همه چيز درباره نانو

در دو دهه اخير، پيشرفتهاي تکنولوژي وسايل و مواد با ابعاد بسيار کوچک به دست آمده است و به سوي تحولي فوق العاده که تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد کرد ، پيش مي رود .

براي احساس اندازه هاي مادون ريز ، قطر موي سر انسان را که يک دهم ميليمتر است در نظر بگيريد ، يک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست - متر . تکنولوژي و مهندسي در قرن پيش رو با وسايل ، اندازه گيريها و توليداتي سروکار خواهد داشت که چنين ابعاد مادون ريزي دارند .

درحال حاضر پروسه هاي در ابعاد چند مولکول قابل طراحي و کنترل است . همچنين خواص مکانيکي ، شيميايي ، الکتريکي ، مغناطيسي ، نوري و... مواد در لايه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحليل و سنجش است .

تکنولوژي درقرن گذشته در هرچه ريزتر کردن دانه هاي بزرگتر پيشرفت چشمگيري داشت ، بطوريکه به مزاح گفته شد که ديگر کشف ذرات ريز اتمي ((Sub-Atomic)) نه تنها جايزه نوبل ندارد ، بلکه به آن جريمه هم تعلق مي گيرد ! تکنولوژي نو درقرن حاضر مسير عکس را طي مي کند . يعني مواد مادون ريز را بايد ترکيب کرد تا دانه هاي بزرگتر کارآمد به وجود آ ورد .

درست همان روشي که در طبيعت براي توليد کردن حاکم است . مجموعه هاي طبيعي ، ترکيبي از دانه هاي مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه هاي در حدود نانو است .

اثر تحقيقات در فناوريهاي مادون ريز هم اکنون در درمان بيماريها و يا دست يافتن به مواد جديد به ظهور رسيده است . موارد بسياري در مرحله تحقيقات کاربردي و آزمايشي است .اکنون ساخت رايانه هاي بسيار کوچکتر و ميليونها بار سريعتر در دستور کار شرکتهاي تحقيقاتي قرار دارد .

در بياني کوتاه نانوتکنولوژي يک فرايند توليد مولکولي است . همانطور که طبيعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روي هم مونتاژ کرده است ، ما هم بايد براي توليد محصولات جديد ، با اين اعتقاد که هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست ، نظير طبيعت راهي پيدا کنيم . البته منظور اين نيست که چند هسته از مواد راپيدا کنيم و با رساندن انرژي و خوراک پس از چند سال يک نيروگاه از آن بسازيم که شهري را برق دهد . بلکه براي ترکيب و تکامل خودکار توليدات مادون ريزکه به نحوي در مجموعه هاي بزرگتر مصرف دارد ، راهي بيابيم . در اندازه هاي مادون ريز ، روشها و ابزارآلات متعارف فيزيکي مانند تراشيدن و خم کردن و سوراخ کردن و...جوابگو تيستند .

براي ساختن ماشينهاي ملکولي بايد روش پروسه هاي طبيعي را دنبال کرد .

با تهيه نقشه هاي ساختاري بدن يعني آرايش ژنها و DNA که ژنم ناميده شده است و به موازات آن دست يافتن به تکنولوژي مادون ريز ، در دراز مدت تحولات بسياري در هستي ايجاد خواهد شد . توليد مواد جديد ، گياهان ، جانداران و حتي انسان متحول خواهد شد . اشکالات ساختاري موجودات در طبيعت رفع مي شود و با ترکيب و خواص اورگانيک گياهان و جانوران ، موجودات جديدي با خواص فوق العاده و شخصيتهاي متفاوت بوجود خواهد آمد .آينده علوم و مهندسي که چندين گرايشي Multi- Disciplinary )) است ، به طرف توليد ماشينهاي مولکولي سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعه هاي کارآيي از پيوندهاي ارگانيک و سايبريک را عرضه نمايد .

هستي را به رايانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پديده مختلف ولي ادغام شده هستند ، مي توان تشبيه کرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هيدروژن ) و نرم افزار يا برنامه ، قابليت نهفته در خلقت آن است .

اتم به نظر ساده و ابتدايي هيدروژن در طي ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليونها نوع آرايش مختلف را در هستي بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولي در برنامه ريزيهاي جديد و يافتن اشکال ديگري از آنچه در طبيعت وجود دارد ، پيش خواهد رفت . طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهاي شگفت آور آن را باز خواهد کرد . احتمالا انسان در شرايط مناسبتري از درجه حرارت و فشار که درتشکيل طبيعي مواد مختلف از هيدروژن لازم است ، بتواند اتمهاي مورد نباز خود را توليد کند ، سيارات ديگري را در نهايت در اختيار بگيرد و بعيد نيست که نواده هاي دوردست ما بتوانند در نيمه هاي راه ابديت در اکثر نقاط جهان هستي و کهکشانها سکني گزينند.

به احتمال زياد قبل از پايان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعي و ديجيتالي راخواهند داشت. . از بيماري ، پيري ، درد ستون فقرات ، کم حافظه اي و... رنج نخواهند برد .قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بي نهايت خواهد شد . در هزاره هاي آينده انسانهاي طبيعي مانند امروز احتمالا براي مطالعات پژوهشي نگهداري شده و به نمونه هاي آزمايشگاهي و بطور حتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اينهمه درد و ناراحتي که اجداد آنها در هزاره هاي قبل کشيده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود .

اکنون جا دارد همگام با تحولات جديد در مهندسي و علوم ، دانشگاهها و مراکز تحقيقاتي بطور جدي به پژوهشهاي تکنولوژي مادون ريز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانيم مرزهاي دانش روز را به نسلهاي آينده تحويل دهيم و در تشکلهاي جديد هستي سهمي داشته باشيم . باشد هرچه زودتر به خود آييم و عمق شکوهمند و معجزه آساي انديشه بشررا دريابيم و از کوتاه بيني و افکار فرسوده موروثي فاصله بگيريم . گفته شيخ اجل سعدي در آينده مصداق واقعي تري خواهد داشت :

چه انتظاري بايد از نانوتکنولوژي داشت :

اين تکنولوژي جديد توانايي آن را دارد که تاثيري اساسي بر کشورهاي صنعتي در دهه هاي آينده بگذارد . در اينجا به برخي از نمونه هاي عملي در زمينه نانوتکنولوژي که بر اساس تحقيقات و مشاهدات بخش خصوصي به دست آمده است ، اشاره مي شود .

انتظار مي رود که مقياس نانومتر به يک مقياس با کارايي بالا و ويژگيهاي منحصربفرد ، طوري ساخته خواهند شد که روش شيمي سنتي پاسخگوي اين امر نمي تواند باشد .

نانوتکنولوژي مي تواند باعث گسترش فروش سالانه ميليارد دلار براي صنعت نيمه هاديها و ميليون دلار براي مدارهاي مجتمع ، طي تا سال آينده شود .

نانوتکنولوژي ، مراقبتهاي بهداشتي ، طول عمر ، کيفيت و تواناييهاي جسمي بشر را افزايش خواهد داد .

تقريبا نيمي از محصولات دارويي در تا سال آينده متکي به نانوتکنولوژي خواهد بود که اين امر ، خود ميليارد دلار نقدينگي را به گردش درخواهد آورد .

کاتاليستهاي نانوساختاري در صنايع پتروشيمي داراي کاربردهاي فراواني هستند که پيش بيني شده است اين دانش ، سالانه ميليارد دلار را طي تا سال آينده تحت تاثير قرار دهد .

نانوتکنولوژي موجب توسعه محصولات کشاورزي براي يک جمعيت عظيم خواهد شد و راههاي اقتصادي تري را براي تصويه و نمک زدايي آب و بهينه سازي راههاي استفاده از منابع انرژيهاي تجديد پذير همچون انرژي خورشيدي ارائه نمايد . بطور مثال استفاده از يک نوع انباره جريان گذرا با الکترودهاي نانولوله کربني که اخيرا آزمايش گرديد ، نشان داد که اين روش بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دريا را نمک زدايي مي کند .

انتظار مي رود که نانوتکنولوژي نياز بشر را به مواد کمياب کمتر کرده و با کاستن آلاينده ها ، محيط زيستي سالمتر را فراهم کند . براي مثال مطالعات نشان مي دهد در طي تا سال آينده ، روشنايي حاصل از پيشرفت نانوتکنولوژي ،مصرف جهاني انرژي را تا درصد کاهش داده ، باعث صرفه جويي سالانه ميليارد دلار و همچنين کاهش آلودگي هوا به ميزان ميليون تن کربن شود.

در چند سال گذشته بازارچند ميليارد دلاري برپايه نانوتکنولوژي کسترش يافته اند . براي مثال در ايالات متحده ، IBM براي هد ديسکهاي سخت ، يک سري حسگرهاي مغناطيسي را ابداع کرده است .

Eastern Kodak و M تکنولوژي ساخت فيلمهاي نازک نانو ساختاري را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتاليستهاي نانو ساختاري را براي دستگاههاي شيميايي توليد کرده است و شرکت Merck ، داروهاي نانوذره اي را عرضه کرده است . تويوتا در ژاپن مواد پليمري تقويت شده نانوذره اي را براي خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روي سطح صفحات نمايش توسط نانولوله هاي کربني هستند . بشر درست در ابتداي مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاري از نانوساختارهاي يک بعدي بهره مي گيرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لايه و سوپر لاستيکها ) . نظزيات جديد و روشهاي مقرون به صرفه توليد نانوساختارهاي دو و سه بعدي از موضوعات مورد بررسي آينده مي باشند.

نانو تکنولوژي يا کاربرد فناوري در مقياس يک ميليونيم متر، جهان حيرت انگيزي را پيش روي دانشمندان قرار داده است که در تاريخ بشريت نظيري براي آن نمي توان يافت. پيشرفتهاي پرشتابي که در اين عرصه بوقوع مي پيوندد، پيام مهمي را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستيابي به توانايي هاي بي بديلي براي تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه اي که در آينده اي نه چندان دور به مدد اين فناوري جديد پديدار خواهد شد، تفاوت هايي بنيادين با جهان مالوف آدمي در گذشته خواهد داشت.

تکنولوژي نظير هر فناوري ديگري چونان يک تيغ دولبه است که مي توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودي و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گيري از اين فناوري شناخت دقيق تر خصوصيات آن و آشنايي با قابليت هاي بالقوه اي است که در خود جاي داده است. در خصوص نانو تکنولوژي يک نکته را مي توان به روشني و بدون ابهام مورد تاکيد قرار داد: اين فناوري جديد هنوز، حتي براي متخصصان، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامي را که آن را در برگرفته ضخيمتر مي کند و راه را براي گمانزني هاي متنوع هموار مي سازد.

کساني بر اين باورند که اين فناوري نظير هيولايي فرانکشتين در داستان مري شلي و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره هاي يونان باستان، مرگ و نابودي براي ابناي بشر درپي دارد. در مقابل گروهي نيز معتقدند که به مدد توانايي هاي حاصل از اين فناوري مي توان عالم را گلستان کرد.

در حال حاضر شرکت تحقيقاتي- تجاري در سراسر جهان و دانشگاه در اروپا، آمريکا و ژاپن با بودجه اي که در مجموع به ميليارد دلار بالغ مي شود سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانو تکنولوژي هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاري غيرمتعارف از خود به نمايش مي گذارند و از آنجا که کل طبيعت از همين ذرات تشکيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گيري عالم است. به اين ترتيب دانشمنداني که در اين قلمرو به کاوش مشغولند، به يک اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستي و نقشه شگفت انگيز او در خلقت عالم آشنايي پيدا مي کنند، اما از آنجا که دانايي توانايي به همراه مي آورد، شناسايي رازهاي هستي مي تواند توان فوق العاده اي را در اختيار کاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانو تکنولوژي از اواخر دهه آغاز شد و در دهه نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات عايد گرديد.

از جمله آنکه يک گروه از محققان شرکت آي بي ام موفق شدند اتم گزنون را بر روي يک صفحه از جنس نيکل جاي دهند و با کمک اين تک اتمها نامي را بر روي صفحه نيکلي درج کنند. محققان ديگر به بررسي درباره ساختارهاي ريز موجود در طبيعت نظير تار عنکبوت ها و رشته هاي ابريشم پرداختند تا بتوانند موادي نازک تر و مقاوم تر توليد کنند. در اين ميان ساخت يک نوع مولکول جديد کربن موسوم به باکمينسترفولرين يا کربن- راه را براي پژوهشهاي بعدي هموارتر کرد. محققان با کمک اين مولکول که خواص حيرت انگيز آن هنوز در درست بررسي است، لوله هاي موئينه اي در مقياس نانو ساخته اند که مي تواند براي ايجاد ساختارهاي مختلف در تراز يک ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسي هايي که در ابعاد نانو بر روي مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه اي را آشکار کرده است. به عنوان مثال ذرات سيليکن در اين ابعاد از خود نور ساطع مي کنند و لايه هاي فولاد در اين مقياس از استحکام بيشتري در قياس با صفحات بزرگتر اين فلز برخوردارند.

برخي شرکتها از هم اکنون بهره برداري از برخي يافته هاي نانوتکنولوژي را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرايشي اورال از مواد نانو در محصولات آرايشي خود استفاده مي کند تا بر ميزان تاثير آنها بيفزايد. ساخت ديودهاي نوري با استفاده از مواد نانو موجب مي شود تا درصد در هزينه برق صرفه جويي شود. توپهاي تنيسي که با کربن ساخته شده و روانه بازار گرديده سبکتر و مستحکمتر از توپهاي عادي است. شرکتهاي ديگر با استفاده از مواد نانو پارچه هايي توليد کرده اند که با يک بار تکاندن آنها مي توان حالت اتوي اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروکهايشان را زايل کرد. با همين يک بار تکان همه گردوخاکي که به اين پارچه ها جذب شده اند نيز پاک مي شوند. نوارهاي زخم بندي هوشمندي با اين مواد درست شده که به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولکولي، پزشکان را مطلع مي سازند.

از همين نوع مواد همچنين ليوانهايي توليد شده که قابليت خود- تميزکردن دارند. لنزها و عدسيهاي عينک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و يک گروه از محققان تا آنجا پيش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهاي مناسبي توليد کنند که سلولهاي حاوي ويروسهاي خطرناک نظير ويروس ايدز را در خود مي پوشاند و مانع خروج آنها مي شود. مهمترين نکته درباره موقعيت کنوني فناوري نانو آن است که اکنون دانشمندان اين توانايي را پيدا کرده اند که در تراز تک اتمها به بهره گيري از آنها بپردازند و اين توانايي بالقوه مي تواند زمينه ساز بسياري از تحولات بعدي شود. يک گروه از برجسته ترين محققان در حوزه نانوتکنولوژي بر اين اعتقادند که مي توان بدون آسيب رساندن به سلولهاي حياتي، در درون آنها به کاوش و تحقيق پرداخت. شيوه هاي کنوني براي بررسي سلولها بسيار خام و ابتدايي است و دانشمندان براي شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق مي افتد ناگزيرند سلولها را از هم بشکافند و در اين حال بسياري از اطلاعات مهم مربوط به سيالهاي درون سلول يا ارگانلهاي موجود در آن از بين مي رود.

يک گروه از محققان که در گروهي موسوم به اتحاد سيستمهاي زيستي گرد آمده اند، سرگرم تکميل ابزارهاي ظريفي هستند که هدف آن بررسي اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعي و بدون آسيب رساندن به اجزاي دروني سلول يا مداخله در فعاليت بخشهاي داخلي آن است. ابزاري که اين گروه مشغول ساخت آن هستند رديف هايي از لوله ها يا سيمهاي بسيار ظريفند که قادرند وظايف مختلفي را به انجام برسانند از جمله آنکه هزاران پروتئيني را که به وسيله سلولها ترشح مي شود شناسايي کند. گروههاي ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزارهاي ديگر براي انجام مقاصد علمي ديگر هستند.

به عنوان نمونه يک گروه از محققان سرگرم تکميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکولهاي مورد نظر را شناسايي کنند. گروهي نيز دستگاهي را دردست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا مي تواند پروتئين هاي معيني را فعال سازد يا از کار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آنکه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعي آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديدنظر اساسي قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام مي رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها ميان خود، ردوبدل کردن مواد غذايي و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتي. يک گروه از روش تازه اي موسوم به الگوي انتقال ابر - شبکه استفاده کرده اند که ساخت نيمه هاديهاي نانومتري به قطر تنها نانومتر را امکان پذير مي سازد. هريک از اين لوله هاي بسيار ريز بالقوه مي توانند يک پادتن خاص يا يک اوليگو نوکلئو اسيد و يا يک بخش کوچک از رشته دي ان اي بر روي خود جاي دهند.

با کمک هر تراشه مي توان آزمايش متفاوت بر روي يک سلول انجام داد. براي دستيابي به موفقيت کامل بايد بر برخي از محدوديتها غلبه شود، ازجمله آنکه درحال حاضر براي بررسي سلولها بايد آنها را در درون مايعي قرار داد که مصنوعاً محيط زيست طبيعي سلولها را بازسازي مي کند، اما يون موجود در اين مايع مي تواند سنجنده هاي موئينه را از کار بيندازد. براي رفع مشکل، محققان سلولها را درون مايعي جاي مي دهند که چگالي يون آن کمتر است. گروههاي ديگري از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهاي مناسب در مقياس نانو براي بررسي جهان سلولها ابداع کنند. يکي از اين ابزارها چنانکه اشاره شد يک فيبر نوري است که ضخامت نوک آن نانومتر است و بر روي نوک نوعي پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوري با استفاده از فيبرهاي معمولي و تراش آنها ساخته شده و بر روي فيبر پوششي از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيري به عمل آورد. نحوه عمل اين فيبر نوري درخور توجه است.

از آنجاکه قطر نوک اين فيبر نوري، از طول موج نوري که براي روشن کردن سلول مورد استفاده قرار مي گيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهاي نور نمي توانند خود را تا انتهاي فيبر برسانند، درعوض در نزديکي نوک فيبر مجتمع مي شوند و يک ميدان نوري بوجود مي آورند که تنها مي تواند مولکولهايي را که در تماس با نوک فيبر قرار مي گيرند تحريک کند. به نوک اين فيبر نوري يک پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يک مولکول فلورسان مي چسبانند و آنگاه نوک فيبر را به درون يک سلول فرو مي کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فيبر، اين مولکول را کنار مي زند و خود جاي آن را مي گرد. به اين ترتيب نوري که از مولکول فلورسان ساطع مي شد از بين مي رود و فضاي درون سلول تنها با نوري که به وسيله ميدان موجود در فيبر نوري بوجود مي آيد روشن مي شود و درنتيجه محققان قادر مي شوند يک تک مولکول را در درون سلول مشاهده کنند.

مزيت بزرگ اين روش در آن است که باعث مرگ سلول نمي شود و به دانشمندان اجازه مي دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده کنند. نانو تکنولوژي همچنين به محققان امکان مي دهد که بتوانند رويدادهاي بسيار نادر يا مولکولهاي با چگالي بسيار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهاي مينياتوري نيمه هاديهاي فلزي در يک فرکانس خاص از خود نور ساطع مي کنند و از اين نور مي توان براي مشخص کردن مجموعه اي از مولکولهاي زيستي و الصاق برچسب براي شناسايي آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمي نيچر چاپ انگلستان يک گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته اند سنجنده خاصي را تکميل کنند که قادر است حرکت اتمهاي روي را در درون سلولها دنبال کند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبي مدد رساند.

از ابزارهاي در مقياس نانو همچنين مي توان براي عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمايشي که بتازگي به انجام رسيده نشان داده شده است که حمله به سلولهاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو برابر بازده عمل را افزايش مي دهد. محققان اميدوارند در آينده اي نه چندان دور با استفاده از نانو تکنولوژي موفق شوند امور داخلي هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهاي بلندي در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان مي توانند فعاليت پروتئينها و مولکول دي ان اي را در درون سلول کنترل کنند. به اين ترتيب نانو تکنولوژي به محققان امکان مي دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها يعني اصلي ترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه کامل سازند.

سحر ميرشاهي

منبع :

alivephysics.persianblog.com

نقل از: http://www.hupaa.com/Data/P .php