طی چند دهه اخیر نانو تکنولوژی توجهات زیادی را به سمت خود جلب کرده و حضور این فناوری در صنایع، علوم جدید و حتی محصولاتی که بطور مستقیم در دسترس عموم مردم قرار دارند به شکل روز افزونی افزایش داشته است. بنابراین سوالانی در ذهن ما ایجاد می شود که نانو تکنولوژی چیست و پیدایش این فناوری از کجا و چه زمانی بوده است؟ آنچه که نانو مواد و یا محصولات بر پایه فناوری نانو را متمایز می کند چیست؟

نانو تکنولوژی چیست؟

برای شناخت بهتر فناوری نانو ابتدا لازم است تا درک دقیقی از واژه نانو و معنای آن داشته باشیم. “نانو” در واقع یک واحد اندازه گیری می باشد که تحت عنوان “نانو متر” شناخته شده و برای نشان دادن ابعاد فیزیکی اشیاء و مواد استفاده می گردد. اما وقتی از نانو متر صحبت میکنیم منظور ما دقیقا چه مقدار است؟ برای جواب دادن به این سوال لازم است تا به سیستم بین المللی واحدها (SI) رجوع کرده و واحد اندازه گیری متر را با نانو متر مقایسه کنیم. بر اساس سیستم SI، یک متر برابر با یک میلیارد نانو متر است؛

به زبان ساده تر اگر لوله ای فلزی به طول 1 متر را با استفاده از برش های عرضی به یک میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنیم آنگاه لوله 1 متری تبدیل به یک میلیارد حلقه شده که طول هر کدام از آنها برابر با 1 نانو متر می باشد. مثال های دیگری که برای فهم بهتر مقیاس نانو متر می توان زد:

• ضخامت یک برگه کاغذ برابر با 100 نانو متر است.
• پهنای موی انسان در حدود 80 تا 100 نانو متر می باشد.
• قطر هر اتم طلا یک سوم نانو متر است.

حال که درک درستی از واژه نانو و مقیاس نانو متر بدست آمد می توانیم به تعریف فناوری نانو بپردازیم و مفاهیم و اساس آن را بهتر بشناسیم.

با توجه به تعریف، فناوری نانو به شاخه ای از علم و مهندسی اتلاق می شود که مختص طراحی، تولید و استفاده از ساختارها، دستگاه ها و سیستم ها با دستکاری کردن اتم ها و مولکول ها در ابعاد نانو متری می باشد. به عبارت دیگر نانو تکنولوژی فناوری کوچک سازی قطعات، اشیاء و مواد تا ابعاد نانو متری بوده که قابلیت استفاده در سایر زمینه های علمی نظیر شیمی، بیولوژی، فیزیک، علم مواد و مهندسی را داشته باشند. ابعاد نانو متری بدین معناست که حداقل یکی از ابعاد مواد (طول، قطر، عرض، ارتفاع و…) در بازه 100-1 نانو متر قرار گیرد. علاوه بر این، تکنولوژی ساخت تجهیزاتی که بتوان با استفاده از آنها به مطالعه و بررسی مواد در مقیاس نانو متری پرداخت بخش مهمی از فناوری نانو می باشد.

همانطور که گفته شد علم نانو و نانو تکنولوژی به معنی  داشتن قابلیت در مشاهده و کنترل اتم ها و مولکول ها می باشد. هر آنچه که روی کره زمین وجود دارد از اتم ها ساخته شده است؛ غذایی که می خوریم، لباس هایی که به تن می کنیم، ساختمان ها و خانه هایی که در آنها زندگی می کنیم و نیز بدن خودمان همه متشکل از اتم ها هستند. اما دیدن چیزی که ابعاد آن به کوچکی ابعاد اتم هاست (نانو مواد) با چشمان غیر مسلح امکان پذیر نیست و حتی میکروسکوپ های نوری ای که در آزمایشگاه های مدارس و دانشگاه ها وجود دارند به ما امکان مشاهده و بررسی نانو مواد را نمی دهند. بنابراین علاوه بر قابلیت کوچک سازی مواد تا مقیاس نانو متری، دستیابی به تکنولوژی ای که محققین و دانشمندان بتوانند به کمک آن نانو مواد را مشاهده و مطالعه نمایند – مانند میکروسکوپ های الکترونی SEM و TEM – به شدت برای پیشرفت فناوری نانو لازم می باشد.

زمان و مکان پیدایش نانو تکنولوژی

تاریخچه آغاز فناوری نانو و معرفی آن شاید یکی از جالب ترین موضوعات در میان تاریخچه های پیدایش علوم باشد زیرا همه چیز با یک جمله شروع شد. در 29 دسامبر سال 1959 مدت ها پیش از اینکه اصطلاح “نانو تکنولوژی” مطرح و استفاده گردد، فیزیکدانی آمریکایی بنام ریچارد فاینمَن و برنده جایزه نوبل طی همایشی در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا (کال تِک) سخنرانی خود را با این جمله آغاز کرد: “There is Plenty of Room at the Bottom”. این جمله معروف که آغازگر سخنرانی ریچارد فاینمن بود ایده و مفهوم علم نانو و نانو تکنولوژی را در خود جای داده بود.

در آن زمان این جمله بیانگر آن بود که مواد و اشیاء می توانند به شکل خارق العاده ای کوچکتر از آن چیزی شوند که در حال حاضر هستند و همچنان کارایی خود را داشته باشند بنابراین باید دید که تا کجا می توان ابعاد آنها را کوچک کرد. آقای فاینمَن در ادامه سخنرانی خود به فرآیندی اشاره کرده بود که طی آن دانشمندان می توانند اتم ها و مولکول های مواد را دستکاری و کنترل کرده و خواص فیزیکی و شیمیایی آنها را تغییر دهند. حدود یک دهه پس از سخنرانی فاینمن و معرفی علم نانو، پروفسور نوریو تانیگوچی (Norio Taniguchi) در سال 1974 و درحالیکه روی پروژه “مایشنکاری فوق دقیق” تحقیق می کرد اصطلاح نانو تکنولوژی را ابداع نمود. او اصطلاح نانو تکنولوژی را فرآیندی تعریف کرد که در آن می توان یک اتم و یا یک مولکول از مواد را از آنها جدا، در آنها ادغام و یا تغییر شکل داد؛ بعبارت ساده تر فرآیندی که می توان اتم ها و مولکول های مواد را دستکاری کرد. در ادامه و چند سال پس از ابداع اصطلاح نانو تکنولوژی، عصر نانو تکنولوژی مدرن با ساخته شدن و توسعه میکروسکوپ هایی با قابلیت نشان دادن اتم های مواد نظیر میکروسکوپ های STM و AFM آغاز شد. با شروع عصر نانو تکنولوژی مدرن و ادامه یافتن آن تا به امروز، همواره تجهیزات، فرآیند ها و روش های گوناگونی برای مطالعه و تولید نانو مواد توسعه داده شده و معرفی گردیده اند که به کمک آنها محققین توانسته اند در های جدیدی را در این علم بی پایان باز کنند.

چه چیز منحصر بفردی در مورد نانو مواد وجود دارد؟

زمانی که مواد به ذراتی با ابعاد 100-1 نانومتر تبدیل می شوند خواص فیزیکوشیمیایی آنها نسبت به حالتی که ابعادشان نانومتری نیست (حالت بالک ماده) می تواند به طرز چشمگیری تغییر کند. اما در مقیاس نانومتری چه اتفاقی می افتد که خواص مواد را دستخوش تغییر می کند؟ در مقیاس نانومتری، “اثرات کوانتومی” هستند که رفتار و خواص نانو ذرات را کنترل می کنند. یکی از نتایج شگفت انگیز و قدرتمند اثرات کوانتومی در مقیاس نانومتری پدیده “تنظیم پذیری” خواص نانو مواد است، بدین معنی که با تغییر اندازه ذرات نانو مواد می توان خواص آنها را مطابق با آنچه که مد نظر است تغییر داد. در مقیاس نانومتری خواص مواد نظیر نقطه ذوب، رسانایی الکتریکی، نفوذ پذیری مغناطیسی و فعالیت شیمیایی می توانند با کاهش یا افزایش اندازه ذره تغییر کنند.

به عنوان مثال، وقتی ابعاد ذرات طلا را تا رسیدن به مقیاس نانومتری کاهش می دهیم رنگ ذرات به رنگ قرمز یا بنفش تغییر می کند بسته به اینکه تا چه اندازه ابعاد آنها را کاهش دهیم که این پدیده ناشی از اثرات کوانتومی و تغییر یافتن فعل و انفعالات نانو ذرات طلا با امواج نور است.

وقتی مواد در مقیاس نانومتری قرار می گیرند سطح ویژه (نسبت سطح به حجم) آنها نسبت به حالت بالک خود افزایش چشمگیری پیدا می کند. زمانیکه سطح ویژه مواد افزایش می یابد فعالیت شیمیایی آنها نیز بهبود می یابد. واحد اندازه گیری سطح ویژه مواد m²/g (متر مربع بر گرم) می باشد. سطح ویژه نانو ذرات بسته به اندازه ذره آنها می تواند از چند تا چند صد متر مربع بر گرم متغیر باشد. اگر فرض کنیم نانو ماده ای با سطح ویژه m²/g 100 داریم به این معنی است که 1 گرم از این ماده مساحتی برابر با 100 متر مربع دارد به عبارت دیگر مساحت 1 گرم از این ماده برابر با یک واحد آپارتمان 100 متری است! چنین سطح ویژه ای باعث می شود که سطح زیادی از ماده در معرض محیط اطراف قرار گیرد و در نتیجه این امر سرعت فرآیند های شیمیایی نانو مواد بیشتر شده یا به تعریفی دیگر از لحاظ شیمیایی فعال تر شود.

یکی از مزایای افزایش فعالیت شیمیایی نانو مواد این است که این مواد رفتار کاتالیستی بهبود یافته دارند. کاتالیست هایی که در سیستم در سیستم اگزوز خودرو هاست که وظیفه آنها فیلتر کردن گازهای حاصل از احتراق موتور، تصفیه آنها و در نهایت کاهش آلودگی های زیست محیطی می باشد. حال اگر در سیستم اگزوز ماشین از نانو مواد بعنوان کاتالیست های مدرن با رفتار کاتالیستی بهبود یافته استفاده گردد آلاینده های موجود در گازهای حاصل از احتراق موتور بطور خیلی موثرتر جذب و تصفیه شده و آلودگی محیط زیست بیش از پیش کاهش می یابد. در حال حاضر مهندسین با تکیه بر رفتار کاتالیستی بهبود یافته نانو مواد سعی دارند تا محصولات صنایع دیگر نظیر باتری ها، سلول های سوختی و سیستم های ذخیره سازی انرژی را تقویت کنند.

جالب توجه است که پیش از ظهور تکنولوژی نانو، نانو ذرات در بدن ما انسان ها وجود داشته است. بعنوان مثال هموگولوبین که پروتئین حامل اکسیژن در سرتاسر بدن است ابعادی برابر با 5/5 نانومتر دارد. بنابراین محققین علم پزشکی در حال تحقیق روی طراحی ابزار، روش های تشخیص و روش های درمانی بر پایه فناوری نانو هستند که عملکرد دقیق تری نسبت به ابزار و روش های متدوال درمان دارند. فرمولاسیون نانو دارو ها به گونه طراحی می شوند که این قابلیت را داشته باشند که درمان را دقیقا در محل آسیب دیده بدن اعمال کنند بطوریکه اعضا و بافت های اطراف محل آسیب دیده عاری از تاثیرات جانبی دارو باشند. همچنین از نانو مواد برای بهبود عملکرد شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی اعضای مصنوعی بدن استفاده می گردد بطوریکه زیست سازگاری آنها در بدن، استحکام و خواص ضد میکروبی آنها را تقویت کنند تا از این طریق عفونت های ناشی از استفاده از اعضای مصنوعی را کاهش دهند.

نانو تکنولوژی به حدی وسیع است که نمی توان آن را محدود به صنایع و علوم خاصی مانند پزشکی یا خودرو سازی نمود و این موضوع یکی از مزایای این فناوری می باشد. این فناوری بدلیل مقیاسی که در آن قرار دارد می تواند در هر زمینه استفاده گردد و تاثیرات مثبتی در جهت پیشرفت علوم و صنایع از خود بر جای بگذارد.