سفری شگفت انگیز به دنیای نانو تکنولوژی ! …

در مسیر یافتن یک تعریف …

بالاخره کدام تعریف برای نانو تکنولوژی درست است؟

دولت ها میلیاردها دلار روی این فناوری سرمایه گذاری می کنند. سالانه ده ها هزار مقاله با این موضوع منتشر می شود. اما نانوتکنولوژی دقیقا چیست؟ آیا اصلا می توان یک تعریف دقیق برای آن پیدا کرد؟ جالب است بدانید یکی از مشکلات پیش روی فناوری نانو، سردرگمی در مورد نحوه تعریف آن است!

اکثر تعاریف، به ذکر عبارت «مطالعه و کنترل مواد و پدیده ها در مقیاس زیر 100 نانومتر» بسنده می کنند. در ادامه هم برای اینکه درک درستی از این مقیاس حاصل کنند، 100 نانومتر را با موی انسان (که حدود هشتاد هزار نانومتر ضخامت دارد) مقایسه می کنند. راستش را بخواهید، این تعریف ها دیگر قدیمی و خسته کننده شده اند!

برخی دیگر اصرار دارند که نانوفناوری را به دستگاه ها و ابزارها در مقیاس مولکولی نسبت دهند. یعنی می گویند هر گاه در این مقیاس از سیستم های عملکردی (Functional Systems) استفاده کردید، آن موقع بگویید که مشغول توسعه یک فناوری در مقیاس نانو هستیم!

اما چیزی که در این میان مشخص است، ضرورتی است که در بروز خواص منحصر به فرد وجود دارد. یعنی مهم ترین نیاز برای تعریف فناوری نانو، این است که نانوساختار دارای خصوصیات ویژه ای باشد که منحصراً به دلیل گذار به مقیاس نانو اتفاق افتاده است.

نشریه Nature وارد عمل می شود!

در سال 2006 ، نشریۀ معتبر Nature Nanotechnology به مناسبت افتتاحیه خود کار جالبی کرد. این نشریه از 13 محقق معروف در مناطق مختلف پرسید که نانو تکنولوژی برای آن ها چه معنی و مفهومی دارد؟ همان طور که انتظار می رفت، دیدگاه های مختلفی در پاسخ ها قابل مشاهده بود که به برخی از آن ها اشاره می کنیم:

مائورو فراری (Mauro Ferrari) پروفسور پزشکی مولکولی در دانشگاه علوم سلامت تگزاس به نشریه Nature گفته است:

در مقیاس نانو هیچ تفاوتی میان شیمی، فیزیک، ریاضی، مهندسی، زیست شناسی و دیگر علوم وجود ندارد. به طور کلی هر تعریف کاربردی از نانوتکنولوژی، لازم است سه اصل اساسی را مد نظر قرار دهد:

• داشتن سایز نانومتری در ابزار یا اجزای اصلی
• مصنوعی بودن
• داشتن خواصی که فقط و فقط به دلیل تغییر ابعاد بروز کرده باشند.

من معتقدم هیچ مقیاس نانویی برای ما وجود نخواهد داشت، اگر شما ریاضی مورد نیاز را برای توضیح آن پیدا نکنید. ما باید قادر به مدل سازی و توضیح این مقیاس باشیم. در ضمن، ما برای ادامه دادن همواره باید برای خود نیاز به حل مسئله ایجاد کنیم. مثلا علاقه من، نابودی سلول های سرطانی با استفاده از نانومواد است.

پیتر بینکس (Peter Binks) مدیر اجرایی بخش تجاری سازی شرکت Nanotechnology Victoria در استرالیا است. او در این باره می گوید:

فقط یک نانوتکنولوژی وجود ندارد. صدها نانوتکنولوژی وجود دارند که هر کدام می توانند تکنولوژی هایی را فعال کنند. من اصلا تعجب نخواهم کرد اگر در دهه آینده، واژه نانوفناوری از محافل علمی حذف شود. به نظر من کلماتی مثل نانومواد یا نانوبیوتکنولوژی بسیار مفهومی تر هستند. به هر حال اگر بی خیال تعریف شویم، ما تازه در ابتدای موج نانو هستیم. در 20 تا 30 سال آینده، ما تجهیزات الکترونیکی بسیار پیچیده ای در مقیاس نانو خواهیم دید که در حوزه مموری و مدار، همه را متعجب خواهند کرد.

جکی یینگ (Jackie Ying) پروفسور شیمی در دانشگاه MIT و مدیر موسسه نانو تکنولوژی سنگاپور در این باره می گوید:

نانوفناوری یک حوزه بین رشته ای است. من این فناوری را به چشم یک جعبه ابزار می بینم که شامل یک سری اجزای ساختاری در مقیاس نانو است. یعنی اگر شما بخواهید مواد، ابزار و سیستم های جدیدی بسازید، ممکن است لازم باشد به این جعبه ابزار مراجعه کنید.

چانلی بی (Chunli Bai)، معاون انجمن علوم کشور چین است. او مدیریت مرکز ملی علوم و فناوری نانوی این کشور را نیز به عهده دارد. چانلی در نشریه Nature چنین اظهار می کند:

علاقه و اشتیاقی که به فناوری نانو وجود دارد، به یک سمت خاص جهت گیری کرده است. آن هم چیزی نیست جز کنترل دقیق اتم ها و مولکول های منفرد. همه دوست دارند از خواص بی سابقه مواد در این مقیاس استفاده کنند. اما این که نانو تکنولوژی مختص چه ابعادی باشد، دقیق نمی توان اظهار نظر کرد. این محدوده از دو یا سه نانومتر برای مشاهده خواص کوانتومی و الکترونیکی آغاز می شود و ممکن است تا چند ده نانومتر برای کاربردهای بیولوژیکی برسد.

آیا باید طبیعت را فاکتور بگیریم؟

معیار مهم دیگر برای تعریف نانوتکنولوژی، لزوم ساخت مواد و ابزار توسط انسان است. یعنی زمانی می توان یک فرایند را زیرمجموعه نانوتکنولوژی نامید که یک نانوذره یا نانوماده، با روشی مصنوعی توسط انسان ساخته شده باشد.

در غیر این صورت، شما مجبورید هر مولکول زیستی و ماده ریزساختار معدنی را که دیدید، در تعریف خود بگنجانید. یعنی اگر طبیعت را فاکتور نگیریم، باید بسیاری از فرایندهای شیمیایی و زیست مولکولی را به عنوان «فناوری نانو» بشناسیم.

28

دقیــقه مطالعه

نانومواد ، همواره فراتر از انتظارها!

عصر امروز، عصر نانو فناوری و استفاده از نانومواد است. عصری که دیگر نمی توان مرزی...

و بالاخره، یک تعریف رسمی …

با توجه به مطالب پیشین، فهمیدیم که هیچ گاه نمی توان به یک تعریف برای فناوری نانو بسنده کرد. با این حال بهتر است برای نتیجه گیری، به سراغ یک تعریف رسمی برویم که آب در هاون نکوبیده باشیم! به این منظور، مرکز ملی فناوری نانوی ایالات متحده (NNI) تعریف زیر را ارائه داده است:

فناوری نانو عبارت است از درک و کنترل ماده در ابعادی تقریباً بین 1 تا 100 نانومتر. جایی که پدیده های منحصر به فرد، کاربردهای جدیدی را امکان پذیر کنند. این فناوری ترکیبی از علم، مهندسی و فناوری در مقیاس نانو است که تصویربرداری، اندازه گیری، مدل سازی و دستکاری مواد در این مقیاس را شامل می شود.

پس نانوفناوری ربطی به 1 تا 100 نانومتر ندارد؟

پاسخ این است که ربط دارد، اما نه لزوما! معمولا در محدوده 1 تا 100 نانومتر، یک سری اثرات کوانتومی وابسته به اندازه ایجاد می شود. همین اثرات است که سبب تغییر خواص مواد مهندسی می شود. اما این محدوده، نانومواد و نانودستگاه های زیادی را به ویژه در حوزه دارویی شامل نمی شود. بنابراین بهتر است چندان خودمان را درگیر این مقیاس نکنیم!

علم نانو را با فناوری نانو اشتباه نگیرید!

خواسته یا ناخواسته، ما باید بین علم (Nanoscience) و فناوری نانو (nanotechnology) تمایز قائل شویم. علم نانو، علمی است که از تلفیق فیزیک، علوم مواد و زیست شناسی حاصل می شود. البته فراموش نکنید بخشی از این علوم مد نظر ماست که با تئوری دستکاری مواد در مقیاس های اتمی و مولکولی سروکار داشته باشد. در مقابل، فناوری نانو با مشاهده، اندازه گیری، دست کاری، اسمبل کردن، کنترل و تولید ماده در مقیاس نانومتری سر و کار دارد.

اما واژه «نانوتکنولوژی» از چه زمانی بر سر زبان ها افتاد؟؟

این اصطلاح در سال 1974 توسط «نوریو تانیگوچی» (Norio Taniguichi) از دانشگاه علوم توکیو ابداع شد. او برای توصیف یک سری فرایندهای خاص در مواد نیمه هادی (مانند رسوب لایه نازک) که با مقیاس نانومتر سروکار دارند، از کلمه نانو تکنولوژی استفاده کرد. او فناوری نانو را عمدتاً شامل جداسازی، تلفیق و تغییر شکل مواد توسط یک اتم یا یک مولکول می دانست.

نانوفناوران ابتدایی!

بر خلاف چیزی که ما تصور می کنیم، علوم و فناوری نانو اصلا چیز جدیدی نیستند. اولین شواهد مربوط به کاربردهای مواد نانومقیاس را می توان به استفاده از نانولوله های کربنی و نانوسیم های سمانتیت نسبت داد. این مواد برای اولین بار در ریزساختار فولاد دمشقی (wootz steel) مشاهده شدند. این شمشیرها در هند باستان و 600 سال قبل از میلاد ساخته می شدند و به سراسر جهان نیز صادرات داشتند.

یک حکم مذهبی که به فناوری ختم شد!

در دوران مدرن تر، وقتی به سفال های قرون وسطی و رنسانس نگاه می کنیم، اغلب یک زرق و برق فلزی خاص به رنگ طلا یا مس را در اجسام می بینیم. این براقیت، ناشی از یک لایه نازک فلزی است که به سطح شفاف لعاب اعمال شده است.

بعدها با آنالیز این لایه نازک، مشخص شد که نانوذرات نقره و مس در آن وجود دارد. نانوذراتی که به طور همگن در ماتریس شیشه ایِ لعاب سرامیک پراکنده شده اند. در واقع صنعتگران آن دوران بدون این که آگاه باشند، در زمینه نانو تکنولوژی فعالیت می کردند 😊 آن ها با افزودن نمک ها و اکسیدهای مس و نقره همراه با سرکه، خاک سرخ و خاک رس روی سطح ظروف سفالی که قبلاً لعاب کاری شده بودند، این ذرات را ایجاد می کردند.

28

دقیــقه مطالعه

هر آنچه نیاز دارید در مورد لعاب و لعاب کاری بدانید! (قسمت اول)

پیش از شروع این مطلب لازم است بگوییم که این مقاله در دو قسمت تهیه شده است. در بخ...

مورخین معتقدند این تکنیک سنتز نانوذرات، از جهان اسلام نشأت گرفته است. چرا که مسلمانان مجاز به استفاده از طلا در نمایش های هنری خود نبودند. آن ها به دنبال راهی برای ایجاد جلوه ای مشابه بدون استفاده از طلای واقعی بودند. راه حلی که آنها پیدا کردند، استفاده از جلاهای تولیدی با این ذرات بود.

سخنرانی معروف فاینمن

در سال 1959، فیزیکدان آمریکایی «ریچارد فاینمن» حرف بسیار مهمی زد. او در نشست انجمن فیزیك آمریكا در كلتک (caltech) سخنرانی می كرد که جمله معروفش را بیان کرد:

«آن پایین فضاهای زیادی وجود دارد.»
(Theres plenty of room at the bottom)

فاینمن در حال توصیف فرایندی بود که توانایی دستکاری اتم ها و مولکول های منفرد را با استفاده از یک مجموعه ابزار دقیق ممکن می کرد. او معتقد بود در نوک یک سوزن، آن قدر جا هست که می توان تمام دایره المعارف بریتانیکا را روی آن حکاکی کرد!

در این راستا، وی خاطرنشان کرد که وقتی ابعاد مواد کوچک شوند، پدیده های مختلف فیزیکی به نحو دیگری ایفای نقش می کنند. گرانش اهمیت کمتری پیدا می کند. اما در مقابل، کشش سطحی و جاذبه واندروالس اهمیت بالایی خواهند داشت …

اریک درکسلر شگفت انگیز!

علاقه به فضای زیادی که آن پایین وجود دارد، در اوایل دهه 1990 بسیار افزایش یافت. احتمالاً به این دلیل که اصطلاح فناوری نانو در آن زمان مورد توجه جدی قرار گرفت. مخصوصا وقتی اریک درکسلر (Eric Drexler) در کتاب معروف خود یعنی  Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology  به قدرت این فناوری اشاره کرد.

اما اصلا درکسلر از کجا پیدایش شده بود؟

در دهه 1980، ایده نانوفناوری به عنوان یک کار دقیق و نه تصادفی، در ذهن اریک جریان داشت. هنگامی که او مشغول تهیه مقاله علمی اول خود در زمینه مهندسی مولکول ها بود، با سخنرانی تحریک آمیز فاینمن در سال 1959 مواجه شد.

در همین راستا، او به طور مستقل و موازی با تانیگوچی، در کتابش از واژه نانوتکنولوژی استفاده کرد. او رویای ساخت دستگاهی با قابلیت تکثیر خودکار را داشت که قادر به کارکرد مستقل باشد. چشم انداز درکسلر از فناوری نانو اغلب نانو فناوری مولکولی (MNT) یا ساخت مولکولی نامیده می شود.

پروژه دکترای او در سال 1991 در دانشگاه MIT اولین درجه دکترایی بود که با موضوع نانو فناوری مولکولی به یک دانشجو اختصاص می یافت. تحقیقات و یافته های درکسلر، نقش به سزایی در پیشرفت نانوفناوری در قرن بیست و یک داشته است.

در ادامه اشاره ای به برخی از پیشرفت ها در حوزه نانو تکنولوژی تا به امروز خواهیم داشت :

ترانزیستور های نانو مقیاس

در مسیر تکامل فناوری نانو تا به امروز، از برخی یافته های مهم نمی توان چشم پوشی کرد. یکی از این موارد، ساخت اولین ماسفت (MOSFET) بوده است. این عبارت مخفف ترانزیستور نیمه هادی اکسید فلزی با اثر میدانی (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) است.

در سال 1960 مهندس مصری «محمد آتالا» و مهندس کره ای «داون کنگ» در آزمایشگاه بل، اولین ماسفت را با ضخامت اکسید 100 نانومتر ساختند. این دو مهندس در ادامه همکاری هایشان در سال 1962، یک ترانزیستور نانولایه با پایه فلز – نیمه هادی ساختند که فیلم های نازک طلا با ضخامت 10 نانومتر در آن به کار رفته بود. این اختراعات سرچشمه تلاش های بیشتری در این زمینه در سال های بعد و تا همین امروز بوده است.

اختراع میکروسکوپ روبشی

میکروسکوپ تونل زن روبشی (STM) ابزاری برای تصویربرداری از سطوح در مقیاس اتمی است. این میکروسکوپ در سال 1981 توسط «گرد بینیگ» و «هاینریش روهرر» در آزمایشگاه تحقیقاتی IBM زوریخ ساخته شد. به همین دلیل در سال 1986 به آن ها جایزه نوبل فیزیک تعلق گرفت.

در همین سال 1986، اولین میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) توسط بینیگ، «کالوین کات» و «کریستوف ژربر» اختراع شد. اختراع این دو میکروسکوپ، انقلاب بزرگی در نانوتکنولوژی محسوب می شود.

«دون ایگلر»، محقق IBM برای اولین بار در سال 1989 با استفاده از میکروسکوپ تونل زن روبشی، اتم ها را دست کاری کرد. او از این میکروسکوپ برای حکاکی لوگوی IBM توسط 35 اتم زنون استفاده کرد.

تصویر حکاکی شده از لوگوی IBM با استفاده از میکروسکوپ AFM

علم کلوئید و فصل مشترک

علوم کلوئید و فصل مشترک، پیش از این که در ارتباط تنگاتنگی با نانوتکنولوژی قرار گیرد، تقریباً یک قرن وجود داشته است. اولین مشاهدات و اندازه گیری ابعاد نانوذرات، در دهه اول قرن 20 توسط «ریچارد آدولف زیگموندی» برنده جایزه نوبل شیمی 1925 انجام گرفت.

او مطالعه جامعی روی سُل های طلا و سایر نانوذرات با اندازه هایی تا 10 نانومتر انجام داد. جالب است بدانید زیگموندی اولین کسی بود که اصطلاح نانومتر را به صراحت برای توصیف اندازه ذرات به کار برد.

در دهه 1920، «ایروینگ لانگمایر» برنده جایزه نوبل شیمی در سال 1932  و «کاتارین بلودجت» مفهوم تک لایه (Monolayer) را به جهانیان معرفی کردند. منظور از تک لایه، یک لایه از ماده با ضخامت یک مولکول است.

در سال 1974 روند رسوب لایه اتمی (ALD) برای رسوب فیلم های نازک یکنواخت به صورت یکباره در اسناد علمی ثبت شد. در این سال یک لایه اتمی توسط «توموسانتولا» و همکارانش در فنلاند سنتز شد. در همین سال ها بود که سنتز و بررسی نانوبلورهای نیمه هادی مورد توجه قرار گرفت. این امر منجر به افزایش سریع سنتز نانوذرات نیمه هادی به صورت نقاط کوانتومی (Quantom Dot) شد.

کشف فولرن (Fullerene)

فولرن ها در سال 1985 توسط «هری کروتو»، «ریچارد اسمالی» و «رابرت کرل» کشف شدند. این سه نفر با هم برنده جایزه نوبل شیمی در سال 1996 شدند. فولرن یکی از آلوتروپ های مصنوعی عنصر کربن است که عموما با گرمایش گرافیت سنتز می شود.

28

دقیــقه مطالعه

کربن و آلوتروپ های آن (Carbon)

کربن یکی از فراوان‌ترین و پرکاربردترین مواد مهندسی است که تقریبا در تمامی صنایع،...

ماجرا از این قرار بوده که ریچارد اسمالی در آن سال ها روی شیمی فیزیکِ تشکیل خوشه های غیرآلی و نیمه هادی با استفاده از پرتوهای مولکولی پالسی کار می کرد. رابرت کرل که از تخصص ریچارد با خبر می شود، او را به رأس سوم مثلث یعنی کروتو معرفی می کند.

هدف رابرت این بوده که به جواب سوالی در مورد ترکیب نوعی گرد و غبار کیهانی برسد. این گرد و غبارها عمدتا غنی از کربن هستند و از ستاره های قدیمی به جای می مانند. نتیجه این همکاری کشف C60 و فولرن ها به عنوان سومین شکل آلوتروپیک کربن بود. اکتشافات بعدی شامل فولرن های اندوهدرال و خانواده بزرگتر فولرن ها در سال بعد بود.

ایجیما و نانولوله های کربنی

کشف نانولوله های کربنی را به سال 1991 نسبت می دهند. سالی که «سومیو ایجیما» از موسسه NEC توانست این مواد ارزشمند را سنتز کند. به طور دقیق، کشف ایجیما نانولوله های کربنی چند جداره بود. او این ساختارها را در میله های گرافیتی سوخته شده توسط قوس الکتریکی مشاهده کرد.

سپس فکری به ذهن او خطور کرد مبنی بر این که اگر بتوان نانولوله های کربنی تک جداره ایجاد کرد، مطمئنا خواص رسانایی قابل توجهی از خود نشان خواهند داد. تحقیقات در حوزه نانولوله به دنبال کشفیات «بتون» در IBM و ایجیما در NEC شدت گرفت.

این دو به شکل مستقل توانستند نانولوله های کربنی تک جداره را سنتز کنند. همچنین روش های تولید دقیق آن ها را با افزودن کاتالیزورهایی از جنس فلزات واسطه به کربن، بررسی و ارائه کردند.

اما قسمت پایانی مقاله را به معرفی ساختارها و محصولات مختلف در حوزه نانوفناوری اختصاص خواهیم داد:

نانوکامپوزیت ها (Nanocomposites)

یکی از مهم ترین استفاده هایی که از نانوذرات و به خصوص نانولوله ها می شود، در ساخت کامپوزیت است. موادی که دو یا چند جزء جداگانه را با هم ترکیب می کنند تا در نهایت بهترین خصوصیات هر جزء ارائه شود.

گوناگونی قابلیت ها (multi-functionality) در نانوکامپوزیت ها، تنها در خصوصیات مکانیکی بروز پیدا نمی کند. بلکه خواص نوری، الکتریکی و مغناطیسی جالبی نیز پدید می آید. یکی از جذاب ترین فناوری ها در این حوزه، به کارگیری الیاف و نانولوله های چند جداره کربنی در پلیمرها است.

برای مثال، در سال های اخیر استفاده از نانوموادی تحت عنوان کربن سیاه (Black Carbon) برای تقویت لاستیک اتومبیل خودروها مرسوم شده است یا در یک مثال دیگر، می توان از رس های حاوی نانوذرات طبیعی (Nanoclays) نام برد که از مدت ها قبل در مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می گرفته اند. در شکل زیر دو تصویر TEM از یک نانوکامپوزیت تقویت شده با کربن سیاه و رس را نشان ملاحظه می کنید که در درصد رس با هم تفاوت دارند.

نانوحسگرها (Nanosensors)

اصطلاح نانوحسگر به وضوح تعریف نشده است. بیشتر تعاریف به دستگاه ها و ابزارهای Sensing اشاره می کنند که حداقل یکی از ابعاد آن کوچکتر از 100 نانومتر باشد و به منظور جمع آوری اطلاعات در مقیاس نانو و تبدیل آن به داده های قابل تجزیه و تحلیل استفاده شود.

از نانوحسگر برای تشخیص گازها، تشعشعات الکترومغناطیسی و متغیرهای شیمیایی و بیوشیمیایی استفاده می شود. شکل زیر یک نمونه سنسور غشایی تشخیص تنش سطحی یا MSS را نشان می دهد که به طور گسترده برای تشخیص گازها و رایحه ها استفاده می شود.

البته اندازه سیستم های نانوحسگر لزوماً تا مقیاس نانو کاهش نمی یابد. بلکه این سیستم ها می توانند دستگاه های بزرگی باشند که از ویژگی های منحصر به فرد نانومواد برای شناسایی و اندازه گیری پدیده ها در مقیاس نانو استفاده کنند.

به عنوان مثال، نانوساختارهای فلزات نجیب مانند نقره یا طلا، اگر ابعادی کوچکتر از طول موج de Broglie داشته باشند، خواص جذبی شدیدی در ناحیه مرئی و نزدیک به ماورای بنفش خواهند داشت. بدیهی است که این خواص در طیف جذب مواد بالک وجود نخواهد داشت.

اما منظور از طول موج  de Broglie چیست؟

با توجه به خاصیت دوگانگی موج – ذره، طول موج de Broglie به همه اجسام در مکانیک کوانتومی نسبت داده می شود. این پارامتر، چگالی احتمال یافتن ذره را در یک نقطه مشخص از پیکربندی فضایی تعیین می کند. طول موج de Broglie یک ذره با اندازه حرکت یا مومنتوم آن متناسب است.

پوشش های نانوساختار (Nanostructured Coatings)

به لطف تکنولوژی نانو ، امروزه تولید پوشش هایی با ضخامت کنترل شده در مقیاس اتمی به امری عادی تبدیل شده است. این پوشش ها را با استفاده از فرایندهایی مانند رونشست پرتوی مولکولی (Molecular Beam Epitaxy) یا رسوب شیمیایی فاز بخارِ (CVD) اکسید فلزات می توان تولید کرد.

این نانوپوشش ها عمدتا سطوح فعال شیمیایی یا کاتالیستی هستند. پنجره ها و منسوجات خود تمیز شونده که با نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ضد باکتری و آبگریز (هیدروفوبیک) شده اند، یک مثال تجاری از فناوری ساخت پوشش های نانومقیاس است.

پوشش های سخت مقاوم در برابر سایش و خراش، یکی دیگر از مثال های این حوزه است. این پوشش ها با ایجاد نانولایه های میانی بین لایه سخت بیرونی و مواد بستر (Substrate) تولید می شوند

نانولایه های میانی پیوند شیمیایی و تطابق شگفت انگیزی از خواص الاستیک و حرارتی میان لایه های بالایی و پایینی ایجاد می کنند. لذا در مقایسه با سایر پوشش ها، چسبندگی را تا حدود زیادی بهبود می بخشند.

گفتنی است که در سال های اخیر، با کنترل بهتر زبری سطح و تخلخل های نانومقیاس در انواع پلیمرها و مواد معدنی، طیف وسیعی از منسوجات پیشرفته مانند پارچه های ضد آب و مقاوم در برابر لک تولید شده اند. ایجاد خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر گرما و تابش، از مهم ترین اولویت های پژوهشی در حوزه نانوپوشش ها است.

نانورنگ ها (Nanocolors)

گنجاندن نانوذرات در رنگ می تواند عملکرد آنها را بهبود ببخشد. رنگ هایی که ضخامت کمتری از خود به جای می گذارند، سبک وزن تر هستند، بنابراین بهترین گزینه برای استفاده در هواپیماها خواهند بود. نانورنگ ها علاوه بر کاهش وزن وسائل نقلیه، سبب کاهش مصرف سوخت نیز می شوند.

تولید رنگ با استفاده از نانوذرات، به طور قابل توجهی درصد حلال را در رنگ کاهش می دهد. این موضوع فواید زیست محیطی زیادی دارد. از جمله ساخت نانورنگ های ضد رسوب (Foulingresistant) که به عنوان جایگزین ماده Tributyl Tin (TBT) مصرف می شوند. این نانورنگ ها با ایجاد سطوح ضد رسوب، در مصرف انرژی و حفاظت قطعات نقش زیادی دارند. بنابراین اگر تولید کننده ای بتواند با هزینه ای پایین این نانورنگ ها را تولید کند، مشتری های زیادی برای لوله کشی سیستم های آب خانگی و صنعتی خواهد داشت!

نکته مهمی که در تولید نانورنگ وجود دارد، نگرانی در مورد تأثیرات بهداشتی و زیست محیطی نانوذرات به کار رفته در آن است! چرا که اگر نانوذرات منفرد در این رنگ ها استفاده شوند، ممکن است به راحتی از سطح جدا شده و با ورود به محیط زیست ضررهای جبران ناپذیری به وجود بیاورند!

از این رو جدای از مزایای گفته شده، دوام و رفتار سایشی این رنگ ها همواره به صورت یک چالش مهندسی مطرح بوده است. همین موضوع موجب شده که عمدتا به جای استفاده از نانوذرات منفرد از آگلومره های این ذرات در رنگ استفاده شود. مشخصا پیدا کردن راه حلی برای این چالش نیز می تواند ایده خوبی برای یک فعالیت پژوهشی در حوزه نانو تکنولوژی باشد.

نانو روان کننده ها (Nanolubricants)

نانوذرات کُره ای شکل از جنس مواد معدنی می توانند به عنوان روان کننده مورد استفاده قرار گیرند. کنترل مورفولوژی این نانوذرات، می تواند دوام بیشتری را در مقایسه با سایر روان کننده ها برای آن ها ایجاد کند.

اما مساله مهم در این خصوص افزایش هزینه های تولید است که بررسی جبران آن باید مورد بررسی قرار گیرد. به هر حال بسیاری از اوقات یک ماشین کاری ساده، کم هزینه تر از نانو روان کننده خواهد بود 😊

28

دقیــقه مطالعه

ساخت کاهشی (Subtractive Manufacturing) یا ماشین کاری(Machining) چیست؟

ماشین کاری چیست؟ تفاوت آن با ساخت کاهشی چیست؟ زیرتکنولوژی‌های این روش ساخت و تول...

این نانوذرات، اصطکاک بین سطوح فلزی را به ویژه در بارهای عمودی کاهش می دهند. از این رو می توانند در موتورها و درایورهای با کارایی بالا کاربرد داشته باشند. برخی از محققین معتقدند که این نوع روان کننده ها، حتی در سطوحی که سطح فلزات درگیر چندان صاف نباشند، موثر خواهند بود.

برای تولید این محصولات، نانو ذرات جامد در یک روان کننده مایع معمولی پخش می شوند. حواستان باشد که هر کجا این جمله را شنیدید، باید به تدبیری برای مهار و مدیریت پسماند داشته باشید! چرا که نانوذرات محلول و کلوئیدی زمانی که از حالت محلول خارج شوند، خطرناک خواهند بود!

نانوپلازمونیک ها (Nanoplasmonics)

تحقیقات حوزه نانوپلازمونیک ها بر پدیده های نوری در مجاورت سطوح فلزی متمرکز است. محققان نانوپلازمونیک، روی خواص تابشی در مقیاس بسیار ریز و کمتر از حد پراش کار می کنند. بعضا این مقیاس تا کمتر از نصف طول موج تابشی نور مرئی هم می رسد.

تبدیل فوتون های آزاد به نوسانات چگالی بار موضعی اصطلاحاً پلازمون سطحی نام دارد. این فرایند اغلب در نانوساختارهایی از جنس فلزات واسطه اتفاق می افتد. مثلا نانوساختارهای فلزی که به عنوان آنالوگ آنتن های رادیویی عمل می کنند، نمونه ای از پژوهش های مهم در حوزه نانوتکنولوژی به حساب می آید. این ادوات معمولاً با استفاده از مفاهیم نظریه آنتن (Antenna Theory) طراحی می شوند.

ابزارهای برش سخت و چقرمه

ابزارهای برش ساخته شده از مواد نانوکریستال مانند کاربید تنگستن، کاربید تانتالوم و کاربید تیتانیم در برابر شکست، سایش و فرسایش مقاومت خوبی دارند. پژوهش های مختلفی مبنی بر ماندگاری بیشتر این ابزارها نسبت به نمونه های معمولی (دانه درشت) گزارش شده است. با کوچک تر کردن سایز این ابزار به سمت مقیاس نانو، مته هایی تولید می شوند که قابلیت ایجاد سوراخ در مدارهای الکترونیکی را دارند.

سایر حوزه های کاربردی که فناوری نانو در آن ها دخیل است :

صنعت انرژی

نانوفناوری این پتانسیل را دارد که بهره وری انرژی را در تمام شاخه های صنعت افزایش دهد. بسیاری از تحقیقات مرتبطی که در حوزه انرژی در حال انجام است، روی توسعه انرژی های تجدیدپذیر با استفاده از نانو تکنولوژی تمرکز دارند.

پژوهش ها ثابت کرده اند که نوآوری هایی که با به کارگیری مواد و ابزارهای نانومقیاس در این حوزه ایجاد می شوند، تاثیر مثبت چشمگیری بر زنجیره ارزش افزوده می گذارند. ذخیره و تبدیل انرژی، توزیع انرژی و مصرف انرژی شاخه های اصلی هستند که فناوری نانو به آن ها ورود می کند.

یکی از انرژی های تجدید پذیر مهم، انرژی خورشیدی است. انرژی خورشیدی را می توان با استفاده از نانومواد فوتوکاتالیست، به عنوان سرعت بخش بسیاری از واکنش های شیمیایی استفاده کرد. یکی از این واکنش ها تجزیه آب و تولید هیدروژن است. امروزه موج عظیمی از پژوهش ها روی تولید سوخت های هیدروژنی با استفاده از نورهای طبیعی یا مصنوعی تمرکز دارند.

در مثالی دیگر، می توان به نانوذرات گرافن اشاره کرد که در انواع مختلف باتری ها قابلیت استفاده دارند. این نانوذرات قابلیت به کارگیری در باتری های جریان ردوکس (Redox Flow)، هوا-فلز (Metal–Air)، گوگرد لیتیوم (Lithium–Sulfur) و از همه مهم تر باتری های لیتیوم یونی (Lithium Ion Batteries) را دارد.

28

دقیــقه مطالعه

طراحی نسل جدیدی از باتری های لیتیوم یونی با استفاده از «ماده‌ای رویایی»!

اخیرا محققین با استفاده از ترکیبی جدید در آند باتری های لیتیومی، توانسته‌اند کار...

گرافن را می توان به صورت های شیمیایی متناسب با هر دو الکترود مثبت و منفی فرآوری کرد. این امر امکان ساخت باتری های تمام گرافنی با چگالی انرژی فوق العاده بالا را نیز فراهم کرده است.

محیط زیست

انتظار می رود محصولات، فرایندها و کاربردهای فناوری نانو با صرفه جویی در مواد اولیه، انرژی و آب به کمک محیط زیست بیایند. البته نباید اهدافی مانند کاهش گازهای گلخانه ای و مواد زائد خطرناک از طبیعت را فراموش کنیم.

پاکسازی پسماندهای رادیواکتیو با استفاده از نانوالیاف تیتانات به عنوان جاذب برای حذف یون های رادیواکتیو (مانند ید و سزیم) از آب، یکی از کاربردهای نانو تکنولوژی در حوزه محیط زیست است.

یک مثال دیگر، تحقیقات منتهی به کنترل و دست کاری کربن دی اکسید است. قبل از این که CO₂ در سیستم های ذخیره سازی این گاز جذب شود، باید از سایر گازها و ناخالصی های حاصل از احتراق جداسازی شود. با ساخت غشاهای نازک در مقیاس نانومتری، می توان کاری کرد که قابلیت جذب و جداسازی گازها به حداکثر برسند.

نانو الکترونیک

اصطلاح نانوالکترونیک به کاربرد فناوری نانو در اجزای الکترونیکی اشاره دارد. اندازه این قطعات فقط چند نانومتر بوده و ساخت آن ها سخت و پیچیده است.

نانوالکترونیک مجموعه بسیار متنوعی از دستگاه ها و مواد را تحت پوشش قرار می دهد. با این ویژگی مشترک که این مواد آن قدر کوچک هستند که اعمال اثرات فیزیکی، باعث تغییر در خصوصیات آن ها می شود.

تغییرات فعل و انفعالات بین اتمی و خواص مکانیک کوانتومی به دنبال گذار به مقیاس نانو، نقش مهمی در عملکرد قطعات نانوالکترونیکی دارد. در مقایسه با جهان الکترونیکی کلان یا بالک، در مقیاس های بسیار ریز، خواص کوانتومی پیچده ای مانند تونل زنی (Tunneling) مشاهده می شود.

از نظر فیزیک کلاسیک، ذره (مثلا الکترون) قادر به عبور از سد پتانسیل تعیین شده برای آن نیست. اما با ریزتر شدن سایز ادوات، فرایند تونل زنی کوانتومی اتفاق می افتد و ذره بنیادی از سد پتانسیل خود عبور می کند. امروزه از این پدیده در تولید نسل جدید دیودهای الکترونیکی استفاده زیادی می شود.

نانو بیوتکنولوژی (Nanobiotechnology)

شما اگر با هریک از محققین علوم شیمی یا فیزیک یا زیست شناسی صحبت کنید، معمولا هر کدام فناوری نانو را شاخه ای از موضوع خود می دانند. اما حقیقت این است که هر یک از این علوم، به طور مساوی در این علوم سهیم هستند😊

در این میان، نانوبیوتکنولوژی یا نانو زیست فناوری یکی از مهم ترین حوزه های فنی و پژوهشی نوین است که زیرمجموعه علوم و فناوری های زیستی قرار می گیرد. در این حوزه از اصول طراحی و مواد اولیه بیولوژیکی برای توسعه کاربردهای پزشکی استفاده می شود.

اگر نانو را فاکتور بگیریم، می دانیم که بیوتکنولوژی با فرآیندهای متابولیکی و فیزیولوژیکی موجودات زنده سر و کار دارد. در واقع این فناوری قصد دارد که با کنترل میکروارگانیسم ها، در توسعه و اجرای بسیاری از فرایندهای زیستی نقش مفیدی ایفا کند.

با ادغام نانوفناوری و زیست فناوری، می توان دستگاه های تشخیصی بسیار کارآمدتری تولید کرد. همچنین با تولید ابزارهای رهایش کنترل شده دارو، مواد کنتراست زا (Contrast Agents) و  ابزارهای تحلیلی و درمانی کمک شایانی به پیشرفت این حوزه کرد. فعالیت هایی که در حوزه نانوبیوتکنولوژی و نانوپزشکی انجام می گیرد را می توان در دو گروه زیر طبقه بندی کرد.

• نظارت، کنترل، ساخت، تعمیر، دفاع و بهبود همه سیستم های بیولوژیکی انسان. این موارد از مقیاس مولکولی آغاز شده و با استفاده از دستگاه ها و ساختارهای نانو، مهندسی می شوند.
• دانش و تکنولوژی تشخیص، معالجه و پیشگیری از بیماری ها و آسیب ها، تسکین درد و حفظ و بهبود سلامت انسان با استفاده از ابزارهای مولکولی و دانش مولکولی بدن انسان.

صنعت خودرو

صنعت خودرو یکی از مصرف کنندگان عمده فناوری های نوظهور مانند نانوتکنولوژی است. این فناوری شاید به تنهایی به عنوان پیشران اصلی صنعت خودرو نقش ایفا نکند، اما عملکرد فناوری های موجود را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد.

افزایش کیفیت رنگ ها، تولید پیل های سوختی، انواع باتری، لاستیک های مقاوم در برابر سایش، مواد سبک تر و مستحکم تر و ایجاد لایه های ضد نور نازک برای پنجره ها و آینه ها تنها بخشی از کاربردهای نانو فناوری در صنعت خودرو هستند.

صنایع غذایی  

با استفاده از مفاهیم و رویکردهای مهندسی جدید که شامل نانومواد می شود، پیشرفت های زیادی در صنایع غذایی و کشاورزی اتفاق افتاده است. هدف اصلی در این حوزه، محافظت و کنترل ترکیبات زیست فعال و ریزمغذی است.

در مقایسه با مواد سابقی که در برای بسته بندی و کپسوله سازی مواد غذایی استفاده می شدند، نانومواد خواص بسیار بهتری از خود نشان می دهند. توسعه انواع امولسیون، لیپوزوم، مایسل، کمپلکس های بیوپلیمر و کوبوزوم ها در مقیاس نانو منجر به بهبود محافظت از ترکیبات زیست فعال شده است.

فناوری نانو همچنین توانایی بهبود گروه خاصی از فرایندهای غذایی را دارد که از آنزیم ها برای تغذیه و بهبود سلامت استفاده می کنند. می دانیم که آنزیم ها اغلب به مواد غذایی اضافه می شوند تا اجزای ضد مغذی را هیدرولیز کنند. از این طریق دسترسی به مواد مغذی ضروری مانند مواد معدنی و ویتامین ها را افزایش می دهند.

برای این که این آنزیم ها فعال، ماندگار و مقرون به صرفه باشند، می توان از نانوذرات استفاده کرد. به دلیل نسبت سطح به حجم زیاد در این ذرات، سیستم های پشتیبانی آنزیمیِ بسیار بهتری تولید خواهد شد.

صنعت هوافضا

فناوری نانو نقش مهمی در ماموریت های فضایی آینده خواهد داشت. یکی از موضوعات تحقیقاتی جذاب در این حوزه، توسعۀ پیشرانه الکتریکی (EP) است. پیشرانه الکتریکی گسیل میدانی (FEEP)، سیستم های رانش کلوئیدی (Colloid Thruster) و سیستم های گسیل میدانی رانشی (FET) از مهم ترین پیشرانه های فضایی در این حوزه هستند.

سیستم های EP مبتنی بر نانوتکنولوژی، به طور قابل توجهی وزن پیشرانه را در مقایسه با موشک های شیمیایی معمولی کاهش می دهند. همچنین اجازه می دهند ظرفیت حمل بار (payload capacity) افزایش یافته و جرم پرتاب (launch mass) کاهش یابد.

این نوع پیشرانه های الکتریکی با موفقیت به عنوان سیستم های پیشران اولیه ماموریت های NASA’s Deep Space 1 ، HAYABUSA ژاپن و SMART-1 ESA استفاده شده اند.

نانوآرت (Nanoart)

نانوآرت یک رشته هنری بدیع است که به فناوری و علم نانو مربوط می شود. این رشته هنری ساختارهای طبیعی یا مصنوعی دارای ویژگی های نانومتری را به نمایش می گذارد. این ساختارها با روش های آنالیز و شناسایی مواد مشاهده می شوند.

استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی در این زمینه هنری بسیار مرسوم است. البته بسیاری از تصاویر و فیلم های دو یا سه بعدی حاصل از نانوساختارها، قبل از نمایش دستکاری می شوند. یعنی برای جذابیت هنری بیشتر، با نرم افزارهای طراحی مختلف مانند فتوشاپ پردازش می شوند و سپس به مخاطبان عمومی ارائه می شوند.

علاوه بر آشنایی مردم با مواد نانومقیاس، هدف مهم دیگر نانوآرت، پیشرفت در سنتز و دستکاری نانومواد است. موزه هنر شهر لس آنجلس، در سال 2003 میزبان نمایشگاه عکس های مسابقات آنلاین NANO 2003 بوده است. عکس های بسیار زیبایی از نانوذرات در این نمایشگاه ارائه شد.

در همین راستا، مسابقات Nanomandala نیز در سال های 2004 و 2005 در نیویورک و رم توسط «ویکتوریا وسنا» و «جیمز گیمزفسکی» آغاز شد. یک نمونه بارز از نانوآرت، فیلم یک پسر متحرک و اتم اوست. این انیمیشن استاپ موشن، در سال 2012 توسط موسسۀ IBM Research با به هم پیوستن 242 تصویر در ابعاد 45 × 25 نانومتر ایجاد شد. این تصاویر با میکروسکوپ تونل زن روبشی تهیه شده بودند.

این فیلم که A Boy and His Atom نام دارد، داستان پسر و اتمی را روایت می کند که با هم ملاقات کرده و دوست می شوند. این فیلم در جشنوارۀ آنلاین فیلم Tribeca پذیرفته شد و در نشست فناوری نیویورک و جشنواره جهانی علوم به نمایش درآمد.

ساخت لوازم خانگی

در آینده ای نزدیک، با به کارگیری نانومواد در ساخت مبلمان، می توان به کاهش نیاز به چسب، بافت های پلاستیکی و منسوجات این چنینی کمک کرد. برخی از شرکت های پیشرو هم این نوید را می دهند که انتظار دیدن مبلمان هوشمند (Smart Furniture) را داشته باشید!

این مبلمان در هنگام سرما توانایی گرم کردن خود را دارند. هنگامی که خورشید شدیدا می درخشد، مات می شوند و صاحب خانه با فشردن دکمه رنگ آن ها را تغییر می دهد یا شکل آن ها را در موقع نیاز تغییر می دهد!

البته بسیاری از وسائل خانگی که در ارتباط با نانوتکنولوژی هستند، همین حالا هم تجاری شده اند. در سال های اخیر، نوعی مبلمان به فروش رسیده است که عملکردهای اصلی بدن را اندازه گیری می کند. همچنین تزئینات داخلی دارای پوشش های ضد باکتری هم اکنون در بازار موجودند.

طرح های جدیدی نیز در راستای استفاده از نانومواد خود ترمیم شونده، برای ترمیم خراش ها و آسیب های جزئی روی مبلمان داخلی ارائه شده است که تا سال های آینده به تولید انبوه خواهند رسید.

ساخت تجهیزات جنگی

تحقیقات اخیر در مورد سلاح های نانوتکنولوژیکال بر روی تجهیزات دفاعی پیشرفته تمرکز دارند. اغلب این تحقیقات با هدف سبک، انعطاف پذیر و بادوام تر کردن مواد و ابزارهای نطامی انجام می گیرند. یکی از موسسات رسمی در این حوزه انستیتوی نانوفناوری نظامی (ISN) است که با مشارکت ارتش ایالات متحده و دانشگاه MIT احداث شده است.

یکی از اولویت های مهم ISN تولید زره هایی خاص برای محافظت سربازان در برابر آسیب های انفجار یا شوک مهمات جنگی است.

در این لباس ها از نانوسنسورهای مهندسی شده نیز استفاده می شود. سنسورهایی که برای تشخیص مواد شیمیایی سمی و البته شناسایی مسائل پزشکی شخصی مانند خون ریزی و شکستگی به کار می روند. این لباس ها با نانو مواد پیشرفته مانند نانولوله های کربنی بافته شده در میان الیاف لباس تقویت شده اند.

یکی دیگر از فناوری های مهم در بخش نظامی، تولید نانو پوشش های سرامیکی سل-ژل است. این پوشش ها با هدف محافظت فلزات در برابر سایش، شکستگی، رطوبت و دمای بالا تولید می شوند. اغلب پژوهش های نظامی فعلی با موضوع پوشش ها، بر حل مسائل دوام متمرکزند.

ساختمان سازی

همان طور که انتظار می رود، نانو تکنولوژی تأثیر قابل توجهی در بخش ساخت و ساز داشته است. بهبود دوام و افزایش عملکرد اجزای ساختمانی، بهره وری انرژی و ایمنی ساختمان ها، ماندگاری سازه ها و ایجاد راحتی بیشتر در زندگی اهداف اصلی فناوری نانو در زمینه عمران به شمار می روند.

مهندسی نانو مواد مبتنی بر سیمان، می تواند به ایجاد خصوصیات برجسته و هوشمندی منجر شود. ورود فناوری نانو به صنعت سیمان، توانایی مقابله با برخی از چالش ها مانند انتشار CO₂، مقاومت ضعیف در برابر ترک، زمان پخت طولانی، مقاومت کششی کم، جذب آب زیاد، شکل پذیری کم و بسیاری دیگر از عملکردهای مکانیکی را بهبود ببخشد.

28

دقیــقه مطالعه

سیمان (انواع ، روش های تولید ، نکات خرید)

بدون شک تاکنون با سیمان کار کرده و یا حداقل آن را دیده اید. ماده‌ی چسبنده ای که ...

تولید لوازم آرایشی و بهداشتی

کاربردهای فناوری نانو و نانو مواد را می توان در بسیاری از محصولات آرایشی از جمله مرطوب کننده ها، محصولات مراقبت از مو و ضد آفتاب ها مشاهده کرد. اولین مورد استفاده از نانوذرات در این حوزه، استفاده به عنوان فیلترهای UV بوده است. دی اکسید تیتانیوم (TiO₂ و اکسید روی (ZnO)) ترکیبات اصلی مورد استفاده در این محصولات بوده اند که امروزه جایگزین های آلی برای این آن ها تولید شده اند.

شکل زیر پوستر تبلیغاتی یک محصول پوستی از کمپانی Lumiwill را نشان می دهد. این برند از اولین برندهایی بود که با شعار استفاده از نانوتکنولوژی به فروش زیادی در عرصه محصولات آرایشی و بهداشتی دست یافت.

تجهیزات ورزشی

فناوری نانو مزیت ها و پتانسیل های زیادی برای بهبود تجهیزات ورزشی ایجاد کرده است. این مزیت ها باعث می شود ورزشکاران ایمن تر، راحت تر و چابک تر باشند. اگر سری به سایت های فروش تجهیزات ورزشی بین المللی بزنید، خواهید دید که بسیاری از این تجهیزات به وسیله نانومواد بهبود یافته اند.

چوب بیس بال، راکت های تنیس و بدمینتون، چوب هاکی، دوچرخه های مسابقه ای، توپ و چوب گلف، اسکیت و میله ماهیگیری تنها بخشی از تجهیزات ورزشی هستند که با کمک نانو تکنولوژی عملکرد و دوام آن ها بهتر شده است.

دستگاه های ارتباطی

نانوابزارهای ارتباطی به دلیل مصرف کمتر انرژی، وزن سبک تر، بازدهی انرژی بالاتر و همچنین تولید ارزان تر، اهداف ارتباطاتی را تا حد زیادی تسهیل می کنند. ساخت ابزارهایی مانند دوربین های نظارتی میکروچیپ، اشعه های میکرو آنتن (Micro Antenna Rays)، ابزار شناسایی از راه دور، دستگاه های مجهز به آرایه های صوتی، گیرنده های GPS میکرو و دیگر ارتباطات بی سیم پیشرفته با استفاده از فناوری نانو محقق شده است.