نانوتکنولوژی

احتمالاً کلمه نانوتکنولوژی را از رسانه ها شندیده اید اما بیایید با هم قدری دقیق تر وارد این واژه شویم .فناوری اندازه های در حدود نانومتر است که شامل تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی و مولکولی و ابر مولکولی در محدوده ای بین ۱ تا ۱۰۰۰ نانومتر می شود و اگه باز هم بخواهیم واژه را دقیق تر معنا کنیم باید بدانیم نانو پیشوندی است که قبل از هر کلمه ای قرار گیرد ، ابعاد آن را۱۰۹ بار کوچکتر می کند . یعنی هر نانومتر ۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱/۰ متر است . البته هدف نانوتکنولوژی ساخت همه نوع وسیله در ابعاد نانومتری نیست مسلماً استفاده از یک عینک و یا اتومبیل در ابعاد نانومتری کار بسیار دشواری است .
هدف نانوتکنولوژی
هدف نانوتکنولوژی ، دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتم ها و یا مولکول ها و استفاده از مواد و سیستم هایی با تواناییهای جدید و کارهای تازه است که اینها همه نتیجه نتیجه ابعاد کوچک آنها می باشد.برای مثال تصور کنید که برای انجام یک عمل جراحی شما جراح خود را ببلعید ! این ماشین کوچک جراحی وارد بدن شما می شود و عملیات لازم را انجام می دهد و در هر مرحله تصاویر را به بیرون مخابره می کند . یک جراحی کامل بدون هیچ برش و کار اضافی ! یا مثلاً داروهایی را تصور کنید که دقیقاً اتم به اتم مطابق نیاز بدن طراحی شده اند و می دانند به کجای بدن اثر کنند و کدام سلولها را مداوا کنند .
" ما آینده را اتم به اتم می سازیم "
این شعار جالب نانوتکنولوژی است .
وسایل مکانیکی که بشر می سازد به او این امکان را می دهد که کارهایی فراتر از حد توانایی فیزیکی اش انجام دهد ، مثلاً پیمودن مسافت ۱۰۰ کیلومتر در یک ساعت ! اتومبیل ... علم نانویی و تولید در مقیاس نانو هم این توانایط را به ما می دهد که بتوانیم پا فراتر از محدودیتهای اندازه ای که به طور طبیعی حاکم است بگذاریم و درست روی واحدهایی ساختاری مواد کار کنیم ، جایی که خاصیت مواد مشخص می شود و با تغییر در آنها می توان خواص مواد را کاملاً قابل کنترل تغییر داد .
قدمت نانوتکنولوژی
قدمت نانوتکنولوژی و کاربرد آن در طبیعت به ابتدای خلقت حیات باز می گردد . اولین شیوه حیات ، موجودات تک سلولی ... اگر دقیق تر وارد شویم مولکولهای RNA , DNA و ژنها ! مولکولهایی هستند که اطلاعات بنیادین ساختار حیات آن موجود زنده را به طور کامل شامل می شوند . تمام اطلاعات و کدهای لازم برای تولید موجودی مشابه خود . ماشین بسیار ریزی داریم که بلد است مشابه خود تولید کند ، که در علم نانو به یک " نانو اسمبلر " تعبیر می شود . اما از زمانی که انسانها به تولید مواد نانوساختاری و کاربرد آنها در زمینه های مختلف ابراز علاقه نمودند بیش از دو دهه نمی - گذرد و انتشار مقالات در این موضوع نسبتاً جدید است .
" آن پایین فضای زیادی است "
این عنوان نخستین سخنرانی بود که موضوع نانوتکنولوژی در آن مطرح شد و ارائه دهنده آن یکی از نوابغ عالم فیزیک و برنده جایزه نوبل فیزیک ریچارد فاینمن در ۱۹ دسامبر ۱۹۵۹ در سمینار انجمن فیزیک امریکا بود . او در این سخنرانی به بررسی شاخه ای از علم پرداخت که تا آن روز کار اندکی در آن زمینه انجام گرفته- بود ولی او امیدوار بود که بتوان کارهای بیشتری انجام داد . وی در آن زمان اظهار داشت "تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم ، اصول فیزیک بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زنند . " او فرض را بر این قرارداد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاسهای کوچک بسازند ، پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر کنیم . در واقع آنها به مرزهای حقیقی شان در لبه های نا معلوم کوانتوم نزدیک می شوند و فقط هنگامی این کوچک شدن متوقف می شود که خود اتم ها تا حد زیادی ناپایدار شده و یا غیر قابل فهم گردند . فاینمن فرض کرد که وقتی زبان یا سبک خاص اتم ها کشف شوند ، طراحی دقیق مولکولها امکان پذیر خواهد بود ، به طوری که یک اتم را در مقابل اتم دیگر به نوعی قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم .
صنایع بزرگ یا کوچک ؟
در بحبوحهٔ سالهای صنعتی کلمهٔ بزرگ از اهمیت ویژه ای برخوردار بود . مثل علوم بزرگ ، پروژه های مهندسی بزرگ و ... حتی کامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال می کردند . ولی از وقتی فاینمن نظرات و منطق خود را بازگو کرد ، جهان صنعت روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت .
دو جایزه ۱۰۰۰ دلاری !
فاینمن در پایان سخنرانی مفصل خود پس از شمردن مزایای رفتن به ابعاد کوچکتر ، رقابتهایی برای پیشبرد این علم در سطح جامعه علمی مطرح کرد . در جهت جنبهٔ تفریحی رقابتهایی در سطح دبیرستانی پیشنهاد کرد . وی عنوان کرد : " دبیرستان " لس آنجلس " می تواند سنجاقی برای دبیرستان " ونس " بفرستد که روی آن نوشته : " هوا چطور است ؟ " و آنها سنجاق را برگردانند در حالیکه روی آن در قسمت سوزنی آن نوشته : " بد نیست " . وی همچنین دو جایزه ۱۰۰۰ دلاری در نظر گرفت . اولی برای کسی که بتواند اطلاعات را از روی صفحه کتاب بردارد و روی یک بیست و پنج هزارم مساحت کوچکتر در مقیاس خطی قرار دهد ، بطوریکه توسط میکروسکوپ الکترونی خوانده شود و جایزه دوم برای کسی که اولین موتور الکتریکی چرخشی را در ابعاد یک شصت و چهارم اینچ مربع بسازد و البته چند ماهی نگذشت که فردی جایزه دوم را از فاینمن دریافت کرد !
ابداع کلمه نانوتکنولوژی
، برای اولین بار کلمه نانوتکنولوژی توسط یک محقق ژاپنی به نام نوبوهیکو تانی گوچی در سال ۱۹۷۴ ابداع شد . بسیاری از ایده های ارائه شده در سخنرانی فاینمن از قبیل تهیه رونوشت الکترونیکی از کتابها ، تولید میکروسکوپهای الکترونی بسیار قوی و یا ساخت کامپیوترهای فوق العاده کوچک اکنون تا حد زیادی بوقوع پیوسته است . لیکن موارد دیگری مثل الگو برداری از روی موجودات زنده هنوز تا رسیدن به راهکارهای علمی راه طولانی در پیش دارند .
ساخت قفس های مولکولی ۶۰C
یکی از موفقیتهای دانشمندان در زمینه نانوتکنولوژی است . در سال ۱۹۸۵ ریچارد اسمالی ( برنده نوبل شیمی ۱۹۹۶ ) توانست به شکل دهی جدیدی از اتمهای کربن به شکل قفس های مولکولی حاوی ۶۰ اتم کربن دست یابد . در سال ۱۹۹۱ اولین نانوتیوب کربنی ( نانو لوله ای که دیوارهای آن از اتمهای کربن است ) با استحکام خارق العاده و خواص الکتریکی جالب توسط سومسیو - ایجمیا ساخته شد . دو سال بعد نخستین آزمایشگاه نانوتکنولوژی در دانشگاه رایس راه اندازی گردید . در سال ۱۹۹۹ اولین سوئیچ الکترونیکی تک مولکولی در دانشگاه ییل ابداع شد . از آن پس تحقیقات گسترده ای در رابطه با طراحی و ساخت مواد نانو ساختاری برای کاربردهای مختلف در زمینه های جداسازی ، داروئی ، شیمیایی ، بیوتکنولوژی ، محیط زیست ، انرژی ، الکترونیک و حتی ساخت موتورهای الکتریکی مینیاتوری انجام گرفته است . یکی از نویدهای نانوتکنولوژی است . در واقع پیشگامان نانوتکنولوژی بر این باورند که این فن آوری توانایی لازم برای کاهش مشکلات زیست محیطی را از طریق شناخت و کنترل بهینه آلاینده ها داراست . علاوه بر این استفاده از نانوتکنولوژی همراه با توسعه فن آوریهای جدید سبز است که منجر به حذف بخش اعظمی از محصولات جانبی ناخواسته می شود به طور مثال با کنترل دقیق فرآیند تولید ، محصول مورد نظر را به طور خالص تولید می کنیم .دقت
یکی دیگر از مزیتهای ماشینهای مولکولی است . دقت به این معنی است که برای هر اتم جایی وجود دارد و هر اتم در جایگاه خودش است . ما از ماشینهای دقیق برای تولید محصولات با دقت مساوی استفاده خواهیم کرد . فن آوری تا به حال هرگز چنین کنترل دقیقی نداشته است . و همه فن آوریهای کنونی ما ، فن آوریهای بزرگ هستند . امروزه ما تکه یا توده ای از چیزی را انتخاب می کنیم . به آن چیزهایی اضافه کرده و یا تکه هایی کم می کنیم و در نهایت وسیله مورد نظرمان را با این اعمال ایجاد می کنیم . در واقع ما وسایلمان را از سر هم کردن قسمتهای مختلف تولید می کنیم بدون آنکه نسبت به ساختمان مولکولی آنها توجهی داشته باشیم . در گذشته ساخت با دقت اتمی تنها در محصولات کریستالها یا موجودات زنده مانند ریبوزومها که پروتئین مورد نیاز موجود زنده را فراهم می کنند و یا DNA که اطلاعات مورد نیاز برای موجودات زنده را حمل می کند ، دیده شده است . ما در جریان پیشرفت نانوتکنولوژی روندی به سوی دستیابی به درجه ای از کنترل سیستم ها که قبلاً تنها در طبیعت موجود بوده ، در پیش رو داریم . بهتر است در ابتدا مطالبی راجع به ابعاد و مقیاس نانویی بگوییم . از مثالی که ریچارد فایمن در سخنرانی خود استفاده کرد ، شروع می -کنیم . در واقع با این مثال می خواهیم تفاوت ابعاد و اندازه های نانویی را با اندازه های خیلی کوچکی که تکنولوژی آنها هم اکنون در دسترس است ، مقایسه ای بکنیم . فاینمن با این سوال شروع کرد : " چرا نمی توانیم ۲۹ جلد دایره المعارف بریتانیکا را به سر یک سوزن بنویسیم ؟ " و ادامه داد " قطر ته سوزن ۱/۱۶ اینچ است . اگر آن را ۲۵ هزار بار بزرگ کنیم سطح آن با کل سطح صفحات دائره المعارف یکی می شود . پس کافی است همه نوشته ها را ۲۵ هزار با کوچک کنیم . و آنچه مهم است اینکه چطور ما کوچک بنویسیم؟ و روشهایی برای این کار پیشنهاد کرد : اولین روش بکار بردن عدسی میکروسکوپ الکترونی بصورت وارونه است تا با همان قدرت بزرگ کردن به طور برعکس در کوچک کردن آنها کاربرد داشته باشد . روش دوم اینکه پرده ای با سوراخهای بسیار ریز به شکل حروفها بسازیم و با ایجاد جرقه در پشت سوراخها روی صفحه فلزی پشت آن بنویسیم و نهایتاً او این سوال را مطرح کرد که اگر تمام کتابهای جهان را به همین ترتیب به روی فلز بنویسیم ، اندازه آن چقدر می شود ؟ به نظر او با یک حساب سرانگشتی حدود ۲۴ میلیون جلد کتاب وجود دارد یعنی یک میلیون برابر سطحی که ۲۴ جلد دایره المعارف اشغال کرده است و با این روش کوچک سازی به سطحی معادل ۳ یارد مربع یا حدود ۳۵ صفحه کتاب می رسیم که تقریباً نصف یک مجله است یعنی به این ترتیب شما همه اطلاعاتی را که انسانها ثبت کرده اند بصورت یک جزوه در اختیار دارید . اما حالا مساله را به نوعی دیگر در نظر بگیرید ، فرض کنید بجای چاپ مستقیم تصاویر و اطلاعات ، حروف را به صورت کدی از نقطه ها و خطوط نمایش دهیم در اینصورت می توان هر حرف را با ۶ یا ۷ نقطه یا خط بیان کرد . حالا بجای آنکه همانند قبل هر چیزی را بنویسیم ، از مواد درونی خود سوزن استفاده می کنیم . هر نقطه را با ذره کوچکی از ماده نمایش می دهیم و هر خط را با دو ذره مجاور یکدیگر ماده و به همین ترتیب ادمه می دهیم . پیرو یک سنت قدیمی هر قسمت از اطلاعات به یک مکعب کوچک ۵ × ۵ × ۵ یا ۱۲۵ اتمی احتیاج دارد . شاید ما به صد و چند اتم منفرد احتیاج داریم تا در مرحله انتشار یا هر مرحله دیگر مطمئن شویم که اطلاعاتی از بین نرفته است . با یک تخمین در مورد ۲۴ میلیون جلد کتاب فاینمن بیان کرد که خانه های اطلاعاتی موجود ۱۰ به توان ۱۵ است . در هر قسمت ۱۰۰ اتم مجاز است و به این ترتیب به این نتیجه می رسیم که همه اطلاعاتی که انسان در تمام کتابهای جهان گرد آوری کرده ، با این فرم بصورت مکعبی با ضلع دو هزارم اینچ قرار می گیرد که همان آشکار ترین گرده خاکی است که می توان با چشم دید ! خوب ! نظرتان چیست ؟ ۳۵ صفحه کتاب یا یک ذره گرد و خاک ! می توانید تصور کنید که اگر اطلاعات اینگونه نگهداری بشوند چه کیفی برای بردن کتابهایتان به مدرسه احتیاج دارید ! مواظب باشید کل اطلاعات بشریت را گم نکنید ! اما فقط فضای زیاد و حجمهای بالا نبود که دانشمندان را به سمت تکنولوژی اندازه های نانو سوق داد . مفاهیم دیگری هم در این فناوری مطرح شد که امیدهای زیادی به دانشمندان می داد تا دنیا را دقیق تر در کنترل بگیرند ! نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر ، دو مفهوم جدیدی هستند که در علم نانویی مطرح می شوند نانو کامپیوتر همان طور که از اسمش پیدا است ماشینی مولکولی است که قادر است با انجام یک سری اعمال و ادارهٔ آنها ، نتیجه ای تولید نماید . در عمل این وسیله تا حدی با میکرو کامپیوترهای امروزی متفاوت است چرا که برای جلوگیری از اثرات کوانتومی الکترونها ، نانو - کامپیوترها اساس مکانیکی شبیه به کامپیوترهای اولیه یا ماشینهای جمع کننده ( Adding Machine ( دارند ، البته این ماشین جمع کنندهٔ ما که ابعاد نانویی دارد میلیونها بار کوچکتر و سریعتر از میکرو کامپیوترهای امروزی است ! دانشمندان در تلاش برای ساختن چنین کامپیوترهایی هستند تا بوسیله آنها ساخت نانو اسمبلر هم فراهم شود . " نانو اسمبلر ماشینی است که بتواند خودش را کپی کند ! " نانو اسمبلر وسیله ای است که می تواند اتمها را به شکلهای مورد نظر ، دقیقاً آرایش و نظم دهی کند . امروزه کارکردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی گران قیمت AFM نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتمها به سمت جایگاهشان استفاده می کند ولی نانو اسمبلر می تواند به سادگی اتمها را از جایگاهشان خارج کند و همانند یک دستگاه بافندگی در محل مورد نظر بهم پیوند دهد . همان کاری که ریبوزومها در بدن ما انجام می دهند ! DNA را به صورت RNA کپی می کنند و سپس آمینو اسید صحیح را جهت ساخت پروتئین ها جمع آوری می – کنند . پس بدن ما پر است از نانو اسمبلر ! تولید نانو اسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانو تکنولوژی است وقتی یک نانو اسمبلر کامل در دسترس باشد تقریباً همه چیز ممکن می شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته دانشمندان نانو تکنولوژی است . کدام ساده تر است ، تهیه کپی از ماشین یا تهیه ماشینی که خودش را کپی کند ؟ در مقیاس ماکرو مولکولی ساختن یک کپی خیلی ساده تر از ساختن ماشینی است که بتواند خودش را کپی کند اما در تراز مولکولی این مساله بر - عکس است یعنی ساختن ماشینی که بتواند خود را کپی کند کار را برای ما بارها ساده تر از ساختن ماشین دیگر می کند . ماشین تکرار شونده ، مزیت یا آفت ؟ مزیت بزرگی است که با یک اسمبلر بتوانیم هر چقدر که بخواهیم ماشین ایجاد کنیم . اما اگر این نانو اسمبلر بصورت عمدی یا تصادفی در محیط آزاد شود ، تنها با داشتن برنامه تکثیر در عرض مدتی کمتر از ۷۲ ساعت تمام سطح سیاره یعنی گیاهان، حیوانات، سنگها و صخره ها از نانیت ها ( ماده لزج و خاکستری رنگ چسبناک “gray goo” ) پوشیده خواهد شد . اما زیاد نگران نباشید چون درکسلر Drexler که یکی از دانشمندان مشهور نانو تکنولوژی است ، این موضوع را فرضیه ای بیش نمی داند و مزایای تولید این ماشینها را بسیار بیشتر از معایب آنها می داند . از دیدگاه او چنین فاجعه ای امکان وقوع ندارد .
* چوبی کامل با شکل و خاصیت دلخواه ما ! در صورت پیدایش این ماشینها با جابجایی اتم ها مطابق یک برنامه برنامه ریزی دقیق می توان یک مولکول از نوع ساختمان چوب را تهیه کرد و سپس آن را در فرآیند خود تکثیری ، به صورت چوبی کامل با شکل و خاصیت مورد نظرمان ( مقاومت ، ابعاد و حتی بوی مخصوص ) تولید کرد . مثلاً این چوب می تواند به حدی مقاوم ساخته شود که از فولاد نیز مستحکمتر باشد . در صورت تحقق این روش دیگر نیازی به کارگر چوب بری ، نجار و مبل ساز نخواهیم داشت !
* فرش جاده ها ! با استفاده از نانو اسمبلر بشر قادر خواهد بود فرضاً در سطح مولکولی نانیتهایی تولید کند بصورت یک لایه نازک سلولهای خورشیدی ، که قادر هستند انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل کنند و جاده های کشور را با این لایه فرش کند و با یک مقاومتر مانند الماس ( که آن هم به کمک نانو اسمبلرها ساخته می شود ) پوشش دهد . در چنین حالتی این جاده ها ، توانایی تولید انرژی چند برابر مصرف جهانی را دارند ! می بینید امکاناتی که نانو تکنولوژی به ما می دهد باور کردنی نیست ! اما حقیقت دارد همه ما آرزوی چنین روزهایی را داریم که دستگاههایی ساخته شود که از یک سو اتمها را با طراحی تعیین شده وارد کنیم و از سوی دیگر هر نوع جسم ، کالا یا ماده ای که دستگاه برای آن برنامه ریزی شده را تحویل بگیریم .

منبع : سایر منابع