پیش درآمدی بر نانوتکنولوژی

پیشوند ”نانو“ در کلمه نانوتکنولوژی به معنی یک میلیاردم عددی معادل ۱۰ ۹ است, می باشد نانوتکنولوژی با ساختارهای متفاوتی از ماده در ابعادی برحسب یک میلیاردم متر سروکار دارد

پیشوند ”نانو“ در کلمه نانوتکنولوژی به معنی یک میلیاردم عددی معادل ۱۰ (-۹) است، می‌باشد. نانوتکنولوژی با ساختارهای متفاوتی از ماده در ابعادی برحسب یک میلیاردم متر سروکار دارد. با وجود این‌که واژه نانوتکنولوژی، واژه‌ای نسبتاً جدید است، وجود وسائل کاربردی و ساختارهائی در ابعاد نانومتر امر جدیدی نیست و در حقیقت این ساختارها از آغاز حیات، روی کره زمین وجود داشته‌اند.

آبالون (abalone) که یک نرم‌تن است، صدف بسیار محکمی را می‌سازد که این صدف سطح داخلی رنگین‌کمانی دارد و آن را به کمک واحدهائی آجرمانند از کربنات کلسیم با ساختار محکم نانو که توسط چسبی ساخته شده از ترکیب کربوهیدرات ـ پروتئین، می‌باشد کنار یکدیگر نگه می‌دارد. شکاف‌هائی که در بیرون قرار دارند، قادر به حرکت در طول صدف نیستند زیرا آجرها با ساختار نانو از حرکت جلوگیری می‌کنند. این صدف یک برهان طبیعی را نشان می‌دهد که ثابت می‌کند که یک ساختار تشکیل شده از ذرات نانو، می‌توانند خیلی مستحکم‌تر باشد.

به‌درستی مشخص نیست که انسان در چه زمانی بهره‌گیری از مواد در اندازه‌ نانو را آغاز کرد. شایع است که در قرن چهارم پس از میلاد مسیح، شیشه‌هائی حاوی فلزات در ابعاد نانو، توسط شیشه‌سازان رومی، ساخته می‌شدند. یک محصول از این دوره که جام لیکور گوس (Lycurgus) نام دارد، در موزه بریتانا واقع در لندن قرار دارد. این جام که مرگ شاه لیکور گوس را نشان می‌دهد، از شیشه‌ای مخلوط از اکسید کلسیم و هیدروکسید سدیم ساخته شده که محتوی نانو ذرات نقره و طلاست. رنگ جام وقتی که یک منبع نوری روی آن قرار می‌گیرد، از سبز به قرمز تند تغییر می‌کند. همین‌طور تنوع رنگی بسیار زیبای پنجره‌های قرون وسطائی کلیسای جامع، به دلیل حضور ذرات نانو، در شیشه‌های آنهاست. اهمیت بالقوه عناصر جهان توسط یک شیمیدان متولد ایرلند ”روبرت بویل“ در کتاب ”شیمیدان شکاک“ که در سال ۱۶۶۱ منتشر شد، بیان گردید. در این کتاب، بویل عقیده اسطور را که می‌گوید ”جهان را چهار جزء آب، آتش، زمین و هوا تشکیل شده است“ نقد کرد و بیان کرد که ذرات ریز مواد به‌ صورت‌های مختلف ترکیب شده‌اند تا چیزی را که او ”اجزاء“ (corpuscle) می‌نامد، به وجود آورند. او اشاره به ”دقیقه“ کرد که از هیچ‌یک از چهار جزء و یا ترکیب آنان به وجود نیامده بود.

عکاسی یک تکنولوژی رشد یافته و پیشرفته است که در قرون ۱۸ و ۱۹ توسعه یافت که وابسته به نقره با ذرات نانو که حساس به نورند می‌باشد. فیلم عکاسی یک امولسیون و یک لایه نازک از ژلاتین محتوی هالیدهای نقره را که نقاط تصویر (Pixels) را می‌سازند، آزاد می‌کند. در اواخر قرن ۱۸، دو دانشمند انگلیسی به نام‌های توماس وجودو (Thomas Wedgewood) و آقای هامپری دیوی (Humprey Davy) توانستند تصاویری بسازند که در آنها از نیترات نقره و کلرید نقره استفاده شده بود، ولی آن تصاویر پایدار نبودند. تعدادی از محققان فرانسوی و انگلیسی روی این شکل در قرن ۱۹ کار کرده‌اند. افرادی مانند Archer, Talbot,Daguerre,Niecpce و Kennet هم در این‌باره فعالیت داشته‌اند. جالب آن‌که جیمز کلارک ماکسول (James Clark Maxwell) کسی که بیشترین مشارکت را در تئوری الکترومغناطیس داشت، اولین عکس رنگی را در سال ۱۸۶۱ به وجود آورد. حدوداً در سال ۱۸۸۳ یک مخترع آمریکائی به نام جورج ایستمن (Eastman George) کسی که بعدها شرکت کداک را تأسیس کرد، فیلمی محتوی یک‌ باریکه کاغذ دراز که با یک امولسیون محتوی هالیدهای نقره پوشیده شده بود، تهیه کرد. او بعدها این محصول را به یک فیلم انعطاف‌پذیر که می‌توانست جمع شود، تغییر داد که عکاسی را برای خیلی از مردم قابل دستیابی کرد. بنابراین تکنولوژی بر پایه مواد در ابعاد نانو، خیلی جدید نیست. در سال ۱۸۵۷، مایکل فارادی یک نوشته در ”خلاصه مذاکرات فلاسفه در اجتماع اشراف“ منتشر کرد که در آن سعی داشت توضیح دهد که چگونه ذرات فلزی روی رنگ پنجره‌های کلیسا تأثیر می‌گذارد. گوستاو مای (Gustav Mie) اولین شخصی بود که توضیحی برای وابستگی رنگ شیشه به سایز و نوع فلز ارائه داد. مقاله او در مجله آلمانی physik der Annalen، در سال ۱۹۰۸ به چاپ رسید.

ریچارد فینمن (Richard Feynman) جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۶۵ به دلیل سهم بزرگش در الکترودینامیک کوآنتوم، که وابستگی دوری به نانو تکنولوژی داشت دریافت کرد. فینمن یک معلم سرشناس و با استعداد و یک نویسنده علمی هم بود و به خاطر یکی از تئوری‌های فیزیکی مهم‌اش در آن زمان، مورد قدردانی قرار داده شد. او در محدوده وسیعی از موضوعات مورد علاقه خود از نواختن بانگو (نوعی طبل) گرفته تا تلاش برای ترجمه خط باستانی مصری فعالیت می‌کرد. این موضوعات و داشته‌هایش، با خواندن سرگذشت درخشان او در کتاب ”تو حتماً شوخی می‌کنی، آقای فینمن“ در سال ۱۹۶۰، پاس داشته می‌شود. او یک مقاله پیش‌گویانه و وابسته به دلایل نظری در یک مجمع فیزیکی آمریکائی ارائه داد که نام آن ”فضای بسیاری در عمق مانده است“ بود. در این مقاله امکان و پتانسیل مواد در سایز نانو را بیان کرد. او مدل نظری مدارهای الکترونی حول اتم را ارائه داد که بر پیشگوئی وجود دسته الکترون‌ەا در چاپ مؤثر بود که امروزه برای ساختن خرده‌های سیلیکونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. او دستکاری اتم‌های تکی را برای ساختن ساختار اتم‌های کوچک و جدید، که خصوصیات بسیار متفاوتی داشت پیشنهاد کرد. در واقع، اکنون این روش برای استفاده در میکروسکوپ تصویری تونلی، انجام می‌شود. او ساختار دایره‌ای در مقیاس نانو متر که می‌تواند در اجزاء کامپیوتری قدرتمندتر مورد استفاده واقع شود را به‌صورت نظری بیان کرد. مانند بسیاری از محققان نانوتکنولوژی عصر حاضر، او وجود نانو ساختارها را در سیستم‌های بیولوژیکی تشخیص داد. بسیاری از نظریه‌های ”فینمن“ امروزه به حقیقت پیوسته است.

در هر حال افکار او در بین دانشمندان هم عصر خود، طنین نیفکند. شاید به خاطر شهرت او در بذله‌گوئی، عکس‌العمل بسیاری از مخاطبین، با نام کتابی که بعداً منتشر کرد ”تو حتماً شوخی می‌کنی آقای فینمن“ قابل توصیف باشد. البته آن کنفرانس، در عصر حاضر بین محققین نانو تکنولوژی به‌عنوان افسانه است، ولی همان‌طور که یک دانشمند تعبیر کرده است ”موضوع آن آن‌قدر خیالی بود که با مردم ارتباط برقرار نکرد تا زمانی‌که تکنولوژی به آن پرداخت“.

نظریه‌پردازان دیگری هم وجود داشتند، مانند رالف لاندر (Ralph Lander) که یک فیزیکدان نظریه‌پرداز بود که برای IBM در سال ۱۹۵۷ کار می‌کرد و ایده‌هائی در الکترونیک در ابعاد نانو داشت و متوجه اثرات مکانیکی که کوانتوم می‌توانست در تجهیزات مشابه داشته باشد، گردید ولی با این وجود که فینمن سخنرانی نظریه‌ای خود را در سال ۱۹۶۰ انجام داد، فعالیت‌های علمی آزمایشگاهی در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ در مورد ذرات کوچک فلزی انجام شد. در آن زمان به آنها نانو تکنولوژی گفته نمی‌شد و مقدار زیادی از آنها وجود نداشت. Ulir اولین مشاهده از سیلیکون متخلخل را در سال ۱۹۵۶ گزارش داد و تا سال ۱۹۹۰ که فلورسانس در دمای اتاق، در این ماده مشاهده شد، مورد توجه قرار نگرفت. موضوع دیگر در این دوره، ساختن نانو ذرات قلیائی با تبخیر فلز سدیم یا پتاسیم و سپس متراکم کردن آنها در دستگاه‌های سردکن (substrate) سیال‌های مغناطیسی که سیال‌های آهنی (Ferro Fluids) نامیده می‌شدند، در دهه ۱۹۶۰ توسعه پیدا کردند. آنها شامل ذراتی مغناطیسی در ابعاد نانو می‌شدند که در مایعات معلق بودند. این ذرات به کمک آسیاب کردن در حضور یک سطح فعال و یک مایع حامل ساخته می‌شدند.

ناحیه دیگری از فعالیت‌های دهه ۱۹۶۰ مربوط به رزونانس پارامغناطیس الکترون در الکترون‌های رسانائی ذرات در ابعاد نانو فلزی، که در آن روزها کلوئید نامیده می‌شد می‌باشد. ذرات به کمک تجزیه حرارتی و تابش روی جسمی که در آن یون‌های مثبت فلزی وجود داشت، حاصل و یون‌های مولکولی منفی مثل سدیم و پتاسیم آزید، ایجاد می‌شدند. در واقع تجزیه این نوع از اجسام به کمک حرارت راهی برای ساختن ذرات نانو فلز است.

اشکال ساختاری ذرات نانو فلز مانند وجود اعداد جادوئی در دهه ۱۹۷۰ به کمک تحقیقات طیف‌سنجی باریکه‌های فلز سدیم آشکار شد. هرمن و همکارانش، پتانسیل یونی کلاسترهای سدیم (کلاستر: گروهی از اتم‌های یک عنصر و عموماً یک فلز که توسط یک اتصال در یک مولکول کنار هم قرار گرفته‌اند) را در سال ۱۹۷۸ اندازه‌گیری و مشاهده کردند که وابسته به سایز کلاستر است. این موضوع منجر به گسترش مدل (Jellium) (مدلی از کنش بین الکترون‌ها که در آن یک محیط یکنواخت از بار مثبت وجود دارد که در این مدل در دمای صفر خصوصیات سیستم، تنها وابسته به چگالی الکترون در نظر گرفته شده است) کلاسترها شد.

گروه آزمایشگاهی Bell و IBM، در اوایل دهه ۱۹۷۰، اولین مایعات دو بعدی کوآنتومی را ساختند. آنها توسط یک فیلم نازک از تکنیک رشد همبافته که یک لایه نیمه رسانای یک اتمی در زمان می‌سازد، این کار را انجام دادند. این عمل نقطه شروع گسترش کوآنتوم بی‌بعد بود که امروزه یکی از عمده‌ترین نانو تکنولوژی‌ با کاربردهای تجاری است.

در هر حال تا دهه ۱۹۸۰ و با نیاز فوری به روش‌های مناسب برای ساختن ساختار نانو، فعالیت‌های تحقیقاتی افزایش چندانی نیافت و پس از آن بود که نتایج خوب و پیشرفت‌های قابل توجهی حاصل شد. در ۱۹۸۱،روشی برای ساخت کلاسترهای فلزی با استفاده از لیزر پرتوان متمرکز برای تبخیر فلزات و تبدیل به پلاسمای داغ ابداع شد. یک جریان هوای تند هلیم، بخار را خنک و اتم را به‌صورت کلاستر در اندازه‌های متفاوت متراکم می‌کند. در سال ۱۹۸۵ این روش برای ساخت فلورون C۶۰ استفاده می‌شد. در ۱۹۸۲ دو دانشمند روسی به نام‌های Ekimor و Omushckenko اولین مشاهدات کوآنتومی را گزارش دادند.

میکروسکوپ پوشش‌گر تونلی در این دهه توسط G.K.Binnig و H.Roher در آزمایشگاه تحقیقاتی IBM در زوریخ توسعه یافت و آنها در ۱۹۸۶ جایزه نوبل را به خاطر این اختراع دریافت کردند. اختراع میکروسکوپ تصویری تونلی و میکروسکوپ با نیروی اتمی (AFM)، ابزارهای جدیدی برای مشاهده، تشخیص و دستکاری اتمی نانو ساختارها فراهم کرد.

در ۱۹۸۷ H.Van Hocten و B.J.Van Wees از هلند در منحنی ولتاژ جاری شیب و اتصالات کوچک نقطه‌ای مشاهده کردند. گام‌های مشاهبهی توسط D.Wharam و M.pepper از دانشگاه کمبریج برداشته شد. این مسئله اولین مشاهده از رسانائی تدریجی را نمایش داد. در همان زمان T.A.Fulton و G.J.Dolan از آزمایشگاه‌های Bell یک ترانزیستور تک الکترونی ساختند و یک سد کولنی را مشاهده کردند. این دوره به‌عنوان دوره گسترش روش‌های ساخت مثل چاپ دسته الکترونی که قابلیت ساخت ساختارهائی در مقیاس ۱۰nm را دارد، شناخته شده است. همین‌طور در این دهه، لایه‌های فلزی با خاصیت‌ مغناطیسی متناوب و مواد نانو مغناطیسی، که خصوصیات بسیار جالبی از مواد ابر الکترومغناطیس ارائه دادند، ساخته شده است. لایه‌ها یک نانومتر ضخامت داشتند و مواد قابلیت زیادی از ذخیره بار مغناطیسی در کامپیوترها را دارا بودند.

با وجودی که ایده کریستال‌های فوتونی به‌طور تئوری در دهه ۱۹۸۰ به قاعده بیان شده بود، اولین کریستال فوتونی سه بعدی که دارای یک فاصله اتصال کامل بود، توسط Yablonoritch در ۱۹۹۱ ساخته شد.

در دهه ۱۹۹۰ Iijima، یک نانو کربن لوله‌ای ساخت و ابر رسانائی و خاصیت فرومغناطیسی در ساختار C۶۰ کشف شد. تلاش‌هائی برای ایجاد جابه‌جائی‌های مولکولی و اندازه‌گیری رسانائی الکتریکی مولکول‌ها آغاز شد، یک میدان اثر ترانزیستور که براساس اجتماع نانو لوله‌های کربنی قرار داشت، شرح داده شد. تحقیقات در مورد اجتماع خودکار مولکول‌ها در سطح فلزها افزایش یافته است. اجتماع خودکار به اتصال خود به خودی مولکول‌ها به سطح فلز، برای شکل دادن یک آرایش مرتب به سطح اطلاق می‌شود. در سال ۱۹۹۱ تعدادی از آژانس‌های دولتی توسط گروه جهانی علمی، عملیاتی برای تحقیق در مورد ارزیابی وضعیت کنونی جهان از روند تحقیقات و گسترش علم نانو و نانو تکنولوژی انجام دادند. جزئیات این پیشنهادات منجر به تشکیل گروهی توسط دولت برای فراهم کردن وجه مورد نیاز شد و یک ابتکار ملی برای نانو تکنولوژی تأسیس گردید، دو اکتشاف کلی در تحقیقات حاصل شد. کشف اول مربوط به موادی بود که نانو ساختار بودند یا می‌توانستند باشند که خصوصیات جدید و کاربردهای نوینی را به وجود می‌آورند. اصول کلی، آن است که هر خصوصیت از ماده، دارای بعد شاخص یا مخصوص، متناظر با خودش می‌باشد. برای مثال، مقاومت یک ماده که از الکترون‌های رسانائی که در خلاف جهت حرکت سیلیکون‌ها با اتم‌های ارتعاشی و ناخالصی‌ها پخش‌ شده‌اند، نتیجه می‌شود و می‌تواند به کمک بعدی که شعاع پراکندگی نامیده می‌شود، بیان شود. این شعاع میانگین فاصله حرکت یک الکترون قبل از منحرف شدن است. فیزیک و شیمی مقدماتی، وقتی ابعاد یک جامد قابل مقایسه توسط یک یا چند تا از این خصوصیات طولی که شماری از آنان در حدود نانومتر هستند، شد، دچار تغییر گردید.

یکی از بهترین مثال‌های این موضوع، اندازه مواد نیمه رساناست که بر طبق طول موج الکترون‌ها یا سوراخ‌ها (پروتون‌ها) سنجیده می‌شود، ساختار الکترونی سیستم کاملاً تغییر می‌کند. این اساس ذرات کوآنتومی است که کاربرد نانو تکنولوژی در ذرات کوآنتومی لیزر تقریباً از آن نتیجه می‌شود که امروزه برای خواندن صفحات فشرده استفاده می‌شود. در هر حال ساختار الکترون از تعدادی از ابعاد که در سایز نانو هستند، تأثیر می‌پذیرد. اگر فقط یک بعد از ساختارهای نانوی سه بعدی، در ابعاد نانو باشد به آن ساختار چاه کوآنتومی گویند و ساختار الکترونی آن کاملاً متفاوت با وقتی است که دو بعد از ابعاد نانومتر هستند، چیزی که به آن سیم کوآنتومی می‌گویند. یک ذره کوآنتومی تمام سه بعد را در اندازه نانو دارد.

دومین مشاهده کلی تحقیقات دولت آمریکا، شناسائی محدوده انضباطی و قوانینی است که برای گسترش در این زمینه به مشارکت گذاشته می‌شود. کار در مورد نانو تکنولوژی در قسمت‌های فیزیک، شیمی، دانش‌های محیطی، مهندسی الکترونیک، مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی در دانشگاه‌ها انجام می‌شود.

طبیعت چند رشته‌ای این موضوع، برای محققانی که تنها در یک رشته تحقیق می‌کنند، مشکل است زیرا فهم و توسعه آن در زمینه‌های غیرمرتبط با دانش فرد، سخت است همان‌طور که ”فینمن“ به‌درستی اشاره کرد، سیستم‌های زیست‌شناسی از ابتدای خلقت، قسمت‌های اصلی در بعد نانو می‌ساختند و موضوعات بسیاری برای یادگیری از زیست‌شناسی برای چگونگی ساخت ابزار با ساختار نانو، وجود دارد.

در هر حال، یک فیزیکدان که در نانو ساختارها درگیر است ولی تفاوت بین آمینو اسید و پروتئین را نمی‌داند، آیا می‌تواند از سیستم‌های زیستی بیاموزد؟ این موضوعی است که انگیزه نوشتن این کتاب شده است.

ترجمه: آنا چابک‌دست، کارشناس مهندسی نساجی