فناوری نانو چیست؟

● تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با کنترل سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می‌شود. نانوتکنولوژی، رشته‌ای جدید نیست، بلکه رویکردی جدید به تمام رشته‌هاست. نانوتکنولوژی، در حوزه‌های مختلفی نظیر: غذا، دارو، تشخیص پزشکی، بیوتکنولوژی، الکترونیک، رایانه، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی، کاربرد دارد. کاربردهای وسیع و پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی نانوتکنولوژی آن را به زمینه‌ای فرابخشی، تبدیل کرده است.
آزمایش و تحقیق در مورد نانوتکنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به‌طور جدی پیگیری شد، اما آثار معجزه‌آسا و باور نکردنی آن در روند تحقیق و توسعه، توجه همه کشورهای بزرگ را به خود جلب کرد. این امر، فناوری نانو را به یکی از مهم‌ترین اولویت‌های تحقیقاتی در دهه اول قرن بیست و یکم، تبدی کرد.
استفاده از فناوری نانو در علوم پزشکی، پتروشیمی، مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، رایانه‌های کوانتومی و غیره آن را به عنوان چالشی علمی و صنعتی برای جهانیان مطرح کرد. محققان، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در

مورد این موضوع، مشخص کنند و با برنامه‌ریزی علمی و دقیق به حضوری فعال و رقابتی سالم در این جایگاه روی آورند. طراحی برنامه‌ای منسجم، فراگیر و همه جانبه برای این منظور، اجتناب‌ناپذیر است.
● نانوتکنولوژی و کاربردهای آن
فناوری نانو، عنصری اساسی باری درک بهتر طبیعت در دهه‌های آینده خواهد بود. همکاری‌های تحقیقاتی میان رشته‌ای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت از جمله مزایای نانوتکنولوژی در آینده است. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به شرح زیر است:
۱) تولید، مواد و محصولات صنعتی
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزار خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقت کنترل شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگ‌تر، که دارای خواص و کارکرد منحصر به فرد باشند، انقلابی در مواد و فرایندهای تولید آنها، ایجاد می‌کند. محققان، ساختارهایی از مواد را ایجاد خواهند کرد که در طبیعت وجود ندارد و شیمی مرسوم، قادر به ایجاد آنها نیست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتند از: مواد سبک‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی، کاهش هزینه عمر کاری با کاهش دفعات نقص فنی، ابزار نوین بر پایه اصول و معماری جدید و به‌کارگیری کارخانه‌های مولکولی یا خوشه‌ای که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
۲) پزشکی و بدن انسان
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره کرده و مقیاسی را ایجاد می‌کند که شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی رایانه‌ای به آن سمت گرایش دارند.
نانوتکنولوژی، فراتر از استفاده بهینه از دارو، فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو[۱] تهیه می‌کند و توان درمانی داروها را به نحو حیرت‌انگیزی، افزایش می‌دهد.
مواد زیست سازگار با کارایی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها به دست می‌آیند. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را می‌توان نظیر اجزای فعال، برای اعمال نقش تشخیصی، (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی به کار می‌رود) درون سلول‌ها وارد کرد.
افزایش توان محاسباتی به وسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌کنند. این‌گونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاسته شده زیست سازگار در بدن و برای فرایند کشف دارو، الزامی هستند.
۳) دوام‌پذیری منابع کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک
نانوتکنولوژی تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و‌ آب ایجاد می‌کند و پساب و آلودگی را کاهش می‌دهد. همچنین فناوری‌های جدید، امکان بازیافت مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. نانوتکنولوژی، بر محیط زیست، تأثیری قابل توجه دارد. از آن جمله: ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی با کنترل انتشار آلاینده‌ها، توسعه فناوری‌های «سبز» جدید که محصولات جانبی کمتری دارند. نانوتکنولوژی، توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی را در مناطق بزرگ‌تر دارد.
نانوتکنولوژی می‌تواند کارایی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار دهد مصرف آن را کاهش دهد. برای مثال، شرکت‌های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجرای فلزی بدنه خودروها باشد. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت‌ها سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی در مصرف بنزین، ایجاد می‌کند.
فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده، تغییرات عمده‌ای خواهد داشت. نیمه هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید خواهد شد. تقریباً ۲۰ درصد از کل برق تولیدی امریکا، صرف روشنایی (چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود، اما مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌های نانوتکنولوژی، مصرف جهانی را بیش از ۱۰درصد کاهش می‌دهد و سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار، صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن، کاهش انتشار کربن را به همراه دارد.
۴) هوا و فضا
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و ارسال فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌کند. مواد و ابزار نانوساختاری، امیدهایی را برای حل این مشکل، ایجاد کرده است.
«نانو ساختن[۲]، طراحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و سکوهای اکتشافی سیاره‌ای یا خورشیدی، فراهم کرده است. استفاده روزافزون از سیستم‌های کوچک شده خودکار به پیشرفت‌های شگرف در فناوری ساخت و تولید می‌انجامد. توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو که ساخت آنها در زمین ممکن نیست در فضا میسر خواهد شد.
۵) امنیت ملی
برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارتند از: تسلط اطلاعاتی با نانوالکترونیک پیشرفته به عنوان قابلیتی مهم و نظامی، امکان آموزش مؤثر نیرو به کمک سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده و به دست آمده از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارایی خودروهای نظامی، دستیابی به کارایی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) در صحنه‌های نظامی، کاهش نقص فنی و هزینه در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در شناسایی و مراقبت از عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طراحی در سیستم‌های کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزار نانو و میکرومکانیکی برای کنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مکمل یکدیگرند. کاربردهای درازمدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملی خواهد بود.
۶) کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
نانوتکنولوژی، ذخیره اطلاعات را در مقیاس فوق‌العاده کوچک، ممکن می‌کند. فناوری نانو، ظرفیت ذخیره اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش می‌دهد و در نهایت، ابزار ابرمحاسباتی کوچکی به اندازه ساعت مچی، ساخته خواهد شد.
اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ ربع برسد، ذخیره ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در هارد دیسکی با ابعاد یک کارت اعتباری، ممکن خواهد شد.
ساخت تراشه‌ها در اندازه‌هایی کوچک نظیر ۳۲ تا ۹۰ نانومتر و یا تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه‌های کوچک از جمله این موارد است.

● تاریخچه فناوری نانو در جهان
۴۰ سال پیش، Richard Feynman متخصص کوانتوم نظری و دارند جایزه نوبل، بعد رشد نیافته علم مواد را بررسی کرد. وی در کنفرانس معروف خود عنوان «آن پایین فضایی بسیار وجود دارد»[۳] گفت: «اصول فیزیک، تا آنجا که من آن را می‌فهمم، برخلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی‌زند» او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان چگونگی ساخت ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاس‌های کوچک، فرا گرفته‌اند. پس ما می‌توانیم آنها را کوچک و کوچک‌تر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی خود در لبه‌های نامعلوم کوانتوم، نزدیک خواهند بود به گونه‌ای که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار می‌دهیم که بتوانیم کوچک‌ترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم. با استفاده از این فرم‌های بسیار کوچک چه وسایلی را ایجاد خواهیم کرد؟
Feynman ذر ذهن خود «دکتری مولکولی» تصور کرد که صدها بار از سلولی منحصر به فرد، کوچک‌تر است و به بدن انسان تزریق می‌شود. این دکتر مولکولی، درون بدن برای انجام کاری، تأیید سلامتی سلول‌ها، انجام اعمال ترمیمی و نگهداری بدن در سلامت کامل، سیر می‌کند. در بحبوبه؟؟؟ سال‌های صنعتی، واژه «بزرگ» اهمیتی ویژه داشت. حتی رایانه‌ها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال می‌کردند. زمانی که Feynman، نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان به سوی کوچک شدن، گام برداشت.
تفکرات Marvin Minsky به اندیشه‌های Feynman قوت بخشید. Minsky، پدر پاینده هوش‌های مصنوعی دهه ۷۰-۱۹۶۰، جهان را در تفکرات مربوط به آینده، رهبری می‌کرد. Eric Drexler در اواسط دهه ۷۰ Minsky را استاد راهنمای پایان‌نامه خود انتخاب کرد. Drexler به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقه‌مند شده بود و می‌خواست مورد توانایی آنها را بررسی کند. Drexler در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم رایانه دریافت کرده و انجمنی از دانشجویان را به دور خود جمع کرده بود. او افکار جوانان را با «نانوتکنولوژی» مشغول کرده بود. Drexler اولین مقاله خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) در ۱۹۸۱ ارائه داد. او کتاب Engin Of Creation: The coming era of Nanotechnology را در ۱۹۸۶ چاپ کرد. Drexler درجه دکترای نانوتکنولوژی را در ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دریافت کرد. او پیشروی طرح نانوتکنولوژی و هم‌اکنون رئیس انستیتو Foresight و Research Fellow است.
● تعیین بودجه‌های کلان در کشورهای صنعتی برای تحقیقات در زمینه نانوتکنولوژی
بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه، برنامه‌هایی را در سطح ملی برای پشتیبانی از فعالیت‌های تحقیقاتی و صنعتی نانوتکنولوژی تدوین و اجرا می‌کند.
نانوتکنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع، آینده اقتصادی کشورها و جایگاه آنها را در جهان، تحت تأثیر قرار خواهد داد. صاحب‌نظران و محققان کشورهای مخالف این امر را تبیین کرده‌اند. در بخشی از این کشورها، در ۲ سال اخیر تحرکات شدیدی از سوی دولت‌ها برای سرعت‌بخشی به توسعه نانوتکنولوژی انجام شده است و فعالیت‌های خودجوش محققان، با تشویق و حمایت‌های مستقیم دولت، ادامه یافته است. نمودار یک، میزان سرمایه‌گذاری دولت‌ها را نشان می‌دهد.
● ورود کشورها به عرصه نانوتکنولوژی، اجتناب‌ناپذیر است.
صاحب‌نظران و محققان، نانوتکنولوژی را مساوی آینده دانسته‌اند. کمیته مشاوران رئیس‌جمهور امریکا در علوم فناوری در تأیید برنامه ملی نانوتکنولوژی برای سال ۲۰۰۱، از نانوتکنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می‌کند. صاحب‌نظران به دلیل تأثیرات این فنوری بر بیشتر فناوری‌های موجود، معتقدند متخصصان رشته‌های مختلف بدون گرایش به مباحث مقیاس نانو در دهه‌های آینده فرصتی برای رشد ندارند. آنها شکوفایی فناوری‌های مهم نظیر فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی را بدون بهره‌گیری از نانوتکنولوژی مختل می‌دانند.
● دلایل ضرورت ورود کشور به عرصه نانوتکنولوژی
مهم‌ترین دلایل ضرورت توجه کشورهایی نظیر ایران به نانوتکنولوژی به قرار زیر است:
۱) تأثیر اساسی نانوتکنولوژی بر رشد و پیشرفت بسیاری از فناوری‌ها
ماهیت فرارشته‌ای فناوری نانو به عنوان توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با دقت اتم و مولکول، موجب تعریف کاربردهای بسیاری در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی شده است. نانوتکنولوژی کاربردهای بسیاری در حوزه‌های دارو، غذا، بهداشت، درمان بیماری‌ها، محیط‌زیست، انرژی، الکترونیک، رایانه، اطلاعات، مواد، ساخت، تولید، هوافضا، بیوتکنولوژی، کشاورزی، امنیت ملی و دفاع دارد. این فناوری بر تمام فناوری‌ها تأثیر می‌گذارد و دیر یا زود باید شاهد محصولات آنها بود. برای مثال در بخش پزشکی و بهداشت، زمینه کاری بسیار مهم، سیستم توزیع دارو در داخل بدن است. مصرف فعلی دارو به صورت حجمی است در حالی که سلول‌های خاصی از بدن نیازمند آن هستند. دارو در روش تزریق با وسایل جدید به صورت مستقیم و به سلول‌های مشخص، تحویل داده می‌شود. بنابراین، بیماری‌های بزرگ و کوچک با این مکانیزم در آغاز شکل‌گیری، درمان می‌شوند. در بخش مواد نیز پروژه‌هایی در حال اجراست که موادی با وزن بسیار کم و خواص مناسب، تولید می‌کنند. این مواد در ساختمان، خودرو، هواپیما و دیگر ملزومات زندگی انسان‌ها کاربرد دارند. بنابراین، نانوتکنولوژی عرصه‌ای وسیع از زندگی انسان‌ها را در برخواهد گرفت و نمی‌توان از آن چشم‌پوشی کرد.
۲) تأثیر نانوتکنولوژی بر امنیت جهانی
نانوتکنولوژی به لحاظ دفاعی هم فرصت است و هم تهدید، این فناوری کاربردهای زیاد در امور نظامی دارد. بخش دفاعی کشورهای مختلف به تحقیق و توسعه نانوتکنولوژی، گرایش دارند. این کاربردها از لباس‌های محافظ تا پرنده‌های بسیار کوچک، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است و هم‌اکنون با حمایت وزارتخانه‌های دفاع کشورهایی نظیر: امریکا، ژاپن و دیگر کشورهای اروپایی به صورت پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام است. این فناوری از این جهت برای کشورها تهدید محسوب می‌شود، اما برای کشورهایی که با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، فرصت خواهد بود. با توجه به تنوع کاربردهای نانوتکنولوژی، در آینده رقابت بین‌المللی کشورها نقش مؤثر دارد.
● شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ
شواهد نشان می‌دهد که درصدی بالا از بازار محصولات مختلف بر نانوتکنولوژی، متکی خواهد بود. دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست جمهوری امریکا بر پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر اقتصاد جهانی تأکید کرده است. وی معتقد است نانوتکنولوژی در ده الی ۱۵ سال آینده، بازار نیمه هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد.
سازندگان پردازنده‌های رایانه در امریکا و ژاپن از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا پیش از ۱۰ سال آینده خبر داده‌اند. برای مثال شرکت اینتل اعلام کرده است در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بیشتر و مصرف کمتر به بازار، عرضه خواهد کرد.
نیمی از صنعت دارو تا ۱۵ سال آینده بر نانوتکنولوژی، متکی خواهد بود و به وسایل تزریق جدید و آموزش‌های پزشکی روزآمد، نیاز خواهد داشت. مواد شیمیایی نیز دارای بازار ۱۰۰ میلیارد دلاری کاتالیست‌ها هستند و تا ۱۰ سال آینده بر کاتالیست‌های نانوساختاری، متکی خواهد بود.
از هم‌اکنون بازاری برای به‌کارگیری مواد جدید در محصولات، شکل گرفته است. این مواد، خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات می‌بخشند و قیمت آنها را کاهش می‌دهند. مثلاً نانو لوله‌های کربنی[۴] با وزن کمتر و استحکام بیشتر نسبت به موادی نظیر فولاد، بخش‌های از صنایع را تحت تأثیر قرار خواهد داد.
از آنجا که سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری بازار، تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای دستیابی به جایگاه مناسب، امروز است. سؤالی که پیش می‌آید این است: جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود؟

*****************************************************************************************************************

[۱]. Drug Delivery
[۲]. Nanofabrication
[۳]. There is plenty of room in the bottom
[۴]. Carbon Nanotubes

منبع : articles.ir