شناخت و بررسی نانوتکنولوژی و کاربردهای آن در زمینه های مختلف

علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تکنولوژی) توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فناوریهای موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد.
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری – مثل یک درخت یا یک میکروب – ساخته می شود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال:
ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نوورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار شناسایی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ، و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر…دکتر درکسلر در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است: “در جهان اطلاعات ، تکنولوژیهای دیجیتالی را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی کپی ‌برداری نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یک تن ‌تری بیت تراشه‌های تقریبا معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد میشود.
دکتر بوکی بالز رییس هییت تحقیقاتی دانشثگاه رایس و کاشف اسمبلی میگوید:”نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد.”
در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان پرگمیت و پترسون در سال ۱۹۹۳ نگاشته شده چنین آمده است:
تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی ۴ نفره که به دور مدار زمین میگردد با هزینه‌ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید.
موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.

سه فناوری تسخیرکننده:
از طرفی شاید بتوان گفت تسخیرکنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند.
قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی کوچک از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک موضوعی بسیار آشنا می باشد.
در کوچکترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یک موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار کوچکی از سلول که شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد (به نام دی ان ا نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلکه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یکی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترک این سه فناوری است.

چه انتظاری باید از نانوتکنولوژی داشت:
این تکنولوژی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی که بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است ، اشاره می شود.
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد.
نانوتکنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه ۳۰۰ میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و ۹۰۰ میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده شود.
نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد.
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود ۱۸۰ میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد.
کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار را طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده تحت تاثیر قرار دهد.
نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش ۱۰ بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند.
انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی،مصرف جهانی انرژی را تا ۱۰ درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان ۲۰۰ میلیون تن کربن شود
تعریف فناوری نانو از منابع مختلف:
یک نانومتر یک هزارم میکرون است و اگر بخواهیم احساس فیزیکی نسبت به آن داشته باشیم می‌توان گفت که یک نانومتر ۸۰۰۰۰/۱قطر موی انسان می‌باشد اما این تعریف مقیاس نانو، نمی تواند مقایسه درستی باشد چرا که ضخامت موی انسان با توجه خصوصیات فردی هرانسان از چند ده میکرومتر تا چند صدمیکرومتر متغیر می‌باشد.
بنابراین نیاز به یک استاندارد برای بیان مفهوم مقیاس نانو وجود دارد. با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم‌ها و مقیاس نانو می‌توان یک نانومتر را راحت‌ترتصورکرد. یک نانومتر برابر قطر ۱۰ اتم هیدروژن و یا ۵ اتم سیلسیم می‌باشد. درک این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت‌تر می‌باشد. علی‌رغم اینکه درک اندازه یک اتم برای افراد غیرعلمی ساده نمی‌باشد، با اینحال اندازه دقیق اتم برای فهماندن این مقیاس زیاد اهمیت ندارد. چیزی که با این تشابه مشخص می‌شود، این است که نانوفناوری عبارت است از: دستکاری کوچکترین اجزاء ماده یا اتم ها.
۱٫Merriam-Websters Collegiate Dictionary
فناوری نانو عبارت است از هنر دستکاری مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی (مانند روبات‌های میکروسکپی)
۲٫Engines of Creation Glossary
فناوری نانو فناوری است که بر پایه دستکاری تک تک اتم ها و مولکولها استوار است بدین منظور که بتوان ساختاری پیچیده را با خصوصیات اتمی تولید کرد.
۳٫The About.com
تعریف فناوری نانو: توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتی که اندازه آنها تنها چند نانومتر است. تحقیق بر روی قطعات و ادوات بسیار کوچک که خواصشان به خواص الکترونیکی این قطعات وابسته است و خواص الکتریکی آنها احتمالاً متأثر از حرکت تعداد معدودی الکترون در طی عملکرد قطعه می‌باشد. این ادوات، سریع‌تر از ادوات بزرگتر عمل می‌کنند. مسأله قابل توجه این است که می‌توان چنین ساختارهای در ابعاد مولکولی را به کمک انتخاب مناسب مراحل واکنش‌های شیمیایی تولید کرد. همچنین می‌توان چنین ساختارهایی را از طریق دستکاری اتم‌ها روی سطح به وسیله میکروسکوپ‌های نیروی اتمی بدست آورد.
۴٫Webopedias definition of nanotechnology
شاخه‌ای از علوم که هدف نهایی آن کنترل بر روی تک‌تک اتم‌ها و مولکول‌ها می‌باشد تا بتوان به کمک آن تراشه‌های کامپیوتری و سایر ادواتی تولید کرد که هزاران بار کوچکتر از ادوات فعلی باشند که فناوری امروز امکان ساخت آنها را برای ما فراهم آورده است. در فناوری فعلی تولید مدارات نیمه هادی از روش لیتوگرافی برای ایجاد طرح مدار بر روی مواد نیمه هادی استفاده می‌شود. پیشرفت شگرفی که در لیتوگرافی طی ۲ دهه اخیر رخ داده است به ما این امکان را می‌دهد که با بهره‌گیری از دستگاه‌های جدید بتوانیم مداراتی کوچکتر از ۱ میکرون (۱۰۰۰ نانومتر) را تولید کنیم. البته باید توجه داشت که این مدارات هنوز از میلیون‌ها اتم تشکیل شده‌اند. بیشتر دانشمندان بر این باور هستند که لیتوگرافی به مرزهای محدودکننده فیزیکی خود نزدیک شده است. بنابر این برای کوچکتر کردن اندازه نیمه‌هادی‌ها می‌بایست از فناوری‌های جدیدی که می‌توانند تک‌تک اتم‌ها را سازماندهی کنند، استفاده کرد و طبعاً چنین فناوری جزء محدوده فناوری نانو محسوب می‌شود. اگر چه تحقیق در زمینه فناوری نانو به زمانی باز می‌گردد که ریچاردپی فاینمن طی سخنرانی کلاسیک خود در سال ۱۹۵۹ به این فناوری اشاره کرد اما عبارت فناوری نانو اولین بار توسط کی‌اریک درکسلر در سال ۱۹۸۶ در کتابی از وی با عنوان موتورهای آفرینش بسط داده شد. در مقالات و نوشته های عمومی واژه فناوری نانو گاهی به هر فرآیند کوچکتر از اندازه‌های میکرون اطلاق می‌گردد که می‌تواند فرآیند لیتوگرافی را نیز شامل شود. به خاطر همین بسیاری از دانشمندان هنگامی که می‌خواهند درباره فناوری نانو به معنی واقعی و علمی کلمه صحبت کنند از آن به عنوان فناوری نانومولکولی یاد می‌کنند که به معنی فناوری نانو در ابعاد مولکولی می‌باشد.
۵٫Whatisit.com
فناوری نانو که گاه به آن فناوری ساخت مولکولی نیز گفته می‌شود، شاخه‌ای از مهندسی است که با طراحی و ساخت مدارات الکترونیکی و اداوات مکانیکی بسیار کوچک (در ابعاد مولکولی) سر و کار دارد. پژوهشگاه فناوری نانو انگلستان تعریف فناوری نانو را بدین گونه بیان می‌کند: قلمروی از علم و فناوری که به ابعاد و تلورانس‌های ۱/۰ تا ۱۰۰ نانو مترمی‌پردازد در جایی که این ابعاد و یا تلورانس‌ها بتوانند نقش مهمی در خواص قطعه ایفاء کنند.
بحث فناوری نانو اغلب مشابه بحث سیستم‌های میکرو مکانیکی- الکترونیکی می‌باشد(MEMS)
در واقع فناوری نانو زیر مجموعه MEMS است و MEMS به فناوری‌های بزرگتر از ابعاد مولکولی (ابعاد نانو) نیز می‌پردازد.
۶٫nano.gov(NNI)

نانوتکنولوژی چیست ؟
در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد ، NNI تعریفی را برای فناوری نانو ارائه می دهد که در برگیرنده هر سه تعریف ذیل باشد.
۱- توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی ، مولکولی و یا ماکرومولکولی در مقیاس اندازه ای ۱ تا ۱۰۰ نانومتر.
۲ – خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سیستمهایی که به خاطر اندازه کوچک یا حد میانه آنها، خواص و عملکرد نوینی دارند .
۳ – توانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی .تاریخچه فناوری نانو
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود ۴۰۰ سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد.
با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون ۱۰۸ نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند. با این حال این کشف‌ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوتکنولوژیست‌ها شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند که از قالب‌های قدیمی برای شکل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌کرده‌اند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند که چرا با اضافه‌کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌کند. در آن زمان برای ساخت شیشه‌های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می‌‌شده است و با این کار شیشه‌های رنگی بسیار جذابی بدست می‌آمده است. این قبیل شیشه‌ها هم‌اکنون در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در این شیشه‌ها برپایه این حقیقت استوار است که مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میکرو نمی‌باشند.
در واقع یافتن مثالهایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست.رنگدانه‌های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه‌ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. نور انعکاس یافته از آن سبز است ولی اگر نوری از درون آن بتابد، به رنگ قرمز دیده می‌شود. آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریز۷۰۰ (nm) دارد ، که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا ۱۴ به ۱ است حضور این نانوبلورها باعث رنگ ویژه جام لیکرگوس گشته است.
این نشان میدهد که علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند که بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شباهت به تنکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های امروزی نانو نیست.شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان هم می تواند گویای این مطلب باشد که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند
اولین جرقه فناوری نانو(البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال ۱۹۵۹ زده شد.در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان “فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد” ایده فناوری نانو را مطرح ساخت.وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک میتوانیم مولکولها و اتمها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبانها جاری شد.او این واژه را برای توصیف ساخت مواد یا وسایل دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد،به کار برد.در سال ۱۹۸۶ این واژه توسط کی اریک در کسلر در کتابی تحت عنوان : ” موتور آفرینش:آغاز دوران فناوری نانو” باز آفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان “نانو سیستم ها ماشینهای مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها” توسعه داد.
فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه ۱۹۸۰ با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونلی پیمایشی آغاز به کار کرد. این توسعه سبب کشف فولرین در سال ۱۹۸۶ و نانولوله های کربنی در مدت چند سال بعد شد.
تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانوکریستالهای نیمه هادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی نقاط کوانتوم گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی ۵ سال بعد از میکروسکوپ تونلی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد.
فناوری نانو یک زمینه بین رشته ای است که در محدوده علوم کاربردی مختلفی نظیر فیزیک، مواد، الکترونیک و غیره وارد شده است. فناوری نانو خود به تنهایی علم نیست بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد.
فناوری نانو به سه صورت تعریف می شود:
۱- فناوری نانو محدوده تحقیقات و مطالعه مواد و خصوصیات آنها در محدوده ۱- ۱۰۰ نانومتر را در بر می گیرد.
۲-با کمک فناوری نانو ساختارهای نانویی می توان خلق کرد که خصوصیات آنها با ساختارهای ماکروسکوپی همان مواد متفاوت است.
۳-با کمک فناوری نانو می توان در اتمها از طریق کنترل خصوصیات تغییراتی ایجاد کرد.
زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند واکنش های و رفتار اتمها در مقایسه با حالتی که مطالعه در سطح مولکولی انجام می شوند کاملا متفاوت است چرا که در این قلمرو خصوصیات فیزیکی مواد تغییر می کند این درست مانند این است که در توپی را در محفظه ای بیندازید و توپی دیگری را از آن محفظه بیرون آورید. تفاوت در قلمرو نانو به اندازه ای است که حتی رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات شیمیایی و غیره مواد در خارج از این محدوده کاملا متفاوت است.
در فناوری نانو برای ساخت دو روش در نظر گرفته می شود: روش ساخت پایین به بالا و روش ساخت بالا به پایین. در روش ساخت پایین به بالا، وسایل و مواد از سطح مولکولی بر اساس اصول شیمی مولکولی ساخته می شوند درست مانند یک دیوار که از روی هم گذاشتن آجر به آجر ساخته می شود.
در روش ساخت بالا به پایین، اشیاء نانویی بدون کنترل اتمی در مقادیر بزرگتر ساخته می شوند به این طریق که در ساخت آنها از تجهیزات پیشرفته این فناوری مانند میکروسکوپ اتمی و میکروسکوپ تونلی پیمایشی استفاده می شود تا فرایند دستکاری و ایجاد پدیده ها و خصوصیات جدید در اشیاء نانویی ظهور یابند.
امروزه فناوری نانو در ساخت پلیمرهایی با ساختار مولکولی، طراحی تراشه های کامپیوتری کاربرد دارد. همچنین از این فناوری در ساخت مواد آرایشی، انواع پوشش ها و روکش های محافظتی و لباسهای مقاوم نیز استفاده می شود

در سال۱۹۵۹ ریچارد فاینمن مقاله ای را درباره قابلیت های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. باوجود موقعیت هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می شناسند. فاینمن که بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد در آن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت. عنوان سخنرانی وی «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» بود. سخنرانی او شامل این مطلب بود که می توان تمام دایره المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن به اندازه۲۵۰۰۰/۱ابعاد واقعیش کوچک می شود. او همچنین از دوتایی کردن اتم ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد. او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش بینی کرد.
در سال ۱۹۷۴ نوریو تانیگوچی استاد دانشگاه علوم تو کیو عبارت نانوفناوری را در مقاله برای اولین بار تعریف کرد و بدین ترتیب قدمها مدون شدن این فناوری را گذاشت . تعریفی که این روزها با تمامی گسترشی که یافته است اما هنوز به عنوان سنگ بنای مفهوم نانوفناوری شناخته
می شود .
شایدبتوان گام اساسی بعد را به اریک دکسلر امریکایی نسبت داد ، که با انتشار
کتابی به نام ” موتور آفرینش : مبدا دوران فناوری نانو ” در سال ۱۹۸۶ باعث
شد توجهات زیادی به این فناوری توانا جلب شود. خیلی ها این کتاب را اولین
کتاب منتشر شده در این زمینه می دانند . کتاب بعدی او یعنی ” نانو سیستم
ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها ” کتاب بعدی دکسلر بودکه خود مفاهیم زیادی از نانو تکنولوژِی را تبین نمود .

نانوتکنولوژی چست؟
نانوتکنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتکنولوژی در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده میشود.
چرا نانو؟
کلمه‌ای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم یا ۱۰ به توان -۹ یک کمیت استفاده می‌شود. چون یک اتم تقریباً ۱۰ نانومتر است، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشود.
تفاوت بین نانوعلم و نانوتکنولوژی چیست؟
نانو علم صرفا تحقیق است ولی نانوتکنولوژی کاربرد تحقیقات برای حل مسائل و ساخت مواد جدید است.
نانوتکنولوژی از کجا آمده است؟
برای اولین بار ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک پتانسیل نانوعلم را در یک سخنرانی تکان‌دهنده با نام ” درپایین اتاقهای زیادی وجود دارد”، مطرح کرد . فاینمن اصرار داشت، که دانشمندان ساخت وسایلی را،که برای کار در مقیاس اتمی لازم است، شروع کنند. این موضوع مسکوت ماند، تا اینکه اریک درکسلر ندای فاینمن را شنید و یک قالب‌کاری برای مطالعه “وسایلی که توانایی حرکت دادن اشیاء مولکولی و مکان آنها را با دقت اتمی دارند” ایجاد کرد، که در سپتامبر ۱۹۸۱ در مقاله‌ای با نام ” پروتئین راهی برای تولیدانبوه مولکولی ایجاد میکند” آن را ارائه داد. درکسلر آن را با کتابی بنام ” موتورهای خلقت” دنبال کرد و توسعه مفهوم نانوتکنولوژی را همانند یک کوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه های ثبت‌شده از این مفهوم نانوتکنولوژی تغییر مکان دادن اشیا مولکولی، در سال ۱۹۸۹ بود، موقعی که دانشمندی در مرکز تحقیقات آلمادنIBM اتمهای منفردگزنون را روی صفحه نیکل حرکت داد، تا نام IBM را روی سطح نیکل نقش کند.آیا نانوتکنولوژی خیالی‌تر از علم است
از موقعی که اولین مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتکنولوژی همانند چوبدست سحرآمیزی برای ساخت کودکان طراح تا ماشینهای تولید اکسیژن برای استعمار کره مریخ، تصور می‌شد. هیجانات از واقعیات جلوتر بود، اما پیشرفت واقعی با مسائلی پیش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پیش محققین در دانشگاههای کالیفرنیا، رایس وMIT موفق به ساخت نانوذراتی شدند، که به دانشمندان کمک می‌کردند. تعدادی از اساتید این دانشگاهها شرکتهایی تأسیس کردند، که وسایل موردنیاز برای تحقیقات مقیاس نانو را می‌ساختند. اکنون آنها به شدت دنبال حفاظت کارهایشان از طریق ثبت اختراع هستند، تا زمینه تولید فرایندهایشان را فراهم کنند. کاربردهای علمی نانوعلم هنوز کم است. اما مقداری از تولیدات اولیه اکنون وارد بازار می‌شوند.

کارهای علمی انجام‌شده بوسیله نانوتکنولوژی چیست؟
o بیشترین کار علمی روی ایجاد تغییراتی در مواد شیمیایی یا نقشه‌برداری از ترکیبات زیستی، مانند DNA و سلولهای سرطانی است. بعضی ازاولین محصولات تجاری، بهبود تولیدات شیمیایی کنونی یا روشهای پزشکی است STM) بود .

بخش دوم :
خواص و کاربرد پایدار در فناوری نانومواد نانوبلوری توده ای
مواد نانوبلوری توده ای از بلورهایی ساخته شده اند که شامل چندصد تا چندهزار اتم بوده و در کنار یکدیگر قرارگرفته اند. ساختار نانوبلورها بدلیل فشردگی اتم ها در کنار یکدیگر کمترین انرژی آزاد سطحی را دارد.
وقتی اندازه بلور در ماده به سمت نانومقیاس می رود، نسبت اتم های موجود بر روی مرز دان هها به تعداد اتم های کل افزایش می یابد. رفتار اتم های مرزی کاملاً متفاوت از اتم های داخل ذره می باشد و رفتار کل ماده تحت تأثیر قرار می دهد. غالبا این پدیده در فلزات باعث افزایش استحکام، سختی، مقاومت الکتریکی، ظرفیت حرارتی ویژه، بهبود انبساط حرارتی، خواص مغناطیسی و کاهش رسانایی حرارتی و در سرامی کها باعث افزایش چک شخواری، بهبود خواص مکانیکی و حرارتی می گردد.
برای ایجاد مواد نانوبلوری توده ای چندین روش وجود دارد که عبارتنداز:
– فشرده سازی پودر
– روش های متبلورسازی مواد آمورف اولیه
. – فرآوری تغییر شکل پلاستیکی شدید ۱
در روش فشرده سازی پودر ابتدا ذرات نانومقیاسی تولید می شوند که متعاقباً توسط روش های استاتیکی یا دینامیکی به هم فشرده می شوند.
متبلورسازی مواد آمورف می تواند ریزترین مقیاس از نانوساختارها را تولید کند، اما محدود به موادی می شود که می توانند ابتدا به حالت آمورف برسند.
روش های فرآوری تغییر شکل پلاستیکی شدید تنها برای فلزات کاربرد دارند. کاهش اندازه بلور تقریباً در هرفلز باعث افزایش چشمگیر استحکام و در بسیاری مواد باعث افزایش چکش خواری می گردد. به خاطر اینکه چنین رو ش هایی می توانند در مقیاس بزرگ اجرا شوند، بسیار بیشتر از روش های دیگر برای تجاری سازی مورد توجه هستند.
سرامیک های نانوبلوری خاصیت چکش خواری بیشتری را بروز می دهند، بدین معنی که این ترکیبات نسبت به مواد مشابه غیر بلوری شکنندگی کمتری دارند. این مسأله اجازه تبدیل شدن آنها به مفتول را م یدهد و بر اساس خواص ابررسانایی برخی سرامیک ها، کاربردهایی را در پی خواهد داشت.
کاربردی ترین مواد نانوبلوری توده ای، فلزات نانوبلوری هستند که در صنایع خودروسازی، هوافضا و صنایع ساختمانی کاربرد دارند. فلزات نانوبلوری می توانند به جای فلزات و آلیاژهای ساختاری موجود مصرف شوند.
یکی از زمین ههایی که فلزات نانوبلوری مورد استفاده قرار می گیرند، تولید قطعات مستحکم مورد استفاده در صنایع خودروسازی است. در چنین مواردی پاسخ فوق العاده آنها در دماهای بالا، یعنی انبساط کمتر در اثر افزایش دما، از محاسن آنها به شمار می رود. اگر چه سرامیک ها می توانند در این زمینه رقابت کنند، اما معمولاً بسیار شکننده هستند این وجود سرامی کهای نانوبلوری انعطا فپذیرتر هستند و ممکن است در قطعاتی که نیازمند استحکام، مقاومت سایشی بالا و مقاومت در برابر دماهای بالا هستند، کاربرد داشته باشند.
نانوذرات
یک نانوذره، ذره ای است که ابعاد آن در حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد . نانوذرات علاوه بر نوع فلزی، عایقها و نیمه هادی ها، نانوذرات ترکیبی، نظیر ساختارها ی هسته لایه را نیز شامل می شود . نانوذرات در اندازه های پایین نانوخوشه به حساب می آیند. همچنین نانوکره ها، نانومیله ها، و نانوفنجان ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته می شوند.
نانوبلور ها و نقاط کوانتومی نیمه هادی زیرمجموعه نانوذرات هستند . چنین ن انوذراتی در زمینه های مختلف الکترونیکی و الکتریکی و بیودارویی به عنوان حامل دارو و عوامل تصوی ربرداری کاربرد دارند.
تعیین مشخصات نانوذرات برای کنترل سنتز، خواص و کاربرد آنها ضروری است. مشخصات این ترکیبات با و X-ray ، طیف سنجی فوتوالکترونی ، AFM ، استفاده از روش های گوناگونی نظیر آنالیز میکروسکوپ الکترونی سنجیده می شود. FT-IR
نانوذرات زمینه های کاربردی زیادی دارند که مهم ترین آنها عبارتند از:
برای تولید نانوذرات رو شهای بسیار متنوعی وجود دارد. این روش ها اساساً به سه دسته تقسیم می شوند:
چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن.
روش چگالش از بخار که شامل تبخیر فلز جامد سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوش ههای نانومتری و روش سیم انفجاری VERL) است که به صورت پودر ته نشین م یشوند. روش تبخیر در خلاء بر روی مایعات روان
-۱ مواد کامپوزیت ۸- باتری ها و پیل های سوختی
-۲ کامپوزیت های ساختاری ۹- روان کننده ها
-۳ کاتالیزور ۱۰ – پزشکی و داروسازی
-۴ بسته بندی ۱۱ – دارو رسانی
-۵ روکش ها ۱۲- محافظت کننده ها
-۶ افزودنی های سوخت و مواد منفجره ۱۳ – آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی
-۷ ساینده ها ۱۴ – لوازم آرایشی

عناصر پایه: خواص و کاربرد ۳ جزء روش های چگالش از بخار محسوب می شوند.
روش سنتز شیمیا یی شامل رشد نانوذرات در محیط مایع ح اوی انواع واکنشگرها است . روش سل ژل نمونه چنین روشی است، در روش های شیمیایی اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل دهنده ذرات پایدار و توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل نمود.
از روش فرایندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن) می توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. از این روش می توان برای تولید نانوذرات از موادی استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند که رایج ترین آنها نانوذرات سرامیکی، فلزی ، پلیمری و نانوذرات نیمه رسانا هستند.
نانوذرات نیمه رسانا نقاط کوانتمی
نقطه کوانتومی یک ناحیه از بلور نی مه رسانا است که الکترونها، حفرها یا هر دو آنها (که اگزیستون نامیده می شوند) را درسه بعد در برمی گیرد. این ناحیه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل می شود.
در نقاط کوانتومی الکترونها درست مثل وضعیت یک اتم تراز های مختلف انرژی را اشغال می کنند، به همین علت به آنها لفظ اتمهای مصنوعی نیز اطلاق می شود. در مقایسه با سیم کوانتمی که در دو بعد و لایه های کوانتومی که در یک بعد نانو هستنند نقاط کوانتومی نانوساختارهای سه بعدی هستند.
این ترکیبات به دلیل بازده کوانتومی بالا در زمینه های اپتیکی کاربرد زیادی دارند.
سه روش عمده برای ساخت نقاط کوانتومی وجود دارد، یکی از رو شها شامل رشد نقاط کوانتومی در ظرف واکنش است. در دو روش دیگر، نقاط کوانتومی را در روی سطح یک بلور نیم ههادی یا در نزدیک آن پدید می آوردند. در روش دوم از فرآیند لیتوگرافی برای خلق یک نانوساختار دوبعدی (ساختاری که در دو بعد نانو باشد) استفاده می شود، سپس برای جداسازی نقاط کوانتومی روی نانوساختارهای مذکور حکاکی صورت می گیرد.
در روش سوم، با رسو بدهی یک ماده نیمه رسانای دارای ثابت شبکه بزرگتر (ثابت شبکه معرف فواصل اتمها در یک ساختار بلورین منظم است) روی یک نیم ههادی با ثابت شبکه کوچکتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت رشد داده می شوند. « خودآراشده » کرنش ۶ ) نقاط نقاط کوانتومی نیمه هادی با تحریک الکتریکی یا تابش طول موج های مختلف فلورسانس می کنند. این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعکاس، انکسار یا جذب نور بپردازند. این ویژگی باعث شده است که این ترکیبات در مواد فتوکرومیک و الکتروکرومیک (موادی که به ترتیب بر اثر اعمال نور یا الکتریسیته تغییر رنگ می دهند) و پیل های خورشیدی کاربرد داشته باشند.
عناصر پایه: خواص و کاربرد ۴علاوه بر این، از اسپین یک الکترون در یک نقطه کوانتومی می توان برای نمایش یک بیت کوانتومی- یا کیوبیت در یک رایانه کوانتومی استفاده کرد.
کاربردهای بالقوه برای نقاط کوانتومی عبارتند از:
– لیزرهای دارای طول موج های بسیار دقیق
– کامپیوترهای کوانتومی
– نشانگرهای زیستی

نانوذرات سرامیکی
رایج ترین نانوذرات، نانوذرات سرامیکی هستند که به سرامیک های اکسید فلزی، نظیر اکسید های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن و نانوذرات سیلیکاتی (سیلیکات ها یا اکسید های سیلیکون نیز سرامیک هستند)که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس هستند، تقسیم می شوند. نانوذرات اکسید فلزی دارای اندازه یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر هستند و به وسیله نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می کنند. نانوذرات سرامیکی از روشهای سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد بدست می آیند.نانوذرات سیلیکاتی ذراتی با ضخامت تقریباً یک نانومتر و پهنای ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر هستند. معمول ترین نوع نانوذرات سیلیکاتی مونت موریلونیت یا آلومینو سیلیکات لایه ای می باشند. این نوع نانوذرات با پلیمریزاسیون یا به وسیله آمیزش ذوبی(اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند و خواص جالب توجهی را حاصل م یآورند.
وقتی اندازه نانوذرات کاهش می یابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزایش یافته، اثرات سطحی برتری یافته و خاصیت کاتالیستی افزایش می یابد. به همین دلیل نانوذرات به عنوان کاتالیزور در زمینه هایی نظیر باتری ها، پیل های سوختی و انواع فرآیند های صنعتی کاربرد دارند. بیشتر بودن سهم اتم ها در سطح نانوذرات نیز خواص فیزیکی آنها راتغییر می دهد، مثلا سرامیک هایی که به طور عادی شکننده اند، نرم تر می شوند . سرانجام این که افزایش سطح مؤثر حلالیت را افزایش می دهد.
اصلاح شیمیایی سطح نانوذرات تاثیر زیادی در کارایی و کاربرد آنها دارد. ایجاد خواص آبدوستی وآبگریزی جزء روش های اصلاح شیمیایی نانوذرات محسوب می شوند. نانوذرات سیلیکاتی برای بدست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند، مثلاً می توان با استفاده از یو نهای آمونیوم یا مولکول های ، که هم برای روک شدهی نانوذرات سیلیکاتی و POSS) بزرگتری نظیر سیلسزکیوکسا نهای الیگومریک چند وجهی هم به عنوان پرکننده مناسب هستند، این اصلاح شیمیایی را انجام داد.