تعریف کوتاه نانو تكنولوژی از نگاهی دیگر
در سالهای اخير، پيشرفتهای تكنولوژی وسايل و مواد با ابعاد بسيار كوچك به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده كه تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد كرد ، پيش می رود. برای درک بهتر اندازه های مادون ريز ، قطر موی سر انسان را كه يك دهم ميليمتر است در نظر بگيريد ، يك نانومتر صدهزار برابر كوچكتر است. تكنولوژی و مهندسی در قرن پيش رو با وسايل ، اندازه گيريها و توليداتی سروكار خواهد داشت كه چنين ابعاد مادون ريزی دارند. در حال حاضر پروسه هایی در ابعاد چند مولكول قابل طراحی و كنترل است. همچنين خواص مكانيكی ، شيميايی ، الكتريكی ، مغناطيسی ، نوری و... مواد در لايه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحليل و سنجش است . تكنولوژی در قرن گذشته در هرچه ريزتر كردن تولیدات تکنولوژیکی پيشرفت چشمگيری داشت ، بطوريكه به مزاح گفته شد كه ديگر كشف ذرات ريز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جايزه نوبل ندارد ، بلكه به آن جريمه هم تعلق می گيرد! تكنولوژی نو در قرن حاضر مسير عكس را طی می كند. يعنی مواد مادون ريز را بايد تركيب كرد تا دانه های بزرگتر كارآمد به وجود آ ورد.
درست همان روشی كه در طبيعت برای توليد كردن حاكم است. مجموعه های طبيعی ، تركيبی از دانه های مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقيقات در فناوری های مادون ريز هم اكنون در درمان بيماريها و يا دست يافتن به مواد جديد به ظهور رسيده است. موارد بسياری در مرحله تحقيقات كاربردی و آزمايشی است .اكنون ساخت رايانه های بسيار كوچكتر و ميليونها بار سريعتر در دستور كار موسسات تحقيقاتی قرار دارد.
در بيانی كوتاه نانوتكنولوژی يك فرايند توليد مولكولی است. همانطور كه طبيعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روی هم مونتاژ كرده است ، دانشمندان این علم هم بايد برای توليد محصولات جديد ، با اين اعتقاد كه هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست ، نظير طبيعت راهی پيدا کنند. البته منظور اين نيست كه چند هسته از مواد را پيدا کنند و با رساندن انرژی و خوراك پس از چند سال يك نيروگاه از آن ساخته شود كه شهری را برق دهد. بلكه برای تركيب و تكامل خودكار توليدات مادون ريز كه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راه یابی شود. در اندازه های مادون ريز ، روشها و ابزار آلات متعارف فيزيكی مانند تراشيدن و خم كردن و سوراخ كردن و...جوابگو نیستند.
برای ساختن ماشينهای مولكولی بايد روش پروسه های طبيعی را دنبال كرد. با تهيه نقشه های ساختاری بدن يعنی آرايش ژنها و DNA كه ژنم ناميده شده است و به موازات آن دست يافتن به تكنولوژی مادون ريز ، در دراز مدت تحولات بسياری در هستی ايجاد خواهد شد. توليد مواد جديد ، گياهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشكالات ساختاری موجودات در طبيعت رفع می شود و با تركيب و خواص اورگانيك گياهان و جانوران ، موجودات جديدی با خواص فوق العاده و شخصيتهای متفاوت بوجود خواهد آمد. آينده علوم و مهندسی كه چندين گرايش (Multi- Disciplinary) است ، به طرف توليد ماشينهای مولكولی سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعه های كارآيی از پيوندهای ارگانيك و سايبريك را عرضه نمايد.
هستی را به رايانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) كه دو پديده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبيه كرد. سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هيدروژن ) و نرم افزار يا برنامه ، قابليت نهفته در خلقت آن است.
اتم به نظر ساده و ابتدايی هيدروژن در طی ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليونها نوع آرايش مختلف را در هستی بوجود آورد. بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است. ولی در برنامه ريزی های جديد و يافتن اشكال ديگری از آنچه در طبيعت وجود دارد ، پيش خواهد رفت. طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد كرد. احتمالا انسان در شرايط مناسب تری از درجه حرارت و فشار كه در تشكيل طبيعی مواد مختلف از هيدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نیاز خود را توليد كند ، سيارات ديگری را در نهايت در اختيار بگيرد و بعيد نيست كه انسانهای آینده بتوانند در نيمه های راه ابديت در اكثر نقاط جهان هستی و كهكشانها سكنی گزينند.
به احتمال زياد قبل از پايان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و ديجيتالی را خواهند داشت. از بيماری ، پيری ، درد ستون فقرات ، كم حافظه ای و... رنج نخواهند برد. قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بی نهايت خواهد شد. در هزاره های آينده انسانهای طبيعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمايشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اين همه درد و ناراحتی كه اجداد آنها در هزاره های قبل كشيده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود.
چه انتظاری بايد از نانوتكنولوژی داشت:
اين تكنولوژی جديد توانايی آن را دارد كه تاثيری اساسی بر كشورهاي صنعتی در دهه های آينده بگذارد. در اينجا به برخی از نمونه های عملی در زمينه نانوتكنولوژی اشاره می شود .
انتظار می رود كه مقياس نانومتر به يك مقياس با كارايی بالا و ويژگيهای منحصر به فرد ، محصولاتی ساخته می شود كه روش شيمی سنتی پاسخگوی اين امر نمی تواند باشد.
نانوتكنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه بسیار زیاد برای صنعت نيمه هاديها و مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آينده شود.
نانوتكنولوژی ، مراقبت های بهداشتی ، طول عمر ، كيفيت و تواناييهای جسمی بشر را افزايش خواهد داد.
تقريبا نيمی از محصولات دارويی در 10 تا 15 سال آينده متكی به نانوتكنولوژی خواهد بود كه اين امر ، خود میلیونها دلار نقدينگی را به گردش در خواهد آورد.
كاتاليست های نانو ساختاری در صنايع پتروشيمی دارای كاربردهای فراوانی هستند كه پيش بينی شده است اين دانش ، سالانه ميليارد ها دلار را طی 10 تا 15 سال آينده تحت تاثير قرار دهد.
نانوتكنولوژی موجب توسعه محصولات كشاورزی برای يك جمعيت عظيم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصفيه و نمك زدايی آب و بهينه سازی راههای استفاده از منابع انرژيهای تجديد پذير همچون انرژی خورشيدی ارائه می نمايد. بطور مثال استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهای نانو لوله كربنی كه اخيرا آزمايش گرديد ، نشان داد كه اين روش 10 بار كمتر آب دريا را نمك زدايی می كند.
انتظار می رود كه نانوتكنولوژی نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده ها ، محيط زيستی سالمتر را فراهم كند. برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آينده ، روشنايی حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژی ، مصرف جهانی انرژي را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جويی سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگی هوا به ميزان 200 ميليون تن كربن شود.
در چند سال گذشته بازار چند ميليارد دلاری بر پايه نانوتكنولوژی گسترش يافته اند. برای مثال در ايالات متحده ، IBM برای هد ديسكهای سخت ، يك سری حسگر های مغناطيسی را ابداع كرده است.
Eastern Kodak و 3M تكنولوژی ساخت فيلمهای نازك نانو ساختاری را به وجود آورده اند. شركتMobil كاتاليستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شيميايی توليد كرده است و شركت Merck ، داروهای نانو ذره ای را عرضه كرده است. تويوتا در ژاپن مواد پليمری تقويت شده نانو ذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در كره ، در حال كار بر روی سطح صفحات نمايش توسط نانو لوله های كربنی هستند. بشر درست در ابتدای مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاری از نانو ساختارهای يك بعدی بهره می گيرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لايه و سوپر لاستيكها ). نظريات جديد و روشهای مقرون به صرفه توليد نانو ساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آينده می باشند.
نانو تكنولوژی يا كاربرد فناوری در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرت انگيزی را پيش روی دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيری براي آن نمی توان يافت. پيشرفتهای پر شتابی كه در اين عرصه به وقوع می پيوندد، پيام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستيابی به توانايی های بی بديلی برای تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای كه در آينده ای نه چندان دور به مدد اين فناوری جديد پديدار خواهد شد، تفاوت هايی بنيادين با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
به گزارش ايرنا نانو تكنولوژی نظير هر فناوری ديگری چونان يك تيغ دولبه است كه می توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گيری از اين فناوری شناخت دقيق تر خصوصيات آن و آشنايی با قابليت های بالقوه ای است كه در خود جای داده است. در خصوص نانو تكنولوژی يك نكته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاكيد قرار داد: اين فناوری جديد هنوز، حتی براي متخصصان ، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامی را كه آن را در برگرفته ضخيمتر می كند و راه را برای گمانه زنی های متنوع هموار می سازد.
كسانی بر اين باورند كه اين فناوری نظير هيولايی فرانكشتين در داستان مری شلی و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های يونان باستان ، مرگ و نابودی براي ابنای بشر در-پی دارد. در مقابل گروهی نيز معتقدند كه به مدد توانايی های حاصل از اين فناوری می توان عالم را گلستان كرد.
در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمريكا و ژاپن با بودجه ای كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانو تكنولوژی هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غير متعارف از خود به نمايش می گذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا شناخت بهتر نحوه شكل گيری عالم است. به اين ترتيب دانشمندانی كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند ، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستی و نقشه شگفت انگيز او در خلقت عالم آشنايی پيدا می كنند ، اما از آنجا كه دانايی توانايی به همراه می آورد ، شناسايی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانو تكنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات عايد گرديد.
از جمله آنكه يك گروه از محققان شركت آی بي ام موفق شدند 35 اتم زنون را بر روی يك صفحه از جنس نيكل جای دهند و با كمك اين تك اتمها نامی را بر روی صفحه نيكلی درج كنند. محققان ديگر به بررسی درباره ساختارهای ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوت ها و رشته های ابريشم پرداختند تا بتوانند موادی نازك تر و مقاوم تر توليد كنند. در اين ميان ساخت يك نوع مولكول جديد كربن موسوم به باكمينسترفولرين يا كربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر كرد. محققان با كمك اين مولكول كه خواص حيرت انگيز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقياس نانو ساخته اند كه می تواند برای ايجاد ساختارهای مختلف در تراز يك ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسی هايی كه در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشكار كرده است. به عنوان مثال ذرات سيليكن در اين ابعاد از خود نور ساطع می كنند و لايه های فولاد در اين مقياس از استحكام بيشتری در قياس با صفحات بزرگتر اين فلز برخوردارند.
برخی شركتها از هم اكنون بهره برداری از برخی يافته های نانوتكنولوژی را آغاز كرده اند. به عنوان نمونه شركت آرايشی اورال از مواد نانو در محصولات آرايشی خود استفاده می كند تا بر ميزان تاثير آنها بيافزايد. ساخت ديودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80 درصد در هزينه برق صرفه جويی شود. توپهای تنيسی كه با كربن 60 ساخته شده و روانه بازار گرديده سبكتر و مستحكمتر از توپهای عادی است. شركتهای ديگر با استفاده از مواد نانو پارچه هايی توليد كرده اند كه با يك بار تكاندن آنها می توان حالت اتوی اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروكهايشان را زايل كرد. با همين يك بار تكان همه گردوخاكی كه به اين پارچه ها جذب شده اند نيز پاك می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با اين مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولكولی ، پزشكان را مطلع می سازند.
از همين نوع مواد همچنين ليوانهايی توليد شده كه قابليت خود- تميزكردن دارند. لنزها و عدسی های عينك ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و يك گروه از محققان تا آنجا پيش رفته اند كه درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی توليد كنند كه سلولهای حاوی ويروسهای خطرناك نظير ويروس ايدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترين نكته درباره موقعيت كنونی فناوري نانو آن است كه اكنون دانشمندان اين توانايی را پيدا كرده اند كه در تراز تك اتمها به بهره گيری از آنها بپردازند و اين توانايی بالقوه می تواند زمينه ساز بسياری از تحولات بعدی شود. يك گروه از برجسته ترين محققان در حوزه نانوتكنولوژی بر اين اعتقادند كه می توان بدون آسيب رساندن به سلولهای حياتی ، در درون آنها به كاوش و تحقيق پرداخت. شيوه های كنونی برای بررسی سلولها بسيار خام و ابتدايی است و دانشمندان برای شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق می افتد ناگزيرند سلولها را از هم بشكافند و در اين حال بسياری از اطلاعات مهم مربوط به سيالهای درون سلول يا ارگان های موجود در آن از بين می رود.
يك گروه از محققان كه در گروهی موسوم به اتحاد سيستمهای زيستی گرد آمده اند ، سرگرم تكميل ابزارهای ظريفی هستند كه هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسيب رساندن به اجزای درونی سلول يا مداخله در فعاليت بخشهای داخلی آن است. ابزاری كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند رديف هايی از لوله ها يا سيمهای بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنكه هزاران پروتئينی را كه به وسيله سلولها ترشح می شود شناسايی كند. گروههای ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزارهای ديگر برای انجام مقاصد علمی ديگر هستند.
به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهای نوری در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهای مورد نظر را شناسايی كنند. گروهی نيز دستگاهی را دردست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئين های معينی را فعال سازد يا از كار بياندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنكه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد ، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديد نظر اساسی قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها ميان خود، رد و بدل كردن مواد غذايی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتی. يك گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبكه استفاده كرده اند كه ساخت نيمه هادی های نانو متری به قطر تنها 8 نانومتر را امكان پذير می سازد. هريك از اين لوله های بسيار ريز بالقوه می توانند يك پادتن خاص يا يك بخش كوچك از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند.
با كمك هر تراشه می توان 1000 آزمايش متفاوت بر روی يك سلول انجام داد. برای دستيابی به موفقيت كامل بايد بر برخی از محدوديتها غلبه شود، ازجمله آنكه در حال حاضر برای بررسی سلولها بايد آنها را در درون مايعی قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعی سلولها را بازسازی می كند، اما يون موجود در اين مايع می تواند سنجنده های موئينه را از كار بياندازد. برای رفع مشكل، محققان سلولها را درون مايعی جای می دهند كه چگالی يون آن كمتر است. گروههای ديگری از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقياس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع كنند. يكی از اين ابزارها چنانكه اشاره شد يك فيبر نوری است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روی نوك نوعی پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوری با استفاده از فيبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فيبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيری به عمل آورد. نحوه عمل اين فيبر نوری درخور توجه است.
از آنجا كه قطر نوك اين فيبر نوری، از طول موج نوری كه برای روشن كردن سلول مورد استفاده قرار می گيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فيبر برسانند، در عوض در نزديكی نوك فيبر مجتمع می شوند و يك ميدان نوری بوجود می آورند كه تنها می تواند مولكولهايی را كه در تماس با نوك فيبر قرار می گيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوری يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو می كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار می زند و خود جای آن را می گرد. به اين ترتيب نوری كه از مولكول فلورسان ساطع می شد از بين می رود و فضای درون سلول تنها با نوری كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوری بوجود می آيد روشن می شود و در نتيجه محققان قادر می شوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند.
مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند. نانو تكنولوژی همچنين به محققان امكان می دهد كه بتوانند رويدادهای بسيار نادر يا مولكولهای با چگالی بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهای مينياتوری نيمه هادی های فلزی در يك فركانس خاص از خود نور ساطع می كنند و از اين نور می توان برای مشخص كردن مجموعه ای از مولكولهای زيستی و الصاق برچسب برای شناسايی آنها استفاده كرد. به نوشته هفته نامه علمی نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته اند سنجنده خاصی را تكميل كنند كه قادر است حركت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبی مدد رساند.
از ابزارهای در مقياس نانو همچنين می توان برای عرضه مؤثر تر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمايشی كه به تازگی به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزايش می دهد. محققان اميدوارند در آينده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهای بلندی در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعاليت پروتئينها و مولكول دی ان ای را در درون سلول كنترل كنند. به اين ترتيب نانو تكنولوژی به محققان امكان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها يعنی اصلی ترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه كامل سازند.
در سالهای اخير، پيشرفتهای تكنولوژی وسايل و مواد با ابعاد بسيار كوچك به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده كه تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد كرد ، پيش می رود. برای درک بهتر اندازه های مادون ريز ، قطر موی سر انسان را كه يك دهم ميليمتر است در نظر بگيريد ، يك نانومتر صدهزار برابر كوچكتر است. تكنولوژی و مهندسی در قرن پيش رو با وسايل ، اندازه گيريها و توليداتی سروكار خواهد داشت كه چنين ابعاد مادون ريزی دارند. در حال حاضر پروسه هایی در ابعاد چند مولكول قابل طراحی و كنترل است. همچنين خواص مكانيكی ، شيميايی ، الكتريكی ، مغناطيسی ، نوری و... مواد در لايه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحليل و سنجش است . تكنولوژی در قرن گذشته در هرچه ريزتر كردن تولیدات تکنولوژیکی پيشرفت چشمگيری داشت ، بطوريكه به مزاح گفته شد كه ديگر كشف ذرات ريز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جايزه نوبل ندارد ، بلكه به آن جريمه هم تعلق می گيرد! تكنولوژی نو در قرن حاضر مسير عكس را طی می كند. يعنی مواد مادون ريز را بايد تركيب كرد تا دانه های بزرگتر كارآمد به وجود آ ورد.
درست همان روشی كه در طبيعت برای توليد كردن حاكم است. مجموعه های طبيعی ، تركيبی از دانه های مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقيقات در فناوری های مادون ريز هم اكنون در درمان بيماريها و يا دست يافتن به مواد جديد به ظهور رسيده است. موارد بسياری در مرحله تحقيقات كاربردی و آزمايشی است .اكنون ساخت رايانه های بسيار كوچكتر و ميليونها بار سريعتر در دستور كار موسسات تحقيقاتی قرار دارد.
در بيانی كوتاه نانوتكنولوژی يك فرايند توليد مولكولی است. همانطور كه طبيعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روی هم مونتاژ كرده است ، دانشمندان این علم هم بايد برای توليد محصولات جديد ، با اين اعتقاد كه هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست ، نظير طبيعت راهی پيدا کنند. البته منظور اين نيست كه چند هسته از مواد را پيدا کنند و با رساندن انرژی و خوراك پس از چند سال يك نيروگاه از آن ساخته شود كه شهری را برق دهد. بلكه برای تركيب و تكامل خودكار توليدات مادون ريز كه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راه یابی شود. در اندازه های مادون ريز ، روشها و ابزار آلات متعارف فيزيكی مانند تراشيدن و خم كردن و سوراخ كردن و...جوابگو نیستند.
برای ساختن ماشينهای مولكولی بايد روش پروسه های طبيعی را دنبال كرد. با تهيه نقشه های ساختاری بدن يعنی آرايش ژنها و DNA كه ژنم ناميده شده است و به موازات آن دست يافتن به تكنولوژی مادون ريز ، در دراز مدت تحولات بسياری در هستی ايجاد خواهد شد. توليد مواد جديد ، گياهان ، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشكالات ساختاری موجودات در طبيعت رفع می شود و با تركيب و خواص اورگانيك گياهان و جانوران ، موجودات جديدی با خواص فوق العاده و شخصيتهای متفاوت بوجود خواهد آمد. آينده علوم و مهندسی كه چندين گرايش (Multi- Disciplinary) است ، به طرف توليد ماشينهای مولكولی سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعه های كارآيی از پيوندهای ارگانيك و سايبريك را عرضه نمايد.
هستی را به رايانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) كه دو پديده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبيه كرد. سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هيدروژن ) و نرم افزار يا برنامه ، قابليت نهفته در خلقت آن است.
اتم به نظر ساده و ابتدايی هيدروژن در طی ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليونها نوع آرايش مختلف را در هستی بوجود آورد. بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است. ولی در برنامه ريزی های جديد و يافتن اشكال ديگری از آنچه در طبيعت وجود دارد ، پيش خواهد رفت. طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد كرد. احتمالا انسان در شرايط مناسب تری از درجه حرارت و فشار كه در تشكيل طبيعی مواد مختلف از هيدروژن لازم است ، بتواند اتمهای مورد نیاز خود را توليد كند ، سيارات ديگری را در نهايت در اختيار بگيرد و بعيد نيست كه انسانهای آینده بتوانند در نيمه های راه ابديت در اكثر نقاط جهان هستی و كهكشانها سكنی گزينند.
به احتمال زياد قبل از پايان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و ديجيتالی را خواهند داشت. از بيماری ، پيری ، درد ستون فقرات ، كم حافظه ای و... رنج نخواهند برد. قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بی نهايت خواهد شد. در هزاره های آينده انسانهای طبيعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمايشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اين همه درد و ناراحتی كه اجداد آنها در هزاره های قبل كشيده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود.
چه انتظاری بايد از نانوتكنولوژی داشت:
اين تكنولوژی جديد توانايی آن را دارد كه تاثيری اساسی بر كشورهاي صنعتی در دهه های آينده بگذارد. در اينجا به برخی از نمونه های عملی در زمينه نانوتكنولوژی اشاره می شود .
انتظار می رود كه مقياس نانومتر به يك مقياس با كارايی بالا و ويژگيهای منحصر به فرد ، محصولاتی ساخته می شود كه روش شيمی سنتی پاسخگوی اين امر نمی تواند باشد.
نانوتكنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه بسیار زیاد برای صنعت نيمه هاديها و مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آينده شود.
نانوتكنولوژی ، مراقبت های بهداشتی ، طول عمر ، كيفيت و تواناييهای جسمی بشر را افزايش خواهد داد.
تقريبا نيمی از محصولات دارويی در 10 تا 15 سال آينده متكی به نانوتكنولوژی خواهد بود كه اين امر ، خود میلیونها دلار نقدينگی را به گردش در خواهد آورد.
كاتاليست های نانو ساختاری در صنايع پتروشيمی دارای كاربردهای فراوانی هستند كه پيش بينی شده است اين دانش ، سالانه ميليارد ها دلار را طی 10 تا 15 سال آينده تحت تاثير قرار دهد.
نانوتكنولوژی موجب توسعه محصولات كشاورزی برای يك جمعيت عظيم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصفيه و نمك زدايی آب و بهينه سازی راههای استفاده از منابع انرژيهای تجديد پذير همچون انرژی خورشيدی ارائه می نمايد. بطور مثال استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهای نانو لوله كربنی كه اخيرا آزمايش گرديد ، نشان داد كه اين روش 10 بار كمتر آب دريا را نمك زدايی می كند.
انتظار می رود كه نانوتكنولوژی نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده ها ، محيط زيستی سالمتر را فراهم كند. برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آينده ، روشنايی حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژی ، مصرف جهانی انرژي را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جويی سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگی هوا به ميزان 200 ميليون تن كربن شود.
در چند سال گذشته بازار چند ميليارد دلاری بر پايه نانوتكنولوژی گسترش يافته اند. برای مثال در ايالات متحده ، IBM برای هد ديسكهای سخت ، يك سری حسگر های مغناطيسی را ابداع كرده است.
Eastern Kodak و 3M تكنولوژی ساخت فيلمهای نازك نانو ساختاری را به وجود آورده اند. شركتMobil كاتاليستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شيميايی توليد كرده است و شركت Merck ، داروهای نانو ذره ای را عرضه كرده است. تويوتا در ژاپن مواد پليمری تقويت شده نانو ذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در كره ، در حال كار بر روی سطح صفحات نمايش توسط نانو لوله های كربنی هستند. بشر درست در ابتدای مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاری از نانو ساختارهای يك بعدی بهره می گيرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لايه و سوپر لاستيكها ). نظريات جديد و روشهای مقرون به صرفه توليد نانو ساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آينده می باشند.
نانو تكنولوژی يا كاربرد فناوری در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرت انگيزی را پيش روی دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيری براي آن نمی توان يافت. پيشرفتهای پر شتابی كه در اين عرصه به وقوع می پيوندد، پيام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستيابی به توانايی های بی بديلی برای تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای كه در آينده ای نه چندان دور به مدد اين فناوری جديد پديدار خواهد شد، تفاوت هايی بنيادين با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
به گزارش ايرنا نانو تكنولوژی نظير هر فناوری ديگری چونان يك تيغ دولبه است كه می توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گيری از اين فناوری شناخت دقيق تر خصوصيات آن و آشنايی با قابليت های بالقوه ای است كه در خود جای داده است. در خصوص نانو تكنولوژی يك نكته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاكيد قرار داد: اين فناوری جديد هنوز، حتی براي متخصصان ، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامی را كه آن را در برگرفته ضخيمتر می كند و راه را برای گمانه زنی های متنوع هموار می سازد.
كسانی بر اين باورند كه اين فناوری نظير هيولايی فرانكشتين در داستان مری شلی و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های يونان باستان ، مرگ و نابودی براي ابنای بشر در-پی دارد. در مقابل گروهی نيز معتقدند كه به مدد توانايی های حاصل از اين فناوری می توان عالم را گلستان كرد.
در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمريكا و ژاپن با بودجه ای كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانو تكنولوژی هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غير متعارف از خود به نمايش می گذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا شناخت بهتر نحوه شكل گيری عالم است. به اين ترتيب دانشمندانی كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند ، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستی و نقشه شگفت انگيز او در خلقت عالم آشنايی پيدا می كنند ، اما از آنجا كه دانايی توانايی به همراه می آورد ، شناسايی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانو تكنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات عايد گرديد.
از جمله آنكه يك گروه از محققان شركت آی بي ام موفق شدند 35 اتم زنون را بر روی يك صفحه از جنس نيكل جای دهند و با كمك اين تك اتمها نامی را بر روی صفحه نيكلی درج كنند. محققان ديگر به بررسی درباره ساختارهای ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوت ها و رشته های ابريشم پرداختند تا بتوانند موادی نازك تر و مقاوم تر توليد كنند. در اين ميان ساخت يك نوع مولكول جديد كربن موسوم به باكمينسترفولرين يا كربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر كرد. محققان با كمك اين مولكول كه خواص حيرت انگيز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقياس نانو ساخته اند كه می تواند برای ايجاد ساختارهای مختلف در تراز يك ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسی هايی كه در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشكار كرده است. به عنوان مثال ذرات سيليكن در اين ابعاد از خود نور ساطع می كنند و لايه های فولاد در اين مقياس از استحكام بيشتری در قياس با صفحات بزرگتر اين فلز برخوردارند.
برخی شركتها از هم اكنون بهره برداری از برخی يافته های نانوتكنولوژی را آغاز كرده اند. به عنوان نمونه شركت آرايشی اورال از مواد نانو در محصولات آرايشی خود استفاده می كند تا بر ميزان تاثير آنها بيافزايد. ساخت ديودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80 درصد در هزينه برق صرفه جويی شود. توپهای تنيسی كه با كربن 60 ساخته شده و روانه بازار گرديده سبكتر و مستحكمتر از توپهای عادی است. شركتهای ديگر با استفاده از مواد نانو پارچه هايی توليد كرده اند كه با يك بار تكاندن آنها می توان حالت اتوی اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروكهايشان را زايل كرد. با همين يك بار تكان همه گردوخاكی كه به اين پارچه ها جذب شده اند نيز پاك می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با اين مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولكولی ، پزشكان را مطلع می سازند.
از همين نوع مواد همچنين ليوانهايی توليد شده كه قابليت خود- تميزكردن دارند. لنزها و عدسی های عينك ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و يك گروه از محققان تا آنجا پيش رفته اند كه درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی توليد كنند كه سلولهای حاوی ويروسهای خطرناك نظير ويروس ايدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترين نكته درباره موقعيت كنونی فناوري نانو آن است كه اكنون دانشمندان اين توانايی را پيدا كرده اند كه در تراز تك اتمها به بهره گيری از آنها بپردازند و اين توانايی بالقوه می تواند زمينه ساز بسياری از تحولات بعدی شود. يك گروه از برجسته ترين محققان در حوزه نانوتكنولوژی بر اين اعتقادند كه می توان بدون آسيب رساندن به سلولهای حياتی ، در درون آنها به كاوش و تحقيق پرداخت. شيوه های كنونی برای بررسی سلولها بسيار خام و ابتدايی است و دانشمندان برای شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق می افتد ناگزيرند سلولها را از هم بشكافند و در اين حال بسياری از اطلاعات مهم مربوط به سيالهای درون سلول يا ارگان های موجود در آن از بين می رود.
يك گروه از محققان كه در گروهی موسوم به اتحاد سيستمهای زيستی گرد آمده اند ، سرگرم تكميل ابزارهای ظريفی هستند كه هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسيب رساندن به اجزای درونی سلول يا مداخله در فعاليت بخشهای داخلی آن است. ابزاری كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند رديف هايی از لوله ها يا سيمهای بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنكه هزاران پروتئينی را كه به وسيله سلولها ترشح می شود شناسايی كند. گروههای ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزارهای ديگر برای انجام مقاصد علمی ديگر هستند.
به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهای نوری در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهای مورد نظر را شناسايی كنند. گروهی نيز دستگاهی را دردست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئين های معينی را فعال سازد يا از كار بياندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنكه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد ، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديد نظر اساسی قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها ميان خود، رد و بدل كردن مواد غذايی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتی. يك گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبكه استفاده كرده اند كه ساخت نيمه هادی های نانو متری به قطر تنها 8 نانومتر را امكان پذير می سازد. هريك از اين لوله های بسيار ريز بالقوه می توانند يك پادتن خاص يا يك بخش كوچك از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند.
با كمك هر تراشه می توان 1000 آزمايش متفاوت بر روی يك سلول انجام داد. برای دستيابی به موفقيت كامل بايد بر برخی از محدوديتها غلبه شود، ازجمله آنكه در حال حاضر برای بررسی سلولها بايد آنها را در درون مايعی قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعی سلولها را بازسازی می كند، اما يون موجود در اين مايع می تواند سنجنده های موئينه را از كار بياندازد. برای رفع مشكل، محققان سلولها را درون مايعی جای می دهند كه چگالی يون آن كمتر است. گروههای ديگری از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقياس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع كنند. يكی از اين ابزارها چنانكه اشاره شد يك فيبر نوری است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روی نوك نوعی پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوری با استفاده از فيبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فيبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيری به عمل آورد. نحوه عمل اين فيبر نوری درخور توجه است.
از آنجا كه قطر نوك اين فيبر نوری، از طول موج نوری كه برای روشن كردن سلول مورد استفاده قرار می گيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فيبر برسانند، در عوض در نزديكی نوك فيبر مجتمع می شوند و يك ميدان نوری بوجود می آورند كه تنها می تواند مولكولهايی را كه در تماس با نوك فيبر قرار می گيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوری يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو می كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار می زند و خود جای آن را می گرد. به اين ترتيب نوری كه از مولكول فلورسان ساطع می شد از بين می رود و فضای درون سلول تنها با نوری كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوری بوجود می آيد روشن می شود و در نتيجه محققان قادر می شوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند.
مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند. نانو تكنولوژی همچنين به محققان امكان می دهد كه بتوانند رويدادهای بسيار نادر يا مولكولهای با چگالی بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهای مينياتوری نيمه هادی های فلزی در يك فركانس خاص از خود نور ساطع می كنند و از اين نور می توان برای مشخص كردن مجموعه ای از مولكولهای زيستی و الصاق برچسب برای شناسايی آنها استفاده كرد. به نوشته هفته نامه علمی نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته اند سنجنده خاصی را تكميل كنند كه قادر است حركت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبی مدد رساند.
از ابزارهای در مقياس نانو همچنين می توان برای عرضه مؤثر تر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمايشی كه به تازگی به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزايش می دهد. محققان اميدوارند در آينده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهای بلندی در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعاليت پروتئينها و مولكول دی ان ای را در درون سلول كنترل كنند. به اين ترتيب نانو تكنولوژی به محققان امكان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها يعنی اصلی ترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه كامل سازند.