تحقیق مقاله نانو تکنولوژی

مقدمه:

حدود 100 سال پیش که برای اولین بار مسئله استفاده از انرژی عظیم هسته ای مطرح شد؛ بشر همواره نمی توانست درک تجربی و صحیحی نسبت به این موضوع داشته باشد، ولی دیری نپایید که دانش و تکنولوژی این انرژی در اختیار بشر قرار گرفت و توانست استفاده از آن را تجربه نماید. دیر زمانی اگر کسی مسئله پرواز در آسمان و یا سفر به خارج از این کره خاکی و گردش بدور آن را مطرح می کرد، دیگران حتما او را خیال پرداز و مجنون قلمداد می کردند و یا به خاطر اظهار بعضی حقایق فرد را به توبه در کلیسا وامی داشتند! زمانی روباتها و ابرکامپیوترها که می توانستند چندین محاسبه ریاضی را در چند ثانیه انجام دهند، فقط در داستانهای تخیلی نویسندگان پیدا می‎شد و اکنون … همیشه در تمامی اعصار وقتی مطلبی فوق دانش و درک مردم آن زمان مطرح می شد در برابر مخالفتها و انتقادات شدیدی قرار می گرفت ولی بعد از طی روزگار، همگان با پیشرفتهای فوق العاده در آن زمینه مواجه می شدند و حتی این پیشرفت را موجب فراهم آمدن آسایش بیشتر خود می دیدند و حالا در عصر ما بحث نانوتکنولوژی مطرح شده است، موضوعی که در تمامی ابعاد زندگی بشر و رشته های مختلف علمی ارتباط مستقیم و مؤثر خواهد داشت. نانو تکنولوژی چنان رویکرد و نگرش به تکنولوژی را متحول ساخته که در صورت تحقق و رسیدن به مقصدی که ترسیم شده است، شاید بزرگترین جهش انسان برای صعود به قله های رفیع علم خواهد بود. اکنون جهان متوجه این رویکرد متحول کننده شده و متخصصین و دانشمندان در نقاط مختلف این کره خاکی دست به پژوهش و مطالعات وسیعی در این زمینه زده اند و طبق گفته برخی از آنان پیشرفتهای صورت گرفته و روند رو به رشد نانو، بیش از حد حد انتظار و پیش بینی است.

ذرات نانو در همه جا وجود دارند، روبات های نانو می‎توانند به حالت هیجان زده و وحشیانه ای رسیده و شروع به تزاید غیرقابل کنترل نموده به گونه ای که دنیا را به خطر بیاندازند. «تکنولوژی نانو» سال هاست که به وجود آده و می‎توان گفت که تازه دوران آن فرا رسیده است. چون هم اکنون ما می توانیم از آن به عنوان پوشش های ظریف و نازک استفاده کرده و یا در تولید سلول های خورشیدی و حتی ساخت داروهای ضدسرطان استفاده کنیم. البته موارد استفاده زیادتری برای آن متصور بوده، منتهی آنچه که اهمیت حیاتی دارد، این است که تکنولوژی نانو به سرعت رو به جلو پیش می رود و باید در استفاده و بهره وری از آن، تمامی جوانب در نظر گرفته شده، منافع و خطرات آن دقیقاً بررسی شود.

ابتدا اشاره ای به زمینه های نانو می نماییم. «نانو» از یک کلمه یونانی به نام Dwarf که به معنای چیزی که کوچک تر از اندازه معمولی بوده اقتباس شده است. واژه «نانوتکنولوژی» به معنی مورد استفاده قرار دادن چیزهایی در طیف ابعادی بین یک الی 100 نانومتر است. این تکنولوژی نیز همانند بسیاری از تعاریف تکنیکی سوالات بی شماری را در اذهان ایجاد کرده که برای بسیاری از آنها هنوز پاسخ مشخص و روشنی وجود ندارد.

برای روشن کردن ذهن خوانندگان گرامی به اندازه یک نانومتر باید بگوییم که طولی است برابر 9-10*1 یا 000000001/0 متر به زبان دیگر یک میلیاردم متر را یک نانومتر می گویند. باز هم برای این که درک بهتری از مطلب داشته باشیم به نمودار ارائه شده در شکل شماره یک نگاه می کنیم. در قسمت سمت راست تصویر قطر تار موی انسان که معادل 000/100 نانومتر است به نمایش درآمده و در بخش کناری آن یعنی نزدیک ترین تصویر سمت چپ آن یک ذره دود سیگار به نمایش درآمده که قطر آن در حدود 5000 نانومتر بوده و باز هم سمت چپ آن طول موج رنگ آبی به نمایش گذاشته شده که معادل 500 نانومتر است. در سمت چپ این نمودار میزان فاصله دیسک خوان با صفحه دیسک در هارد کامپیوتر به نمایش درآمده که معادل 15 نانومتر است. باز هم برای این که موردی برای مقایسه داشته باشیم اشاره می کنیم که ذرات نانو را می‎توان با ویروس ها و حتی تک مولکول های تشکیل دهنده آنها مقایسه کرد.

آنها هم اکنون در اطراف ما وجود دارند.

امروزه موارد استفاده نانوتکنولوژی زیاد است که بسیاری از موارد آن از سال 1999 به  این طرف طی مقالات متعددی انتشار یافته است. این روزها از ذرات نانوسیلیکا که یک نوع ماده معدنی شامل سیلیکون و اکسیژن است برای تولید رنگ های پوششی استفاده شده که مزیت آنها قابلیت الکترواستاتیک بودن آنهاست، ضمن آن که باعث تقویت و پایداری محصول نهایی می‎شوند. این ذرات ابتدا در محلول رنگ به صورت شناور درآده و سپس در طی پروسه خشک شدن با آرایش خاصی که به آن آرایش تقاطعی می گویند به یکدیگر متصل می گردند. ماحصل استفاده از ذرات نانو در رنگ های مختلف این است که پایداری آنها در مقابل خش پذیری سه برابر رنگ های معمولی است.

شرکت «هایپریون کاتالیست اینترنشنال» در ساخت خطوط انتقال سوخت که از جنس پلاستیک بوده از نانو تیوب ها به عنوان حلقه های اتصال دهنده استفاده کرده است. این تیوب ها در واقع رشته های ظریفی از کربن بوده که وجود آنها مانع تجمع بار الکتریکی شده که ممکن است به تجهیزات الکترونیکی اتومبیل صدمه بزند.

امروزه ما اجزای نانو را تقریباً در همه جا مشاهده می کنیم از قطعات زینتی اتومبیل گرفته تا حسگرهایی که وظیفه شان کنترل میزان انحراف اتومبیل بوده و از پرده های محافظ در مقابل نور آفتاب گرفته تا توپ های تنیس. وجود نانو در همه جا باعث گردیده که یک مهندس به نکته ظریفی اشاره کند: «ما عادت کرده ایم که نانوتکنولوژی را شیمی بنامیم. البته بین این دو تفاوت فاحشی وجود دارد. میزان فضایی که نانوتکنولوژی در برمی گیرد و اشغال می‌کند چیزی است حدفاصل مشخصه های حجمی مواد و آنچه که در سطح اتم آن اتفاق می‌افتد و روی می‎دهد. تغییرات اندازه ای در این حد عمدتاً باعث می گردد که ویژگی های هر ماده ای دچار دگرگونی کلی شده و با مشخصات اولیه خود به طور کلی تفاوت پیدا کند.» به طور مثال عنصر طلا در حالت عادی عنصری است فاقد هر گونه حرکت و تاثیرگذاری اما نانوگلد یا ذرات نانوی طلا فعال بوده و به وسیله آنها می‎توان یک کاتالیست یا مبدل ارزشمند را تولید کرد.

مثال دیگر می‎تواند عنصر کربن باشد. الماس و گرافیت یا زغال اشکال شناخته شده این عنصر در حالت عادی هستند. اما علاوه بر این ها شکل شناخته شده دیگری از کربن وجود دارد که به آن Buchy Ball می گویند که تماما از مولکول های کربن ساخته شده و فرمول شیمیایی آن C60 است. از ذرات نانوی این عنصر یا ماده شیمیایی در ساخت و تولید پانل های خورشیدی و داروهای ضد سرطان استفاده می‎شود.

آیا آنها می‎توانند بشریت را نابود کنند؟

زمانی که بحث به این جا کشیده می‎شود، در واقع ذرات نانو ملاحظات سلامتی و بهداشتی را نیز در بر می‎گیرد. از آنجایی که باکی‌بال ها به اندازه ویروس ها هستند بنابراین به راحتی قادرند به درون سلول های حیاتی نفوذ کنند و طبیعتاً قادرند اثرات مخرب و ویرانگری نیز داشته باشند.

به باکی بال ها اسفنج های الکترونی نیز می گویند که قادرند نسبت به جذب الکترون های آزاد که در مولکول های مجاور قرار دارند اقدام کنند. وقوع چنین رویدادی در درون موجودات زنده میکروسکوپی باعث می گردد که وضعیت شیمیایی آنها دچار دگرکونی کلی شده و یا به طور کلی نابود شوند. در طی انجام یک سری مطالعات مشخص گردید که شنا کردن یک نوع ماهی در فضایی که کربن از نوع باکی بال در آن وجود داشته باشد منجر به آسیب دیدگی مغز ماهی می گردد.

در آزمایش دیگر پی برده شد که موش های آزمایشگاهی که در مجاورت مقادیر زیادی از نانو تیوب های کربن قرار می گیرند دچار صدمات شدید بافت های ریوی می گردند. بنابراین ترس از این که ذرات نانو از رنگ های پوششی و یا سایر موارد استفاده آن جدا شده و خود طیف جدیدی از آلودگی را ایجاد کنند وجود دارد. در این مورد می‎توان مثالی زد و آن این که زمانی که آزبست کشف شد به آن، الیاف معجزه گر خطاب می کردند ولی همین الیفا چند سالی است که به عنوان الیاف خطرناک مطرح شده و در بسیاری از کشورها استفاده از آن ممنوع است.

وضع قانون همواره کار آسانی نیست. معمولاً ایمنی یک ماده تحت تأثیر آرایش شیمیایی آن است. اما مجدداً یادآور می شویم که خواص مواد نانو اغلب با تغییر اندازه، تغییر می‌کند. به طور مثال محققین خاطرنشان ساخته اند که ذرات نانو که در اثر تنفس وارد ریه می‎شوند معمولاً خطرناک تر از همان مواد هستند که اندازه شان بزرگ تر است و موضوع ناخوشایندتر این است که این تفاوت در میزان سمی بودن در سطح نانو نیز اتفاق می افتد یعنی درجه سمی بودن می‎تواند از یک نانومتر شروع شده و تا 100 نانومتر افزایش پیدا کند.

اما جنبه مثبت در این مورد نیز قابل بررسی بوده چون پی برده شده که باکی بال ها چنانچه تجمعی به میزان PPM 5/1 یا پارت در میلیون داشته باشند قادرند نیمی از باکتری های Escherichia colc موجود در یک نمونه آب را از بین ببرند. به طور کلی نانوکریستال های فولورین آنتی بیوتیک های مفید و موثری هستند. اما پاسخ به این سوالات کار چندان آسانی نیست.

دولت، صنعت، علوم و محیط های علمی و گروه های علاقه مند در سراسر جهان همگی بر روی تکنولوژی نانو با نگاهی کنجکاوانه می نگرند منتهی نقطه نظرات مختلفی دارند. یک گروه بر این عقیده هستند که می بایست تا قبل از تدوین استانداردهای لازم در این خصوص تولید هرگونه محصولی با استفاده از تکنولوژی نانو را به حالت تعلیق درآورد.

دانشمندان و محققین طرفدار محیط زیست نگاه و نظری تقریبا مشابه را ابراز کرده اند مبنی بر این که ذرات نانو را باید ذراتی خطرناک و آسیب پذیر به شمار آورد مگر آن که خلاف آن ثابت شود.

گروه دیگر که در نقطه مقابل این گروه ها قرار دارند و از جمله آنها انجمن سلطنتی و آکادمی سلطنتی مهندسی در انگلستان بوده این مواد را برای مدت 12 ماه تحت بررسی قرار داده و به این جمع بندی رسیده اند که می‎توان با طبقه بندی کردن این مواد در گروه مواد شیمیایی جدید و با عنایت به قوانین موجود در این رابطه از آنها استفاده کرد.

مراقب بودن

در ایالات متحده آمریکا، کنگره بودجه ای به میزان 68/3 میلیارد دلار را برای یک دوره چهار ساله به منظور مطالعه بر روی نانوتکنولوژی اختصاص داده است. بخش قابل توجهی از این پول توسط شرکت ها یا سازمان هایی مانند بنیاد ملی علوم، سازمان انرژی و انستیتو ملی استانداردها و تکنولوژی هزینه خواهد شد.

موسسه ملی نانوتکنولوژی در آمریکا که با سازمان های فوق همکاری نزدیکی در زمینه شناخت و توسعه هر چه بیشتر نانو دارد حدود 11 درصد بودجه یک میلیارد دلاری برای تحقیق را اختصاص به انجام مطالعات در خصوص بهداشت و محیط زیست داده است. در کشور ژاپن شرکت فرانتیر کربن متعلق به گروه میتسوبیشی پیشرو در تولد فولرین یا همان کربن C60 در جهان است. در حال حاضر این شرکت ظرفیت تولید 40 متر یک تن باکی بال در سال را دارا بوده ولی هدف آن افزایش تولید تا میزان 1500 متریک تن در سال است. این شرکت همانند سایر کمپانی های کوچک تر و همین طور دانشگاه های ژاپن در حال انجام همکاری نزدیک با وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت برای حل مسائل مربوط به ایمنی و بهداشتی قبل از آن که اتفاق غیرمترقبه ای به وقوع بپیوندد، هستند.

هیچ کس مایل نیست اتفاقی که چند سال پیش روی داد و ناشی از تغییرات ژنتیکی در محصولات کشاورزی بود و منجر به تولید غذاهای خاصی به نام Franken Food گردید، تکرار شود و از طرف دیگر هیچ کس تمایلی به این که آن را کنار بگذارد نیز ندارد.

اما بحث دیگری که در این جا مطرح می گردد نانو روبات ها یعنی ذرات ریزی هستند که دائماً در حال رشد و توسعه اند. این موضوع فعلا در حد یک تخیل علمی بوده و ایده آن از مخلوط کردن دو واژه به دست آده که عبارتند از قابلیت خودمونتاژی و خود تکثیری. همان گونه که یکی از متخصصین اعلام نموده خود مونتاژی طبیعت بسیاری از چیزها است. به طور مثال سدیم و کلر را در کنار یکدیگر قرار دهید، ملاحظه خواهید کرد که با ترکیب شدن یا به عبارتی خودمونتاژ شدن تشکیل کریستال می دهند. البته چنین عملی خارج از کنترل نیست.

ذرات بسیار کوچک، پتانسیل بسیار بالا

تحقیق و توسعه در حال پیشرفت در فضاهایی بسیار متفاوت است، از تولید انرژی گرفته تا علم مواد، پزشکی و حتی حمل و نقل. نانوکریستال هایی که قابل جاسازی در پلاستیک های هادی جریان الکتریسیته هستند می‎توانند شرایط لازم را برای تولید برق از خورشید با هزینه ای منطقی به وجود آورند. در این پلاستیک ها، مواد پلاستیکی بین الکترودها به صورت لایه لایه یا ساندویچی قرار داده می‎شوند و تکمیل کننده آن عمل لامینیت کردن، آن هم با یک پوشش نازک بوده و سپس می‎توان آنها را بر روی هر نوع سقفی قرار داد تا بتوانند انرژی خورشید را جذب کرده و آن را تبدیل به الکتریسیته بنمایند.

سایر محققان اقدام به پرورش دادن پوشش هایی نموده اند که شامل گرافیت، الماس، کربن به صورت ذرات بدون شکل و بالاخره کربن به صورت حباب های نانو است. تنوع مواد کربنی در ساخت پوشش های مختلف به آنها خواص استثنایی را اهدا می‌کند. به طور نمونه ماده ای وجود دارد به نام CDC یا کربایدی که از کربن مشتق شده ، نسبت به سایش مقاوم بوده و ویژگی های اصطکاک آن پایین است.

یکی از موارد استفاده CDC در اتومبیل می‎تواند یاتاقان های پمپ آب یا واترپمپ باشد.

استفاده از حسگرهای نانو در تولید پارچه و سایر مواد آنها را هوشمند نموده و قادر خواهند بود چنانچه تحت فشار و یا پارگی و یا استفاده غلط قرار گرفتند بلافاصله اطلاعات این رویداد را منتقل کنند. در حال حاضر حسگرهای نانو برای موارد استفاده در پزشکی وجود دارند که به آنها بیوچیپس اطلاق می گردد که حساسیت آنها ده برابر بیش از سایر وسایل و ابزارها بوده که این برتری فقط ناشی از آن است که سطح گستردگی آنها به دلیل نازک بودن در واحد سطح به مراتب بیش از سایرین است.

بیوچیپس ها باعث می گردند که سرعت تحقیق بر روی داروها بالا رفته و جوابی که از انجام آزمایش های خون به دست می‎آید دقیق تر و سریع تر از روش های معمولی باشد.

در دنیای اتومبیل نیز واقعیت سطح بیشتر سلول های سوختی به معنای افزایش راندمان و کاهش هزینه، کاملاً صدق می‌کند. دانشمندان دانشگاه میشیگان در حال به کارگیری چیزی به نان میکرو فابریکاسیون به منظور رشد لایه هایی از غشا تبادل پروتون هستند که تنها بخش گران و پرهزینه در تولید سلول های سوختی بوده و در صورت موفقیت در این امر به زودی شاهد کاهش قیمت اتومبیل های سلول سوختی خواهیم بود.

نانو لیتوگرافی

محققان آزمایشگاه «بروک هاون» وزارت ملی انرژی آمریکا، روش شیمیایی جدیدی را برای نگارش یافته اند که قادر است خطوطی از جوهر به ضخامت تنها چند 10 نانومتر ایجاد کند.

«یانگ کای»، فیزیکدان این آزمایشگاه می‌گوید: این روش جدید نگارش، امکانات زیادی را برای ایجاد الگوها و نقوش بر روی سطوح در مقیاس نانو فراهم کرده است. این دستاورد تأثیر شگرفی بر توسعه فناوری های نانو که شامل الگوسازی در مقیاس نانو، مثل الکترونیک مولکولی (مدارهای ریزی که با استفاده از مولکول های آلی ساده ساخته می‎شوند) هستند، گذاشته است.

نام این روش را «نانولیتوگرافی با قلم الکترونیکی» (EPN)Cآز

 گذاشته اند. آنها یک نوک فلزی نازک را در عرض لایه ای از مولکول های آلی لغزاندند، تا در آن یک ولتاژ الکتریکی ایجاد شود که موجب اکسید شدن منطقه زیرین آن خواهد شد، یا واکنشی رخ دهد که ساختار شیمیایی لایه را تغییر دهد.