مقاله بررسی جامع نانو تكنولوژي
دسته بندي :
فنی و مهندسی »
صنایع
مقاله بررسي جامع نانو تكنولوژي در 41 صفحه ورد قابل ويرايش
مقدمه:
حدود 100 سال پيش كه براي اولين بار مسئله استفاده از انرژي عظيم هسته اي مطرح شد؛ بشر همواره نمي توانست درك تجربي و صحيحي نسبت به اين موضوع داشته باشد، ولي ديري نپاييد كه دانش و تكنولوژي اين انرژي در اختيار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نمايد. دير زماني اگر كسي مسئله پرواز در آسمان و يا سفر به خارج از اين كره خاكي و گردش بدور آن را مطرح مي كرد، ديگران حتما او را خيال پرداز و مجنون قلمداد مي كردند و يا به خاطر اظهار بعضي حقايق فرد را به توبه در كليسا وامي داشتند! زماني روباتها و ابركامپيوترها كه مي توانستند چندين محاسبه رياضي را در چند ثانيه انجام دهند، فقط در داستانهاي تخيلي نويسندگان پيدا ميشد و اكنون … هميشه در تمامي اعصار وقتي مطلبي فوق دانش و درك مردم آن زمان مطرح مي شد در برابر مخالفتها و انتقادات شديدي قرار مي گرفت ولي بعد از طي روزگار، همگان با پيشرفتهاي فوق العاده در آن زمينه مواجه مي شدند و حتي اين پيشرفت را موجب فراهم آمدن آسايش بيشتر خود مي ديدند و حالا در عصر ما بحث نانوتكنولوژي مطرح شده است، موضوعي كه در تمامي ابعاد زندگي بشر و رشته هاي مختلف علمي ارتباط مستقيم و مؤثر خواهد داشت. نانو تكنولوژي چنان رويكرد و نگرش به تكنولوژي را متحول ساخته كه در صورت تحقق و رسيدن به مقصدي كه ترسيم شده است، شايد بزرگترين جهش انسان براي صعود به قله هاي رفيع علم خواهد بود. اكنون جهان متوجه اين رويكرد متحول كننده شده و متخصصين و دانشمندان در نقاط مختلف اين كره خاكي دست به پژوهش و مطالعات وسيعي در اين زمينه زده اند و طبق گفته برخي از آنان پيشرفتهاي صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بيش از حد حد انتظار و پيش بيني است.
ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات هاي نانو ميتوانند به حالت هيجان زده و وحشيانه اي رسيده و شروع به تزايد غيرقابل كنترل نموده به گونه اي كه دنيا را به خطر بياندازند. «تكنولوژي نانو» سال هاست كه به وجود آده و ميتوان گفت كه تازه دوران آن فرا رسيده است. چون هم اكنون ما مي توانيم از آن به عنوان پوشش هاي ظريف و نازك استفاده كرده و يا در توليد سلول هاي خورشيدي و حتي ساخت داروهاي ضدسرطان استفاده كنيم. البته موارد استفاده زيادتري براي آن متصور بوده، منتهي آنچه كه اهميت حياتي دارد، اين است كه تكنولوژي نانو به سرعت رو به جلو پيش مي رود و بايد در استفاده و بهره وري از آن، تمامي جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقيقاً بررسي شود.
ابتدا اشاره اي به زمينه هاي نانو مي نماييم. «نانو» از يك كلمه يوناني به نام Dwarf كه به معناي چيزي كه كوچك تر از اندازه معمولي بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتكنولوژي» به معني مورد استفاده قرار دادن چيزهايي در طيف ابعادي بين يك الي 100 نانومتر است. اين تكنولوژي نيز همانند بسياري از تعاريف تكنيكي سوالات بي شماري را در اذهان ايجاد كرده كه براي بسياري از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشني وجود ندارد.
براي روشن كردن ذهن خوانندگان گرامي به اندازه يك نانومتر بايد بگوييم كه طولي است برابر 9-10*1 يا 000000001/0 متر به زبان ديگر يك ميلياردم متر را يك نانومتر مي گويند. باز هم براي اين كه درك بهتري از مطلب داشته باشيم به نمودار ارائه شده در شكل شماره يك نگاه مي كنيم. در قسمت سمت راست تصوير قطر تار موي انسان كه معادل 000/100 نانومتر است به نمايش درآمده و در بخش كناري آن يعني نزديك ترين تصوير سمت چپ آن يك ذره دود سيگار به نمايش درآمده كه قطر آن در حدود 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبي به نمايش گذاشته شده كه معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ اين نمودار ميزان فاصله ديسك خوان با صفحه ديسك در هارد كامپيوتر به نمايش درآمده كه معادل 15 نانومتر است. باز هم براي اين كه موردي براي مقايسه داشته باشيم اشاره مي كنيم كه ذرات نانو را ميتوان با ويروس ها و حتي تك مولكول هاي تشكيل دهنده آنها مقايسه كرد.
آنها هم اكنون در اطراف ما وجود دارند.
امروزه موارد استفاده نانوتكنولوژي زياد است كه بسياري از موارد آن از سال 1999 به اين طرف طي مقالات متعددي انتشار يافته است. اين روزها از ذرات نانوسيليكا كه يك نوع ماده معدني شامل سيليكون و اكسيژن است براي توليد رنگ هاي پوششي استفاده شده كه مزيت آنها قابليت الكترواستاتيك بودن آنهاست، ضمن آن كه باعث تقويت و پايداري محصول نهايي ميشوند. اين ذرات ابتدا در محلول رنگ به صورت شناور درآده و سپس در طي پروسه خشك شدن با آرايش خاصي كه به آن آرايش تقاطعي مي گويند به يكديگر متصل مي گردند. ماحصل استفاده از ذرات نانو در رنگ هاي مختلف اين است كه پايداري آنها در مقابل خش پذيري سه برابر رنگ هاي معمولي است.
ذرات بسيار كوچك، پتانسيل بسيار بالا
تحقيق و توسعه در حال پيشرفت در فضاهايي بسيار متفاوت است، از توليد انرژي گرفته تا علم مواد، پزشكي و حتي حمل و نقل. نانوكريستال هايي كه قابل جاسازي در پلاستيك هاي هادي جريان الكتريسيته هستند ميتوانند شرايط لازم را براي توليد برق از خورشيد با هزينه اي منطقي به وجود آورند. در اين پلاستيك ها، مواد پلاستيكي بين الكترودها به صورت لايه لايه يا ساندويچي قرار داده ميشوند و تكميل كننده آن عمل لامينيت كردن، آن هم با يك پوشش نازك بوده و سپس ميتوان آنها را بر روي هر نوع سقفي قرار داد تا بتوانند انرژي خورشيد را جذب كرده و آن را تبديل به الكتريسيته بنمايند.
ساير محققان اقدام به پرورش دادن پوشش هايي نموده اند كه شامل گرافيت، الماس، كربن به صورت ذرات بدون شكل و بالاخره كربن به صورت حباب هاي نانو است. تنوع مواد كربني در ساخت پوشش هاي مختلف به آنها خواص استثنايي را اهدا مي‌كند. به طور نمونه ماده اي وجود دارد به نام CDC يا كربايدي كه از كربن مشتق شده ، نسبت به سايش مقاوم بوده و ويژگي هاي اصطكاك آن پايين است.
يكي از موارد استفاده CDC در اتومبيل ميتواند ياتاقان هاي پمپ آب يا واترپمپ باشد.
استفاده از حسگرهاي نانو در توليد پارچه و ساير مواد آنها را هوشمند نموده و قادر خواهند بود چنانچه تحت فشار و يا پارگي و يا استفاده غلط قرار گرفتند بلافاصله اطلاعات اين رويداد را منتقل كنند. در حال حاضر حسگرهاي نانو براي موارد استفاده در پزشكي وجود دارند كه به آنها بيوچيپس اطلاق مي گردد كه حساسيت آنها ده برابر بيش از ساير وسايل و ابزارها بوده كه اين برتري فقط ناشي از آن است كه سطح گستردگي آنها به دليل نازك بودن در واحد سطح به مراتب بيش از سايرين است.
بيوچيپس ها باعث مي گردند كه سرعت تحقيق بر روي داروها بالا رفته و جوابي كه از انجام آزمايش هاي خون به دست ميآيد دقيق تر و سريع تر از روش هاي معمولي باشد.
در دنياي اتومبيل نيز واقعيت سطح بيشتر سلول هاي سوختي به معناي افزايش راندمان و كاهش هزينه، كاملاً صدق مي‌كند. دانشمندان دانشگاه ميشيگان در حال به كارگيري چيزي به نان ميكرو فابريكاسيون به منظور رشد لايه هايي از غشا تبادل پروتون هستند كه تنها بخش گران و پرهزينه در توليد سلول هاي سوختي بوده و در صورت موفقيت در اين امر به زودي شاهد كاهش قيمت اتومبيل هاي سلول سوختي خواهيم بود.
نانوليتوگرافي
محققان آزمايشگاه «بروك هاون» وزارت ملي انرژي آمريكا، روش شيميايي جديدي را براي نگارش يافته اند كه قادر است خطوطي از جوهر به ضخامت تنها چند 10 نانومتر ايجاد كند.
«يانگ كاي»، فيزيكدان اين آزمايشگاه مي‌گويد: اين روش جديد نگارش، امكانات زيادي را براي ايجاد الگوها و نقوش بر روي سطوح در مقياس نانو فراهم كرده است. اين دستاورد تأثير شگرفي بر توسعه فناوري هاي نانو كه شامل الگوسازي در مقياس نانو، مثل الكترونيك مولكولي (مدارهاي ريزي كه با استفاده از مولكول هاي آلي ساده ساخته ميشوند) هستند، گذاشته است.
نام اين روش را «نانوليتوگرافي با قلم الكترونيكي» (EPN)Cآز
گذاشته اند. آنها يك نوك فلزي نازك را در عرض لايه اي از مولكول هاي آلي لغزاندند، تا در آن يك ولتاژ الكتريكي ايجاد شود كه موجب اكسيد شدن منطقه زيرين آن خواهد شد، يا واكنشي رخ دهد كه ساختار شيميايي لايه را تغيير دهد.
در يك بار لغزش قلم، مولكول هاي آلي جوهر، از روي نوك به منطقه هاي اكسيد شده منتقل ميشوند و در نتيجه يك خط نازك ايجاد ميشود. هر خط فقط يك مولكول ضخامت دارد، ولي محققان ميتوانند با نگارش بر روي الگوهاي موجود، الگوهاي چند لايه اي ايجاد كنند. اين امر به آنان توانايي ايجاد مناظر سه بعدي در مقياس نانو را ميدهد. علاوه بر اين با قطع ولتاژ، ميتوانند از نوك مذكور به عنوان «پيمايشگر» جهت «خواندن» و ايجاد تصويري از الگويي كه قبلا انگاشته شده، استفاده كنند. با تحقيقات بيشتر، EPN ممكن است به توانايي نگارش مواد زيست مولكولي مثل پروتئين ها بر روي صفحات دست يابد. اين رسوب هاي پروتئيني در مقياس نانو، به عنوان مثال ميتوانند نقش حسگرهاي زيستي را بازي كنند.
تشديد ماهيت چند رشته اي تكنولوژي
بسياري از روندهاي تكنولوژيك به دليل حضور دو يا چند تكنولوژي متقاطع پديد آمده اند. نمونه آن تشخيص پزشكي مولكولي بر پايه سيستمهاي ميكرو الكترومكانيك، بيومواد، كامپيوترهاي بيولوژيك، و روباتهاي بيومتريك است. در گذشته تكنولوژي هاي گوناگوني براي كاربردهاي توانزا با يكديگر تركيب شده اند اما امروزه گرايش رو افزوني به شكل دهي تيمهاي چند رشته اي براي پرداختن به چالشهاي سيستم و دور نما سازي از رويكردها مشهود است، كه جاي روابط سلسله مراتبي سنتي تيمها را گرفته است، بعنوان مثال اكنون ديده ميشود كه دانشمندان علم مواد و كامپيوتر و مهندسان كاربرد سطح همكاري خود را به شدت افزايش مي دهند تا مواد بيوپزشكي براي بافتهاي مصنوعي بسازند يا براي تسهيل سطوح فعال كنترل سيستم، مواد واكنشي را توسعه دهند، همچنين مواد حاوي حسگرها و تحريك كننده ها براي سازه هاي هوشمند به همين ترتيب توسعه مي يابند.