تحقیق درباره نانو تکنولوژی یا فناوری نانو با مقدمه و منابع
مقدمه:
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن
دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد
تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل
می‌دهند.
فناوری نانو چیست؟
به طور کلی این فناوری عبارت از کاربرد ذرات در ابعاد نانو است. از دو
مسیر به این ابعاد می توان دسترسی پیدا کرد. یک مسیر دسترسی از بالا به
پایین و دیگری طراحی و ساخت از پایین به بالا است. در نوع اول، ساختارهای
نانو با کمک ابزار و تجهیزات دقیق از خرد کردن ذرات بزرگ تر حاصل می شوند.
در طراحی و ساخت از پایین به بالا که عموما آن را فناوری مولکولی نیز می
نامند، تولید ساختارها، اتم به اتم و یا مولکول به مولکول تولید و صورت می
گیرند. به عقیده مدیر اجرایی موسسه نانوتکنولوژی انگلستان، فناوری نانو
ادامه و گسترش روند مینیاتوریزه کردن است و به این طریق تولید مواد،
تجهیزات و سامانه هایی با ابعاد نانو انجام می شود. درحقیقت فناوری نانو به
ما امکان ساخت طراحی موادی را می دهند که کاملا دارای خواص و اختصاصات
جدید هستند.
چقدر کوچک؟
تا به اینجا متوجه شدیم که علم فناوری نانو که مورد بحث ما می‌باشد، در
مورد بسیار کوچکها صحبت می‌کند. اما می‌خواهیم بدانیم چقدر کوچک؟ یک نانو
عبارتست از 10 به توان -9 یا به عبارتی یک میلیاردیوم متر ، اگر بخواهیم
این اندازه را در ذهن خود مجسم کنیم باید بدانیم که اگر تعداد یک میلیون
ذره یک نانومتری را در کنار هم قرار دهیم تنها طولی برابر با یک میلیمتر
بدست می‌آید. به صورت کاملا دقیق هنگامی که ما از ابعاد نانومتری صحبت
می‌کنیم. منظور ما ابعادی در اندازه اتمها و مولکولها می‌باشد.
هنگامی که درباره نانو فناوری شروع به جستجو و مطالعه کنید، به موضوعات
و مواد مختلفی بر می‌خورید مانند:”نانولوله‌ها ، شبیه سازی مولکولی ، نانو
داروها ، سلولهای سوختی ، کاتالیزورها ، نانو ذرات و …” ، بنابراین ممکن
است نانو فناوری رشته‌ای کاملا گسترده به نظر آید که موضوعات آن ربط چندانی
به هم ندارند. بطور کلی مطالعات نانو فناوری را می‌توان به سه دسته تقسیم
کرد. اگر چه روشهای تحقیقاتی در آنها با یکدیگر متفاوت است، اما این سه
شاخه کاملا به یکدیگر مرتبط هستند و پیشرفت در یکی از شاخه‌ها می‌تواند در
شاخه‌های دیگر نیز کاملا مؤثر باشد. این سه شاخه عبارتند از:
نانوتکنولوژی مرطوب:
این شاخه به مطالعه سیستمهای زنده‌ای می‌پردازد که اساسا در محیطهای
آبی وجود دارند. در این شاخه ساختمان مواد ژنتیکی ، غشاها و سایر ترکیبات
سلولی در مقیاس نانومتر مورد مطالعه قرار می‌گیرد. پژوهشگران موفق شده‌اند
ساختارهای زیستی فراوانی تولید کنند که نحوه عملکرد آنها در مقیاس نانویی
کنترل می‌شود. این شاخه در برگیرنده علوم پزشکی ، دارویی و بطور کلی علوم و
روشهای مرتبط با زیست فناوری است.
نانوتکنولوژی خشک:
این شاخه از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می‌شود و به مطالعه تشکیل
ساختارهای کربنی ، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی می‌پردازد. نکته قابل
توجه این است که الکترونهای آزاد که در فناوری مرطوب موجب انتقال مواد و
انجام واکنشها می‌گردند، در فناوری خشک خصوصیات فیزیکی ماده را پدید
می‌آورند. در نانو تکنولوژی خشک کاربرد مواد نانویی در الکترونیک ، مغناطیس
و ابزارهای نوری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. برای مثال طراحی و ساختن
میکروسکوپهایی که بتوان با استفاده از آنها مواد را در ابعاد نانومتر دید.
نانوتکنولوژی محاسبه‌ای:
در بسیاری از مواقع ابزار آزمایشگاهی موجود برای انجام برخی از
آزمایشها در مقیاس نانومتر مناسب نیستند و یا آنکه انجام این آزمایشها
بسیار گران تمام می‌شود. در این حالت از رایانه‌ها برای شبیه سازی فرآیندها
و واکنشهای اتمها و مولکولها استفاده می‌شود. شناختی که بوسیله محاسبه
بدست می‌آید، باعث می‌شود که زمان پیشرفت نانو تکنولوژی خشک به چند دهه
کاهش یابد و البته تأثیر مهمی در نانو تکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت.
فناوری نانو و فیزیک الکترونیک:
سازندگان قطعات الکترونیکی علاقه بسیاری به کوچک کردن ابعاد و بالا
بردن قدرت محاسبات این تجهیزات دارند. این امر با استفاده از فناوریهای
معمولی ، تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک شده است. اما فناوری نانو تکنولوژی
، راه دیگری را پیش پا گذاشته است، که می‌تواند دنیای الکترونیک را دگرگون
سازد. از جمله وسایل الکترونیکی که با استفاده از این فناوری ساخته شده
است، می‌توان به دیودهای نوری ، رایانه‌های کوانتومی و ترانزیستورهای نانو
اشاره کرد.
ساخت دیودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می‌شود تا 80 درصد در
هزینه برق صرفه جویی شود. یک گروه دیگر از محققان روش تازه‌ای موسوم به
الگوی انتقال ابر شبکه استفاده کرده‌اند، که ساخت نیم هادیهای نانومتری به
قطر تنها 8 نانومتر را امکان پذیر می‌سازد.
نانو تکنولوژی در صنعت:
توپهای تنیسی که با استفاده از کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده
سبکتر و مستحکمتر از توپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد
نانو پارچه‌هایی تولید کرده‌اند که با یک بار تکان دادن آنها می‌توان حالت
اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروکهایشان را از بین برد. با
همین یکبار تکان همه گرد و خاکی که به این پارچه‌ها جذب شده‌اند نیز پاک
می‌شوند. همچنین با استفاده از فناوری نانو لیوانهایی تولید شده که قابلیت
خود تمیز کردن دارند.
فناوری نانو و زیست شناسی:
یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند که
قادر خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را
در دست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا می‌تواند پروتئینهای معینی
را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان از
سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب بدست آورد، باید شیوه تنظیم
آزمایشها را مورد تجدید نظر اساسی قرار داد.
سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می‌رسانند. از
جمله این امور می‌توان به انتقال اطلاعات و علائم و داده‌ها میان خود ، رد و
بدل کردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی اشاره کرد. گروه
دیگری از محققان تا آنجا پیش رفته‌اند که درصد هستند با مواد نانو پوششهای
مناسبی تولید کنند که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در
خود می‌پوشاند و مانع خروج آنها می‌شود.
نانو تکنولوژی در پزشکی:
محققان با استفاده از فناوری نانو در حال ساختن کپسولهایی با ابعاد
نانومتر هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصور ، قدرت تشخیص بافتهای مریض
را داشته و دقیقا روی این بافت قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها
می‌رساند. این پدیده را دارو‌سازی می‌گویند. در آزمایشی که به تازگی به
انجام رسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از
ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزایش می‌دهد. همچنین با استتفاده از
فناوری نانو ، نوارهای زخم بندی هوشمندی درست شده است، که به محض مشاهده
نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی ، پزشکان را مطلع می‌سازد.
فناوری نانو و شیمی:
با استفاده از فناوری نانو می‌توان کاتالیزور‌‌هایی با نسبت سطح به حجم
بسیار بالا تولید کرده و راندمان را در واحد‌های شیمیایی به میزان بسیار
زیادی افزایش داد. سلولهای خورشیدی کوانتومی ، استفاده از هیدروژن به عنوان
سوخت تمیز ، نسل جدید باتریها ، پوششهای بسیار مقاوم فرنگهای بی نیاز از
شستشو و تحولات خارق العاده دیگر در دنیای شیمی و تولید از کاربردهای
فناوری نانو در شیمی می‌باشد.
فناوری نانو و حمل و نقل:
مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شده‌اند، به میزان چشم گیری موجب
کاهش وزن وسایل نقلیه خواهند شد. در خودروهای نسل آینده ، بجای فولاد ، از
مواد مرکب یا نانو کامپوزیتهایی استفاده می‌شود که وزنی بسیار ناچیز و
استحکام حیرت انگیز دارند (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با
فولاد چند صد برابر بیشتر است.
کاهش وزن در وسایل نقلیه یعنی دستیابی به سرعتهای بالاتر ، کاهش مصرف
سوخت ، کاهش تولید آلاینده‌ها و هزاران منفعت دیگر که به یمن کاهش آلودگی ،
عاید بشر خواهد شد. هم‌اکنون با استفاده از این فناوری ، لاستیکهایی ساخته
می‌شود که با دارا بودن درصدی از خاک رس ، مقاومت به سایش بسیار بالایی
داشته و عمری چند برابر لاستیکهای معمولی دارند.
هیچ راه گریزی جز سرمایه گذاری در این بخش نیست وگرنه فاصله ما از کشورهای اروپایی و آمریکایی روز به روز بیشتر خواهد شد.
نانو تکنولوژی از دیدگاه جامعه شناختی:
امروزه واژه نانوتکنولوژی برای توضیح جامع تمامی فعالیت های انجام شده
در سطح اتمی و مولوکولی که کاربردی در دنیای حقیقی داشته باشند به کار می
رود.از آنجا که نانوتکنولوژی همواره در حال دگرگونی زندگی بشر است و
نانوتکنولوژی جایی است که تکنولوژی امروز ما به آن سمت حرکت می کند
بنابراین علم و تکنولوژی امروز ما در مقیاس نانو در بر گیرنده تحقیق و
توسعه در نوک پیکان گستره وسیعی از رشته ها است.اصطلاح نانوتکنولوژی در هر
جایی که دانشمندان تکنولوژیست ما با عناصر سازنده مواد اتمها و مولوکولها
سر و کله می زنند به کار می رود. در واقع علوم و تکنولوژی در مقیاس نانو
مرزهای شیمی ،علم، مواد پزشکی و سخت افزارهای کامپیوتر تحقیقاتی که ادامه
انقلاب تکنولوژی را ممکن می سازد در نوردیده است.
نانوتکنولوژی پهنه ای از علم است که در آن ابعاد و تلرانس هایی با دقت
یک دهم تا صد نانومتر نقش حیاتی ایفا می کند.در واقع این تعریف از Albert
Franks تمامی زمینه های نانو را در بر می گیرد.
با پیشرفت تکنولوژی های در مقیاس نانو توسعه تولید مولوکولی امکان پذیر می شود.
نانوتکنولوژیی که به مراتب قدرتمندتر و نظام مندتر است و در آن
ماشینهایی در مقیاس نانو برای تولید محصولاتی در مقیاس بزرگ با دقت اتمی و
هزینه پایین به کار می روند.
مکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن
(R.Feynnman)، برنده جایزه نوبل فیزیک، مطرح شد. فین من طی یک سخنرانی در
انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک
امکان ساخت اتم به اتم چیز ها را رد نمی کند. وی اظهار داشت که می توان با
استفاده از ماشین های کوچک ماشین هایی به مراتب کوچک تر ساخت و سپس این
کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد. همین عبارت های افسانه وار فاینمن
من راهگشای یکی از جذاب ترین زمینه های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روبوت
هایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشین
هایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند ، هر
دانشمندی را به وجد می آورد. در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال
(J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روبوت ها یا ماشین های
مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی درمی آیند. 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.
ماجرای پیدایش دو عبارت (( رو- پایین )) ((زیر- بالا)) در تعریف
نانوتکنولوژی به جدال بزرگ اسمالی- درکسلر برای تصاحب مقام پدر خواندگی این
دنیا اسرارآمیز بر می گردد. عبارت اول بیانگر برداشت جدیدتری از
نانوتکنولوژی است که به سرکردگی ریچارد اسمالی برنده جایزه نوبل شیمی سال
1996 به خاطر کشف ساختار جدیدی از کربن موسوم به باک میسترفولون-c60 در
مخالفت با نانوتکنولوژی درکسلری رواج یافت .اما عبارت(( زیر بالا)) بر
گرفته افکار رادیکال کیم اریک درکسلر نخستین پروفسور نانوتکنولوژی از
دانشگاه MIT و بنیان گذار واژه نانوتکنولوژی در تبیین مفهوم تولید مولوکولی
است .در میانه دهه 80درکسلر 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 مواد در سطوح اتمی و مولکول ارائه کرد. سخنان درکسلر در
ابتدا به قدری حیرت آور و پیچیده به نظر می رسید که بیشتر دانشمندان و
کارشناسان را تنها به تحسین واداشت. اما در اواخر دهه 90 و در اوایل هزاره
سوم دو جریان متفاوت متشکل از صاحبان صنایع و عده ای از دانشمندان به
سرکردگی ریچارد اسمالی نانوتکنولوژی درکسلری را اساسا وهم و خیال ناممکن می
دانست با استفاده از ضعف درکسلر در جلب افکار عمومی و روابط نه چندان
مناسب وی با مجامع سیاسی تلاش کردند پرچم نانوتکنولوژی را از چنگ درکسلر در
آورد.سرانجام این جریان نو در سال 2003 به کمک حمایتهای سیاسی و به راه
انداختن جنجال 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 در
بردارنده زمینه تحقیق و توسعه ای کاملا چند رشته ای است.در واقع تحقیقات در
مقیاس نانو به بهره گیری همزمان از دانش ابزارها و تکنیکها و نیز اطلاعات
درباره فیزیک واکنشهای مولوکولی و اتمی تبدیل شده است.امروزه دانشمندان علم
مواد مهندسان مکانیک و الکترونیک و محققان علوم پزشکی به دنبال تشکیل
تیمهای تحقیقاتی متشکل از زیست شناسان فیزیکدانان و شیمیدانان هستند.
چیزی حدود سی سال پیش کمپانی فاکس قرن بیستم مشتاقان سینما را به سفری
خارق العاده برد.در این گشت و گذار سینمایی سیاستمداری به نام ریکوئل ولش
بر اثر لخته شدن خون در آستانه مرگ قرار گرفت تا اینکه دانشمندان از طریق
تکنولوژی های معجزه آسایی کشتی فلزی ده متری را تا اندازه سرسوزنی کوچک
کرد.با شروع حرکت این کشتی در جریان خون بدن ولش تماشاچیان با نفسهایی به
شماره افتاده و چهره هایی لرزان گلوبول های شفیدی را مشاهده کردند که به
بزرگی غولهای عظیم الجثه در ماجراهای گالیور بودند.خدمه این کشتی پس از به
پایان رساندن ماموریتشان به اندازه واقعی باز گشتند.در واقع اولین گام در
راستای رویاهای بشر برای کوچک کردن پزشکی تا ابعاد میکروسکوپی بود.امروزه
ما در سینما از داستانهای به مراتب مهیجتری لذت می بریم.داستان بچه هایی که
به اندازه مورچه در می آیند و ماشین های میکروسکوپی که برای آلوده کردن
جهان فرستاده شده اند.
این تکنولوژی جدید 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 و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده
است ، اشاره می شود.
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای
منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی
تواند باشد.
نانوتکنولوژی 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.
نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به
نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به
گردش درخواهد آورد.
کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی
هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا
15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد.
نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و
راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای
استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید .
بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله
کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش 10 بار کمتر از روش
اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند.
انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و
با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات
نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت
نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی
سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن
کربن شود.
در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتکنولوژی کسترش
یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهای سخت ، یک سری
حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است.
Eastern Kodak و 3M 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 شده نانوذره ای را برای خودروها و
Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطح صفحات نمایش توسط
نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین
محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانو
لوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیکها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به
صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می
باشند.
نانو تکنولوژی یا کاربرد فناوری در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت
انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است که در تاریخ بشریت نظیری برای
آن نمی توان یافت. پیشرفتهای پرشتابی 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 قرار گرفته است و جهان و جامعه ای
که 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.
نانو تکنولوژی نظیر هر فناوری دیگری چونان یک تیغ دولبه است که 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 که در خود جای داده است. در خصوص نانو تکنولوژی
یک نکته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاکید قرار داد: این فناوری
جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را
که آن را در برگرفته ضخیمتر می کند و راه را برای گمانزنی های متنوع هموار
می سازد.
کسانی بر این باورند که این فناوری نظیر هیولایی فرانکشتین 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 که به مدد
توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان کرد.
در حال حاضر 450 شرکت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در
اروپا، آمریکا و ژاپن با بودجه ای که در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می
شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تکنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و
ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا که کل طبیعت
از همین ذرات تشکیل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه
شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی که در این قلمرو به کاوش
مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در
خلقت عالم آشنایی پیدا می کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی به همراه می
آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار
کاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه
1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید
گردید.
از جمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند 35 اتم گزنون
را بر روی یک صفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر
روی صفحه نیکلی درج کنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود
در طبیعت نظیر تار عنکبوت ها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی
نازک تر و مقاوم تر تولید کنند. در این میان ساخت یک نوع مولکول جدید کربن
موسوم به باکمینسترفولرین یا کربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر
کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی
است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند که می تواند 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
آشکار کرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیکن در این ابعاد از خود نور ساطع
می کنند و لایه های فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات
بزرگتر این فلز برخوردارند.
برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته های نانوتکنولوژی
را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو در
محصولات آرایشی خود استفاده می کند 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 که با کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده
سبکتر و مستحکمتر از توپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد
نانو پارچه هایی تولید کرده اند که با یک بار تکاندن آنها می توان حالت
اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروکهایشان را زایل کرد. با
همین یک بار تکان همه گردوخاکی که به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاک می
شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده که به محض مشاهده
نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می سازند.
از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده که قابلیت خود- تمیزکردن
دارند. لنزها و عدسیهای عینک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یک
گروه از محققان تا آنجا پیش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهای
مناسبی تولید کنند که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در
خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی
فناوری نانو آن است که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده اند که در
تراز تک اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می
تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یک گروه از برجسته ترین محققان
در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقادند که می توان بدون آسیب رساندن به
سلولهای حیاتی، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه های کنونی برای
بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در
درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال
بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در
آن از بین می رود.
یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده
اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که 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 که این گروه مشغول ساخت آن هستند
ردیف هایی از لوله ها یا سیمهای بسیار ظریفند که قادرند وظایف مختلفی را به
انجام برسانند از جمله آنکه هزاران پروتئینی را که به وسیله سلولها ترشح
می شود شناسایی کند. گروههای دیگر از محققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید
دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصد علمی دیگر هستند.
به عنوان نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری 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
پروتئین های معینی را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران
برای آنکه 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 کردن مواد غذایی و بالاخره
سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یک گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال
ابر – شبکه استفاده کرده اند که ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطر تنها 8
نانومتر را امکان پذیر می سازد. هریک از این لوله های بسیار ریز بالقوه می
توانند یک پادتن خاص یا یک اولیگو نوکلئو اسید و یا یک بخش کوچک از رشته دی
ان ای بر روی خود جای دهند.
با کمک هر تراشه می توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یک سلول انجام داد.
برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله
آنکه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرار داد که
مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می کند، اما یون موجود در این
مایع می تواند سنجنده های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان
سلولها را درون مایعی جای می دهند که چگالی یون آن کمتر است. گروههای
دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی
جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها چنانکه اشاره شد یک فیبر نوری
است که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک نوعی پادتن جا داده شده
که قادر است خود را به مولکول 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 آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، از طول موج نوری که برای روشن کردن
سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی
توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر مجتمع می
شوند و یک میدان نوری بوجود می آورند که تنها می تواند مولکولهایی را که در
تماس با نوک فیبر قرار می گیرند تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتن
متصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوک
فیبر را به 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 مولکول فلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون
سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می آید
روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یک تک مولکول را در درون سلول
مشاهده کنند.
مزیت بزرگ این روش در آن است که باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان
اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند. نانو تکنولوژی
همچنین به محققان امکان می دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا
مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهای
مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می کنند و
از این نور می توان برای مشخص کردن مجموعه ای از مولکولهای زیستی و الصاق
برچسب برای شناسایی آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ
انگلستان یک گروه از محققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی
را تکمیل کنند که قادر است حرکت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال کند 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 که بتازگی به انجام رسیده
نشان داده شده است که 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 تکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را
تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و
به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولکول دی ان ای را
در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می
دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن
جانداران به بهترین وجه کامل سازند.
در پایان می توان گفت مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته
است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر
بگذارد.
مقدمه ای بر فیزیك جدید
شاید بارها عناوین فیزیك جدید، فیزیك كوانتومی و نظریه نسبیت را شنیده باشید و این سؤال برایتان پیش آمده باشد كه: چرا به آنها “فیزیك جدید” می‌گویند؟
چه
نیازی بود این موارد از فیزیك كلاسیك جدا شوند و با اینكه بیش از یك قرن
از آغاز مطالعه آن ها می‌گذرد، هنوز عنوان فیزیك جدید به آن ها اطلاق شود؟
اصلاً در این فیزیك جدید چه خبر است و چه اتفاقی افتاده است كه در فیزیك قبل نبوده است؟
و سؤال‌های دیگری كه كم و بیش برایتان مطرح شده است.
می‌دانید
كه فیزیكدانان به بررسی پدیده‌های طبیعی مشغول هستند و در این میان یكسری
مفاهیم همانند سرعت، دما و غیره تعریف شده و بر اساس آن یكسری قوانین و
نظریه‌ها ساخته و پرداخته شده است. به طور مثال زمانی بر حسب نیاز، مفاهیم
نیرو و شتاب و جرم تعریف شد و بر اساس آن قوانین دینامیك تدوین گردید، در
زمان دیگر نیازمند تعریف دما شدند و بر اساس آن و تعریف گرما، قوانین
ترمودینامیك مطرح شد و هنگامی كه دیده شد جریان الكتریكی، میدان مغناطیسی
تولید می‌كند پیوندی بین الكتریسیته و مغناطیس زده شد و بعدها قوانین
الكترومغناطیس روی كار آمدند.
در
تمام موارد بالا و مواردی از این قبیل حرفی از فیزیك جدید مطرح نبود، به
این علت كه قوانین و نظریه‌های جدید همچنان بر اساس فرض‌ها و اصل‌های قبلی
بنا می‌شد و رفته رفته كوله بار فیزیك كلاسیك پر بار و پر بارتر می‌گردید.
اما در اواخر قرن بیستم فیزیكدانان با پدیده‌هایی روبه‌رو شدند كه با فیزیك
كلاسیك قابل توجیه نبودند. به عبارتی فیزیك كلاسیك با قوانین و نظریه‌های
خود نمی‌توانست چگونگی رخ دادن این پدیده‌ها را روشن كند. بنابراین به
دانشی همانند فیزیك
كلاسیك ولی با پایه و اساس دیگری نیاز بود. به همین دلیل و به تدریج فیزیك جدید با پایه نظریه نسبیت و نظریه كوانتومی تدوین شد.
نظریه نسبت كه آلبرت انیشتین پایه گذار آن بود به مطالعه پدیده‌هایی كه در سرعتهای زیاد و نزدیك سرعت نور رخ می‌دهند، می‌پردازد.
نظریه
كوانتومی كه حاصل كار و پژوهش افراد زیادی مثل پلانک، انیشتین، بور،
شوردینگر، هایزنبرگ، دیراك فرمی و پائولی است به مطالعه پدیده‌هایی اختصاص
دارد كه در مقیاس كوچك مثلاً در مقیاس مولكول‌ها، اتمها و ذره‌های ریز
اتمی رخ می‌دهد.
