نقش وزارت انرژی (DOE) در NNI

افزایش سهم وزارت انرژی در NNI نسبت به سال مالی ۲۰۰۰، معادل ۳۶ میلیون‌دلار (۶۲%) بوده‌است. DOE نقشی حیرت‌انگیز در تحقیقات و تسهیلات علمی دارد. قابلیتهای تحقیقاتی آن در به تصویركشیدن، طرّاحی و كنترل دنیای نانو – فاصلهٔ اتمها و مولكولها تا مواد انبوه- این وزارت را در جهان بی‌همتا ساخته‌است.
DOE درحال حاضر در این رشته دامنهٔ گسترده‌ا‌ی از تحقیقات را به انجام رسانده‌است؛ مثلا"خواص بهبودیافتهٔ نانوبلورها برای كاتالیستهای جدید، تابش وانتشار توأم نور ، نانوكامپوزیتها و ابرخازنها، همگی در این وزارتخانه بررسی شده‌است. نانوبلورها و ساختارهای لایه‌ا‌ی، فرصتهای بی‌همتایی را برای تلفیق خواص نوری، مغناطیسی، الكترومكانیكی و شیمیایی مواد، فراهم ساخته‌است؛ و محققین DOE ساختارهای لایه‌ا‌ی مصنوعی را برای مصارف الكترونیك، مغناطیسهای جدید و سطوح با سختی بالا، ایجاد كرده‌اند.
پروژه‌های به اتمام‌رسیدهٔ DOE عبارتند از :
۱. افزایش نانوذرات اكسید آلومینیوم به آلومینیوم فلزی، كه باعث تولید ماده‌ا‌ی با مقاومت فرسایش بهترین نوع فولاد یاتاقانی شده‌است.
۲. خواص نوری جدید نانوبلورهای نیمه‌رسانا، به‌منظور برچسب‌گذاری و رهگیری فرآیندهای مولكولی در سلولهای زنده.
۳. مواد لایه‌ا‌ی نانومتری كه ۴ برابر مغناطیس‌های دائمی مرسوم، كارآیی دارند.
۴. ساختمانهای چاه كوانتومی لایه‌ا‌ی برای تولید منابع نوری و سلولهای فتوولتایی بسیار كارا و كم‌مصرف.
۵. تأییدشدن خواص شیمیایی نانوبلورها به عنوان فتوكاتالیست‌ها برای شكستن سریعتر مولكولهای سمی پساب‌ها.
۶. میزبانهای معدنی نیمه‌متخلخل با تك‌لایه‌های آلی خود چیدمان، برای به دام‌انداختن و حذف فلزات سنگین از محیط زیست.
تلاشهای بزرگ جدید علوم و فنّاوری نانو در DOE، بخشی از برنامهٔ علوم پایهٔ انرژی (BES) است، كه دارای اهداف گستردهٔ زیر است :
۱) فهم علمی اصولی ساختمانها و فعل‌وانفعالات مقیاس نانو، مخصوصا" پدیده‌های گروهی : واضح است كه وقتی اندازهٔ نمونه، اندازهٔ دانه یا اندازهٔ دامنهٔ كار تا مقیاس نانومتر كوچك می‌شود، خواص فیزیكی به شدّت تحت تأثیر قرار می‌گیرند، و ممكن است به‌ نحو هیجان‌انگیزی با خواص متناظر در حالت توده، متفاوت باشند. هم‌اكنون تجربیات كمی در مورد وقایع مقیاس نانو وجود دارد. به همین دلیل، خواص فیزیكی و شیمیایی سیستمهای نانو كاملا" درك نشده‌است؛ و لذا این رشته، یك موضوع جدید با مجموعه‌ا‌ی از اصول فیزیكی، توصیفات تئوری و تكنیكهای تجربی می‌باشـد. یكی از جالب‌تریـن جنبه‌هـای نانومـواد، خواص حاصـل از پدیده‌هـای گروهـی(Collective Phenomena) اسـت –وقایعی كه از برهم‌كنش‌ها و رفتار اجزای مواد حاصل شده، و بنابراین با رفتار اجزای منفردشان بسیار متفاوت است. در بعضی موارد، وقایع گروهی می‌تواند باعث ایجاد پاسخ بزرگی به یك تحریك كوچك شود. این وقایع همچنین هستهٔ اسرار موادی مثل ابررساناهای در دمای بالا (یكی از مسائل اصلی در فیزیك مواد توده‌ای) می‌باشد.
۲) طرّاحی و سنتز مواد در سطح اتمی برای ایجاد خواص و عملكرد مطلوب : این هدف، در قلب علوم و فنّاوری این مقیاس قرار می‌گیرد. در آینده طرّاحی و سنتز مواد در سطح اتمی، تنها با یك ساختار الكترونیك از عناصر صورت خواهدگرفت. خواص این مواد جدید نه‌تنها تابعی از تركیب، بلكه تابعی از شرایط سنتز نیز خواهدبود. شرایط سنتز جدید، ممكن است غیرتعادلی، فشار بالا، میدان مغناطیسی بالا و دانسیتهٔ انرژی بالا باشد؛ یا مدلهای ساخت/نمایش به شدّت موازی بكار رود. حوزهٔ عملكرد این مواد عمل‌كننده، شامل طرّاحی بلوكهای ساختمانی مولكولی، طرّاحی ساختارهای چندجزئی و طرّاحی ماشینهای مولكولی خواهدبود.
۳) فهم بنیادی فرآیندهایی كه به كمك آنها موجودات زنده، مواد و كمپلكس‌های عمل‌كننده را می‌سازند : علوم و فنّاوری نانو، به‌طرز غیرقابل بازگشتی علوم فیزیكی و زیستی را به هم مرتبط كرده‌است. طبیعت، اتمها و مولكولها را به‌نحو دقیقی به صورت اشیایی سه بعدی با پیچیدگی غیرعادی درمی‌آورد، تا خواص نوری، مكانیكی، الكتریكی، كاتالیستی و اصطكاكی لازم را بدست آورد. طبیعت می‌داند چگونه مواد و ساختارها را برای ایجاد ماشینهای در سطح مولكولی، با هم تركیب كند. این ماشینها به صورت پمپ (اشیای متحرّك)، حركت‌دهندهٔ مولكولها و حتّی سلولها، تنظیم‌كنندهٔ فرآیندها و حتّی تولیدكننده و تبدیل‌كنندهٔ انرژی، عمل می‌كنند. مسألهٔ اصلی در علوم فیزیكی، فهم نحوهٔ ساخت این اشیای مركب و ماشینهای مولكولی است، به‌نحوی كه ما قادر به ساخت ابزارهایی برای طرّاحی و ساخت مواد با كارآیی موردنظر باشیم. (این مواد در طبیعت یافت نشده، ولی با كمك تكنیكهای خودچیدمانی طبیعت، ساخته می‌شوند.) با فهم و بكارگیری این اصول در سیستمهای مصنوعی، ما قادر به پیشرفتهای حیرت‌انگیزی در زمینه‌های گوناگونی هستیم؛ مثل تبدیل انرژی، انتقال، پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات، مواد هوشمند و سازگار، سنسورهایی برای مصارف صنعتی، زیست‌محیطی و دفاعی، كاتالیست‌های جدید، داروهای بهتر و دفع پساب كاراتر.
۴) ارتقای ابزارهای تجربی برای توصیف و ابزارهای تئوری/مدلسازی/شبیه‌سازی : تاریخ علم نشان می‌دهد كه ابزارهای جدید مسبّب انقلابهای علمی بوده‌اند. ابزارهای نو، امكان كشف پدیده‌های بی‌سابقه و بررسی سریعتر و ظریف‌تر پدیده‌های شناخته‌شده را فراهم می‌كند. برنامهٔ BES در توسعهٔ ابزارهای توصیف‌گر مقیاس نانو، پیشتاز بوده‌است. این ابزارهای جدید، الزاما" شامل بهبود تكنیكهای مرسوم (میكروسكوپی پروب اسكن‌كننده، طیف‌نگارهای حالت یكنواخت و وابسته به زمان و امثال آن) است. با این‌حال توصیفگری(Characterization) به شدّت وابسته به ابزارهای تجربی انقلابی، منجمله تكنیكهایی برای كنترل فعّال رشد، تحلیل به شدّت موازی، و تكنیكهایی برای حجمهای نمونهٔ كوچك است. توانایی‌هایی برای تحریك، منزوی یا فعال‌كردن مولكولهای منفرد برای نشانه‌گیری چندین مولكول به‌طور همزمان و انتقال یا برداشت انرژی از یك مولكول منفرد، لازم خواهدبود. بعلاوه به نسل جدیدی از ابزارهای تئوری و محاسباتی، احتیاج خواهدبود.
وظایف عمدهٔ DOE در زمینه‌های علوم، انرژی، دفاع و محیط‌زیست به مقدار زیادی از توسعهٔ این چهار هدف، سود خواهدبرد. مثلا" روشهای سنتز و سواركردن نانو، موجب پیشرفتهای قابل ملاحظه‌ا‌ی است در:
· تبدیل انرژی خورشیدی
· روشنایی با مصرف كم
· مواد سبكتر و قویتر –كه كارآیی حمل‌ونقل را بهبود می‌دهند-
· سنجش شیمیایی و زیستی پیشرفته‌تر
· استفاده از مسیرهای شیمیایی كم‌انرژی برای تجزیهٔ مواد سمی در درمان و ترمیم محیط‌زیست
· سنسورها و كنترل‌كننده‌های بهتر برای افزایش راندمان تولید صنعتی.
برای ارتقای نانوتكنولوژی از همهٔ موارد، اعم از محققین جوان، دانشجویان تحصیلات تكمیلی، همكاریهای تحقیقاتی فوق‌دكترا و نیز كارمندان جوان در طرحهای ملی یا دانشگاهی، پشتیبانی می‌شود. این مواد بسیار مختلف و شامل موارد زیر می‌شود:
· طرّاحی مولكولی
· سنتز
· سواركردن (چیدمان)
· مدلسازی مولكولی
· بهبود دستگاهها
· تئوری ومدلسازی
· و مهندسی ابزارآلات و دستگاهها


منبع: http://www.er.doe.gov

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو