دانلود مقاله فناوری نانو چیست؟

علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند که بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شباهت به تنکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های امروزی نانو نیست.

پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی، شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند.

اولین بار ریچارد فیمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازی فرایندی برای دستکاری اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهای دقیق سبب شده تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند.

در سال 1974، پروفسور نوریو تانیگوشی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوری نانو" را بکار گرفت.

او در مقاله ای با نام "مفهوم اساسی فناوری نانو" اشاره می کند که فناوری نانو اساسا مجموعه ای از فرایندهای تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است.

در دهه 1980 ایده یاین تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب های موتور خلقت) مورد بررسی قرار گرفت.

فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونلی پیمایشی آغاز به کار کرد.

این توسعه سبب کشف فلورین در سال 1986 و نانولوله های کربنی در مدت چند سال بعد شد.

تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانوکریستالهای نیمه هادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی نقاط کوانتوم گردید.

میکروسکوپ نیروی اتمی 5 سال بعد از میکروسکوپ تونلی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد.

فناوری نانو یک زمینه بین رشته ای است که در محدوده علوم کاربردی مختلفی نظیر فیزیک، مواد، الکترونیک و غیره وارد شده است.

فناوری نانو خود به تنهایی علم نیست بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد.

فناوری نانو به سه صورت تعریف می شود:
1- فناوری نانو محدوده تحقیقات و مطالعه مواد و خصوصیات آنها در محدوده 1- 100 نانومتر را در بر می گیرد.

2- با کمک فناوری نانو ساختارهای نانویی می توان خلق کرد که خصوصیات آنها با ساختارهای ماکروسکوپی همان مواد متفاوت است.

3- با کمک فناوری نانو می توان در اتمها از طریق کنترل خصوصیات تغییراتی ایجاد کرد.

زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند واکنش های و رفتار اتمها در مقایسه با حالتی که مطالعه در سطح مولکولی انجام می شوند کاملا متفاوت است چرا که در این قلمرو خصوصیات فیزیکی مواد تغییر می کند این درست مانند این است که در توپی را در محفظه ای بیندازید و توپی دیگری را از آن محفظه بیرون آورید.

تفاوت در قلمرو نانو به اندازه ای است که حتی رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات شیمیایی و غیره مواد در خارج از این محدوده کاملا متفاوت است.

در فناوری نانو برای ساخت دو روش در نظر گرفته می شود: روش ساخت پایین به بالا و روش ساخت بالا به پایین.

در روش ساخت پایین به بالا، وسایل و مواد از سطح مولکولی بر اساس اصول شیمی مولکولی ساخته می شوند درست مانند یک دیوار که از روی هم گذاشتن آجر به آجر ساخته می شود.

در روش ساخت بالا به پایین، اشیاء نانویی بدون کنترل اتمی در مقادیر بزرگتر ساخته می شوند به این طریق که در ساخت آنها از تجهیزات پیشرفته این فناوری مانند میکروسکوپ اتمی و میکروسکوپ تونلی پیمایشی استفاده می شود تا فرایند دستکاری و ایجاد پدیده ها و خصوصیات جدید در اشیاء نانویی ظهور یابند.

امروزه فناوری نانو در ساخت پلیمرهایی با ساختار مولکولی، طراحی تراشه های کامپیوتری کاربرد دارد.

همچنین از این فناوری در ساخت مواد آرایشی، انواع پوشش ها و روکش های محافظتی و لباسهای مقاوم نیز استفاده می شود.

نانو فناوری چیست فرض کنید که یک جعبه از آجرک‌های ساختمان سازی در اختیار دارید، مثل این: و می خواهید با آن یک دیوار به ارتفاع 10 سانتی متر بسازید.

برای ساختن دیوار چند راه مختلف دارید: راه اول: می توانید آجرک‌ها را همین طوری روی هم بریزید تا یک پشته ده سانتی متری درست شود.

دراین حالت دیوار شما کاملا بی نظم و غیر یکنواخت است.

مثلا ضخامت دیوار در قسمتهای پایینی خیلی بیشتر از قسمتهای بالایی است.(تصویر شماره یک): تصویر شماره 1 راه دوم: ممکن است کمی حوصله به خرج دهید و آجرک‌ها را چندتا چندتا به هم وصل کنید.

مثلا قطعاتی به اندازه جعبه کبریت بسازید و بعد این قطعات را همین طوری روی هم بریزید تا یک پشته 10 سانتی متری درست بشود، این بار هم دیوار شما بی نظم و غیر یکنواخت خواهد بود؛ اما به طور قطع از دیوار قبلی منظم تر و قدری هم خوش قیافه‌تر است.(تصویر شماره 2) تصویر شماره 2 راه سوم:اگر خیلی آدم صبور و باحوصله ای باشید، آجرک‌ها را دانه به دانه به هم متصل تا یک مستطیل به ارتفاع ده سانتی متر بسازید.

این دیوار کاملا یکدست و منظم خواهد بود.

به عنوان مثال اگر از وسط آن را بشکنید، هرکدام از نصفه دیوارها نظم اولیه خود را حفظ خواهد کرد.(تصویر شماره 3) تصویر شماره 3 حالا به تصویر شماره 4 نگاه کنید، به نظر شما این تصویر شبیه کدامیک از دیوارها است؟

فکر می‌کنم در این مورد شما هم با من موافقید، بله!

تصویر شماره 4 بیش از همه به دیوار دوم شبیه است.

حتما می پرسید که تصویر شماره 4 چه چیزی را نشان می‌دهد؟

باید بگویم که این تصویر، عکس واقعی سطح یک میله مسی کاملا صیقل داده شده در زیر میکروسکوپ است!

اگر سطح یک فلز را خوب صیقل دهیم، بعد آن را به خوبی بشوییم، و سپس زیر میکروسکوپ بگذاریم چنین ساختاری را مشاهده خواهیم کرد.

(البته نه به این وضوح!) به هرکدام از چندضلعی‌های تصویر، یک «دانه» می گوییم.

هر دانه در واقع مجموعه ای از هزاران اتم فلز است که به طور منظمی کنار هم قرار گرفته اند.

هرکدام از این اتمها قطری در حدود «یک نانومتر» یعنی یک میلیاردیم متر دارند.

تصویر شماره 4 خوب، حال بگذارید که تشابه بین دیوارهای شما و سطح فلز را بررسی کنیم: آجرهای ساختمان سازی مانند اتم ها هستند و قطعات به اندازه جعبه کبریت در دیوار دوم هم مانند دانه ها.

در واقع اتمهای درون یک دانه مانند آجرک‌های یک قطعه به هم متصل شده اند.

اما دیوار سوم شبیه چیست؟

از یک نظر می توان گفت که دیوار سوم شبیه یک تصویر بزرگ از درون یکی از دانه ها است.

اما آیا در عمل می توانیم فلزی داشته باشیم که همه اتمهای آن مانند دیوار سوم به شکل منظم به هم متصل شده باشند؟

یعنی همه سطح فلز یکدست باشد نه اینقدر تکه تکه ونامنظم؟

باید دانست که تا چند سال پیش نه تنها هیچ فلزی، بلکه هیچ ماده مصنوعی هم وجود نداشت که در ابعاد بزرگ، حتی مثلا در ابعاد چند میلی متر در چند میلی متر، یکدست و منظم باشد.

فکر می کنید چرا؟

دلیلش این است که ما انسانها در بیشتر مواقع، وقتی می خواهیم یک جسم جدید بسازیم، آن را از روش ساختن دیوار اول درست می کنیم!

شاید روش ساختن یک قطعه فلزی را در تلویزیون دیده و یا در کتابی خوانده باشید: "ابتدا فلز را ذوب می کنیم و بعد به وسیله ظرفهای مخصوصی فلزمذاب را درقالب قطعه مورد نظر می ریزیم." این کار دقیقا مانند ساختن دیوار به روش اول است؛ کاملا کیلویی!!!

حتی همان دانه هایی هم که در تصویر 4 دیدید، به طورطبیعی و بدون دخالت انسان ایجاد می شوند و ما در اکثر روشهای معمولِ ساختنِ چیزها، توانایی نظم دادن و یا شکل دادن به اتمها در ابعاد کوچک را نداریم.

البته باید به این نکته هم اشاره کرد که در بسیاری از کاربردها، به موادی شبیه به دیوار اول یا دوم نیاز داریم.

برای مثال فلزات که ساختاری شبیه به دیوار دوم دارند (مثل مسی که عکسش را دیدید)، قابلیت چکش خواری و شکل پذیری بیشتری از خود نشان می دهند.

اما در چند سال اخیر روشهایی ابداع شده اند که به ما اجازه می دهند که اتم ها و مولکول ها (آجرک ها) را به طور منظم وبه دلخواه خودمان به هم متصل کنیم.

دانشمندان این روشهای جدید را «نانوفناوری» نامیده اند.

به تصویر شماره 5 توجه کنید.

تصویر شماره 5 شاید در ابتدا، شکل 5، تصویر یک میله توپر به نظر برسد، اما این میله که قطر آن درحدود 0.3 میلی متر است، از هزاران رشته ایستاده کربن تشکیل شده است که قطر هرکدام در حدود چند نانومتراست.

این دسته رشته های منظم و یکسان برای اولین باردر حدود 10 سال پیش ساخته شدند و خواص و قابلیت های حیرت آور و متعددی دارند.

شاید بپرسید که چرا این روشهای جدید را "نانوفناوری" نامیده اند؟

جواب این است که در شیوه های فوق با ساختارهایی سروکار داریم که از تعداد کمی اتم و مولکول ساخته شده اند و اتمها و مولکولها هم ابعادی در حدود نانومتر دارند.

همانطور که می دانید خواص مواد به نوع اتمهای تشکیل دهنده آنها و نوع اتصال این اتمها به یکدیگر بستگی دارد.

بنابراین اگر بتوانیم این اتم ها را به شکل مورد نظر خودمان به هم متصل کنیم، مواد جدیدی با خواص و توانایی های مورد نظرمان، به دست آوریم؛ این کار، مهمترین هدف در نانوفناوری است.

مثلا می توانیم ماده ای بسازیم که هم خیلی محکم باشد و هم خیلی سبک و یا ماده ای که در ابعاد بزرگ هم یکدست و منظم باشد.

در این سایت مطالب مختلفی درباره نانوفناوری و کاربردهای آن خواهید یافت.

سرگرمی ها و فعالیت های مختلفی هم خواهید دید که می توانید با انجام آن ها نانوفناوری را بهتر بشناسید.

یادداشت: این مقاله با قدری تفاوت در مجله "کاوش، شماره دوم، آبان 1382" منتشر شده.

انتشار مجدد آن با اجازه مجله کاوش انجام گرفته است.

فناوری نانو چیست دیدگاه‌های ریچارد فاینمن، فیزیکدان برنده جایزه نوبل سال 1965، نقش بسزایی در پی‌ریزی علوم نانو داشته است.

او دیدگاه‌های خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با نام «در پایین‌دست فضای زیادی وجود دارد.» مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338).

در این سخنرانی پیش‌بینی‌های قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است.

متنی که می‌خوانید، ترجمه‌ای است از سخنرانی فاینمن و توضیحاتی که در مورد میزان تحقق آن پیش‌بینی‌ها داده شده‌اند.

1.

حوزه علوم نانو فاینمن: می‌خواهم حوزه‌ای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد.

این حوزه شبیه حوزه فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند نمی‌گوید.

بلکه بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده‌های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق می‌افتند، اطلاعات جالبی می‌دهد.

به علاوه، نکته‌ای که از همه مهمتر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است.

اشاره واقعیت این است که علوم نانو نگرشی بنیادی درباره جهان در مقیاس کوچک به ما نمی‌دهند.

نگرش بنیادی، پدیده‌های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح می‌دهد.

علوم نانو به مقیاس کوچک‌تر از اتم کاری ندارند.

در عوض، در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک‌ها و لپتون‌ها که حداقل ده مرتبه کوچک‌تر از اتم هستند ــ فیزیک بنیادی دستاوردهای خوبی دارد.

از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده‌های جدید می‌دهند.

در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهم‌کنشِ ساده بین اجزای تشکیل‌دهنده سیستم، خاصیت جدیدی در کلّ سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز می‌کند؛ چیزی که در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تا حدی مشاهده شده است.

بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفت‌های فناوری در آینده نزدیک می‌دهند.

2.

ساختن در مقیاس اتمی فاینمن: چیزی که می‌خواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است.

به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک‌سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز می‌گویند.

آنها از موتورهای الکتریکی‌ای به کوچکی ناخن انگشت سخن می‌رانند.

آنها می‌گویند وسیله‌ای وجود دارد که می‌تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد.

اما دنیای کوچک شگفت‌آورتری در پایین‌دست وجود دارد.

در سال 2000، وقتی به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب می‌پرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟

چرا ما نمی‌توانیم 24 جلد «دایره‌المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟

بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند.

پهنای سر سوزن یک میلی‌متر است.

اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همه صفحات «بریتانیکا» می‌شود.

بنابراین، تنها لازم است که اندازه‌های نوشته‌های دایره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم.

آیا چنین چیزی ممکن است؟

قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلی‌متر است که برابر