مفاهیم نانو تکنولوژی و کاربردهای آن

فصل اول
مفاهیم نانو تکنولوژی
1-1- نانو تکنولوژی چیست؟
نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.

1-2- اصول بنیادی
یک نانومتر یک میلیاردم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصله ی میان دو اتم بازه ی ۱۲ تا ۱۵ نانومتر به کار می رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی ان آ نزدیک به ۲ نانومتراست. و از سوی دیگر کوچک ترین باکتری سلول دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازه ی یک نانومتر نسبت به متر سنجشی انجام دهیم می توانیم اندازه ی آن را مانند اندازه ی یک تیله به کره ی زمین بدانیم. یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازه ی رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد.

فناوری نانو کاربردهای گسترده ای در دانش های گوناگون دارد که از موردهای مهم آن می توان به کاربردهایش در پزشکی برای ساخت داروهای بدون اثرهای جانبی اشاره کرد که تنها بر یک بافت ویژه تاثیر می گذارند. از انواع کاربرد ها می توان در ساخت نانو جوراب ها ، نانو لوله های کربنی و … اشاره کرد.

1-3- یک نانومتر چقدر است؟
یک نانومتر یک میلیاردم متر است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.
امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن، برنده جایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را رد نمی کند. وی اظهار داشت که می توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتب کوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد .

همین عبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانو ماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکــــزی هستند، هر دانشمندی را به وجد می آورد. در رویای دانشمـندانی مثل جی استورس هال و اریک درکسلر این روباتها یا ماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می آیند.

شاید در آینده ای نه چندان دور بتوان به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تخت خوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.

1-4- چرا این مقــیاس طول اینقدر مهم است؟
خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی ) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژی های جدیدی با کارآیی بالا منتهی می شود که پیش از این میسر نبود .

نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد .

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده ال می سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت تر و غیرشکننده تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می کنند . وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است .

1-5- منافع نانوتکنولوژی چیست؟
مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تاثیر بگذارد.محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتنداز:لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها به دست آمده اند،شیشه هایی که خود به خود تمیز میشوند،مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده اند،ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان ساز ها،هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه ها از یفیت بالاتری برخوردارند،چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگدانه و غیره.

قابلیت های محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از:
1- محصولات خوداسمبل
2- کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3- اختراعات بسیار جدید ( که امروزه ناممکن است)
4- سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5- نانوتکنولوژی پزشکی که درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6- دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه های دنیا
7- احیاء و سازماندهی اراضی

1-6- نانوتکنولوژی به زبان ساده
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 هزینه بری یا پیچیدگی محتوایی کپی برداری نموده اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می شود. هزینه تولید یک تن تری بیت تراشه های 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 1993 نگاشته شده چنین آمده است:
تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی 4 نفره که به دور مدار زمین میگردد با هزینه ای 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 می گردند 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 یافت شده ، 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 تحت الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.

1-7- 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.

1-8- 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 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود.
نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد.
تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود 180 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 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 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 10 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 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود.

1-9- تعریف فناوری نانو از منابع مختلف
یک نانومتر یک هزارم میکرون است و اگر بخواهیم احساس فیزیکی نسبت به آن داشته باشیم می توان گفت که یک نانومتر 80000/1قطر موی انسان می باشد 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 می باشد.

بنابراین نیاز به یک استاندارد برای بیان مفهوم مقیاس نانو وجود دارد. با ایجاد ارتباط میان اندازه اتم ها و مقیاس نانو می توان یک نانومتر را راحت ترتصورکرد. یک نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن و یا 5 اتم سیلسیم می باشد. درک این موضوع برای افراد معمولی نیز راحت تر می باشد. علی رغم اینکه درک اندازه یک اتم برای افراد غیرعلمی ساده نمی باشد، با اینحال اندازه دقیق اتم برای فهماندن این مقیاس زیاد اهمیت ندارد. چیزی که با این تشابه مشخص می شود، این است که نانوفناوری عبارت است از: دستکاری کوچکترین اجزاء ماده یا اتم ها.

فهرست مطالب:
1-1- نانو تکنولوژی چیست؟ 3
1-2- اصول بنیادی 3
1-3- یک نانومتر چقدر است؟ 3
1-4- چرا این مقــیاس طول اینقدر مهم است؟ 4
1-5- منافع نانوتکنولوژی چیست؟ 5
1-6- نانوتکنولوژی به زبان ساده 5
1-8- چه انتظاری باید از نانوتکنولوژی داشت 7
1-9- تعریف فناوری نانو از منابع مختلف 8
1-10- نانوتکنولوژی از دیدگاه NNI 10
1-11- تاریخچه فناوری نانو 10
1-13- برخی از رویدادهای مهم تاریخی در شکل گیری فناوری نانو و علوم نانو 14
1-14- منشا نانوتکنولوژی 15
1-16- کارهای علمی انجام شده بوسیله نانوتکنولوژی 16
فصل دوم 17
کاربردهای فناوری نانو 17
2-1کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب 17
2-1-1فناوری نانولوله های کربنی 17
غشاهای نانولوله ای 17
حذف آلودگی ها 18
مقدار تصفیه آب 18
2-1-2- نانوغربال ها 18
2-2رفع چسبندگی سیستم های جداسازی با کلید های مولکولی 20
2-3- هوای پاک با فناوری نانو 21
2-4- فناوری نانو و خودرو 22
2-4-1نانوکامپوزیت ها 22
2-4-2اثر نیلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تمیز شونده 23
2-4-3شیشه های نوین با توانایی بازتاب پرتو فروسرخ 23
2-4-4مبدل های کاتالیستی 23
2-5- فناوری نانو و برخی کاربردهای آن در صنعت آب 24
2-5-1- مقدمه 24
2-5-2- اهمیت کاربرد فناوری نانو در صنعت آب 25
4-5-3- برخی کابردهای فناوری نانو درعرصه صنعت آب 25
نانوفیلتراسیون 26
نانو حسگرها 26
2-6- فناوری نانو در فضا 26
2-6-4 مقدمه 26
2-6-2- ریز فناوری چیست؟ 27
2-6-3- استفاده از ریزفناوری در صنعت هوا – فضا 28
2-6-4- پژوهش ریز فناوری در ناسا 29
2-6-5- نمونه های بکار گیری ریز فناوری در هوا – فضا 30
پیلهای سوختی 30
ریزماهواره ها 30
ریز حسگرها 30
ریز لوله های کربنی 31
پرنده های جاسوسی کوچک ریز پرنده ها: 31
2-7- کاربرد فناوری نانو در صنعت لاستیک 33
2-7-1پیشگفتار 33
2-7-2- مقدمه 33
2-7-3کاربرد اکسیدروی نانومتری (NanoZnO) درلاستیک: 34
2-7-4کاربرد نانوکربنات کلسیم در لاستیک: 35
2-7-5کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک: 35
2-7-6کاربرد ذرات نانومتری خاک رس در لاستیک: 36
2-7-7- ایده های مطرح شده: 37
2-8- فناوری نانو در پزشکی 38
2-8-1نانوسیم چیست؟ 43
2-8-2- انواع نانوسیم ها: 44
2-8-3روشهای ساخت نانوسیم ها 45
2-8-4کاربردهای نانوسیم: 47
2-9- استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی 48
2-9-3- مسیر انتقال کوتاه 52
2-11کاربرد نانو در الکترونیک 58
2-11-1مقدمه: 58
2-11-3حسگرها 59
2-11-4- نمایشگرهای گسیل میدانی 60
2-11-5- حافظه های نانولوله ای 61
2-11-6- استحکام دهی کامپوزیت ها 61
2-12- نانوتکنولوژی در صنایع نیمه هادی 62
2-12-1- الکترونیک پلیمری 63
2-13- کاربرد ها و چالش های زیستی نانولوله های کربنی 64
2-14-2کاربردهای نانوتکنولوژی در علوم دامی 68
2-15- قابلیت های استفاده از فناوری نانو در صنایع دریایی 69
2-15-1- مقدمه: 69
2-15-2- پتانسیل های کاربرد در صنایع دریایی: 70
2-15-3- برخی از پتانسیل های کاربرد فناوری نانو در این صنایع : 70
2-15-5- جایگاه صنایع دریایی و فناوری نانو در ایران 73
2-16- استفاده از نانوتکنولوژی در فراوری مواد معدنی 74
تا سال 2020 فناوری بالقوه 77
کاربردها و اثرات اجتماعی 78
انرژی توانمندشده با فناوری نانو 79