آیا نانوتکنولوژی تنها کوچک شده میکروتکنولوژی است؟

سالها تصور می‌شد كه تنها راه رسیدن به وسائل خیلی كوچك، كوچكتر كردن ابزار است: یك مسیر بالا به پایین (Top-Down). در این مسیر، میزان كوچك‌سازی، معیار پیشرفت قرار می‌گرفت. اما چقدر می‌توانیم ترانزیستور را كوچكتر تولید كنیم؟ چقدر موتور را می‌توانیم كوچكتر تولید كنیم؟ تا چه اندازه یك خط روی سطح كریستال ، می‌تواند نازك كشیده شود؟فرایند كوچك‌سازی(مینیاتورسازی) روی ابعاد اشیاء متمركز است و دامنه صنعت را از ساعت‌سازی تا تولید قطعات میكروالكترونیك گسترش داده است. محققان مركز تحقیقاتی AT&T Bell در دانشگاه كالیفرنیا و دیگر مراكز تحقیقاتی آمریكا، آلمان و ژاپن، از فرایند تولید میكرودستگاه (Micromachining) برای تولید چرخ‌دنده‌ و حتی موتورهای الكتریكی بسیار كوچك استفاده كرده‌اند؛ البته این میكرودنده‌ها و میكروموتورها در استاندارد نانو بسیار عظیم‌الجثه می‌باشند. یك وسیله چند ده میكرومتری میلیاردها برابر حجم یك نانوموتور یا نانودنده را دارد. بنابراین، اشتباه گرفتن میكروتكنولوژی با نانوتكنولوژی مولكولی مانند اشتباه گرفتن یك كفشدوزك با فیل است.می‌دانیم كه مفهوم میكروتكنولوژی مفهوم آشنایی است. زیرا هزاران میلیون تراشه كامپیوتر ترانزیستوری در خانه های ما یافت می‌شود، اما دیگر میكروتكنولوژی از دامنه علم الكترونیك فراتر رفته و با معرفی سیستم‌های میكروالكترومكانیك (MEMA) وكاربردهای بیولوژیك ، وارد دامنه گسترده‌تری از فناوری شده است. در ابعاد میكرو، اینرسی مواد به شدت كاهش می‌یابد و تلاطم، انتقال گرما و اندازه حركت، ناچیز و قابل صرف‌نظر كردن می‌شود.میكروساختارها با تكنیك های بالا به پایین شكل می‌گیرند از قبیل: نمونه‌برداری، لیتوگرافی برای تعیین الگو روی سطح، رسوبگذاری برای اضافه كردن مواد، حك كردن برای برداشتن مواد و در نهایت ایجاد ساختاری پیچیده. در این روش، نقطه آغاز ماكروسكوپی است و ماده در طول فرایند با روشهای فیزیكی اضافه یا كم می‌شود تا آنكه ساختار مطلوب شكل گیرد. بهترین مثال مدار‌های مجتمع IC می‌باشند كه در فرایند تولید آنها، نقطه آغاز یك قرص كامل سیلیكون می باشد و مدار با اچ كردن (Etching) قسمتهایی كه ناخواسته هستند، تولید می‌شود.رفتار مواد نانو بطور بنیادی نسبت به ابعاد ماكرو و میكرو متفاوت است. در این مواد فیزیك و شیمی جدید وارد بازی شده‌اند. تعریف رسمی نانوتكنولوژی عبارتست از: كنترل دقیق ماده در سطح اتمی و مولكولی. كاربرد عملی این تكنولوژی با یك مثال ساده توضیح داده می‌شود: یك تكه زغال و یك تكه الماس را در نظر بگیرید. هر دو از یك ماده ساخته شده‌اند (اتمهای كربن‌) اما ترتیب قرارگیری اتمها، تعیین می‌كند كه یكی به عنوان منبع انرژی ارزان به كار رود و دیگری در حلقه نامزدی استفاده شود! قبل از آمدن نانو تكنولوژی، انسان باید به موادی كه مادر طبیعت در اختیارش قرار می‌داد، كفایت می‌كرد. اما امروزه با ظهور نانوتكنولوژی، امكان دستكاری كردن اتمها (واحدهای اصلی دنیای مادی) و تولید مواد، ابزار و ساختارهایی كاملاً جدید وجود دارد. نانو ذرات هم با مولكولها فرق دارند و هم با اجسام حجیم . بهترین توصیف آن است كه بگوییم مواد در ابعاد نانو، از تعداد بسیار زیادی (بیش از یك مولكول ساده) تشكیل شده‌‌اند اما قابل شمارش اتم ( برای مثال جعبه ای از ۱۰۰ اتم روی ضلعی شامل ۱ میلیون اتم) است. پیشوند نانو از كلمه‌ای یونانی به معنی "كوتوله" گرفته شده است و بیانگر یك میلیاردم یك متر است. برای تصور بهتر، مقایسه زیر را در نظر بگیرید:اگر در دایره‌المعارف بریتانیكا، طول هر حرف ده نانومتر باشد، كل ۳۰۰۰۰ صفحه كتاب در خط سفید پایان این جمله قرار می‌گرفت. در مواد نانو، تركیب و ساختار به همراه ابعاد، خواص مواد را تعیین می كنند.بررسی خواص مواد جدید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است زیرا وقتی ابعاد مواد به كمتر از ۱۰۰ نانومتر كاهش یابد، فیزیك كوانتوم غالب می‌شود و مواد، خواص كاملاً جدیدی از خود نشان می‌دهند؛ مثلاً، محكمتر، سبكتر و مغناطیسی‌تر می‌شوند و دیگر آنكه خواص نوری یا رسانایی بهتری پیدا می‌كنند. حداقل دو عامل، تغییر عمده خواص نانو نسبت به میكرو را كنترل می‌كنند. اولین عامل آن است كه ابعاد نانو به معیار های تحریك تابع موج(كوانتوم) مشخصه در ماده ]الكترون ها، حفره‌ها، فوتون ها، موج های اسپین، و مگنونها (magnons) [نزدیك هستند. این عامل در دامنه فیزیك كوانتوم قرار دارد. دومین عامل، نسبت سطح به حجم بالای این ساختارهاست و به آن معناست كه هیچ اتمی از سطح خیلی دور نمی‌شود و نیروهای بین اتمی و پیوند های شیمیایی بر آنها غالب هستند و این ویژگی مهم، یعنی سطح زیاد و فصل مشترك منحصربفرد و برهمكنش‌های قوی در سطوح نانوساختارها، اساس بسیاری از تحقیقات شگفت‌آور در حیطه نانوبیوتكنولوژی را تشكیل می‌دهد. اطلاعات ذخیره شده در ژنوم (مجموعه DNA درون هسته هر سلول) نمونه‌هایی از خواص ابعاد نانو می‌باشند كه نیرو های سطحی در آن نقش عمده‌ای بازی می‌كنند.ویژگی‌های منحصر بفرد مواد نانو، باعث به وجود آمدن امیدهای فراوان در صنعت مواد غذایی شده است. از پلاستیك‌هایی كه محكم‌تر، سبك‌تر و انعطاف‌پذیرتر هستند گرفته تا موادی كه تحت شرایط داخلی و خارجی تغییر رنگ می‌دهند، همگی در قلمرو تكنولوژی آینده قرار گرفته‌اند. محققان در حال مطالعه روی موادی هستند كه می‌توانند خود را تعمیر كنند (مانند پوست انسان كه بعد از بریدگی خود را تعمیر می‌كند)، همچنین بررسی دستگاه‌های بسیار كوچك و پیچیده‌ای كه می‌توانند هر سلول را در بدن انسان شناسایی كرده و دارو یا مواد مغذی لازم را مستقیماً به درون آن تزریق كنند، همچنان ادامه دارد. جدا از مشخصات منحصربفرد مواد نانو، روند تولید در نانوتكنولوژی نیز متفاوت از میكروتكنولوژی است؛ تشكیل نانو ساختارها، مستلزم مونتاژ از پایین به بالا (Bottom-Up) است . خود‌مونتاژی نمونه‌ای از این روش است. خود‌مونتاژی، فرایندی است كه ساختارها در آن از واحد های اتمی یا مولكولی به ساختارهای بسیار پیچیده و بزرگتر تبدیل می شوند و در سیستم های بیولوژیك مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما نانوتكنولوژی به روش پایین به بالا، در خودمونتاژی خلاصه نمی‌شود. روش دیگر كمتر توسعه یافته، استفاده از میكروسكوپهای ردیاب پویشی (Scanning) برای قرار دادن مولكولهای فعال در مكان دلخواه روی سطح است. با پیشرفت علم، می‌توان امیدوار بود كه تركیبی از تكنیك‌های بالا به پایین (لیتوگرافی) و پایین به بالا (شامل خود مونتاژی) برای تولید سیستم‌های نانو ابعاد به كار رود. البته تفاوت‌های بین نانو و میكرو بسیار عمیقتر هستند. میكروتكنولوژی، اتمهای روی سطح را برداشته و دوباره آنها را درون جسم قرار می‌دهد، بدون در نظر گرفتن آنكه كدام اتم كجا می رود. این روش خام و ابتدایی است. اما در مقابل، نانوتكنولوژی مولكولی مكان هر اتم را با دقت تعیین می‌كند. به گفته بیل دگرادو(Bill DeGrado) متخصص شیمی پروتئین‌ها: " سالها افراد بر روی كوچك و كوچكتر كردن اشیاء كار كرده‌اند تا آنكه نهایتاً به ابعاد مولكولی رسیدند و در این نقطه، دیگر كسی نمی‌تواند اشیاء كوچكتر بسازد مگر آنكه از سطح مولكولها شروع كند و آنها را روی هم سوار كند." تفاوتها بنیادی است: در میكروتكنولوژی، رقابت بر سر كوچكتر ساختن و در نانوتكنولوژی، رقابت بر سر بزرگتر ساختن است.یك هشدار: در سالهای اخیر، نانوتكنولوژی به معنی "میكروتكنولوژی خیلی كوچك" نیز به‌‌كار رفته است؛ این نوع استفاده از لغتی جدید برای توسعه یك تكنولوژی قدیمی با توجه به كاربرد گسترده امروزی این لغت، بسیار گیج‌كننده است. آیا نانوتكنولوژی نتیجه میكروتكنولوژی است؟آیا بولدوزر می‌تواند در ساخت ساعت‌مچی به‌كار رود؟ بولدوزر می‌تواند در ساخت كارخانه‌هایی كه ساعت تولید می‌كنند، استفاده شود. اگرچه این موضوع می‌تواند تعجب‌آور باشد، اما رابطه میكروتكنولوژی با نانوتكنولوژی مولكولی نیز به همین ترتیب است، البته با توجه به این موضوع كه روش پایین به بالا برای رسیدن به اهداف مهندسی در ابعاد مولكولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. حرف آخر : همه چیز هایی كه نانو نام دارند واقعاً در ابعاد نانو نیستند، نانو ماهواره‌ها مثال خوبی برای این موضوع هستند. اندازه نانو ماهواره ها چندین سانتیمتر است و نامگذاری آنها صرفاً به دلیل اشاره به ماهواره‌هایی است كه از سیستم‌های ماهواره‌ای امروزی بسیار كوچكتر هستند. میكرو‌ماهواره‌ها‌، ماهواره‌هایی هستند با جرمی بین ۱۰ تا۱۰۰ كیلو گرم . اخیراً ماهواره‌هایی با جرم بین ۱ و۱۰ كیلو‌گرم، نانو ماهواره و با جرم بین ۱/۰ و ۱ كیلو گرم، پیكو ماهواره نام گرفته اند. حتی ماهواره‌های كوچكتر با جرم ۱۰ تا ۱۰۰ گرم نیز ، فمتو ماهواره نامیده شده اند. اولین ماهواره ای كه در سال ۱۹۵۴ پرتاب شد(SPUTNIK-۱) تنها ۶/۸۳ كیلوگرم وزن داشت. امروزه ماهواره‌هایی بزرگتر با توان فضاپیمایی بیشتر و سرعت تبادل اطلاعات بالاتر ساخته شده‌اند، اما پیشرفت تكنولوژی به جایی رسیده است كه می‌توان نانو‌ماهواره‌ها یا حتی پیكو‌ماهواره‌هایی ساخت كه عملیات‌های پیچیده علمی، ارتباطی و همچنین مشاهده و بررسی زمین را به خوبی انجام دهند.
مراجع:
سایت Azonano.com
سایت nap.edu
كتاب " نامحدود كردن آینده: انقلاب نانوتكنولوژی" نوشته اریك دركسلر، كریس پترسون و گایل پرگامیت، سال ۱۹۹۱
شیوا اسلامی

منبع : مجله گسترش صنعت