع الکترونيک، شماره 7، بهمن و اسفند 1381.

10. مقالات دفتر مطالعات سياست نانوتکنولوژي.

11. "مواد و فرآيندهاي مورد استفاده در ساخت آشکار سازهاي لايه نازک با ساختارهاي نانومتري" ، ترجمه و تأليف: مهدي طالبي و عليرضا صدرايي.