دانلود مقاله مفهوم نانو تکنولوژی

نانوتکنولوژیی که به مراتب قدرتمندتر و نظام مندتر است و درآن ماشینهایی در مقیاس نانو برای تولید محصولاتی در مقیاس بزرگ با دقت اتمی و هزینهپایین به کار می روند.

مکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسطریچارد فاینمن (R.Feynnman)، برنده جایزه نوبل فیزیک، مطرح شد. فین من طی یکسخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال ۱۹۵۹ اشاره کرد که اصول و مبانیفیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیز ها را رد نمی کند. وی اظهار داشت که می توان بااستفاده از ماشین های کوچک ماشین هایی به مراتب کوچک تر ساخت و سپس این کاهش ابعادرا تا سطح خود اتم ادامه داد. همین عبارت های افسانه وار فاینمن من راهگشای یکی ازجذاب ترین زمینه های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روبوت هایی در مقیاس نانو شد. در واقعتصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشین هایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحتفرمان یک پردازنده مرکزی هستند ، هر دانشمندی را به وجد می آورد. در رویایدانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روبوتها یا ماشین های مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی درمیآیند. 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.

ماجرایپیدایش دو عبارت (( رو- پایین )) ((زیر- بالا)) در تعریف نانوتکنولوژی به جدال بزرگاسمالی- درکسلر برای تصاحب مقام پدر خواندگی این دنیا اسرارآمیز بر می گردد. عبارتاول بیانگر برداشت جدیدتری از نانوتکنولوژی است که به سرکردگی ریچارد اسمالی برندهجایزه نوبل شیمی سال ۱۹۹۶ به خاطر کشف ساختار جدیدی از کربن موسوم به باکمیسترفولون-c60 در مخالفت با نانوتکنولوژی درکسلری رواج یافت .اما عبارت(( زیربالا)) بر گرفته افکار رادیکال کیم اریک درکسلر نخستین پروفسور نانوتکنولوژی ازدانشگاه MIT و بنیان گذار واژه نانوتکنولوژی در تبیین مفهوم تولید مولوکولی است درمیانه دهه ۸۰درکسلر با تکیه بر نبوق خارق العاده و الهام از مقاله تاریخیrichard Feynman ((ان پایین ها یک عالمه جاهست ))، مفاهیم نوینی را از کنترل و تولید مواددر سطوح اتمی و مولکول ارائه کرد. سخنان درکسلر در ابتدا به قدری حیرت آور و پیچیدهبه نظر می رسید که بیشتر دانشمندان و کارشناسان را تنها به تحسین واداشت. اما دراواخر دهه ۹۰ و در اوایل هزاره سوم دو جریان متفاوت متشکل از صاحبان صنایع و عده ایاز دانشمندان به سرکردگی ریچارد اسمالی نانوتکنولوژی درکسلری را اساسا وهم و خیالناممکن می دانست با استفاده از ضعف درکسلر در جلب افکار عمومی و روابط نه چندانمناسب وی با مجامع سیاسی تلاش کردند پرچم نانوتکنولوژی را از چنگ درکسلر درآورد.سرانجام این جریان نو در سال ۲۰۰۳ به کمک حمایتهای سیاسی و به راه انداختنجنجال ژورنالیستی سناریوی توده لزج خاکستری درکسلر را از میدان به در کنند.

به عنوان یکی از ویژگی های نانوتکنولوژی می توان گفت که این مفهوم دربردارنده زمینه تحقیق و توسعه ای کاملا چند رشته ای است.در واقع تحقیقات در مقیاسنانو به بهره گیری همزمان از دانش ابزارها و تکنیکها و نیز اطلاعات درباره فیزیکواکنشهای مولوکولی و اتمی تبدیل شده است.امروزه دانشمندان علم مواد مهندسان مکانیکو الکترونیک و محققان علوم پزشکی به دنبال تشکیل تیمهای تحقیقاتی متشکل از زیستشناسان فیزیکدانان و شیمیدانان هستند.

چیزی حدود سی سال پیش کمپانی فاکسقرن بیستم مشتاقان سینما را به سفری خارق العاده برد.در این گشت و گذار سینماییسیاستمداری به نام ریکوئل ولش بر اثر لخته شدن خون در آستانه مرگ قرار گرفت تااینکه دانشمندان از طریق تکنولوژی های معجزه آسایی کشتی فلزی ده متری را تا اندازهسرسوزنی کوچک کرد.با شروع حرکت این کشتی در جریان خون بدن ولش تماشاچیان با نفسهاییبه شماره افتاده و چهره هایی لرزان گلوبول های شفیدی را مشاهده کردند که به بزرگیغولهای عظیم الجثه در ماجراهای گالیور بودند.خدمه این کشتی پس از به پایان رساندنماموریتشان به اندازه واقعی باز گشتند.در واقع اولین گام در راستای رویاهای بشربرای کوچک کردن پزشکی تا ابعاد میکروسکوپی بود.امروزه ما در سینما از داستانهای بهمراتب مهیجتری لذت می بریم.داستان بچه هایی که به اندازه مورچه در می آیند و ماشینهای میکروسکوپی که برای آلوده کردن جهان فرستاده شده اند.

این تکنولوژیجدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی که بر اساس تحقیقات ومشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود

انتظار می رود کهمقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساختهخواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد.

نانوتکنولوژیمی تواند باعث گسترش فروش سالانه ۳۰۰ میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و ۹۰۰میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده شود.

نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشررا افزایش خواهد داد .

تقریبا نیمی از محصولات دارویی در ۱۰ تا ۱۵ سالآینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود ۱۸۰ میلیارد دلار نقدینگیرا به گردش درخواهد آورد .

کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمیدارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه ۱۰۰ میلیارددلار را طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده تحت تاثیر قرار دهد.

نانوتکنولوژی موجبتوسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برایتصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیرهمچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرابا الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش ۱۰ بارکمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند .

انتظار می رود کهنانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیطزیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی ۱۰ تا ۱۵ سالآینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا ۱۰ درصد کاهشداده ، باعث صرفه جویی سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان ۲۰۰ میلیون تن کربن شود.

در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایهنانوتکنولوژی کسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهایسخت ، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است .

Eastern Kodak و ۳M تکنولوژی ساخت فیلمهای نازک نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید کرده است و شرکت Merck ،داروهای نانوذره ای را عرضه کرده است . تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شدهنانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطحصفحات نمایش توسط نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد وفقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانولوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیکها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولیدنانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.

نانوتکنولوژی یا کاربرد فناوری در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش رویدانشمندان قرار داده است که در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفتهایپرشتابی که 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 قرارگرفته است و جهان و جامعه ای که در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدیدپدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.

نانو تکنولوژی نظیرهر فناوری دیگری چونان یک تیغ دولبه است که می توان ازآن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهرهگیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای استکه در خود جای داده است. در خصوص نانو تکنولوژی یک نکته را می توان به روشنی و بدونابهام مورد تاکید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شدهنیست و همین امر هاله ابهامی را که آن را در برگرفته ضخیمتر می کند و راه را برایگمانزنی های متنوع هموار می سازد.

کسانی بر این باورند که این فناوری نظیرهیولایی فرانکشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های یونانباستان، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند که بهمدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان کرد.

در حالحاضر ۴۵۰ شرکت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و ۲۷۰ دانشگاه در اروپا، آمریکا وژاپن با بودجه ای که در مجموع به ۴ میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقاتدر عرصه نانو تکنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خودبه نمایش می گذارند و از آنجا که کل طبیعت از همین ذرات تشکیل شده، شناخت نحوه عملآنها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی کهدر این قلمرو به کاوش مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفتانگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی بههمراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیارکاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه ۱۹۵۰ آغازشد و در دهه ۱۹۹۰ نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید.

ازجمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند۳۵ اتم گزنون را بر روی یکصفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر روی صفحه نیکلی درجکنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوتها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازک تر و مقاوم تر تولید کنند. دراین میان ساخت یک نوع مولکول جدید کربن موسوم به باکمینسترفولرین یا کربن- ۶۰ راهرا برای پژوهشهای بعدی هموارتر کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیزآن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند که میتواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یک میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی هایی که در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشکارکرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیکن در این ابعاد از خود نور ساطع می کنند و لایههای فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلزبرخوردارند.

برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته هاینانوتکنولوژی را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو درمحصولات آرایشی خود استفاده می کند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید. ساخت دیودهاینوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا ۸۰درصد در هزینه برق صرفه جویی شود. توپهای تنیسی که با کربن ۶۰ ساخته شده و روانه بازار گردیده سبکتر و مستحکمتر ازتوپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد نانو پارچه هایی تولید کرده اندکه با یک بار تکاندن آنها می توان حالت اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چینو چروکهایشان را زایل کرد. با همین یک بار تکان همه گردوخاکی که به این پارچه هاجذب شده اند نیز پاک می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده که بهمحض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می سازند.

از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده که قابلیت خود- تمیزکردندارند. لنزها و عدسیهای عینک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یک گروه ازمحققان تا آنجا پیش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید کنند کهسلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در خود می پوشاند و مانع خروجآنها می شود. مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی فناوری نانو آن است که اکنوندانشمندان این توانایی را پیدا کرده اند که در تراز تک اتمها به بهره گیری از آنهابپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یکگروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقادند که می توان بدونآسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه هایکنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه کهدر درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاریاز اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین میرود.

یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گردآمده اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که هدف آن بررسی اوضاع و احوال درونسلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیتبخشهای داخلی آن است. ابزاری که این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف هایی از لوله هایا سیمهای بسیار ظریفند که قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنکههزاران پروتئینی را که به وسیله سلولها ترشح می شود شناسایی کند. گروههای دیگر ازمحققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصدعلمی دیگر هستند.

به عنوان نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهاینوری در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئینهای معینی را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان ازسلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیمآزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفیرا به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها میان خود، ردوبدلکردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یک گروه از روش تازه ای موسومبه الگوی انتقال ابر – شبکه استفاده کرده اند که ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطرتنها ۸ نانومتر را امکان پذیر می سازد. هریک از این لوله های بسیار ریز بالقوه میتوانند یک پادتن خاص یا یک اولیگو نوکلئو اسید و یا یک بخش کوچک از رشته دی ان ایبر روی خود جای دهند.

با کمک هر تراشه می توان ۱۰۰۰ آزمایش متفاوت بر روییک سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیتها غلبهشود، ازجمله آنکه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرارداد که مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می کند، اما یون موجود در اینمایع می تواند سنجنده های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان سلولهارا درون مایعی جای می دهند که چگالی یون آن کمتر است. گروههای دیگری از محققان نیزدر تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکیاز این ابزارها چنانکه اشاره شد یک فیبر نوری است که ضخامت نوک آن ۴۰ نانومتر است وبر روی نوک نوعی پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درونسلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شدهو بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوهعمل این فیبر نوری درخور توجه است.

از آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، ازطول موج نوری که برای روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتراست، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوکفیبر مجتمع می شوند و یک میدان نوری بوجود می آورند که تنها می تواند مولکولهایی راکه در تماس با نوک فیبر قرار می گیرند تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتنمتصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوک فیبر رابه درون یک سلول فرو می کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر،این مولکول را کنار می زند و خود جای آن را می گرد. به این ترتیب نوری که از مولکولفلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدانموجود در فیبر نوری بوجود می آید روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یک تکمولکول را در درون سلول مشاهده کنند.

مزیت بزرگ این روش در آن است که باعثمرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آنمشاهده کنند. نانو تکنولوژی همچنین به محققان امکان می دهد که بتوانند رویدادهایبسیار نادر یا مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهایمینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می کنند و از ایننور می توان برای مشخص کردن مجموعه ای از مولکولهای زیستی و الصاق برچسب برایشناسایی آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ انگلستان یک گروه ازمحققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی را تکمیل کنند که قادر استحرکت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال کند و به دانشمندان در تشخیص نقایص زیستعصبی مدد رساند.

از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می توان برای عرضهمؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی که بتازگی به انجامرسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو ۱۰۰برابر بازده عمل را افزایش می دهد. محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دوربا استفاده از نانو تکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خوددرآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونهدانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولکول دی ان ای را در درون سلول کنترلکنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می دهد تا اطلاعات خود را دربارهسلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه کامل سازند.

در پایان می توان گفت مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته استکه ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد.