همه چیز درباره نانو تكنولوژی

در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تكنولوژی وسایل و مواد با ابعاد بسیار كوچك به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده كه تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد كرد ، پیش می رود . برای احساس اندازه های مادون ریز ، قطر موی سر انسان را كه یك دهم میلیمتر است در نظر بگیرید ، یك نانومتر صدهزار برابر كوچكتراست 9- 10متر . تكنولوژی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل ، اندازه گیریها و تولیداتی سروكار خواهد داشت كه چنین ابعاد مادون ریزی دارند . درحال حاضر پروسه های در ابعاد چند مولكول قابل طراحی و كنترل است . همچنین خواص مكانیكی ، شیمیایی ، الكتریكی ، مغناطیسی ، نوری و... مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحلیل و سنجش است . تكنولوژی درقرن گذشته در هرچه ریزتر كردن دانه های بزرگتر پیشرفت چشمگیری داشت ، بطوریكه به مزاح گفته شد كه دیگر كشف ذرات ریز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جایزه نوبل ندارد ، بلكه به آن جریمه هم تعلق می گیرد ! تكنولوژی نو درقرن حاضر مسیر عكس را طی می كند . یعنی مواد مادون ریز را باید تركیب كرد تا دانه های بزرگتر كارآمد به وجود آ ورد .

درست همان روشی كه در طبیعت برای تولید كردن حاكم است . مجموعه های طبیعی ، تركیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است .

اثر تحقیقات در فناوریهای مادون ریز هم اكنون در درمان بیماریها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است . موارد بسیاری در مرحله تحقیقات كاربردی و آزمایشی است .اكنون ساخت رایانه های بسیار كوچكتر و میلیونها بار سریعتر در دستور كار شركتهای تحقیقاتی قرار دارد .

در بیانی كوتاه نانوتكنولوژی یك فرایند تولید مولكولی است . همانطور كه طبیعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روی هم مونتاژ كرده است ، ما هم باید برای تولید محصولات جدید ، با این اعتقاد كه هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست ، نظیر طبیعت راهی پیدا كنیم . البته منظور این نیست كه چند هسته از مواد راپیدا كنیم و با رساندن انرژی و خوراك پس از چند سال یك نیروگاه از آن بسازیم كه شهری را برق دهد . بلكه برای تركیب و تكامل خودكار تولیدات مادون ریزكه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راهی بیابیم . در اندازه های مادون ریز ، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیكی مانند تراشیدن و خم كردن و سوراخ كردن و...جوابگو تیستند .

برای ساختن ماشینهای ملكولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال كرد .

با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ژنها و DNA كه ژنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تكنولوژی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد . تولید مواد جدید ، گیاهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد . اشكالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با تركیب و خواص اورگانیك گیاهان و جانوران ، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد .آینده علوم و مهندسی كه چندین گرایشی Multi- Disciplinary )) است ، به طرف تولید ماشینهای مولكولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های كارآیی از پیوندهای ارگانیك و سایبریك را عرضه نماید .

هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) كه دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه كرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروژن ) و نرم افزار یا برنامه ، قابلیت نهفته در خلقت آن است .

اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروژن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشكال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد ، پیش خواهد رفت . طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد كرد . احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار كه درتشكیل طبیعی مواد مختلف از هیدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید كند ، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست كه نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اكثر نقاط جهان هستی و كهكشانها سكنی گزینند.

به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت. . از بیماری ، پیری ، درد ستون فقرات ، كم حافظه ای و... رنج نخواهند برد .قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد . در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از اینهمه درد و ناراحتی كه اجداد آنها در هزاره های قبل كشیده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود .

اكنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم ، دانشگاهها و مراكز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تكنولوژی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشكلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم . باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شكوهمند و معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از كوتاه بینی و افكار فرسوده موروثی فاصله بگیریم . گفته شیخ اجل سعدی در آینده مصداق واقعی تری خواهد داشت :

چه انتظاری باید از نانوتكنولوژی داشت :

این تكنولوژی جدید توانایی آن را دارد كه تاثیری اساسی بر كشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتكنولوژی كه بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود .

انتظار می رود كه مقیاس نانومتر به یك مقیاس با كارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد كه روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد .

· نانوتكنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود .

· نانوتكنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، كیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .

· تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متكی به نانوتكنولوژی خواهد بود كه این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .

· كاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای كاربردهای فراوانی هستند كه پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .

· نانوتكنولوژی موجب توسعه محصولات كشاورزی برای یك جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمك زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یك نوع انباره جریان گذرا با الكترودهای نانولوله كربنی كه اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد كه این روش 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس ، آب دریا را نمك زدایی می كند .

· انتظار می رود كه نانوتكنولوژی نیاز بشر را به مواد كمیاب كمتر كرده و با كاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم كند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتكنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین كاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن كربن شود.

در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتكنولوژی كسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسكهای سخت ، یك سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع كرده است .

Eastern Kodak و 3M تكنولوژی ساخت فیلمهای نازك نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شركت Mobil كاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید كرده است و شركت Merck ، داروهای نانوذره ای را عرضه كرده است . تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در كره ، در حال كار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های كربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یك بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیكها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.

نانو تكنولوژی یا كاربرد فناوری در مقیاس یك میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است كه در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفتهای پرشتابی كه در این عرصه بوقوع می پیوندد، پیام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستیابی به توانایی های بی بدیلی برای تغییر محیط پیرامون خویش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای كه در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدید پدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.

به گزارش ایرنا نانو تكنولوژی نظیر هر فناوری دیگری چونان یك تیغ دولبه است كه می توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای است كه در خود جای داده است. در خصوص نانو تكنولوژی یك نكته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاكید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را كه آن را در برگرفته ضخیمتر می كند و راه را برای گمانزنی های متنوع هموار می سازد.

كسانی بر این باورند كه این فناوری نظیر هیولایی فرانكشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های یونان باستان، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند كه به مدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان كرد.

در حال حاضر 450 شركت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمریكا و ژاپن با بودجه ای كه در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تكنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا كه كل طبیعت از همین ذرات تشكیل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به یك معنا شناخت بهتر نحوه شكل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی كه در این قلمرو به كاوش مشغولند، به یك اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می كنند، اما از آنجا كه دانایی توانایی به همراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار كاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تكنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید.

از جمله آنكه یك گروه از محققان شركت آی بی ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روی یك صفحه از جنس نیكل جای دهند و با كمك این تك اتمها نامی را بر روی صفحه نیكلی درج كنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنكبوت ها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازك تر و مقاوم تر تولید كنند. در این میان ساخت یك نوع مولكول جدید كربن موسوم به باكمینسترفولرین یا كربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر كرد. محققان با كمك این مولكول كه خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند كه می تواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یك میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی هایی كه در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشكار كرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیكن در این ابعاد از خود نور ساطع می كنند و لایه های فولاد در این مقیاس از استحكام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلز برخوردارند.

برخی شركتها از هم اكنون بهره برداری از برخی یافته های نانوتكنولوژی را آغاز كرده اند. به عنوان نمونه شركت آرایشی اورال از مواد نانو در محصولات آرایشی خود استفاده می كند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید. ساخت دیودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80درصد در هزینه برق صرفه جویی شود. توپهای تنیسی كه با كربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده سبكتر و مستحكمتر از توپهای عادی است. شركتهای دیگر با استفاده از مواد نانو پارچه هایی تولید كرده اند كه با یك بار تكاندن آنها می توان حالت اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروكهایشان را زایل كرد. با همین یك بار تكان همه گردوخاكی كه به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاك می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولكولی، پزشكان را مطلع می سازند.

از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده كه قابلیت خود- تمیزكردن دارند. لنزها و عدسیهای عینك ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یك گروه از محققان تا آنجا پیش رفته اند كه درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید كنند كه سلولهای حاوی ویروسهای خطرناك نظیر ویروس ایدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترین نكته درباره موقعیت كنونی فناوری نانو آن است كه اكنون دانشمندان این توانایی را پیدا كرده اند كه در تراز تك اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یك گروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتكنولوژی بر این اعتقادند كه می توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به كاوش و تحقیق پرداخت. شیوه های كنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشكافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین می رود.

یك گروه از محققان كه در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده اند، سرگرم تكمیل ابزارهای ظریفی هستند كه هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیت بخشهای داخلی آن است. ابزاری كه این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف هایی از لوله ها یا سیمهای بسیار ظریفند كه قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنكه هزاران پروتئینی را كه به وسیله سلولها ترشح می شود شناسایی كند. گروههای دیگر از محققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصد علمی دیگر هستند.

به عنوان نمونه یك گروه از محققان سرگرم تكمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهای مورد نظر را شناسایی كنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئین های معینی را فعال سازد یا از كار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنكه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها میان خود، ردوبدل كردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یك گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبكه استفاده كرده اند كه ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطر تنها 8 نانومتر را امكان پذیر می سازد. هریك از این لوله های بسیار ریز بالقوه می توانند یك پادتن خاص یا یك اولیگو نوكلئو اسید و یا یك بخش كوچك از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند.

با كمك هر تراشه می توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یك سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت كامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله آنكه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرار داد كه مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می كند، اما یون موجود در این مایع می تواند سنجنده های موئینه را از كار بیندازد. برای رفع مشكل، محققان سلولها را درون مایعی جای می دهند كه چگالی یون آن كمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع كنند. یكی از این ابزارها چنانكه اشاره شد یك فیبر نوری است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روی نوك نوعی پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است.

از آنجاكه قطر نوك این فیبر نوری، از طول موج نوری كه برای روشن كردن سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیكی نوك فیبر مجتمع می شوند و یك میدان نوری بوجود می آورند كه تنها می تواند مولكولهایی را كه در تماس با نوك فیبر قرار می گیرند تحریك كند. به نوك این فیبر نوری یك پادتن متصل است و محققان به این پادتن یك مولكول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوك فیبر را به درون یك سلول فرو می كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فیبر، این مولكول را كنار می زند و خود جای آن را می گرد. به این ترتیب نوری كه از مولكول فلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون سلول تنها با نوری كه به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می آید روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند.

مزیت بزرگ این روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده كنند. نانو تكنولوژی همچنین به محققان امكان می دهد كه بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولكولهای با چگالی بسیار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهای مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یك فركانس خاص از خود نور ساطع می كنند و از این نور می توان برای مشخص كردن مجموعه ای از مولكولهای زیستی و الصاق برچسب برای شناسایی آنها استفاده كرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ انگلستان یك گروه از محققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی را تكمیل كنند كه قادر است حركت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخیص نقایص زیست عصبی مدد رساند.

از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می توان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی كه بتازگی به انجام رسیده نشان داده شده است كه حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش می دهد. محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولكول دی ان ای را در درون سلول كنترل كنند. به این ترتیب نانو تكنولوژی به محققان امكان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه كامل سازند