لطفا منتظر باشید ...
نقش وزارت انرژي در نانوتكنولوژي
نقش وزارت انرژي(DOE) در NNI
افزايش سهم وزارت انرژي در NNI نسبت به سال مالي 2000، معادل 36 ميليون‌دلار (62%) بوده‌است. DOE نقشي حيرت‌انگيز در تحقيقات و تسهيلات علمي دارد. قابليتهاي تحقيقاتي آن در به تصويركشيدن، طرّاحي و كنترل دنياي نانو - فاصلة اتمها و مولكولها تا مواد انبوه- اين وزارت را در جهان بي‌همتا ساخته‌است.
DOE درحال حاضر در اين رشته دامنة گسترده‌ا‌ي از تحقيقات را به انجام رسانده‌است؛ مثلا"خواص بهبوديافتة نانوبلورها براي كاتاليستهاي جديد، تابش وانتشار توأم نور ، نانوكامپوزيتها و ابرخازنها، همگي در اين وزارتخانه بررسي شده‌است.
نانوبلورها و ساختارهاي لايه‌ا‌ي، فرصتهاي بي‌همتايي را براي تلفيق خواص نوري، مغناطيسي، الكترومكانيكي و شيميايي مواد، فراهم ساخته‌است؛ و محققين DOE ساختارهاي لايه‌ا‌ي مصنوعي را براي مصارف الكترونيك، مغناطيسهاي جديد و سطوح با سختي بالا، ايجاد كرده‌اند.
پروژه‌هاي به اتمام‌رسيدة DOE عبارتند از :
1. افزايش نانوذرات اكسيد آلومينيوم به آلومينيوم فلزي، كه باعث توليد ماده‌ا‌ي با مقاومت فرسايش بهترين نوع فولاد ياتاقاني شده‌است.
2. خواص نوري جديد نانوبلورهاي نيمه‌رسانا، به‌منظور برچسب‌گذاري و رهگيري فرآيندهاي مولكولي در سلولهاي زنده.
3. مواد لايه‌ا‌ي نانومتري كه 4 برابر مغناطيسهاي دائمي مرسوم، كارآيي دارند.
4. ساختمانهاي چاه كوانتومي لايه‌ا‌ي براي توليد منابع نوري و سلولهاي فتوولتايي بسيار كارا و كم‌مصرف.
5. تأييدشدن خواص شيميايي نانوبلورها به عنوان فتوكاتاليست‌ها براي شكستن سريعتر مولكولهاي سمي پساب‌ها.
6. ميزبانهاي معدني نيمه‌متخلخل با تك‌لايه‌هاي آلي خود چيدمان، براي به دام‌انداختن و حذف فلزات سنگين از محيط زيست.
تلاشهاي بزرگ جديد علوم و فنّاوري نانو در DOE، بخشي از برنامة علوم پاية انرژي (BES) است، كه داراي اهداف گستردة زير است :
1) فهم علمي اصولي ساختمانها و فعل‌وانفعالات مقياس نانو، مخصوصا" پديده‌هاي گروهي : واضح است كه وقتي اندازة نمونه، اندازة دانه يا اندازة دامنة كار تا مقياس نانومتر كوچك مي‌شود، خواص فيزيكي به شدّت تحت تأثير قرار مي‌گيرند، و ممكن است به نحو هيجان‌انگيزي با خواص متناظر در حالت توده، متفاوت باشند. هم‌اكنون تجربيات كمي در مورد وقايع مقياس نانو وجود دارد. به همين دليل، خواص فيزيكي و شيميايي سيستمهاي نانو كاملا" درك نشده‌است؛ و لذا اين رشته، يك موضوع جديد با مجموعه‌ا‌ي از اصول فيزيكي، توصيفات تئوري و تكنيكهاي تجربي مي‌باشـد. يكي از جالب‌تريـن جنبه‌هـاي نانومـواد، خواص حاصـل از پديده‌هـاي گروهـي(Collective Phenomena) اسـت -وقايعي كه از برهم‌كنش‌ها و رفتار اجزاي مواد حاصل شده، و بنابراين با رفتار اجزاي منفردشان بسيار متفاوت است. در بعضي موارد، وقايع گروهي مي‌تواند باعث ايجاد پاسخ بزرگي به يك تحريك كوچك شود. اين وقايع همچنين هستة اسرار موادي مثل ابررساناهاي در دماي بالا (يكي از مسائل اصلي در فيزيك مواد توده‌اي) مي‌باشد.
2) طرّاحي و سنتز مواد در سطح اتمي براي ايجاد خواص و عملكرد مطلوب : اين هدف، در قلب علوم و فنّاوري اين مقياس قرار مي‌گيرد. در آينده طرّاحي و سنتز مواد در سطح اتمي، تنها با يك ساختار الكترونيك از عناصر صورت خواهدگرفت. خواص اين مواد جديد نه‌تنها تابعي از تركيب، بلكه تابعي از شرايط سنتز نيز خواهدبود. شرايط سنتز جديد، ممكن است غيرتعادلي، فشار بالا، ميدان مغناطيسي بالا و دانسيتة انرژي بالا باشد؛ يا مدلهاي ساخت/نمايش به شدّت موازي بكار رود. حوزة عملكرد اين مواد عمل‌كننده، شامل طرّاحي بلوكهاي ساختماني مولكولي، طرّاحي ساختارهاي چندجزئي و طرّاحي ماشينهاي مولكولي خواهدبود.
3) فهم بنيادي فرآيندهايي كه به كمك آنها موجودات زنده، مواد و كمپلكس‌هاي عمل‌كننده را مي‌سازند : علوم و فنّاوري نانو، به‌طرز غيرقابل بازگشتي علوم فيزيكي و زيستي را به هم مرتبط كرده‌است. طبيعت، اتمها و مولكولها را به‌نحو دقيقي به صورت اشيايي سه بعدي با پيچيدگي غيرعادي درمي‌آورد، تا خواص نوري، مكانيكي، الكتريكي، كاتاليستي و اصطكاكي لازم را بدست آورد. طبيعت مي‌داند چگونه مواد و ساختارها را براي ايجاد ماشينهاي در سطح مولكولي، با هم تركيب كند. اين ماشينها به صورت پمپ (اشياي متحرّك)، حركت‌دهندة مولكولها و حتّي سلولها، تنظيم‌كنندة فرآيندها و حتّي توليدكننده و تبديل‌كنندة انرژي، عمل مي‌كنند. مسألة اصلي در علوم فيزيكي، فهم نحوة ساخت اين اشياي مركب و ماشينهاي مولكولي است، به‌نحوي كه ما قادر به ساخت ابزارهايي براي طرّاحي و ساخت مواد با كارآيي موردنظر باشيم. (اين مواد در طبيعت يافت نشده، ولي با كمك تكنيكهاي خودچيدماني طبيعت، ساخته مي‌شوند.) با فهم و بكارگيري اين اصول در سيستمهاي مصنوعي، ما قادر به پيشرفتهاي حيرت‌انگيزي در زمينه‌هاي گوناگوني هستيم؛ مثل تبديل انرژي، انتقال، پردازش و ذخيره‌سازي اطلاعات، مواد هوشمند و سازگار، سنسورهايي براي مصارف صنعتي، زيست‌محيطي و دفاعي، كاتاليستهاي جديد، داروهاي بهتر و دفع پساب كاراتر.
4) ارتقاي ابزارهاي تجربي براي توصيف و ابزارهاي تئوري/مدلسازي/شبيه‌سازي : تاريخ علم نشان مي‌دهد كه ابزارهاي جديد مسبّب انقلابهاي علمي بوده‌اند. ابزارهاي نو، امكان كشف پديده‌هاي بي‌سابقه و بررسي سريعتر و ظريف‌تر پديده‌هاي شناخته‌شده را فراهم مي‌كند. برنامة BES در توسعة ابزارهاي توصيف‌گر مقياس نانو، پيشتاز بوده‌است. اين ابزارهاي جديد، الزاما" شامل بهبود تكنيكهاي مرسوم (ميكروسكوپي پروب اسكن‌كننده، طيف‌نگارهاي حالت يكنواخت و وابسته به زمان و امثال آن) است. با اين‌حال توصيفگري(Characterization) به شدّت وابسته به ابزارهاي تجربي انقلابي، منجمله تكنيكهايي براي كنترل فعّال رشد، تحليل به شدّت موازي، و تكنيكهايي براي حجمهاي نمونة كوچك است. توانايي‌هايي براي تحريك، منزوي يا فعال‌كردن مولكولهاي منفرد براي نشانه‌گيري چندين مولكول به‌طور همزمان و انتقال يا برداشت انرژي از يك مولكول منفرد، لازم خواهدبود. بعلاوه به نسل جديدي از ابزارهاي تئوري و محاسباتي، احتياج خواهدبود.
وظايف عمدة DOE در زمينه‌هاي علوم، انرژي، دفاع و محيط‌زيست به مقدار زيادي از توسعة اين چهار هدف، سود خواهدبرد. مثلا" روشهاي سنتز و سواركردن نانو، موجب پيشرفتهاي قابل ملاحظه‌ا‌ي است در:
· تبديل انرژي خورشيدي
· روشنايي با مصرف كم
· مواد سبكتر و قويتر -كه كارآيي حمل‌ونقل را بهبود مي‌دهند-
· سنجش شيميايي و زيستي پيشرفته‌تر
· استفاده از مسيرهاي شيميايي كم‌انرژي براي تجزية مواد سمي در درمان و ترميم محيط‌زيست
· سنسورها و كنترل‌كننده‌هاي بهتر براي افزايش راندمان توليد صنعتي.
براي ارتقاي نانوتكنولوژي از همة موارد، اعم از محققين جوان، دانشجويان تحصيلات تكميلي، همكاريهاي تحقيقاتي فوق‌دكترا و نيز كارمندان جوان در طرحهاي ملي يا دانشگاهي، پشتيباني مي‌شود. اين مواد بسيار مختلف و شامل موارد زير مي‌شود:
· طرّاحي مولكولي
· سنتز
· سواركردن (چيدمان)
· مدلسازي مولكولي
· بهبود دستگاهها
· تئوري ومدلسازي
· و مهندسي ابزارآلات و دستگاهها
