مقدمه‌ای بر نانو فن‌آوری

امروز علم تا حد دسترسی به اندازه‌هائی زیر محدوده میکرومتر پیشرفت کرده است. در این راستا روش‌ها و تکنیک‌های دست‌یابی به محدوده‌های نانومتری، نانو فن‌آوری نامیده می‌شود. در واقع نانو فن‌آوری ایجاد و بهره‌برداری از مواد، قطعات و سیستم‌ها در مقیاس‌های بسیار ریز و در حد نانومتری یعنی همان مقیاس‌ها و اندازه‌های اتمی و مولکولی است. نانو فن‌آوری به روش‌های مناسب برای ساخت و سرهم‌بندی ساختارهای کارآمد که دارای حداقل یک بعد در ابعاد نانومتری باشند، می‌پردازد. این نانو ساختارها که از کوچک‌ترین بلوک‌های ساختمانی شناخته شده ساخته می‌شوند، ریزترین اشیاء ساخت بشر بوده و دارای خصوصیات و رفتارهای فیزیکی، شیمیائی و زیستی جدیدی هستند. هدف نانو فن‌آوری، آگاهی و بهره‌گیری از این خصوصیات و ساخت و استفاده مؤثر از آنها است.
علم نانو به زودی باعث ایجاد تحولات عظیم در گستره جهان و منجر به ایجاد و دستیابی به یافته‌های علمی اساسی و تحولات تکنولوژیک در روش‌های ساخت مواد، قطعات و سیستم‌ها خواهد شد.
نانو فن‌آوری با پیوند علم مواد، علم شیمی و علوم مهندسی، عرصه‌ای را به‌وجود می‌آورد که ماشین‌آلات خود تکثیر شونده و محصولات خود اسمبل از اتم‌های اولیه ارزان ساخته شوند. نانو فن‌آوری، تولید مولکولی یا به‌زبان ساده‌تر، ساخت اشیاء به‌صورت اتم به اتم یا مولکول به مولکول در مقیاس نانومتریک است؛ پهنائی معادل با قطر ۳ تا ۴ اتم.
مهارت مطرح در این فن‌آوری، دست‌کاری اتم‌ها به‌طور جداگانه و جای دادن دقیق آنها در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده‌آل مورد نیاز است.
بازده پیش‌بینی شده از تسلط بر این فن‌آوری، بسیار فراتر از موقعیت‌هائی است که تاکنون انسان به آنها نائل شده است.
نانو فن‌آوری تولید کارآمد مواد، دستگاه‌ها، افزارآلات و سیستم‌هائی با کنترل ماده در مقیاس نانومتر و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های جدیدی است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند. به‌علاوه، این فن‌آوری قابلیت کار را در مقیاس مولکولی و اتمی برای ایجاد ساختارهای بزرگ که اساساً از سازماندهی مولکولی جدیدی نیز بهره‌مند خواهند شد، فراهم می‌نماید. در این موارد، سیستم‌ها دارای خواص فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیک جدید و بهتری خواهند بود. در حقیقت یکی از اهداف مهمی که در این فن‌آوری دنبال می‌شود، بهره‌برداری از این خواص براساس کنترل ساختارها و افزارآلات ساخته شده در سطوح اتمی، مولکولی و سوپرمولکولی است. از اهداف دیگر می‌توان از مجتمع نمودن این نانو ساختارها در مقیاس میکرونی و میکروسکوپی نام برد.
رفتارهای جدیدی که در مقیاس نانو مشاهده می‌گردند، لزوماً براساس رفتارهای مشاهده شده در ابعاد بزرگ‌تر قابل پیش‌بینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری عمدتاً ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد (Quantum Size Effect) به‌علت نزدیکی و قابل مقایسه بودن اندازه ذرات یا ریزساختارها با مقیاس طولی میانگین پدیده‌های فیزیکی و شیمیائی رخ می‌دهد.
خصوصیات موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترون‌ها در درون مواد و اندرکنش‌های اتمی توسط تغییرات مواد در مقیاس نانومتری تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد. با ایجاد ساختارهای نانومتری، کنترل خصوصیات اساسی مواد مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی رنگ آنها بدون تغییر ترکیب شیمیائی مواد، ممکن خواهد بود. سازماندهی سیستماتیک مواد در مقیاس طولی نانومتر، مشخصه کلیدی سیستم‌های زیستی است. نانو فن‌آوری اجازه خواهد داد که اجزاء مجموعه‌ها را داخل سلول‌ها جای داده و مواد جدیدی را با استفاده از روش‌های خود ترکیبی طبیعت بسازیم.
ساختارهای نانو مقیاس نظیر نانو ذره‌ها و نانولایه‌ها دارای نسبت‌های سطح به حجم خیلی بالائی هستند و بنابراین اجزاء ایده‌آلی برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنش‌های شیمیائی، انتقال دارو و ذخیره انرژی به شمار می‌روند.
سرامیک‌های نانو ساختاری اغلب از سرامیک‌های ساخته شده در مقیاس میکرون که هزار بار بزرگ‌تر از انواع نانومتری است و به سختی با چشم انسان قابل رؤیت است، سخت‌تر و محکم‌ترند.
کاتالیزورهای نانو، مقیاس بازده واکنش‌های شیمیائی و احتراق را افزایش داده و همچنین آلودگی و مواد زائد را به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند. بیش از نیمی از داروهای مفید امروزی در مقیاس میکرون در آب قابل حل نیستند. در صورتی‌که به احتمال زیاد، اگر در اندازه‌های نانومتری باشند، در آب حل خواهند شد. بنابراین نانو ساختارسازی، شانس یافتن داروهای جدید را با فرم‌های کاربردی‌تر ارائه می‌دهد.
به‌علت اینکه نانو ساختارها خیلی کوچک هستند، می‌توانند در ساخت سیستم‌هائی به‌کار برده شوند که چگالی خیلی بیشتری نسبت به انواع مقیاس میکرون دارند. بنابراین مفاهیم تازه قطعات الکترونیکی با مدارات سریع‌تر، عملکردهای پیچیده‌تر و مصرف بسیار کم‌تر را می‌توان با کنترل واکنش و پیچیدگی نانو ساختارها به‌طور هم‌زمان به‌دست آورد. اینها تنها مزایای اندکی از ساخت مواد در مقیاس نانو است.
● مواد؛ ساخت و تولید
کاربرد نانو‌فن‌آوری در مواد و ساخت و تولید آنها شامل عناوین زیر است:
۱. شکل دادن فلزات و سرامیک‌های نانو ساختاری به شکل دقیق بدون استفاده از ماشین،
۲. بهبود چاپ رنگی با استفاده از ذرات نانو مقیاس دارای بهترین خواص رنگی و رنگ‌دانه‌ای،
۳. مواد و نانو روکش‌های کاربیدی سمانته و روکش شده برای ابزارهای برش و دیگر کاربردهای ساختاری، شیمیائی و الکترونیکی،
۴. استانداردهای جدید برای اندازه‌گیری در مقیاس نانو،
۵. ساخت قطعات تراشه در نانو مقیاس با سطوح بالائی از پیچیدگی و کارکرد.
● نانو الکترونیک و فن‌آوری کامپیوتر
نقاط عطف نانو الکترونیک و فن‌آوری کامپوتر شامل موارد زیر است:
۱. قطعات نانوساختاری پردازنده، روند کاهش مصرف انرژی و قیمت را پیگیری کرده و به این طریق کارآئی کامپیوترها را چند میلیون برابر کرده است،
۲. فرکانس‌های بالای انتقال و به‌کارگیری کاراکتر طیف نوری برای تأمین حداقل ده برابر پهنای باند فعلی، با اثرات خود در مشاغل، آموزش، تفریحات و دفاع،
۳. قطعات کوچک ذخیره داده با ظرفیت‌های چند ترابیتی که ۱۰۰۰ برابر بهتر از امروز کارکرد داشته باشند،
۴. سیستم‌های نانو سنسوری مجتمع که قادر به جمع‌آوری، فرآوری و ارتباط مقادیر حجیم داده با حداقل اندازه، فن و توان مصرفی باشند.
● پزشکی و بهداشت
امروزه نانو فن‌آوری در تمامی عرصه‌ها نفوذ کرده و دارای کاربردهای وسیع و متعددی است. یکی از عرصه‌های نانو فن‌آوری، ظهور این علم در دانش پزشکی بوده است،
کاربردهای متعدد نانو فن‌آوری در زیست‌شناسی و پزشکی عبارتند از:
۱. به‌دست آوردن سریع و مؤثر توالی ژنوم که تشخیص و درمان بیماری‌ها را متحول خواهد کرد،
۲. مراقبت‌های پزشکی ارزان‌تر و مؤثرتر با به‌کار بردن قطعات دارای کنترل از راه دور در داخل بدن،
۳. فرمول‌بندی و روش‌های جدید برای داروسازی که باعث گسترش فوق‌العاده پتانسیل درمانی و دستیابی به مکان‌های غیرقابل دسترسی بدن می‌شود،
۴. ساخت اعضاء و بافت‌های مصنوعی مقاوم نسبت به رد عضو و با طول عمر زیاد،
۵. ساخت سیستم‌های حس‌گری که بروز بیماری را در بدن تشخیص داده و باعث تشخیص زودتر بیماری می‌شود.
● هوانوردی و اکتشافات فضائی
محدودیت سوخت یکی از مشکلات فرستادن محموله‌ها به مدار زمین و بالاتر است و نیاز به فرستادن فضاپیما به مناطق دور از خورشید (کاهش انرژی خورشیدی) برای سفرهای طولانی‌مدت، ما را مجبور می‌سازد تا اندازه ممکن، وزن و توان مصرفی بار را کاهش دهیم.
مواد و قطعات نانو ساختاری، راه‌حل‌هائی برای این چالش‌ها ارائه می‌دهند. نانو ساختارها همچنین برای طراحی و ساخت مواد سبک، مستحکم و مقاوم در برابر حرارت برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاه‌های فضائی و فضاپیماهای سیاره‌ای مفید هستند.
● محیط زیست و انرژی
نانو فن‌آوری این توانائی را دارد که بازده مصرف انرژی، ذخیره و تولید آن‌را بهبود بخشد. نانو فن‌آوری می‌تواند در نظارت و درمان مسائل زیست‌محیطی به‌کار برده شود یا با حذف آلاینده‌ها از گستره وسیعی از منابع و توسعه فن‌آوری‌های سبز، تولید فضولات نامطلوب کارخانه‌ها را به حداقل برسانند.
● امنیت ملی
کاربردهای مهم دفاعی نانو فن‌آوری شامل موارد زیر است:
۱. برتری اطلاعات (با توجه به تأثیر نانو در حوزه فن‌آوری کامپیوتر و نانو الکترونیک) به‌عنوان یک توانائی مهم برای ارتش،
۲. سیستم‌های مجازی پیچیده مبتنی بر الکترونیک نانو ساختاری که موجب آموزش مؤثر و ارزان می‌شود،
۳. افزایش کاربرد اتوماسیون و روباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی ارتش، کاهش خطر جانی سربازان و بهبود عملکرد جنگ‌افزارها، به‌عنوان مثال، کاهش چندین هزار تنی وزن هواپیماهای جنگی بدون سرنشین،
۴. بهبود در تشخیص هسته‌ای، زیستی، شیمیائی و مراقبت از خطرات،
۵. دستیابی به عملکرد بهتر (وزن کم‌تر و قدرت بیشتر) موردنیاز در پرنده‌های نظامی

مهندس اسماعیل بی‌آزار
کارشناس ارشد مهندسی پزشکی