اشنایی با فناوری نانو و کاربردهای آن

نانو چیست؟

قرن بیست ویکم، قرن فناوری نانو مهمترین دوران صنعت بشمار می رود. قرن نانو، قرن سلامتی، صرفه جویی و آرامش

نامیده می شود. نانو نه یک ماده است نه یک جسم، فقط یک مقیاس است، کوچک شدن یک مقیاس، نانو یک میلیاردم متر

است به اندازه ای کوچک که دیده نمی شود اما باتاثیری بسیار بزرگ در زندگی انسان.

در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی تک تک اتم ها، ملکول ها باخواص توده ماده متفاوت است، نانوذرات

درچنین مقیاس و مشخصه های منحصر به فردی موجب پیدایش دستاوردهای نوینی درعلوم پزشکی و مهندسی می شوند.

به طورخلاصه نانو تکنولوژی به معنی انجام مهندسی مواد در ابعاد اتمی – ملکولی و ساخت موادی با خواص کاملا"

متفاوت درابعاد نانو است. تعریف دیگر نانوتکنولوژی "با آرایش دادن ودستکاری اتم ها ساخت مواد مورد نظراست".

نانومتر، (یک میلیاردم متر) به اندازه چیدن 5الی10 اتم درکنار یگدیگر است، مکعبی باابعاد 2.5 نانومتر تقریبا" 1000

اتم راشامل می شود. خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده تبدیل شده به ابعاد نانو نسبت به خواص آن در ابعاد

ماکرویی کاملا" متفاوت است. نانو در ملکولهای ماده انرژی بالایی را ایجاد می کند به همین دلیل معجزه آسا نامیده می شود.


تاریخچه فناوری نانو


فناوری نانو حدود نیم قرن پیش، در دهه های آخر قرن بیستم همراه با توسعه فناوری های نوین تصویربرداری، دستکاری و

شبیه سازی ماده در مقیاس اتمی پدید آمده است. نانو در گذشته فیزیک اتمی نامیده می شد، پس از کابردی شدن آن، نام آن

نانوشد، به همین دلیل نانو یک علم جدید نیست، اما کاربردی شدن آن زندگی انسان رادگرگون ساخت. ایده نانوتکنولوژی را

برای اولین بارEric Drexler به دنیا عرضه نمود، او درآزمایشگاه مشهورMIT متعلق به انستیتوForesight مطالعات

خود را باسیستم ها بیولوژیکی شروع کرده وسپس متوجه شد که می توان دستگاه های ملکولی تولید کرد بدین ترتیب ایده نانو

تکنوژلوی به نام او ثبت شد. اصطلاح "نانو" برگرفته از یونان قدیم است وبه معنی" کوتوله" بوده است.


جايگاه فناوري نانو در علوم مهندسی


علم میان رشته ای نانوتقریبا" تمامی علوم مهندسی وپزشکی رادر برگرفته است. تاکنون بیشترین کاربرد را درصنایع سنگین،

بهداشت، نساجی و کشاورزی داشته ودر صنایعی نظیر رنگ، اتومبیل، کامپیوتر، شیمی، تصفیه آب وغیره نیز درحال توسعه

است. محصولات نساجی حاصل از فناوری نانو در کشورهای آلمان وانگلیس بیشترین رواج رادارند. تولید کفش ها و لباس

هایی که با حفظ گرمای بدن وتاثیر درگردش خون، باعث کاهش خستگی وراحتی می شوند نیز ازدستاوردهای سحرآمیزعلم

نانو است.

ساخت، دستکاری و آنالیز نانو- سیستم ها، توابع مختلفی راکه قبلا" از وجود آن بی خبر بوده ایم آشکارو استفاده مفید و

عرضه آنها به بشر باعث پیشرفتهای ارزنده ای دراستانداردهای زندگی می شود. مهندسی سیستم های خلاء پیشرفته وایجاد

توانایی های علمی در علوم مهندسی و پزشکی از قبیل; نمایش، تطبیق نیروهای مکانیکی و تعیین مشخصات آنها درسطح

نانو، شروع وخاتمه تثبیت وپی گیری انجام کارهای مختلف در نانو ثانیه ها، بررسی پیشرفت تکنیک های آنالیتیکی مانند;

آنالیزهای شیمیایی در ابعاد نانو وازطرفی فرصت دست یابی علوم مهندسی به نانوسنسورها، عناصرحافظه وتجهیزدستگاه های

جدید وموثردرعلم پزشکی ازدستاوردهای این فناوری است.


تاثیرات فناوری نانو در زندگي انسان


بهره گیری از خواص ماده درمقیاس نانو، نویدبخش فواید و منافعی می باشد که موجب تحولات اساسی در زندگی انسان

می شود. صرفه جوئی در مصرف انرژی، صرفه جویی اقتصادی، صرفه جویی در زمان، تامین محصول بیشتر باهزینه کمتر،

افزایش کیفیت محصول ودرنتیجه افزایش کیفیت واستانداردهای زندگی، ایجاد زندگی سالم، کاهش وابستگی های اقتصادی به

سایر تکنولوژی های پیشرفته وافزایش درآمدهای ملی از جمله فوایدی است که می توان نام برد.

بودجه صرف شده در فناوری نانو درسال 2008 مبلغ 8/6 میلیارد دلارواین بودجه برای سال 2015 به میزان یک تریلیون

دلاروبرای سال 2020 چهاربرابراین رقم پیش بینی شده است.


توليد مواد و محصولات صنعتي :


نانوتکنولوژي تغيير بنياني مسيري است که در آينده موجب ساخت مواد و ابزار مختلف خواهد شد. امکان سنتز مولکولهاي

ساختماني نانو با اندازه و ترکيب بدقت کنترل شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر که داراي خواص و کارکرد

منحصر بفرد باشند انقلابي در مواد و فرايند توليد آنها ايجاد مي کند. محققان قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد

که در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده است. برخي از مزاياي نانو ساختارها عبارتست از مواد

سبک تر، قويتر و قابل برنامه ريزي - کاهش هزينه عمر کاري از طريق کاهش دفعات نقص فني - ابزارهاي نوين بر پايه

اصول معماري جديد - بکارگيري کارخانجات مولکولي يا خوشه اي که مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.


کاربرد فناوري نانو در صنعت الکترونيک :


با استفاده از اين فناوري مي توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد هزار برابر يا بيشتر افزايش داد و در نهايت به

ساخت ابزارهاي ابر محاسباتي به کوچکي يک ساعت مچي رسيد. اگر ظرفيت نهائي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت

در هر اينچ مربع برسد ذخيره سازي 50 عدد DVD در يک هاردديسک به ابعاد يک کارت اعتباري ميسر خواهد شد که

ساخت تراشه ها در اندازه هاي فوق العاده کوچک مثلا در اندازه هاي 32 تا 90 نانومتر و توليد ديسکهاي نوري 100

گيگابايتي در اندازه هاي کوچک نيز از ديگر کاربردهاست.


کاربرد نانوفناوري در صنعت خودروسازي :


ساخت بدنه سبک تر و مقاوم تر براي خودرو - لاستيکهائي با مقاومت بيشتر در برابر سايش - ساخت قطعات موتور با عمر

چندبرابر - کاهش مصرف سوخت خودرو - باطريهاي با انرژي و دوام بالا - حسگرهاي چندمنظوره براي کنترل فرايندهاي

مختلف در خودرو - کاتاليزورهاي اگزوز ماشين براي کاهش آلودگي هوا - سازگار کردن خودرو با محيط زيست - جايگزين

کردن کربن سياه تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري (که تايرهاي سازگار با محيط زيست و مقاوم در برابر سائيدگي

را به ارمغان مي آورد ) استفاده از سيستم هاي الکتروکروميک در آينه هاي داخلي و بيروني خودرو که مي تواند نور را

بطور اتوماتيک تنظيم کند. ( در اين سيستم ها مطابق با شرايط نوري موجود و با استفاده از تغيير ولتاژ، فرايند شيميايي

خاصي اجرا مي شود. در همان حين از طريق مهاجرت اتمهاي ليتيم در لايه هاي بسيار نازک اتمهاي ديگري ساخته مي شود

که اين امر موجب تغيير شفافيت شده و تنظيم نور بصورت اتوماتيک صورت مي گيرد. ) فناوري نانو گرم کردن شيشه هاي

خودرو بصورت نامرئي و بدون استفاده از سيم هاي آزاردهنده را فراهم ساخته است - خاصيت خود پاک کنندگي شيشه ها و

آينه هاي خودرو هم با استفاده از فناوري نانو امکانپذير گشته است.


کاربرد فناوري نانو در صنايع فضائي :


به گفته دانشمندان ناسا خطر قرار گرفتن در معرض تابشهاي فضائي مهمترين عامل محدود کننده طول مدت سفرهاي فضايي

است. طراحان سفيته هاي فضايي به دنبال موادي هستند که بتوانند در بدنه سفينه هاي فضايي، حفاظت موثري در برابر تابشهاي

فضايي ايجاد کرده و ذخيره انرژي خوبي هم داشته باشد. يک فضا نورد بمحض خروج از ميدان مغناطيسي و اتمسفر محافظ

زمين در معرض تابشهاي يونيزه کننده اي بصورت ذرات اتمي باردار قرار مي گيرد که با سرعتي نزديک به سرعت نور

حرکت مي کند. اين ذرات پر انرژي ( HZE ) داراي بار زيادي بوده و بيشترين خطر را براي انسان در فضا ايجاد

مي کنند. قرار گرفتن طولاني مدت در برابر اين تابشها موجب آسيب ديدن DNA و بروز سرطان مي شود. يکي از مواد

محافظي که دانشمندان مشغول بررسي قابليت آن هستند بور ( 10 Bure ) است. آنان در حال مذاکره براي کاربردهاي

احتمالي اين ماده در ماموريت هاي فضايي و نيز کاربردهاي احتمالي نانو لوله هاي بور 10 هستند. در حال حاضر آزمايشهاي

تابشي روي اين نانولوله ها در حال انجام است.


تاثيرات امنيتي نانوفناوري :


به لحاظ کاربردهاي بسيار زيادي که اين فناوري مي تواند در امور نظامي داشته باشد در بخش دفاعي کشورها گرايش زيادي

به تحقيق و توسعه نانوفناوري صورت گرفته است. از جمله کاربردهاي اين فناوري لباسهاي مانع خطر و پرنده هاي بسيار

کوچک و تجهيزات اطلاعاتي است که هم اکنون با حمايت وزارت دفاع کشورهايي چون آمريکا و ژاپن و برخي از کشورهاي

اروپايي بصورت پروژه تحقيقاتي در حال انجام آن هستند.

تسلط اطلاعاتي از طريق نانو الکترونيک پيشرفته بعنوان يک قابليت مهم نظامي امنيتي - امکان آموزش موثرتر نيرو به کمک

سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيده تر حاصله از الکترونيک نانو ساختاري - استفاده بيشتر از اتوماسيون و رباتيک پيشرفته

براي جبران کاهش نيروي انساني نظامي - بهبود کارآيي خودروهاي نظامي و کاهش خطر براي سربازان - تعداد دفعات

کمتر نقص فني تجهيزات نظامي و امنيتي و هزينه کمتر در عمر کاري تجهيزات - پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه

مراقبت از عوامل زيستي - شيميايي و هسته اي - بهبود طراحي سيستمهاي کنترل و ... همه در سايه فناوري نانو و بعنوان

عوامل پشتيبان امنيت ملي از اهميت ويژه اي برخوردار مي باشند.


كاربرد نانو تكنولوژي در كامپيوتر و الكترونيك


هدف از نگارش اين نوشتار، مرور يكي از روش هاي بكارگيري فناوري نانو است. براي مثال اين فناوري نسبتاً نو، در

كامپيوتر و قطعات الكترونيكي كاربرد بسياري دارد. از مثالي كه ريچارد فايمن در سخنراني خود استفاده كرد، شروع مي كنيم.

در واقع با اين مثال ميخواهيم ابعاد و اندازه هاي نانويي را با اندازه هاي خيلي كوچكي كه تكنولوژي آنها هم اكنون در دسترس

است، مقايسه بكنيم. او كه جايزۀ نوبل فيزيك را دريافت كرده بود، در كنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضاي زيادي وجود

دارد» به بحث در مورد توانايي ها و امكان ساخت مواد نانو مقياس پرداخت. او به گونه اي خيال پردازانه، خطوطي حكاكي

شده با به كارگيري باريكۀ الكتروني و با عرضي به اندازۀ چند اتم را فرض كرد كه در واقع وجود ليتوگرافي توسط باريكۀ

الكتروني را پيش بيني مي كرد. در واقع فاينمن با اين سوال شروع كرد: "چرا نمي توانيم بيست و نه پوشينۀ دايره المعارف

بريتانيكا را به سر يك سوزن بنويسيم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اينچ است. اگر آن را بيست و پنج هزار بار بزرگ

كنيم سطح آن با كل سطح صفحات دايره المعارف برابر مي شود. پس كافي است همه نوشته ها را بيست و پنج هزار بار كوچك

كنيم." اگر چه انديشه هاي فاينمن بازتاب چنداني توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اكنون بسياري از فرضيات او به واقعيت

پيوسته اند.

ريچارد فاينمن به پاس كمك هاي شايانش به الكتروديناميك كوانتومي (موضوعي بسيار دور از فناوري نانو) جايزۀ نوبل فيزيك

را دريافت كرده بود. همگام با او، رويا پردازان ديگري نيز مشغول به فعاليت بودند. راف لندور فيزيكداني نظري بود كه در

سال 1957 براي IBM كار مي كرد. وي ايده هايي در پيرامون نانو الكترونيك داشت و به ارزش اثرات مكانيك كوانتومي در

اين زمينه پي برده بود.


1. الكترونيك و فناوري اطلاعات


انقلاب اطلاعات، جهان پيرامون ما را به شيوۀ گسترده اي تحت تاثير قرار داده است و هوده هاي آن از اثرات انقلاب صنعتي

نيز پيشي گرفته است. كليد توسعه و پيشرفت در فناوري اطلاعات، دستيابي به رايانه هايي با توان بيشتر، حجم كوچك تر و

قيمت ارزان تر است. در ادامه به كاربردهاي بيشتري از اين فناوري در الكترونيك و كامپيوتر مي پردازيم.


2.1 ذخيره سازي و حافظه ها


با استفاده از اين فناوري مي توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد هزار برابر يا بيشتر افزايش داد. ذخيره سازي

اطلاعات مبحثي بسيار مهم و ضروري است كه مي تواند به روش هاي مختلفي انجام شود. هم اكنون ظرفيت ديسك هاي

مغناطيسي رايانه ها با استفاده از قانون مور افزايش يافته است و بازاري در حدود چهل ميليارد دلار را در اختيار دارد.


2.1 ساخت ماشين هاي شبيه سازنده

نانو كامپيوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جديدي هستند كه در "علم نانو" مطرح مي شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع يك هدف

نهايي و مهم در نانو تكنولوژي است. نانو اسمبلر در واقع امكان تهيۀ ماشين يا مكانيك ساختاري شبيه خودش را به وجود

مي آورد. زماني كه يك نانو اسمبلر كامل در دسترس باشد تقريباً همه چيز ممكن مي شود و اين مهمترين و بزرگترين خواسته

دانشمندان نانو تكنولوژي است. كدام ساده تر است؛ تهيه كپي از ماشين، يا تهيۀ ماشيني كه خودش را كپي كند؟ در مقياس

ماكرو مولكولي ساختن يك كپي خيلي ساده تر از ساختن ماشيني است كه بتواند خودش را كپي كند اما در تراز مولكولي اين

مساله واژگونه است؛ يعني ساختن ماشيني كه بتواند خود را كپي كند كار را براي ما بارها ساده تر از ساختن ماشين ديگر

مي كند و اين مهم ترين كاربرد نانو اسمبلر مي باشد. به اين ترتيب ساختن اتوماتيك محصولات بدون نيروي كار سنتي،

همانند عمل كپي در ماشين هاي زيراكس، آسان مي شود.


3.1 نيمه هادي ها؛ اساس صنعت الكترونيك كنوني


مطابق قانون مور، نعداد ترانزيستور ها در يك مدار الكترونيكي، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر مي شود. به اين معني كه

مدارها با گذر زمان فشرده و پيچيده تر خواهند شد. اگر چه اين قانون در دهه هاي گذشته راست بود، اما فناوري ليتوگرافي

با محدوديت براي كوچك تر كردن عناصر است؛ به طوري كه پيش بيني مي شود صنعت نيمه هادي در 10 سال آينده به مرز

كوچك سازي برسد. به اين ترتيب نياز است كه فناوري جديدي وارد عمل شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد. از دهۀ

1920 دانشمندان دريافتند كه ويژگي هاي مواد مانند استحكام و قابليت هدايت الكتريكي با ساختار اتمي و مولكولي آنها تعيين

مي شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نيمه هادي شد كه پايۀ صنعت الكترونيك كنوني است. در صنعت كامپيوتر،

قابليت نانو ماشين ها براي كوچك كردن ترانزيستورها رو تراشه هاي سيليكوني مي تواند انقلابي در اين زمينه بوجود آورد. به

اين ترتيب نياز است كه فناوري نو و تازه اي بكارگرفته شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد.


4.1 ابر خازن هاي الكتروشيميايي


ابر خازنها داراي ظرفيت بالايي مي باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه هاي الكترونيكي هستند. اين ابر خازن ها

داراي دو الكترود هستند كه به وسيلۀ يك مادۀ عايق كه در قطعه هاي الكترو شيميايي داراي رسانايي يوني مي باشد، از هم

جدا مي شوند. ظرفيت يك ابر خازن شيميايي نسبت واژگونه با بار روي الكترود، و شمارگر بار در الكتروليت دارد. از ابر

خازن هاي نانو لوله، براي ذخيرۀ انرژي استفاده مي شود. به طور كلي گفته مي شود كه توجه بيشتر در اين مورد، با ذخيرۀ

بار فرق مي كند.


2. الكترونيك مولكولي


2.1 نانو تيوب هاي كربني در نانو الكترونيك


نانو تيوب هاي كربني داراي كاربردهاي بسيار در زمينۀ نانو الكترونيك و همچنين نانو كامپيوترها دارند. از كاربردهاي

بي شمار نانو لوله ها مي توان به كارگيري به عنوان عايق، رسانا و نيمه رسانا و يا نيمه هادي استفاده كرد.


2.1.1 خواص رسانايي الكتريكي در نانو تيوب ها


نانو لوله ها بسته به بردار كايرالشان رسانندگي متفاوتي از خود نشان مي دهند. البته رسانايي آنها به قطر نانو لوله ها نيز بستگي

دارد؛ به اين صورت كه نانو لوله هايي با قطر كوچك، رسانا يا نيمه رسانا هستند. نانو لوله هاي تك ديواره با بردارهاي كايرال

متفاوت، ويژگي هاي متفاوت با يكديگر دارند. از جمله فعاليت اُپتيكي، استحكام مكانيكي و هدايت الكتريكي آن ها با هم فرق

دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانايي، نانو تيوب هاي زيگزاگ، آرميچر و نا متقارن هستند. همه ي ساختارهاي ممكن نانو

لوله تك ديواره با بردارهاي كايرال با انتقال يافتن دو محدوده اي كه در شكل نشان داده شده است مي تواند شكل گيرد، كه n و

m صحيح اند و در نانو لوله هاي زيگزاگ، θ<30 يا m≤n مي باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار كايرال است.

Ch در نانو لوله هاي كربني از na1+ma2 به دست مي آيد كه a1 و a2 بردارهاي شبكه و كوچكترين قطرهاي شش

ضلعي نانو لوله ها هستند و m و n اعدادي صحيح اند. بردار كايرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاويۀ كايرال با

محور زيگزاگ تعريف مي شود.


2.1.2 انواع نانو لوله ها از نظر رسانايي


اگر زاويۀ 0=θ يا n,0 ، نانو لوله از نوع زيگزاگ خواهد بود. در صورتي كه (n-m)/3 شماري صحيح باشد نانو لوله

از نوع فلزي است. در غير اين صورت از نوع نيمه هادي است.


در صورتي كه 30=θ يا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرميچر خواهد بود. نانو لوله هاي آرميچر همه از نوع فلزي هستند.

در غير از اين دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن يا كايرال است كه داراي خواص رسانايي بسيار كمي مي باشد.

n≠m , n≠0


2.2 الكترونيك مولكولي با نانو لوله ها


مثال هايي از كاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه هاي گسيلندۀ ميداني را مي توان نمايش دهنده هاي صفحات تخت، لوله

هاي تخليۀ گاز در شبكه هاي مخابراتي، تفنگ هاي الكتروني براي ميكروسكوپ الكتروني، سوزن هاي ميكروسكوپ اتمي

روبشي و تقويت كننده هاي ميكرو موج نام برد.


3.2سيستم هاي نانو الكترو مكانيكي (NEMS)


سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) عمدتاً مانند ويفرهاي سيليكوني به روش فتوليتوگرافي ساخته مي شوند. اين سيستم

ها در ابزارهايي مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده مي شوند. در حال حاضر، MEMS يك صنعت 11 ميليارد

دلاري است. در اين زمينه حركت از مقياس ميكرو به سمت نانو، امكانات و قابليت هاي جديدي را براي سيستم هاي

الكترومكانيكي ايجاد مي كند. با وجود اين، فقدان انگيزه هاي كافي اقتصادي براي كوچك كردن ماشين ها تا مقياس نانو، باعث

شده است كه تكامل سيستم هاي نانو الكترومكانيكي از روند آرامي برخوردار باشد.

يكي از اهداف نانو فناوري پيشرفت در زمينۀ الكترونيك و علوم كامپيوتر، براي ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابليت بيشتر،

و هزينۀ كمتر است. همان طور كه در بالا توضيح داده شد، دستيابي به اهداف در اين زمينه نقص هاي بسياري در ماشين ها

را برطرف خواهد كرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، كه انقلاب عظيمي در صنعت الكترونيك، در حوزۀ فناوري نانو

خواهد بود.