شناخت فناوری نانو
ریچارد فاینمن، فیزیک¬دان و برنده جایزه نوبل، برای نخستین بار ایده و مفهوم دانش و فناوری نانو را مطرح کرد. در سال 1959 میلادی، فاینمن در گردهمایی سالانه انجمن فیزیک آمریکا در یک سخنرانی با عنوان «در آن پایین، فضای زیادی وجود دارد»، به توصیف روشی برای کنترل و دستکاری اتم¬ها و مولکول¬ها پرداخت. مهمترین گام عملی در شکل¬گیری فناوری نانو با اختراع میکروسکپ تونلی روبشی و فراهم شدن امکان ساخت و مشاهده اجسام در ابعاد نانو برداشته شد. از آن زمان تاکنون دانش و فناوری نانو به عنوان یکی از مهمترین و هیجان¬انگیزترین شاخه علمی در فیزیک، شیمی، زیست¬شناسی و مهندسی مطرح بوده است. پیش¬بینی می-شود که در آینده نزدیک، فناوری نانو با ایجاد تغییرات بنیادی در تولید محصولات و تجهیزاتی که اتم به اتم و مولکول به مولکول ساخته خواهند شد، به یک صنعت چند تریلیون دلاری در سطح جهان تبدیل گردد.
فناوری نانو یک علم نسبتا جدید و در حال رشد است. به همین دلیل، بیان یک تعریف جامع که برای همه افراد فعال در این حوزه مورد قبول قرار گیرد، کار ساده¬ای نیست. در حال حاضر، تعاریف گوناگونی ارائه شده است که برخی از آن¬ها عبارتند از:
- فناوری نانو، توانایی دیدن، اندازه¬گیری، دستکاری و ساخت اجسام در ابعاد نانو است.
- فناوری نانو، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم¬های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص مواد در ابعاد نانومتری است.
- فناوری نانو، مطالعه پدیده¬ها و تنظیم دقیق مواد در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است.
- فناوری نانو، فهم و کنترل ماده در ابعاد تقریبی 1 تا 100 نانومتر است که پدیده¬های منحصر به فرد کاربردهای نوآورانه را امکان¬پذیر می¬سازند.
- فناوری نانو، مهندسی هدفمند مواد در مقیاس کمتر از 100 نانومتر برای به دست آوردن ویژگی‌ها و عملکردهای وابسته به اندازه است.
- ساختارها، ابزارها و سامانه¬هایی که دارای خواص و رفتار نوآورانه ناشی از چیدمان اتم¬هایشان در ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند.
- فناوری نانو، طراحی، مشخصه¬یابی، تولید و کاربرد ساختارها، ابزارها و سامانه¬ها با دستکاری کنترل شده اندازه و شکل در ابعاد نانو است که منجر به حداقل یک خاصیت برتر یا نوآورانه شود.
با مرور این تعاریف مشخص می¬شود که هر فعالیتی که صرفا با مواد در ابعاد نانو سر و کار دارد، در حوزه فناوری نانو شناخته نمی¬شود. برای این که یک فعالیت را بتوان در حوزه فناوری نانو قرار داد، شرایط زیر باید برقرار باشد:
- حداقل یکی از ابعاد ماده کوچکتر از 100 نانومتر باشد.
- این ابعاد باعث شود که ماده عملکرد و ویژگی وابسته به اندازه از خود نشان دهد که در ابعاد بزرگ دیده نمی¬شود. به عنوان نمونه رنگ فلزاتی مانند طلا و نقره در ابعاد ماکروسکوپی و بزرگتر به اندازه آن بستگی ندارد. اگر یک قطعه طلا را نصف کنید، تغییری در رنگ آن دیده نمی¬شود. اما رنگ نانوذرات طلا و نقره با تغییر اندازه، تغییر می-کند و می¬تواند مثلا به رنگ قرمز یا سبز دیده شود.
- این مواد به صورت هدفمند و غیر تصادفی طراحی و ساخته شده باشند.
درک ابعاد نانو
برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد و اهمیت آن داشت. یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است، که از مرتبه ابعاد اتم¬ها و مولکول¬ها است. به عبارت دیگر، یک متر برابر با یک میلیارد نانومتر، یک میلی¬متر معادل با یک میلیون نانومتر و یک میکرون برابر با هزار نانومتر است. جدول 1-1 مقایسه¬ای بین مقیاس¬های اندازه¬گیری را نشان می-دهد.
جدول 1-1: مقیاس¬های اندازه¬گیری به همراه نمادعلمی.
| پیشوند | علامت اختصاری | معادل به متر | نمایش عددی(متر) | نماد علمی (متر) |
|---|---|---|---|---|
| اگزا | E | یک کوئینتیلیون متر | 1000000000000000000 | 〖10〗^18 |
| پتا | P | یک کوادریلیون متر | 1000000000000000 | 〖10〗^15 |
| ترا | T | یک تریلیون متر | 1000000000000 | 〖10〗^12 |
| گیگا | G | یک میلیارد متر | 1000000000 | 〖10〗^9 |
| مگا | M | یک میلیون متر | 1000000 | 〖10〗^6 |
| کیلو | K | هزار متر | 1000 | 〖10〗^3 |
| هکتو | H | صد متر | 100 | 〖10〗^2 |
| دکا | Da | ده متر | 10 | 〖10〗^1 |
| یونی | U | یک متر | 1 | 〖10〗^(-1) |
| سانتی | C | یک صدم متر | 0.01 | 〖10〗^(-2) |
| میلی | M | یک هزارم متر | 0.001 | 〖10〗^(-3) |
| میکرو | μ | یک میلیونم متر | 0.000001 | 〖10〗^(-6) |
| نانو | N | یک میلیاردم متر | 0.000000001 | 〖10〗^(-9) |
| پیکو | P | یک تریلیونیوم متر | 0.000000000001 | 〖10〗^(-12) |
| فمتو | F | یک کوادریلیونیوم متر | 0.000000000000001 | 〖10〗^(-15) |
| آتو | A | یک کوئینتیلنیوم متر | 0.000000000000000001 | 〖10〗^(-18) |
برای درک این مقیاس¬ها، در مثال¬های زیر ساختارهای مختلف از نظر ابعاد با یکدیگر مقایسه شده¬اند.
مثال 1: یک ساختمان 10 متری، صد هزار برابر قطر تار موی انسان است. قطر تار موی انسان صد هزار برابر یک نانولوله است.
مثال 2: یک زمین ورزشی یک میلیون برابر مورچه و مورچه یک میلیون برابر یک نانوذره 4 نانومتری است.
مثال 3: کره زمين صد ميليون برابر یک توپ فوتبال است و توپ فوتبال صد ميليون برابر مولکول فولرين است.
شكل 1-1: مقایسه مواد در مقیاس نانو.