نانوتکنولوژی یعنی فناوری در سطح اتم

نانو از یک کلمه یونانی (به معنای چیزی کوچک تر از اندازه معمولی) گرفته شده است. واژه «نانوتکنولوژی» به معنی استفاده کردن از چیزهایی در گستره ابعادی بین یک الی ۱۰۰ نانومتر است. این فناوری هم مانند بسیاری دیگر از تعاریف تکنیکی، پرسش های بسیاری ایجاد کرده است که برای بسیاری از آنها هنوز پاسخ روشن و واضحی وجود ندارد.
در اصل یک نانومتر طولی است برابر با ۹-۱۰+۱ متر، به عبارت دیگر یک میلیاردم متر. برای درک بهتر این عبارت می توان به این نکته توجه داشت که قطر تار موی انسان برابر صد هزار نانومتر است یا به عنوان مثال، طول موج رنگ آبی برابر با ۵۰۰ نانومتر است یا میزان فاصله دیسک خوان کامپیوتر با صفحه دیسک در هنگام فعال بودن برابر با ۱۵ نانومتر است. تمام این مثال ها به این منظور است که به فوق العاده کوچک بودن مقیاس نانو پی ببریم، به طوری که می توان نانو را با ویروس ها و حتی تک مولکول های تشکیل دهنده آنها مقایسه کرد.
امروزه موارد استفاده از نانوتکنولوژی زیاد شده است که بسیاری از این موارد از سال ۱۹۹۸ به این طرف در کنفرانس های علمی و مقاله های علمی رسانه ها انتشار یافته است. در حال حاضر از ذرات نانو سیلیکا (که یک نوع ماده معدنی شامل سیلیکونی و اکسیژن است) برای تولید رنگ های پوششی استفاده می شود که مزیت آنها الکترواستاتیک بودنشان است، در ضمن موجب پایداری و تقویت محصول نهایی نیز می شوند. این ذرات نخست در محلول رنگ به صورت شناور درآمده و سپس طی فرآیند خشک شدن با آرایش خاصی که به آن آرایش تقاطعی می گویند، به یکدیگر متصل می شوند.
در نتیجه استفاده از ذرات نانو در رنگ های مختلف، پایداری آنها در مقابل آسیب پذیری، تقریباً چهاربرابر رنگ های معمولی می شود. شرکت امریکایی «هایپریون کاتالیست اینترنشنال» که در ایالت ویرجینیا واقع است و همواره در استفاده از نانوتکنولوژی پیشرو بوده است، به تازگی در ساخت خطوط انتقال سوخت (که به طور معمول از جنس پلاستیک است) از نانوتیوپ ها به عنوان حلقه های اتصال دهنده استفاده کرده است.
این تیوپ ها در واقع رشته های ظریفی از کربن است و مانع تجمع بارهای الکتریکی می شود که وجود آنها ممکن است به تجهیزات الکترونیکی اتومبیل صدمه وارد کند. در حال حاضر کاربردهای نانوتکنولوژی را در بسیاری از ابزارها مشاهده می کنیم. از قطعات و تجهیزات خودرو گرفته تا حسگرهایی که وظیفه شان کنترل میزان انحراف خودرو است، از پرده های محافظ در برابر نور آفتاب گرفته تا توپ های فوتبال و بسکتبال،
وجود نانو در همه جا موجب شده که ما دید بازتری نسبت به این فناوری داشته باشیم. «جورج همیلتون» یکی از محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در این زمینه می گوید؛ «عادت کرده ایم که نانوتکنولوژی را شاخه ای از علم شیمی محسوب کنیم، در حالی که بین این دو زمینه تفاوت های عمیقی وجود دارد. میزان فضایی که نانوتکنولوژی در برمی گیرد و اشغال می کند چیزی است حدفاصل مشخصه های جمعی مواد و آنچه در سطح اتم آن ماده اتفاق می افتد.
تغییرات در اندازه ای در این حد باعث می شود که ویژگی های هر ماده ای دچار دگرگونی های کلی شده و با مشخصات اولیه خود به طور کلی تفاوت داشته باشد.» به طور مثال می توان به عنصر طلا اشاره کرد که در حالت عادی عنصری است که هیچ گونه واکنش پذیری ندارد، اما ذرات نانوی طلا (NanoGold) فعال است و با استفاده از آنها می توان یک مبدل ارزشمند تولید کرد.
مثال دیگر در این زمینه، عنصر کربن است. همان طور که می دانید الماس و گرافیت یا ذغال، اشکال ساخته شده این عنصر در حالت عادی هستند. اما علاوه بر اینها شکل شناخته شده دیگری از کربن وجود دارد که به آن «Bucky Ball» می گویند که تنها از اتم های کربن ساخته شده است و دارای فرمول شیمیایی C۶۰ است. از ذرات نانوی این ماده شیمیایی در طراحی و ساخت پانل های خورشیدی و داروهای ضدسرطان استفاده می شود. در سال گذشته میلادی، سنای ایالات متحده بودجه ای دو میلیارد دلاری را به بودجه قبلی طرح پژوهش های نانوتکنولوژی اختصاص داد.
ضمن اینکه بخش قابل توجهی از این مبلغ به وسیله شرکت ها یا سازمان هایی مانند بنیاد ملی علوم، سازمان ملی انرژی و موسسه ملی استانداردها هزینه خواهد شد. موسسه ملی نانوتکنولوژی در ایالات متحده که با سازمان های ذکر شده در زمینه شناخت و توسعه فناوری نانو همکاری های نزدیکی دارد؛ حدود ۱۴ درصد از بودجه سالانه خود را به تحقیق در خصوص بهداشت و محیط زیست اختصاص داده است. در ژاپن، شرکتی به نام «Datsu» (که متعلق به گروه صنعتی میتسوبیشی است) در تولید نوعی کربن خاص به نام فولورین پیشگام است.
در حال حاضر این شرکت ژاپنی ظرفیت تولید سالانه ۳۰ تن از این نوع کربن را دارد که ۶۰ درصد آن را هم صادر می کند. این شرکت تلاش می کند ظرفیت تولید خود را به ۷۰ تن برساند. ضمن اینکه این شرکت همراه با چندین شرکت دیگر و نیز چند دانشگاه ژاپن تحقیقات گسترده ای را در زمینه نانوروبات ها انجام داده است و همکاری های نزدیکی با وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت دارد تا برای مسائل مربوط به ایمنی و بهداشت قبل از آنکه اتفاق غیرمنتظره ای رخ دهد، راه حلی بیابد.
اما همان طور که گفته شد، یکی از مهم ترین دغدغه های ژاپنی ها نانوروبات ها هستند، نانوروبات ها ذرات ریزی هستند که پیوسته در حال رشد و توسعه و تکثیرند. این مساله تنها یک تخیل علمی نیست، بلکه ایده آن از ترکیب دو واژه به وجود آمده است که عبارتند از قابلیت خودتکثیری و خودمونتاژی که ساختار پایه ای نانوروبات ها است. به گفته ریچارد ویلیامز محقق دانشگاه برکلی که در زمینه نانوروبات ها فعالیت می کند، خودمونتاژی، طبیعت بسیاری از چیزها است. به طور نمونه سدیم و کلر را در کنار یکدیگر قرار دهید، ملاحظه خواهید کرد که با ترکیب شدن یا به عبارتی خودمونتاژ شدن، تشکیل کریستال می دهند. ضمن اینکه این نوع فناوری کاملاً قابل کنترل و کاربردی است.
نانوکریستال هایی که قابل جاسازی در مواد رسانای جریان الکتریسیته هستند، می توانند شرایط لازم را برای تولید برق از خورشید با هزینه بسیار مناسبی به وجود آورند. در این پلاستیک ها، مواد پلاستیکی بین الکترودها به صورت لایه لایه قرار داده می شود سپس با یک لایه نازک پوشیده می شوند و می توانند درصد بسیار بالایی از انرژی خورشید را جذب کنند.
در حال حاضر تحقیق در زمینه فناوری نانو در همه نوع محیط و زمینه ای وجود دارد. از تولید انرژی گرفته تا علم مواد، پزشکی و حتی حمل و نقل که بسیار حائز اهمیت است.محققان دانشگاه آریزونا در این زمینه پوشش هایی تولید کرده اند که شامل گرافیت، الماس و کربن به صورت ذرات بدون شکل و در نهایت به صورت حباب های نانو می شود.
به این ترتیب تنوع مواد کربنی در ساخت پوشش های مختلف، به این مواد خواص استثنایی می بخشد. به طور مثال ماده ای به نام CDC وجود دارد که از کربن ساخته شده است و نسبت به ساییدگی، فوق العاده مقاوم است و ویژگی های اصطکاک آن بسیار پایین است. این ماده هم اکنون به وسیله شرکت های خودروسازی امریکا و ژاپن به صورت گسترده در صنایع خودروسازی استفاده می شود. جالب اینکه می توان از حسگرهای نانو در تولید پارچه یا دیگر مواد مشابه استفاده کرد و به این ترتیب آنها را هوشمند کرد تا بتوانند چنانچه تحت فشار یا استفاده غلط پاره شدند به کاربران خود اطلاعات انتقال دهند.
این ویژگی در صنایع نظامی کاربردهای بسیار سودمندی دارد و در حال حاضر بر روی این طرح کار می شود. ضمن اینکه این حسگرهای نانو هم اکنون نیز در صنایع پزشکی به کار می روند و به آنها بیوچیپس می گویند. این بیوچیپس ها موجب می شوند سرعت تحقیق بر روی داروها افزایش یافته و پاسخی که از انجام آزمایش های خون به دست می آید، بسیار دقیق تر و سریع تر از روش های فعلی باشد. باید به این نکته هم توجه داشت از آنجایی که ذرات نانو به اندازه ویروس ها هستند، می توانند به راحتی به درون سلول های زیستی رخنه کرده و احتمالاً اثرات مخربی هم به دنبال داشته باشند.
آزمایش هایی که در این زمینه انجام شده است، بیانگر این است که موش هایی که در مجاورت مقادیر زیادی از نانوکربن قرار گرفته اند، به صدمات شدید ریوی دچار شده اند. بنابراین در این مورد که ذرات نانو از رنگ های پوششی یا دیگر مواد استفاده شده از آن جدا شده و خود موجب آلودگی شوند، نگرانی هایی وجود دارد. در این مورد می توان گفت مثلاً زمانی که نوعی الیاف به نام«Azbest» تولید شد، به آن الیاف معجزه گر می گفتند، در حالی که امروزه این الیاف به عنوان الیاف خطرناک مطرح شده است و بسیاری از کشورها استفاده از آن را ممنوع کرده اند. معمولاً ایمنی یک ماده تحت تاثیر آرایش شیمیایی آن است. در حالی که مواد نانو اغلب با تغییر اندازه، تغییر می کنند.
برای مثال محققان اعلام کرده اند ذرات نانو که در اثر تنفس وارد ریه می شوند، خطرناک تر از موادی هستند که اندازه شان بزرگ تر است. ضمن اینکه این تفاوت در میزان سمی بودن سطح نانو هم اتفاق می افتد. یعنی درجه سمی بودن می تواند از یک نانومتر شروع شده و تا دو هزار نانومتر افزایش یابد.
البته جنبه مثبت در این مورد هم قابل بررسی است، زیرا محققان دریافته اند که اگر ذرات نانو تجمعی به اندازه ۵/۱ میلیون داشته باشند، این توانایی را دارند تا باکتری هایی به نام «Escherichia» را از بین ببرند و به طور کلی نانوکریستال های فولورین (نوعی کربن خاص) آنتی بیوتیک های مفید و قدرتمندی هستند.
مقام های دولتی، صنایع، انجمن های علمی در سراسر جهان همگی با نگاهی کنجکاوانه به نانوتکنولوژی نگاه می کنند و البته نقطه نظرات مختلفی هم دارند.
انجمن سلطنتی مهندسان حرفه ای بریتانیا که طی بیش از یک سال و تحقیقات مفصلی در زمینه شناخت و کاربرد نانو داشته اند، معتقدند که با طبقه بندی کردن این مواد در گروه موادشیمیایی جدید، می توان استفاده های مفید و موثری از آنها داشت. حال آنکه گروه های دیگری از محققان این نظر را دارند که باید تا قبل از تدوین استانداردهای لازم، شناخت کامل و مفصلی از ذرات نانو به ویژه نانوروبات ها به دست آورد زیرا به هر ترتیب این نانوروبات ها راه را برای توسعه بیشتر نانو و افزایش کاربردهای آن باز کرده است.

[ جرج گراهام ]
مترجم : علیرضا سزاوار

منبع : بنیاد آینده نگر ایران