نانو تکنولوژی
نانوتکنولوژی چیست؟ نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند. یک نانومتر چقدر است؟ یک نانومتر یک میلیاردم متر (۹-m 10) است. این مقدار حدوداً چهار برابر قطر یک اتم است.
مکعبی با ابعاد ۵/۲ نانومتر ممکن است حدود ۱۰۰۰ اتم را شامل شود. کوچکترین IC های امروزی با ابعادی در حدود ۲۵۰ نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم، حدود یک میلیون اتم را در بردارند.
در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه ای حدود ۱۰ نانومتر، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است. امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman)، برنده جایزه نوبل فیزیک، مطرح شد. فین من طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال ۱۹۵۹ اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیز ها را رد نمی کند.
وی اظهار داشت که می توان با استفاده از ماشین های کوچک ماشین هایی به مراتب کوچک تر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد. همین عبارت های افسانه وار فاینمن من راهگشای یکی از جذاب ترین زمینه های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روبوت هایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشین هایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند ، هر دانشمندی را به وجد می آورد.
در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روبوت ها یا ماشین های مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی درمی آیند. شاید در آینده ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر، تختخوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.
چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟ خواص موجی شکل (مکانیک کوآنتمی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارایی بالا منتهی می شود که پیش از این میسر نبود.
نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرارداده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم.
در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پرقدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرایندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد. ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانوذرات و نانولایه ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده ال می سازد. سرامیک های نانوساختاری غالباً سخت تر و غیرشکننده تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند.
کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می کنند. وسایل الکترونیکی جدید، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می توانند با کنترل واکنش ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.
منافع نانوتکنولوژی چیست؟
مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از:
لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده اند، شیشه هایی که خودبخود تمیز میشوند, مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده اند،ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان سازها, هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و …
قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از : ۱-محصولات خوداسمبل ۲-کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی ۳-اختراعات بسیار جدید ( که امروزه ناممکن است) ۴- سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه ۵- نانوتکنولوژی پزشکی که درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد. ۶- دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا ۷-احیاء و سازماندهی اراضی و …
نانو تکنولوژی در جهان
دنیای تکنولوژی همیشه در حال تغییر و تحول بوده است، اما بعضی از این تحولات تنها در یک زمینه خاص از تکنولوژی نیست بلکه حوزه وسیعی از تکنولوژیها را شامل می‌شود. صاحبنظران معتقدند، نانوتکنولوژی از جمله این تحولات را رقم خواهد زد و از این رو، رقابت سختی بین کشورها بر سر آن به وجود آمده است.
«ام. س. روکو» مشاور ارشد نانوتکنولوژی بنیاد ملی علوم و رییس کمیته فرعی علوم، مهندسی و فناوری نانو(NSET)، وابسته به شورای ملی علوم و فناوری امریکا مستقر در ریاست جمهوری، طی مقاله‌یی چشم‌انداز آینده نانوتکنولوژی و فضای تحقیق و توسعه حاکم بر آن در جهان را تبیین می‌کند. در ادامه، چکیده این مقاله و نکات برگزیده آن آورده شده است که می‌تواند در فرصتی کوتاه آشنایی کلی با وضعیت نانوتکنولوژی در جهان را ایجاد کند.
بر مبنای گزارشهای رسیده از سازمانهای دولتی در کشورهای مختلف، میزان سرمایه‌گذاری آنها در تحقیق و توسعه نانوتکنولوژی در جهان، بین سالهای ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۱، ۵\۳ برابر افزایش یافته که بیشترین افزایش مربوط به سال ۲۰۰۱ با نرخ ۹۰درصد است. امروزه دانشمندان به شبکه گستردهای از اکتشافات وارد شده‌اند، به گونهای که نمی‌توان عرصه‌هایی را در علوم فیزیک، زیست‌شناسی و مهندسی دست نخورده دانست.
صنعت دریافته است که نانو تکنولوژی مزیت رقابتی ایجاد خواهدکرد و تخمین زده می‌شود تا ۱۰ الی ۱۵ سال آینده، تولید سالانه صنعتی نانوتکنولوژی در سطح جهان به یک تریلیون دلار خواهد رسید. که این میزان تولید به حدود ۲ میلیون نیروی انسانی شاغل در زمینه نانوتکنولوژی نیاز خواهد داشت. امریکا توسعه پایه‌های علوم و مهندسی را با راهبردی چندرشته‌یی از طریق برنامه پیشگامی ملی نانوتکنولوژی آغاز کرده است و ژاپن و اروپا برنامه‌های گسترده‌یی دارند و طرحهای فعلی آنها برای ۴ تا ۵ سال آینده برنامه‌ریزی شده‌اند.
کشورهای دیگر، حوزه‌های دارای پتانسیل خود را ترویج کرده اند و تفاوت میان کشورها، در زمینه «حوزه‌های تحقیق»، «سطح تلفیق برنامه‌ها با بخش‌های مختلف صنعت» و «مقیاس زمانی هدفهای تحقیق و توسعه» است. نانو تکنولوژ پتانسیل بهبود کارایی انسان، توسعه پایدار مواد، آب، انرژی و غذا، محافظت از باکتریها و ویروس‌های ناشناخته و حتی کاهش عوامل بهم زدن نظم عمومی را دارد و توسعه این عرصه، پیش شرطی برای پیشرفت سایر فناوریهای کلیدی از جمله بیوتکنولوژی و انقلاب دیجیتال است.
تقریبا هیچ حوزه مهمی از شبکه تحقیق و توسعه مقیاس نانو دست نخورده باقی نمانده است و دیگر این سوال مطرح نیست که آیا نانوتکنولوژی توسعه می‌یابد یا خیرأ بلکه این سوال مطرح است که چه کسی در هر عرصه پیشتاز خواهد بود؟ در واقع انتظار می‌رود در ۱۰ الی ۱۵ سال آینده به سبب رشد و توسعه نانو تکنولوژی، تغییرات چشمگیر علمی، فناوری و اجتماعی ایجاد شود.
نانو تکنولوژی به زبان ساده
تخمین زده شده است که تولیدات نانوتکنولوژی در ۱۰ الی ۱۵ سال آینده به یک تریلیون دلار برسد. اگر تصور کنیم حداکثر برای تولید نیم میلیون دلار نیاز به یک متخصص باشد، پیش‌بینی می‌شود ۲ میلیون نفر در این زمینه مورد نیاز باشد. به نظر می‌رسد دانش فنی و محصولات نانوتکنولوژی در همین برهه زمانی )۱۵ ۱۰سال آینده(، رفته رفته به زندگی روزانه ما وارد شود. این زمان، اگر آن را با فناوری اطلاعات مقایسه کنیم، زمان نسبتا کوتاهی است. در مورد نانوتکنولوژی، عبارت «از دست ندادن قطار فعلی» در شرکتهای بزرگ و بعضی کشورها مطرح شده است.
«قطار رفته» به فرصتهای اخیر در عرصه‌هایی چون ژنتیک، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاعات اشاره دارد. اینک همیاری میان حوزه‌های همگرا، نقش موثری در تولد و رشد فناوریهای جدید ایفامی کند و به نظر می‌رسد این همگرایی از مقیاس مولکولی در حال شروع شدن است. تشخیص اینکه نانوتکنولوژی روندی کلیدی در علم و فناوری قرن بیست‌ویکم است،
در سالهای ۱۹۹۷ و ۱۹۹۸ اتفاق افتاد. کلینتون رییس جمهور وقت امریکا، اولین برنامه ملی نانوتکنولوژی را با مشارکت دستگاه‌های کلیدی دولت، بخش خصوصی و دانشگاه در ژانویه ۲۰۰۰ اعلام کرد و این برنامه محرک فعالیتهای دیگر کشورها شد. در سال ۲۰۰۱ تقریباص همه کشورهای توسعه یافته برنامه‌های مورد نیاز توسعه نانو تکنو لوژی خود را تدوین کرده بودند یا در شروع آن بودند.
چندین کشور، استفاده از دفاتر هماهنگ کننده ملی را مشابه شورای ملی علوم و فناوری امریکا اقتباس کردند. در سال ۲۰۰۱ بیشتر از ۳۰ کشور در عرصه نانوتکنولوژی در سطح ملی دارای فعالیت یا برنامه هستند.
سرمایه‌گذاری‌های دولتی در علوم و فناوری نانو بین سالهای ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۱، بیشتر از ۳ برابر شده است. در آسیا برنامه‌های در حال رشدی در ژاپن، چین، کره جنوبی، تایوان و سنگاپور وجود دارد و در این زمینه فعالیتها و توافقنامه‌های مهم بین المللی افزایش یافته‌اند. به عنوان مثال موافقتنامه‌هایی بین بنیاد ملی علوم امریکا و اتحادیه اروپا، APEC، روسیه و چین و همچنین ایالتهای نیویورک امریکا و کبک کانادا امضا شده است. از بین فرصتهای بسیار گسترده تحقیق و توسعه، کشورهای مختلف با توجه به تجربه و نیازهای‌شان، حوزه‌هایی را برای توسعه انتخاب کرده‌اند.
یک چالش اصلی برای پیشرفت نانوتکنولوژی، آموزش و تعلیم نسل جدید نیروهای کار ماهر با گرایش چند رشته‌یی است. چالشهای علمی و فنی مشترکی نیز وجود دارد که بین کشورها مشترک است و به دلیل اهداف بزرگ انسانی مورد توجه قرار می‌گیرند. به گفته کارشناسان، انتظار می‌رود مقاله‌های تحقیق و توسعه مشترک بین‌المللی در سالهای آینده افزایش یابند.
نانوتکنولوژی با دیگر حوزه‌های تحقیقات دارای وجوه مشترکی است، نه اینکه جایگزین آنها باشد. درحالی که محققان منفرد و گروههای کوچکتر تحقیقاتی، بخش زیادی از تحقیق و توسعه مقیاس نانو را انجام می‌دهند، مراکز تحقیقاتی بزرگتر نقش اساسی در توسعه موضوعات مهم و ایجاد مشارکتها ایفا می‌کنند. این مراکز باعث همگرایی بلندمدت، فعالیت بین رشته‌یی و همچنین گردهم آمدن افرادی با تجربیات و ابزارهای مختلف مورد نیاز توسعه نانوتکنولوژی میشوند.
بخش اعظم مراکز مهم نانوتکنولوژی در سراسر جهان در یک سال اخیر تاسیس شده است. علاوه بر انقلاب دیجیتال و زیست شناسی جدید ، نا نو تکنو لوژی به عنوان یک روند کلیدی علم و فناوری در دهه‌های آینده مورد توجه قرار گرفته است و در این حوزه، اکتشافات بیشتری نسبت به دو حوزه دیگر اتفاق می‌افتد.
فناوریهای نانو، بیو و اطلاعات با همیاری بزرگی با دیگر علوم رشد خواهند کرد. همگرایی علوم در جهان به سوی ابعاد نانو خواهد بود. تحقیق و توسعه علوم و مهندسی مقیاس نانو، عمدتاص در مرحله پیش رقابتی است. همکاری بین‌المللی در تحقیقات بنیادی، چالشهای فنی بلندمدت، علم‌اندازه‌گیری، آموزش و مطالعه اثرات اجتماعی این فناوری، نقش مهمی در تکوین و رشد این عرصه خواهد داشت.
مقیاس نانو پتانسیل تبدیل شدن به کارآمدترین مقیاس طولی ساخت و تولید را دارد. صنعت و گروههای تجاری دریافته‌اند که نانوتکنولوژی، باعث تغییر ذهنیت عمومی (PARADIGM Shift) در اقتصاد می‌شود. این فناوری بزودی تغییرات شگرفی را در تمام عرصه‌ها ایجاد خواهد کرد.