نانوتکنولوژی یافن آوری نانو به ساخت وکاربرد مواد یا ابزارها در مقیاس بسیار کوچک می پردازد. این مواد یا ابزارها از نظر ابعادی در محدوده ی 1تا100 نانومتر قرار دارند یک نانومتر معادل یک بیلونیوم متر یعنی 10 به توان 9- متر می باشد که ایم مقدار 50بار کوچک تر از قطر تارموی انسان است. دانشمندان محدوده ی ابعادی بین 1تا 100 نانومتر رابه عنوان مقیاس نانومتر معرفی می کنند وموادی راکه دراین محدوده قرار دارند نانوکریستال یا مواد نانویی می نامند. مقیاس نانو منحصر به فرداست. زیراد هیچ ماده ی جامدی را نمی توان پایین تر از این مقیاس به وجود آورد. دلیل دیگر منحصر به فرد بودن آن، انجام بسیاری از طازوکارهای زیستی وفیزیکی درمقیاس ابعادی بین 1تا100نانومتر می باشد. لازم به اشاره است که موادی بااین ابعاد از نظر خواص فیزیکی رفتار متفاوتی رااز خود نشان می دهند، بنابراین دانشمندان منتظرند که اثرات جدید بسیاری رادر مقیاس نانو کشف نمایند واز آنها برای شکستن مرزهای تکنولوژی استفاده کنند. تاکنون اکتشافهای بسیار مهمی در حوزه ی نانوتکنولوژی رخ داده است. چنین پیشرفت هایی را می توان در فرآورده هایی که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرد مشاهده نمود. به عنوان مثال از مبدل های کاتالیزوری که در خودروها برای پالایش هوا استفاده می شوند می توان نام برد. همچنین از ابزارهایی که در کامپیوترها برای نوشتن وخواندن از روی سخت دیسک بکار می روند می توان یادکرد. بسیاری از لایه های محافظ پوست و مواد آرایشی که شفاف بوده وباقرار گرفتن روی پوست از پرتوهای زیان آور خورشید جلوگیری می کنند ویا پوشش های ویژه یی که در لباس هاس ورزشی مورد استفاده قرار می گیرند وکارآیی قهرمانان رابالا می برند، از کاربردهای فناوری نانو محسوب می شوند. هنوز بسیاری از دانشمندان مهندسان وتکنولوژیست ها براین باورند که فقط توانسته اند به فناوری نانو ناخنک بزنند و تنها با گوشه یی ازاین فناوری اشنایی حاصل نموده اند. فناوری نانو فعلا دوران عدم بلوغ خودرا می گذارند وهنوز هیچکس نمی تواند پیش بینی کند که ظرف دهها سال آینده، شکوفایی این فناوری چه نتایجی رابرای بشر به ارمغان خواهد آورد. بسیاری از دانشمندان گفته ی فوق را در حوزه های داروسازی بهداشت. تولید وصرفه جویی انرژی، حفاظت وپاکسازی محیط زیست، الکترونیک کامپیوتر ، سنسورها دفاع وامنیت ملی از خود برجای گذاشته است.
نانو تکونولوژی چیست؟
برای درک بهتر مقیاس نانو، بهتر است قطراتم را که کوچک ترین جزء سازنده مواد می باشد در نظر آورید. اتم هیدروژن یکی از کوچکترین اتم های طبیعی ست که قطر آن برابر 1/0 نانومتر می باشد. در حقیقت تقریبا کلیه ی اتم ها قریب به اتفاق اندازه یی برابر 1/0 نانومتر دارند وبه همین دلیل آنقدر کوچک هستند که باچشمان معمولی دیده نمی شوند. از پیونداتم ها بایکدیگر، مولکول پدید می آیند. مولکول ها کوچکترین جزء یک ترکیب شیمیایی محسوب می شوند. قطر مولکولهاییکه بالغ بر30اتم دارند فقط برابر 1 نانومتر است. سلول ها که کوچک ترین واحد حیات محسوب می شوند از مولکول ها تشکیل شده اند. سلول های بدن انسان از نظر ابعادی بین 5000 تا 200000 نانومتر می باشند که از مقیاس نانو بزرگترند. گرچه پروتئین ها که فعالیت های داخلی سولها را عهده دار هستند، از نظر ابعادی فقط 3تا20 نانومتر می باشند ودر مقیاس نانو قرار دارند. همچنین ابعاد ویروس هایی که به سلول های بدن حمله ور می شوند حدود 10تا200 نانومتر است ومولکولهایی که در داروها برای حمله به ویروس بکار می روند ابعادی معادل 5نانومتر دارند. امکان ساخت مواد وابزارهای جدیدی که بتوانند در مقیاس هایی مشابه با طبیعت عمل کنند، بیانگر آن است که چرا توجه به مقیاس های کوچک تر از 100 نانومتر تااین اندازه حائز اهمیت می باشد. اما 100 نانومتر مرز اختیاری نمی باشد. این مقدار محدوده یی ست که درآن خواص ویژه یی درمواد بروز می کند و خواص مورد نظر باآنچه که در مقیاس غیرنانو اتفاق می افتد، متفاوت است. در بعضی مواقع انسانها بدون آن که خود بدانند ویاعلت اصلی به وجود آمدن این گونه مواد را بشناسند، دانسته هایی رادر باره ی خواص ویژه ی این مواد به دست آورده اند. به عنوان مثال شیشه گران قرون وسطی، می دانستند که باخرد کردن طلا به صورت ذرات ریز وپاشیدن آنها در شیشه، بسته به اندازه ی ذرات طلا، رنگ آن از زرد به ابی، سبز ویا قرمز می گراید. آنها ازاین ذرات رنگی برای ساخت شیشه های الوان که در پنجره ها به کار می رفتند استفاده می کردند که نمونه هایی ازآن را می توان در کلیساهای جامع سراسر اروپا مانند کلیسای نوتردام پاریس مشاهده نمود. این شیشه گران بدون آن که خود بدانند، در زمانهای پیشین نانوکریستال ساخته اند. در مقیاس های بالاتر از 100تانومتر طلا به رنگ زرد ودر مقیاس های پایین تر از آن، رنگ های دیگری از خودبروز می دهد. نانو تکنولوژیست بافراهم آوردن امکان ساخت ابزارهای مصنوعی در مقیاس مولکولی، شگفتی می آفرینند. به همین دلیل حوزه ی نانوتکنولوژی گاهی اوقات نانوتکنولوژی مولکولی، نامیده می شود. برخی نانوتکنولوژیست ها، باز تولید این ابزارها را توسط خود ابزارها هدف قرار داده اند به گونه یی که این ابزار ضمن انجام وظایف محوله ، تعدادشان افزایش یافته و مانند موجودات زنده دوباره تکثیر می شوند. باتوجه به قدمت این حوزه، این جنبه از نانوتکنولوژی از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد. به لحاظ اصولی، اگر واحدهای کوچکی که هر یک وظایفی به عهده دارند در کنار یکدیگر قرار گیرند وتحت شرایط کنترل شده یی بازتولید شوند، به کارایی های بسیار زیادی دست خواهیم یافت. گرچه بسیاری از دانشمندان به امکان بازتولید نانو ساختارها با دیده ی شک می نگرند.
رویکرد به نانوتکنولوژی:
اصولا دانشمندان بادو رویکرد برای ساخت ابزارها ومواد در مقیاس نانو دست به آزمایش می زنند. یکی از این روشها رویکرد از بالا به پایین [ Top –down] و دیگری رویکرد از پایین به بالا [ Down- Top] می باشد.
الف- رویکرداز بال به پایین: دراین فرآیند، نانوتکنولوژیست ها کار خود را با موادی که نسبتا جثه ی بزرگتری دارند آغاز می کنند واز طریق آنها موادی رابا ساختار ریزتر که در مقیاس نانو می باشد، به دست می آورند. این همان روشی ست که امروزه تراشه های کامپیوتری رابه طور گسترده توسط آن تولید می کنند. منظور از تراشه های کامپیوتری ، واحدهای منطق وحافظه های بسیار کوچکی ست که به آنها مدارهای مجتمع نیز می گویند و عملکرد کامپیوتر به آنها بستگی دارد. برای تولید تراشه ی کامپیوتری ، روی یک قرص نازک از جنس سیلیکون رابایک لایه ی نازک از مواد که به ماسک معروف است می پوشانیم وسپس قسمت های غیرضروری آن را جدا می کنیم. تقریبا ابعاد کلیه ی تراشه های کامپیوتری که امروزه ساخته می شود از 100 نانومتر بیشتر است. هرچند که تکنولوژی ساخت تراشه های کامپیوتری کوچک تر از 100 تانومتر نیز گسترش یافته است. هرچه تراشه ها کوچک تر وسریع تر باشد. این امکان فراهم می شود که کامپیوترهایی با حجم کوچک تر وسرعت پردازش بیشتر ساخته شود. رویکرد از بالا به پایین که گاهی اوقات نامهای دیگری مانند ساخت در مقیاس میکرو یا ساخت در مقیاس نانو به آن داده شده است، ار شیوه های لیتو گرافی پیشرفته برای تولید ساختارهای کوچک تر از تراشه های کامپیوتری استفاده می نماید. این شیوه های لیتوگرافی پیشرفته شامل لیتوگرافی نوری ولیتوگرافی پرتو- الکترونی می باشند. لیتو گرافی نوری معمولا برای تولید ساختارهای کوچکتر از 100 نانومتر به کار می رود وتلاش های بسیاری در دست انجام است که بتوانند ساختارهای کوچکتر از مقدار فوق رابا این روش تولید کنند. لیتوگرافی پرتو- الکترونی می تواند ساختارهایی به اندازه ی 20نانومتر را تولید نماید. ولی روش لیتوگرافی پرتو- الکترونی برای تولید در مقیاس های بزرگتر مناسب نمی باشد، زیرا بسیار گران تمام می شود واز نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. هم اکنون هزینه ی تجهزیات مورد نیاز برای ساخت تراشه های کامپیوتری که از روش لیتوگرافی نوری استفاده می کنند بالغ بر7میلیارد دلاز می باشد. نهایتا باید گفت که رویکرد از بالا به پایین برای تولید نانو ساختارها نه تنها احتمالا خیلی گران خواهد بود بلکه از نظر فنی امکان پذیر نمی باشد.مونتاژ تراشه های کامپیوتری وسایر موادی که در مقیاس نانو تولید شده اند به دلایل اصولی قابل انجام نمی باشند. در روش های طراحی ویژه یی که برای کوچک کردن ابعاد مواد به کار می بریم، باید ابزارهایی که برای این منظور به کار می روند از نظر دقت وابعاد از قطعه یی که قرار است کوچک تر شود، ظریف تر باشند. بنابراین لبه ی برنده ی ماشین افزار مورد استفاده باید از لبه ی قطعه ی مورد نظر که قرار است بریده شود تیزتر باشد. همچنین ماسک لیتوگرافی که به واسطه ی آن روی قرص سیلیکونی عملیات کنده کاری صورت می گیرد وموقعیت های لازم روی آن ایجاد می شود باید از مواد کنده شده از نظر ساختاری ظریف تر باشد. در مقیاس نانو، در مواردی که می خواهیم یک اتم یا مولکول رااز محل خود خارج سازیم، تامین چنین شرایطی امکان پذیر نمی باشد.
ب) رویکرد از پایین به بالا:
طبق نتایج به دست آمده، دانشمندان برای ایجاد ساختارها در مقیاس نانو به رویکرد دیگری که به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد علاقه مند شده اند. این رویکرد را فرایند از پایین به بالا می نامند. دراین رویکرد، برای ایجاد نانو ساختارها ، اتم ها و مولکول ها را دست کاری می کنند. در رویکرد مزبور با مشکلاتی که در رویکرد قبلی هنگام کوچک کردن اندازه ی مواد باآن مواجه می شویم روبه رو نمی شویم وبه جای آن از روی هم چیدن اتم ها و مولکول ها، همانگونه که در طبیعت مرسوم است، نانو ساختارها رادر مقیاس نانو ایجاد می کنیم، هرچند که روی هم چیدن مونتاژ اتم ها ومولکول ها در مقیاس نانو، چالش های خاص خود را به همراه خواهد داشت. در مدرسه وقتی که حرکت براونی رابه مادرس می دادند با برخی ازاین چالش ها که مربوط به حرکات اتفاقی ونامنظم ذرات مواد در داخل آب بود، مواجه می شدیم. این ذرات خودبه خود حرکتی ندارند بلکه این مولکول های آب هستند که دائما درحال جنب وجوش می باشند وذرات موجود در آب را محاصره می کنند واز برخورد آنها با ذرات مربوطه ، حرکاتی اتفاقی ونامنظم در آنها به وجود می آورند. اتم ها نیز به خاطر این که دارای انرژی جنبشی هستند دارای چنین حرکات اتفاقی ونامنظم می باشند که میزان دما وانرژی پیوند بین اتم ها درجه ی آزادی وتحرک آنها را مشخص می کند. اجسام جامد، مانند صندلی که روی آن نشسته اید. حتی در دماهای معمولی اتم هایشان نسبت به یکدیگر می لغزند که به این پدیده ، فرآیند انتشار [ diffusion] می گویند. این توانایی اتم ها که می توانند روی یکدیگر بلغزند، هنگام تبدیل مواد از جامد به مایع واز مایع به گاز افزایش می یابد.اگر دانشمندان ومهندسان بتوانند اتم ها رادر مقیاس اتمی به طور موفقیت آمیز روی هم بچینند، آنها توانسته اند به گونه یی عمل کنند که براین رفتار اتم ها غلبه نمایند. مثال مشخص دراین باره اتفاقی ست که در سال 1990 رخ داد. در آن مقطع زمانی، دانشمندانی از شرکت ماشین های تجاری بین المللی [ IBM] بااستفاده از ابزارهای پیشرفته توانستند اتم های گزنون را روی هم بچینند وبه واسطه ی آن حروف کلمه ی IBM را روی یک سطح نیکلی چاپ نمایند. آنها برای جلوگیری از جابه جایی اتم ها از موقعیت هایی که برایشان مشخص شده بود، سطح فلز میکل را سرد کرده وآن را به دمایی نزدیک به صفر مطلق –273.15 C رساندند. این دما صفر مطلق پایین ترین دمایی ست که از نظر تئوری می تواند وجود داشته باشد ودراین دما هیچگونه گرمایی وجود ندارد. در چنین دمایی اتم ها انرژی جنبشی بسیار اندکی دارند وضرورتا بی حرکت وبی جنب وجوش در جای خود می ایستند هرچند که دستیابی به دمای مطلق برای انجام عملیات لازم در دستگاههای تجاری کاری غیر عملی وغیر اقتصادیست، بااین اوصاف، توانایی دانشمندان برای دست کاری اتم ها یکی از اولین نشانه هایی بود که رویکرد از پایین به بالا را عملی می ساخت وشاوهد وقراین موجود نشان داد که نانوتکنولوژی به عنوان یک دانش تجربی ظهور خواهد کرد.
ظهور نانوتکنولوژی:
مفهوم نانوتکنولوژی در ابتدا توسط فیزیکدان امریکایی به نام Richard p. Feynman مطرح گردید. اودر گفت وگویی که در دسامبر 1959 تحت عنوان خبرهایی از اعماق (دعوت همگانی برای ورود به شاخه یی جدید از علم فیزیک) با انجمن فیزیک امریکا انجام داد این مفهوم را تبیین نمود. او مثال هایی از مزایای تولید مواد با ساختارهای بسیار کوچک را مطرح نمود. اوبا محاسبه نشان داد که می توان کل محتویات دانشنامه ی بریتانیکا را فشرده کرد وآن را در نوک یک سوزن جای داد. او تخمین زد که کل دانش مکتوب بشر را می توان فشرده کرد وآن را در 35 صفحه کاغذ معمولی جاداد. اگرچه سکه ی نانو تکنولوژی به نام او زده نشد ولی حقیقتا جنبه های کلیدی نانوتکنولوژی مانند اهمیت میکروسکوپ های پیشرفته وتوسعه ی روش های جدید ساخت را به لحاظ نظری او پیش بینی نمود. او همچنین در باره ی اهمیت تجمیع دانش ها، ابزارها وروش هایی که توسط فیزیکدانان، شیمیدانان وزیست شناسان به کار گرفته می شود تاکید نمود.دراین رابطه Feynman به جهان طبیعت اشاره نمود که چگونه این همه اطلاعات وعملیات در حجم بسیار کوچک می تواند فشرده ومتمرکز شود. به عنوان مثال:یک سلول منفرد می تواند جابه جا شود وفرآیندهای زیست – شیمیایی را انجام دهد واین همه رااز طریق مولکول های DNA که دانش کامل طراحی وعملیاتی موجودات پیچیده در آن نهفته است تحت مراقبت و کنترل قرار دهد. Feynman براین باور بود که تولید ابزارها در مقیاس نانو از طریق مرزهایی که قوانین فیزیک مشخص نموده است امکان پذیر می باشد. اوبه طور مشخص امکان روی هم چیدن تک به تک اتم ها راکه توسط پیوندهای شیمیایی به یکدیگر متصل شده وساختارها را به وجود می آورند به عنوان نمونه بیان می نمود. این امکان یعنی چیدن اتم ها روی یکدیگر، مارا به ساخت یک ابزار مونتاژ کننده ی جهانی یعنی ابزارهای کامپیوتری که در مقیاس نانو ساخته شده ومی توانند اتم ها رابه طور اتوماتیک روی هم بچینند هدایت می کند، به عنوان مثال، چنین ابزاری می تواند اتم های کربن را آن چنان روی هم بچینند که قطعات بزرگ الماس با قیمت ارزان به دست آید. باید توجه داشت که الماس یک ماده ی مهم صنعتی ست که به خاطر هزینه های زیاد استخراج، در مقیاس محدود مورد استفاده قرار می گیرد.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 17 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله معرفی نانوتکنولوژ
