مبانی پایه ای فناوری نانو

[P O U R I A]

فهرست مطالب این تاپیک :

فناوری نانو، از آغاز تا کنون
قصه حسن کچل و اتم های کربن
سانتی، میلی، میکرو، نانو
چرا نانو؟
چشم ها و انگشت های دنیای نانو
چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟
شاخه های فناوری نانو
شیمی مولکولی
چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌کند؟ قسمت اول
چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌کند؟ قسمت دوم
پیشنهادهای فاینمن درباره فناوری نانو

 

[P O U R I A]

فناوری نانو، از آغاز تا کنون

فناوری نانو، از آغاز تا کنون

نانو علمی است که در آن به مطالعه خواص نانومواد ، تولید و استفاده از آنها در بهبود بخشیدن خواص و ویژگی های مواد استفاده می شود. چرا که بسیاری از خواص ماده در ابعاد نانومتری، متفاوت از خواص در ابعاد ماکروسکوپی می باشد. با کمک فناوری نانو می توان از طریق کنترل خصوصیات، تغییراتی را در رفتار و واکنش اتمها ایجاد کرد.
علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند. شیمیدانها صدها سال است که از تکنیکهایی در کار خود استفاده می کنند که بی شباهت به تکنیکهای امروزی نانو نیست.
امروزه از فناوری نانو در بسیاری از زمینه ها مانند طراحی تراشه های کامپیوتری، ساخت مواد آرایشی، انواع پوشش ها و روکش های محافظتی و لباسهای مقاوم استفاده می شود.

 

[P O U R I A]

مقدمه
علم نانو و علوم مرتبط با آن چندان جدید نیستند، چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیکهایی در کار خود استفاده می کنند که بی شباهت به تکنیکهای امروزی نانو نیست . پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی، شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمانان، همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت اشیاء با کیفیت بهتر، 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.

تاریخچه
اولین بار ریچارد فاینمن در سال 1959 طی سخنرانی خود با بیان امکان به راه اندازی فرایندی برای دستکاری اتمها و مولکولها با استفاده از ابزارهای دقیق، سبب شد تا افکار به سمت توسعه چنین امکانی متمایل شوند. در سال 1974، پروفسور نوریو تانیگوچی، مدرس دانشگاه علوم توکیو، نخستین بار واژه "فناوری نانو" را بکار گرفت. او در مقاله ای با نام "مفهوم اساسی فناوری نانو" اشاره می کند که فناوری نانو اساسا مجموعه ای از فرایندهای تفکیک، ادغام و تشکیل مواد در حد یک اتم یا یک مولکول است. در دهه 1980 ، ایده ی این تعریف به طور وسیع تر توسط دکتر درکسلر (نویسنده کتاب موتورهای خلقت) مورد بررسی قرار گرفت.
فناوری نانو و نانوعلوم، در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونل زنی پیمایشی آغاز به کار کرد. این توسعه، سبب کشف فولرین در سال 1986 و نانولوله های کربنی طی چند سال بعد شد.
تحول دیگر این فناوری مربوط به ساخت نانوبلورهای نیمه هادی بود که منجر به افزایش شدید تعداد نانوذرات اکسید فلزی نقاط کوانتوم گردید. میکروسکوپ نیروی اتمی، 5 سال بعد از میکروسکوپ تونل زنی پیمایشی اختراع شد تا با کمک آن بتوان اتمها را بررسی کرد.

کاربرد
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 یک علم نیست؛ بلکه با استفاده از آن می توان به کاربردی کردن علوم مختلف کمک کرد. فناوری نانو به سه صورت تعریف می شود:
1- فناوری نانو تحقیقات و مطالعه ی مواد و خصوصیات آنها در محدوده 1- 100 نانومتر را در بر می گیرد.
2- با کمک فناوری نانو ساختارهای نانویی را می توان خلق کرد که خصوصیات آنها با ساختارهای ماکروسکوپی همان مواد متفاوت است.
3- با کمک فناوری نانو نمی توان از طریق کنترل خصوصیات، در اتمها تغییراتی ایجاد کرد.
زمانی که مواد در مقیاس نانو مطالعه و بررسی می شوند، واکنش ها 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 توپی را در محفظه ای بیندازید و توپ 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، امکان یابد.
امروزه فناوری نانو، در ساخت پلیمرهایی با ساختار مولکولی و 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.

 

[P O U R I A]

قصه حسن کچل و اتم های کربن

قصه حسن کچل و اتم های کربن

یک نانومتر چه مقدار کوچک است؟ یکی از راه های پی بردن به مقیاس نانو این است که از مقیاس بزرگتر به سمت مقیاس کوچک تر یعنی نانو حرکت کنیم. اگر از اندازه ی 5/1 متر،شروع کنیم به کوچک شدن و هزار بارکوچک شویم، به حدود 1 میلی متر(اندازه تار مو) میرسیم و اگر 100 بار دیگر کوچک شویم،این بار به حدود 10 میکرومتر (اندازه گلبول قرمز) میرسیم؛ اگر 10 بار دیگر کوچک شویم، به حدود 1 میکرومتر(اندازه ی هسته سلول) میرسیم؛ اگر10 مرتبه دیگر کوچک شویم به اندازه ی 100 نانو متر میرسیم (اندازه رشته های کروموزوم) و اگر این بار 10 برابر کوچک شویم به 10 نانو متر (اندازه ی رشته های دی ان ای) میرسیم؛ بار دیگر 10 مرتبه کوچک میشویم ؛ اکنون ما به اندازه ی اتمهای 1 نانومتری کربن رسیده ایم!

 

[P O U R I A]

حسن کچل قصه ما ،دانش آموزی باهوش و بسیار پر مطالعه بود. یک روز در حین مطالعاتش به واژه نانو فناوری برخورد کرد؛ حسن کچل تلاش زیادی کرد تا بفهمد نانو فناوری یعنی چه؟ ولی چیز زیادی دستگیرش نشد تا این که توی اینترنت، سایت باشگاه نانو را پیدا کرد. نانو فناوری یعنی کار با مواد، در ابعاد مولکولی یعنی حدود نانو متر؛ اینجا بود که یک سوال دیگه براش پیش اومد؛ یک نانو متر یعنی چه؟ در همین حین بود که حسن کچل شروع کرد به کوچک شدن! آهان یادم رفت که بگم قد حسن کچل 5/1 متر بود؛ او حدود 1000 بار کوچک شد و به حدود 1 میلی متر و به اندازه تار موی دوستش رسید! یه بار دیگه کوچک شد؛ این بار حسن کچل ،100 بار دیگه کوچک شد و شد حدود 10 میکرومتر و افتاد روی گلبول قرمز! حسن کچل 10 برابرکوچک شد؛یعنی حدود 1میکرومتر و شروع کرد با هسته سلول فوتبال بازی کردن! بعد از کلی ورزش، تصمیم گرفت که باز هم کوچک بشه؛ پس 10 بار دیگه کوچک شد و به حدود 100 نانو متررسید. حسن کچل میان رشته های کروموزوم گیر افتاد شروع کرد به کمک خواستن ولی کسی نتونست کمکش کنه ،برای همین مجبور شد که 10 بار دیگه کوچک بشه به اندازه حدود 10 نانو متربرسه. حسن کچل متوجه شد روی یک نردبان قرار داره، ولی در حقیقت اون نردبان نبود... رشته های دی ان ای بود!حسن کچل بازم کوچک شد،10 بار دیگه؛ اونجا بود که به اتم های کربن رسید. بالاخره حسن کچل فهمید 1 نانو متر چقدر کوچکه!

 

[P O U R I A]

سانتی، میلی، میکرو، نانو

سانتی، میلی، میکرو، نانو

در گذشته های دور،انسانها با اندازه گیری آشنا نبودند؛ اما پس از مدتی نیاز به اندازه گیری را درک کردند. یکی از اولین کمیتهایی که توسط انسانها اندازه گیری شد، طول و درازا بود. مقیاس و وسایل اندازه گیری در آن زمان، محدود به طول دست، ساعد و ... بود. انسانها رفته رفته نیاز به وسایل و یکاهای استاندارد اندازه گیری را احساس کردند. از این رو با پیشرفت دانش انسانها، واحدهای استاندارد و وسایل اندازه گیری نظیر متر ساخته شدند.
بیشتر اندازه های اطراف ما در مقیاس ماکرو هستند؛ یعنی اندازه هایی دارند که برای ما قابل درک اند.اما تعداد اجزای پیرامون ما که اندازه هایشان به قدری بزرگ و یا به اندازه ای کوچک است که حتی از حیطه درک ما خارج هستند نیز کم نیست. دانشمندان برای قابل فهم کردن این این اندازه ها ازروش نمادگذازی علمی استفاده کرده اند. با این وجود برای درک اندازه های خیلی بزرگ یا خیلی کوچک نیازمند ضرب و تقسیم این مقیاسها برای تبدیل آنها به مقیاسهای قابل درک می باشیم.

 

[P O U R I A]

مقدمه
هیچ کس نمی داند که پیشینیان ما چه زمانی فهمیدند که نیازمند اندازه گیری بعضی چیزها هستند؛ اما گویا یکی از اولین کمیتهایی که توانستند آنرا اندازه بگیرند، فاصله یا طول بود. انسانها در ابتدا با استفاده از اعضای بدن خود این کمیت را اندازه گیری می کردند. طول ساعد، طول پا و طول دستهای بازشده ازهم، اولین مبنا(واحد)های اندازه گیری بودند. اندک اندک با پیشرفت زندگی انسان و افزایش شناخت او از طبیعت و محیط اطرافش، واحدهای اندازه گیری نیز دقیقتر شدند. امروز دستگاه های اندازه گیری معینی تعریف شده اند و همگی ما از واحدهای مشخصی(استاندارد) استفاده می کنیم.

یک نانومتر چقدر کوچک است؟
متر، یکی از شناخته شده ترین واحدهای اندازه گیری طول است. این اندازه به حدی شناخته شده است که به راحتی می توانیم با طول یک گام بلند آنرا نشان دهیم. بیشتر آنچه که ما به طور روزمره با آن مواجه هستیم، اندازه ای بین صد متر تا یک صدم متر (سانتیمتر) دارند. در حقیقت زندگی معمول ما در اندازه های بزرگ (ماکرومتری) میگذرد. اما این محدوده، بخش بسیار بسیار کوچکی از اندازه های موجود در طبیعت پیرامون زندگی انسان است. او بر روی کره زمین زندگی می کند که قطری معادل 12760000 متر (12/76 میلیون متر) دارد و موجودات کوچکی (باکتری) به اندازه 0/000001 متر (یک میلیونیم متر) که می توانند به آسانی سلامت و حتی حیات و بقای او را تحت تاثیر قرار دهند. به نظر می رسد که ما در خواندن و نوشتن این اندازه ها هم مشکل داریم، چه برسد به اینکه بتوانیم آنها را به خوبی تصور کنیم!
ریاضیدانان سعی نموده اند که این مشکل را حل کنند. آنها با استفاده از نمادگذاری و ارائه یک روش مقایسه ای، تصور اندازه های بسیار کوچک و بسیار بزرگ را آسانتر نموده اند. ما میتوانیم روش پیشنهادی آنها را با یک آزمایش ساده ارزیابی کنیم. نمیدانم کی و کجا این مقاله را میخوانید، اما اگر پشت یک میز و روبروی نمایشگر یک رایانه نشسته اید، احتمالا میزی که رایانه شما بر روی آن قرار دارد طولی حدود یک متر دارد. اگر طول این میز را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک سی-دی (لوح فشرده) می شود. اگر قطر لوح فشرده را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک تیله می شود و اگر تیله را 10 بار کوچک کنید، به اندازه یک دانه نمک درمی آید (شکل 1). حالا اگر دانه نمک را سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگ کنید، می توانید از آن به عنوان میز استفاده نمایید.
ریاضیدانان برای نمایش این نسبت میان میز و دانه نمک از نماد [SUP]3-[/SUP]10 (سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار کوچک سازی) استفاده کرده اند. البته آنها از این روش برای توصیف اندازه های بزرگ نیز بهره برده اند. به طور مثال می توان منظومه شمسی با اندازه 10[SUP]13[/SUP] متر (13 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) و کهکشان راه شیری با اندازه 10[SUP]21[/SUP] متر (21 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) را نیز با این روش توصیف کرد.

​

​

شکل (1)
​

​

حالا که می توانیم اندازه های کوچک و بزرگ بسیاری را تصور کنیم، بد نیست که بدانیم دانشمندان برای بعضی اندازه ها نام مشخصی تعیین کرده اند. به طور مثال،اندازه هایی را که 1000 برابر بزرگتر از متر می باشند، کیلومتر نامیده اند و اندازه هایی را که هزار برابر کوچکتر از متر هستند، میلیمتر می خوانند. جدول زیر برخی از این نامها را مشخص کرده است.

جدول1.مقیاس های اندازه گیری به همراه نماد علمی
​

​

​

​

در میان اندازه های کوچک، نانومتر از اهمیت ویژه ای برخوردار است که بعدها بیشتر در مورد علت آن صحبت خواهیم کرد. اما پیش از آن لازم است که درک صحیحی از این اندازه داشته باشیم. برای این منظور می توانیم آزمایش بالا را ادامه دهیم؛ تا آنجا پیش آمدیم که دانه های نمک را به اندازه یک میز بزرگ کردیم. با این بزرگنمایی (1000 برابر)، قطر تارموی شما معادل یک طناب بسیار کلفت خواهد شد، می توانید از گلبولهای قرمز برای تیله بازی استفاده کنید و باکتریها نیز همچون دانه های نمک قابل رویت می شوند (شکل 2).

​

​

شکل (2)
​

​

اما هنوز هم نتوانسته ایم یک نانومتر را ببینیم. این بار باکتریهای کوچک نمکین را دوباره 1000برابر بزرگتر می کنیم. باکتریها دیگر آنقدر بزرگ شده اند که می توانید به عنوان یک مبل راحت به آنها تکیه دهید. در این دنیای جدید می توانید با ویروسها تنیس بازی کنید، پروتئینها را به دور انگشتتان بپیچید و اتمها و مولکولهای کوچک را لمس کنید. اکنون می توانید اجسام نانومتری را به اندازه دانه های نمک ببینید(شکل 3). به مقیاس نانو،خوش آمدید.

​

​

شکل (3)​

​

 

[P O U R I A]

چرا نانو؟

چرا نانو؟

برای توضیح نانو و ابعاد آن و تفاوتهای ماده در ابعاد نانو با ابعاد بزرگتر،استفاده از نمونه های ماکرومقیاس می تواند تا حدودی کمک کننده باشد.به این طریق می توان برخی تفاوتهای ماده در ابعاد مختلف را ، مقایسه کرد. خواص شگفت انگیز ماده در مقیاس نانو،انگیزه ایجاد مواد در ابعاد کوچکتر مثلا پیکو را برای دست یابی به خواص مطلوب تر تقویت می کند. اما در این زمینه محدودیتهایی نیز وجود دارد؛برای تولید ماده در ابعاد پیکومتری ، نیازمند کنار هم قرار دادن ذرات زیراتمی و تولید آن ماده هستیم.از جمله مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد،این است که اولا ذرات زیراتمی در طبیعت بطور جداگانه یافت نمی شوند.ثانیا کنار هم قرار دادن آنها ، از نظر مالی و زمانی ، مقرون به صرفه نیست.گرچه هم اکنون تعدادی عنصر مصنوعی در صنعت تولید شده و مورد استفاده قرار گرفته اند، اما این عناصر نیمه عمرهای بسیار کوتاهی دارند.این عوامل و نیز کاربرد وسیع نانوفناوری در همه حیطه ها، کماکان برتری این فناوری بر سایر فناوریهای نوین را موجب می گردد.

 

[P O U R I A]

یک آزمایش ساده

مواد و وسایل موردنیاز :


1. مقوا به اندازه‌ی ساخت دو مکعب به اضلاع 10×5×5 سانتی‌متر

​

​

2. مقداری نوار چسب

​

​

3. 200 حبه قند مکعبی شکل

​

​

4. مقداری شکر (از نظر جرم برابر با جرم 200 حبه قند)

​

​

5. مقداری آب

​

​

6. یک گرم‌‌کن الکتریکی (هیتر)

​

​

7. اسپری آب پاش یا قطره چکان

​

شرح آزمایش :

با استفاده از مقوا و نوار چسب ، دو مکعب به اضلاع 5×5×10 سانتی‌متر بسازید . یکی از وجه‌های 5×10 سانتی‌متری آن را بازبگذارید تا بتوانید درون آن مقداری قند و شکر بریزید.
100 حبه قند مکعبی شکل را با نیمی از شکرها مخلوط کنید و آن را درون یکی از مکعب‌های مقوایی که ساخته‌اید بریزید. این مکعب را مکعب شماره (1) می‌نامیم. مقدار بسیار کمی آب را با استفاده از اسپری آب‌پاش یا قطره‌چکان، درون مکعب (1) و بر روی مخلوط حبه‌های قند و شکر بریزید؛ به گونه‌ای که مقدار کمی رطوبت ایجاد شود. مکعب (1) را در مجاورت گرم‌کن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود. پس از تبخیر آب، حبه‌های قند و شکرها به یکدیگر می‌چسبند.

در مکعب دیگر که آن را مکعب (2) می‌نامیم، ابتدا حبه‌های قند را به صورت منظم کنار یکدیگر قرار دهید ( آن‌ها را کاملاً به یکدیگر نچسبانید تا فضاهای خالی بین آن‌ها وجود داشته باشد). سپس مقداری شکر بر روی آن بریزید به گونه‌ای که علاوه بر پر شدن فضاهای خالی، روی حبه‌های قند نیز با مقداری شکر پوشیده شود. سپس ردیف دیگری از حبه‌های قند را روی شکرها بچینید و دوباره بر روی آن مقداری شکر بریزید. مکعب (2) را نیز در مجاورت گرم‌کن الکتریکی قرار دهید تا آب آن به سرعت تبخیر شود.
پس از آن که مطمئن شدید آب درون هر دو مکعب (1) و (2) کاملاً تبخیر شده است ، پوشش مقوایی آن‌ها را به آرامی جدا کنید. اکنون دو مکعب بزرگ به اضلاع 10*5*5 سانتی‌متر دارید که از مخلوط حبه‌های قند و شکر تشکیل شده است.(شکل 1)

​

​

شکل 1. مکعب قندی 1 (سمت چپ) و مکعب قندی 2 (سمت راست)
​

​

پرسش‌های آزمایش:
1- چه تفاوتی بین ساختار دو مکعب (1) و (2) وجود دارد؟
2- فکر می‌کنید ساختار کدام مکعب (1) یا (2) به آن چه در فناوری نانو مطرح می‌شود، نزدیک‌تر است؟
3- آیا خواص مکعب (1) با مکعب (2) تفاوتی دارد یا خیر؟
برای یافتن پاسخ پرسش‌های بالا، ادامه مقاله را با دقت بیش‌تر بخوانید.


> میکرو یا نانو؟!
در مکعب (1) ، ما با توده‌ای از مواد سر و کار داریم . مخلوطی از حبه‌های قند و شکر که به صورت کاملا بی‌نظم و تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هنگام ساختن مکعب (1) با تک تک حبه‌های قند سر و کار نداشتیم . یعنی اصلاً به آن دسترسی نداشتیم. (حبه‌های قند و شکرها را با هم مخلوط کردیم و مخلوط حاصل را به صورت توده‌ای درون مکعب (1) ریختیم، بنابراین، به تک تک حبه‌های قند دسترسی نداشتیم.)
در مکعب (2) ، با قرار دادن تک تک حبه‌های قند در مجاورت یکدیگر، مکعب را ساختیم. یعنی به همه‌ی حبه‌های قند دسترسی داشتیم.
تفاوت در ساختار دو مکعب موجب شده است که بعضی از خواص مکعب (2) با مکعب (1) متفاوت باشد . مثلاً می‌توان شکنندگی آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کرد. مکعب (2) که دارای ساختار منظم‌تری است در مقابل ضربه و نیرو مقاوم‌تر و سخت‌تراست ، نسبت به مکعب (1) که ساختار نامنظمی دارد.
اگر حبه‌های قند را به اتم‌ها (یا مولکول‌ها) ی تشکیل دهنده‌ی یک ماده تشبیه کنیم، شکرهای بین آن‌ها نقش پیوندهای بین اتمی (بین مولکولی) را دارند. همان‌طور که حتما می‌دانید ، اندازه‌ی اتم‌ها تقریباً 10-10 متر یا به اصطلاح، یک آنگستروم است. اندازه‌ی مولکول‌ها هم بسته به این که از چند اتم تشکیل شده‌اند و ساختار آن‌ها چگونه است، متفاوت‌ است . فاصله‌ی بین اتم‌ها یا مولکول‌ها در پیوندهای بین اتمی یا بین مولکولی نیز با توجه به حالت ماده متفاوت است. در جامدات و مایعات فاصله‌ی بین اتمی یا بین مولکولی ، تقریباً [SUP]10-[/SUP]10 متر است . دقت کنید که این اعداد چه قدر به ابعاد نانو، یعنی [SUP]9-[/SUP]10 متر نزدیک است.(شکل 2)

​

​

شکل 2. اتم وذرات زیراتمی
​

​

> پیکو یا نانو؟!
حال که با استفاده از فناوری نانو دسترسی به خواص جدید ممکن می‌شود، آیا حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر نیز مفید است؟ برای پاسخ به این پرسش دقت کنید که اندازه‌ی اتم‌ها در حدود [SUP]10-[/SUP]10 متر است. اگر بخواهیم به سمت فناوری‌های کوچک‌تر از نانو حرکت کنیم، یعنی باید وارد محدوده ‌ی اتم شویم. محدوده‌ی اتم، یعنی محدوده‌ی الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و سایر ذرات زیر اتمی . یعنی مثلاً ما با استفاده از این ذرات زیر اتمی ، ابتدا یک اتم بسازیم و سپس با کنار یکدیگر قرار دادن اتم‌ها، موادی را با خواص جدید بنا کنیم.
لازم است توجه کنیم نخست آن‌که، ما در طبیعت، ذرات زیر اتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون را به صورت جداگانه نمی‌یابیم. یعنی این ذرات، درون اتم‌ها قرار دارند و برای دسترسی به آن‌ها باید به محدوده‌ی درون اتم‌ها وارد شویم . ثانیا ورود به محدوده‌ی درون اتم‌ها معمولاً بسیار گران و پرهزینه است. اگر چه این کار امروزه در بعضی از آزمایش‌گاه‌های پیشرفته‌ی فیزیک انجام می‌شود، اما به نظر نمی‌رسد که در زندگی روزمره کاربرد چندانی داشته باشد. ثالثا ما می‌خواهیم با کنار یکدیگر قرار دادن ذرات زیر اتمی نظیر الکترون، پروتون و نوترون، اتم‌ها را بسازیم. در حالی که طبیعت، بسیاری از اتم‌ها را در اختیار ما قرار داده است.
ورود به محدوده‌ی کوچک‌تر از نانو (مثلا محدوده ی پیکو یا همان [SUP]12-[/SUP]10 متر)، مانند آن است که بخواهیم ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس قطعات حاصل را به یکدیگر متصل کنیم و با حبه‌های قند حاصل، مکعب نهایی را بسازیم. طبیعی است کار کردن با همان حبه‌های قند اولیه را نسبت به این که ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس دوباره به یکدیگر متصل کنیم، ترجیح می‌دهیم.
البته توجه به این نکته نیز خالی از لطف نیست که امروزه با استفاده از روش‌های دقیق و فناوری‌های بسیار گران و پیشرفته، ده‌ها عنصر مصنوعی ساخته شده است که بعضی از آن‌ها در صنایع گوناگون و مخصوصا توسعه‌ی دانش و فناوری کاربرد دارد. لازم به ذکر است که عناصر مصنوعی به دلیل تراکم بسیار ذرات زیراتمی، بسیار ناپایدار هستند. یعنی عمر آن‌ها در حدود کسری از ثانیه است!
آن چه فناوری نانو را از چنین فناوری‌هایی متمایز می‌کند، گستردگی بسیار زیاد فناوری نانو در همه‌ی صنایع از مهندسی الکترونیک، مکانیک، کامپیوتر و هوافضا گرفته تا کشاورزی و دام ‌پروری و حتی علوم پزشکی، داروسازی و زیست‌فناوری است.

 

[P O U R I A]

چشم ها و انگشت های دنیای نانو

چشم ها و انگشت های دنیای نانو

در اینجا مبحث اندازه گیری را مطرح کرده و به اهمیت اندازه گیری در نانو فناوری اشاره می کنیم. سپس با فعالیت ها و آزمایش هایی که به صورت ویدیو کلیپ قرار داده ایم این اهداف را دنبال می کنیم:
آشنایی شما با ابزار های اندازه گیری ، تبدیل وحد ها ،نماد های علمی،میکروسکوپ نوری و پراش

 

[P O U R I A]

مقدمه

دنیای کوچک نانو، فضای دور از دسترسی است که وارد شدن به آن و کار کردن درون آن نیازمند ابزارهای خاصی است. ما باید تجهیزاتی داشته باشیم که بتوانند مواد مختلف را آزمایش کنند و واحدهای سازنده نانومتری آنها را ببینند. آنها باید بتوانند این واحدهای سازنده را دستکاری کنند. اولین نیاز ما برای کار کردن در فناوری‌نانو این است که بتوانیم مشخصات مواد نانومقیاسی را که تولید می‌کنیم، تعیین کنیم. برای این کار، ما چشم‌هایی می‌خواهیم که مقیاس نانو را ببینند. در مرحله بعد،باید بتوانیم ساختار مواد را آن‌طور که می‌خواهیم دستکاری کنیم. برای این کار باید انگشتانی داشته باشیم که در حد نانومتر ظریف باشند. تجهیزات مقیاس نانو، دنیای نانو را برای ما قابل دسترس می‌کنند.
با فناوری‌نانو ما می‌توانیم کیفیت تمامی اشیائی را که از آنها استفاده می‌کنیم، افزایش دهیم. می‌توانیم آنها را ضدلک و ضد چرک و ضد آب کنیم؛ می‌توانیم در عین اینکه آنها را سخت‌ و مقاوم‌ می‌کنیم، آنها را سبک و ارزان کنیم. ما هم‌چنین می‌توانیم کالاهای جدید بسیاری تولید کنیم. می‌توانیم نانولوله‌های کربنی بسازیم و با آنها به فضا برویم؛ می‌توانیم آزمایشگاه‌های بزرگ را بر روی تراشه‌های کوچک جا بدهیم و ... . اما دستیابی به محصولات نانومقیاس، بدون کنترل دقیق کیفیت آنها ممکن نیست. برای این کار باید بتوانیم ویژگی‌ها و خواص مواد را در مقیاس نانو اندازه‌گیری کنیم. توانایی اندازه‌گیری خواص در مقیاس نانو، پایه و اساس فناوری‌نانو است و سرعت پیشرفت نانو در صنعت و تحقیقات، به این توانایی بستگی دارد. "تجهیزات مقیاس نانو" به این سوال ما پاسخ می‌دهند که شرایط ساختمان مواد در مقیاس نانو با ویژگی‌های آنها در مقیاس‌ ماکرو (همین مقیاس بزرگی که ما در آن زندگی می‌کنیم) چه ارتباطی دارد. این تجهیزات پدیده‌هایی را به ما نشان می‌دهند که تا پیش از این آنها را ندیده‌ایم. این پدیده‌ها در مقیاس‌نانو رخ می‌دهند و به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم، مشخصات یک ماده را تعیین می‌کنند. برای توسعه روش‌های اندازه‌گیری، در حال حاضر گروه‌های تحقیقاتی بزرگی از متخصصان مختلف تشکیل شده است؛ از فیزیک و شیمی گرفته تا میکروالکترونیک و مهندسی، پژوهشگران مختلفی با یکدیگر کار می‌کنند تا بتوانند نیازهای رشته‌های مختلف علمی و حوزه‌های متفاوت صنعتی را تأمین کنند.


دوره آموزش مقیاس و اندازه‌گیری

معلم محترم: این دوره مخصوص دانش آموزان سالهای اول و دوم دبیرستان است. البته مفاهیم کلی آن برای دانش آموزان سال‌های آخر راهنمایی نیز می تواند مفید باشد. یکی از سخت‌ترین مفاهیم فیزیکی ،دیدن اجسام در محدوده کوچک‌تر از میلی‌متر است. این موضوع اهمیت بسیاری در آموزش علوم و فناوری‌نانو دارد. زیرا واضح است که مشاهده و دیدن هر چیزی، به درک بهتر آن کمک می کند. این دوره از دو بخش کلی تشکیل شده است. در بخش اول ،دانش آموزان نکاتی را درباره سیستم SI می‌آموزند و با تلاشی که برای تبدیل اندازه اجسام به مقیاس نانو می‌کنند، می‌توانند اندازه‌ اجسام را در دو مقیاس میکرو و نانو با هم مقایسه کنند.
در بخش دوم دانش‌آموزان با روشهای دیدن مقیاس نانو (همانند استفاده از میکروسکوپ‌ها و پراش نور) آشنا می‌شوند، از نزدیک آنها را مورد بررسی قرار داده و با آنها آزمایش می‌کنند.

دانش‌آموز عزیز: این دوره به شکلی طراحی شده که تا حد زیادی می‌توان آن‌را به‌طور خودآموز دنبال کرد. شما با دیدن فایل ارائه و انجام فعالیت‌ها و آزمایش‌ها به ترتیبی که در این فایل آمده، می‌توانید این دوره را برای خود اجرا کنید. بعلاوه مقاله‌های مرتبط سایت نیز می‌توانند، به طی بهتر دوره به شما کمک نمایند. اگر سوالی داشتید، می‌توانید از طریق سایت (info@nanoclub.ir) با گروه نویسندگان مکاتبه کنید.





فعالیت1- تبدیل در سیستم SI
در این بخش ابتدا دانش‌آموزان با سیستم SI آشنا می‌شوند و با آگاهی از مبدا پیدایش نماد علمی و کاربرد آن، این مفهوم را می‌آموزند. در ادامه این فعالیت، دانش‌آموزان با انجام چند تبدیل واحد (که تمرکز آن بر واحد طول، حجم و جرم است) با نماد‌نویسی علمی آشنا می‌شوند.

فعالیت 2- طبقه‌بندی اشیاء بر اساس اندازه
هدف فعالیت دوم، توسعه مفهوم مقیاس است. در این فعالیت ابتدا کارت‌هایی در اختیار دانش‌آموزان قرار داده می‌شود که تصاویری از اجسام مختلف بر روی آن‌ها وجود دارد. در ادامه از آنها خواسته می شود تا تصاویر اشیائی را که در محدوده 10 تا 10(

 

[P O U R I A]

چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟

چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟

نانومتر یک واحد اندازه‌گیری است برابر با [SUP]9-[/SUP]10 متر و تمام اشیاء و موجوداتی که اندازه آنها در حد 1 تا 100 نانومتر است را نانومقیاس مینامند.خواص مواد به دو بخش خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم‌بندی میشود.تجربه نشان داده ویژگی‌های یک ماده خالص ،تا حد قابل قبولی ثابت است و این امر سبب میشود که ما بتوانیم مواد را از روی خواصشان شناسایی کنیم. اما یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که یک ماده در اندازه نانومتر ویژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگترخود خواهند داشت. این در حالی است که کوچک‌کردن ذرات، یک تغییر فیزیکی است و ما انتظار داریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی‌های اصلی ماده تغییر نکند.

 

[P O U R I A]

علت اهمیت مقیاس نانو
سوالی که برای اکثر ما پیش می آید این است که تغییر اندازه، چگونه در خواص شیمیایی مواد تاثیر می گذارد؟
از جمله تغییرات شیمیایی که بر اثر کوچک شدن ذرات تا اندازه نانومتری به وجود می آید عبارت اند از:
1- تغییر رنگ :حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند.اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است . طلا و نقره، شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند. این پدیده در دنیای ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است!برای مثال اتم طلا در اندازه 30 تا 500 نانومتر به رنگ آبی، در اندازه 3 تا 30 نانومتر به رنگ قرمز و در اندازه ی کمتر از 1 نانو متر به رنگ زرد است. اما از آن غیرعادی‌تر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ می‌دهند! برای مثال : نانو ذرات کروی نقره 40 نانومتری به رنگ آبی پر رنگ،نانو ذرات کروی نقره 80 نانو متری آبی کم رنگ، نانو ذرات کروی نقره 120 نانو متری زرد رنگ،نانو ذرات کروی طلا 50 نانو متری سبز رنگ،نانو ذرات کروی طلا 100 نانو متری نارنجی رنگ و نانو ذرات هرمی شکل طلا 100 نانو متری قرمز رنگ هستند.
2- تغییر شفافیت : شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده ،در عبور دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند یا جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاب کند نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد ،که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاری، رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد.
نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر، ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.
3- تغییر خواص مغناطیسی: کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه براده‌ها ته‌نشین شوند، یک آهن‌ربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل، جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتری آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود.
سیال مغناطیسی (فروفلوید) ،مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد؛به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آنرا به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد، که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.
4- تغییر واکنش پذیری: خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمی‌توان آنها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک خاصیت‌ شیمیایی، در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهمترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌ایم (شکل 6). همه اینها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند؛ تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانو، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را برای ما فراهم کرده است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوانیم با استفاده از نانوکاتالیزگرها، واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کنیم.
در خاتمه: آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توانیم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آنرا از روی خواصش شناسایی کنیم. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناولی مندلیف اضافه کنیم؛ بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کنیم، لازم است که معلوم کنیم خواص عنصر را در چه ابعادی می‌خواهیم. ما در دنیای ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته‌بندی می‌کنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می‌کنیم. برای ساخت پنجره از شیشه استفاده می‌کنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد؛ برای ساخت زیور آلات ماندگار از طلا استفاده می‌کنیم، زیرا واکنش‌پذیری پایینی دارد و اکسید نمی‌شود؛ برق را با رشته‌های مسی انتقال می‌دهیم، چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد؛ و از آنجا که فولاد یکی از سخت‌ترین مواد دنیای ماست، ابزارهای بزرگ صنعتی‌مان را از آن می‌سازیم.

 

[P O U R I A]

شاخه های فناوری نانو

شاخه های فناوری نانو

فناوری نانو در حیطه های گسترده و متنوعی کاربرد دارد.برای مطالعه آسان تر نانوفناوری، آن را به شاخه های مختلف تقسیم بندی می کنیم و در هریک از شاخه ها جداگانه مورد بررسی قرار می دهیم. از جمله شاخه های مهم فناوری نانو می توان به نانوتکنولوژی مرطوب،نانوتکنولوژی خشک و نانوتکنولوژی محاسبه ای اشاره کرد.
نانوتکنولوژی مرطوب شاخه ای از علم نانو است که به مطالعه سیستم های زنده ، که اساسا در محیط های آبی وجود دارند می پردازد.
در نانوتکنولوژی خشک ، که از علوم فیزیک و شیمی مشتق می شود ، تشکیل ساختارهای کربنی، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی مورد مطالعه قرار می گیرد.
چنانچه انجام برخی آزمایشهای نانویی در آزمایشگاه وبا تجهیزات موجود ممکن نباشد و یا از نظر هزینه مقرون به صرفه نباشد،در نانوتکنولوژی محاسبه ای ، با استفاده از شبیه سازیهای رایانه ای ، فرآیندها و واکنشهای بین اتمهای مورد نظر را بررسی و مطالعه می کنند.

 

[P O U R I A]

مقدمه

هنگامی که درباره نانوفناوری شروع به جستجو و مطالعه می کنید، به موضوعات و مواد مختلفی بر می خورید مانند:"نانولوله ها، شبیه سازی مولکولی، نانوداروها، سلول های سوختی، کاتالیزورها، نانوذرات و ... ". بنابراین ممکن است نانوفناوری ، رشته ای کاملا گسترده به نظر آید که موضوعات آن ربط چندانی به هم ندارند.
به طور کلی مطالعات نانوفناوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد که اگرچه روشهای تحقیقاتی در آن ها متفاوت است، اما این سه شاخه کاملا به یکدیگر مرتبط هستند و پیشرفت در یکی از شاخه ها می تواند در شاخه های دیگر نیز کاملا موثر باشد.

این سه شاخه عبارتند از:

1- نانوتکنولوژی مرطوب: این شاخه به مطالعه سیستم های زنده ای می پردازد که اساسا در محیطهای آبی وجود دارند. در این شاخه ساختمان مواد ژنتیکی، غشاءها و سایر ترکیبات سلولی در مقیاس نانومتر مورد مطالعه قرار می گیرد.پژوهشگران موفق شده اند ساختارهای زیستی فراوانی تولید کنند که نحوه عملکرد آنها در مقیاس نانویی کنترل می شود. این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی،دارویی و به طور کلی علوم و روشهای مرتبط با زیست فناوری است.(شکل 1)

​

​

​

شکل 1.پروتئین ها و رشته های DNA از موضوعات اصلی تحقیقات در نانوفناوری مرطوب هستند.
​

​

2- نانوتکنولوژی خشک: این شاخه از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می شود و به مطالعه تشکیل ساختارهای کربنی، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی می پردازد. نکته قابل توجه اینست که الکترونهای آزاد که در فناوری مرطوب موجب انتقال مواد و انجام واکنشها می گردند، در فناوری خشک خصوصیات فیزیکی ماده را پدید می آورند. در نانوتکنولوژی خشک ، کاربرد مواد نانویی در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری مورد مطالعه قرار می گیرد. برای مثال طراحی و ساختن میکروسکوپ هایی که بتوان با استفاده از آنها مواد را در ابعاد نانومتر دید.(شکل 2)

​

​

شکل 2.نانو لوله های کربنی (راست) و نانوترانزیستورها (چپ)، دو نمونه از تحقیقات در نانوفناوری خشک
​

​

3- نانوتکنولوژی محاسبه ای: در بسیاری از مواقع ، ابزار آزمایشگاهی موجود برای انجام برخی از آزمایشها در مقیاس نانومتر مناسب نیستند و یا آنکه انجام این آزمایشها بسیار گران تمام می شود. در این حالت از رایانه ها برای شبیه سازی فرآیندها و واکنش های اتم ها و مولکول ها استفاده می شود. شناختی که به وسیله محاسبه به دست می آید، باعث می شود که زمان لازم برای پیشرفت نانوتکنولوژی خشک بطور محسوسی کاهش یابد و البته تأثیر مهمی در نانوتکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت.(شکل 3)

​

​

شکل 3.نانو چرخ دنده ها (راست) و نانوموتورها (چپ) از نانو ساختارهایی هستند که با استفاده از شبیه سازی رایانه ای اطلاعات زیادی درباره آنها داریم. اما این وسایل هنوز در عمل مورد استفاده قرار نگرفته اند.​

​

 

[P O U R I A]

شیمی مولکولی

شیمی مولکولی

همه ی مواد، از ذرات ریزی به نام اتم تشکیل شده اند.عناصر موادی هستند که از تعدادی اتم مشابه ساخته شده اند.در اثر تجزیه مواد مرکب،به نوع عناصر سازنده ی آن و تعداد اتمهای هر عنصر در آن ماده دست خواهیم یافت.بر خلاف تصور دانشمندان گذشته که گمان می کردند تنها نوع عناصر سازنده یک ماده و تعداد اتمهای هر عنصر،تعیین کننده ی خواص آن ماده است،مواد مرکبی یافت شدند که علیرغم خواص متفاوت،از عناصر یکسان تشکیل یافته اند و حتی تعداد اتمهای عناصر هم در آنها یکسان بوده است! اکنون می دانیم که این اختلاف در خواص ،ناشی از فاکتور مهم و موثر دیگری به نام "آرایش اتمی"است.
اتمهای هر عنصر ظرفیت مشخصی برای ترکیب شدن با اتمهای دیگر دارند ومی توانند آرایشهای اتمی و مولکولی متفاوتی را ایجاد کنند؛ بسیاری از خاصیتهای مواد بر اثر آرایش متفاوت اتمها در ماده می باشد.
با استفاده از این ویژگی در اتمها،دانشمندان می توانند آرایشهای خاص از اتمهای گوناگون را برای دست یابی به خواص دلخواه،ایجاد کنند.

 

[P O U R I A]

مقدمه

آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کرده‌اید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟چه اتفاقی می‌افتد وقتی پیستون سرنگ را فشار می‌دهید؟هوا چگونه متراکم می‌شود؟ چگونه در یک فضای کوچکتر جا می‌گیرد؟ یک تکه اسفنج را می توان در فضای کوچکتری متراکم کرد. علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد؛ وقتی اسفنج را فشار می‌دهیم ، هوای داخل این سوراخها خارج می‌شود و ذرات جامد اسفنج به هم نزدیکتر می‌گردند. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار می‌دهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم می‌شود. "بویل"، دانشمند انگلیسی، در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشه‌ای پنچ متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه، هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم می‌شود و فضای کمتری اشغال می‌کند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد. در میان اتم‌ها فضایی است، که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم می‌شود، اتم‌ها به هم نزدیکتر می‌شوند. بویل همان سال‌ها، در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد ساده‌تر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است."
دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند. بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان، از مولکول‌های ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب،چند عدد از هر نوع اتم وجود دارد. در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی، درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق می‌کردند. هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند، معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند. با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود. به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست. و این اتمها باید آرایش ویژه‌‌‌ای داشته باشند. بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها می‌شود و خواص مواد با هم تفاوت خواهند داشت.
با توجه به اینکه هم مولکولها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمی‌شوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتم‌ها را در مولکولها بیابند؟
نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت. او مولکول‌های آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلز، همیشه با تعداد مشخصی از مولکول‌های آلی ترکیب می‌شود. او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد. او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌ای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است. برای مثال وقتی می‌گوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر می‌تواند ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندی نیز در 1858 میلادی، نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر متصل می‌شوند و مولکولهای مختلف را تشکیل می‌دهند. طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود می‌تواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد. کوپر همچنین پیشنهاد کرد ،که اتم‌ها را با توجه به ظرفیتشان و تعداد پیوندهایی که می‌توانند با سایر اتمها داشته باشند، به صورت ذیل نمایش دهند:

شکل 1.ظرفیت اتمهای کربن،نیتروژن،اکسیژن و هیدروژن​

به این ترتیب می‌توانیم مولکول‌ها را با رسم پیوندهای میان اتم‌ها، به شکل زیر نشان بدهیم:

شکل2.آرایش اتمی و پیوندهای بین اتمها
​

استفاده از روش فوق برای نشان دادن ساختمان مولکول‌های کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکول‌های بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی می‌شد. از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ مواد مرکب آلی برطرف کند. "فردریش آگوست ککوله" ، با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر می‌رسید- را حل کند.
امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده می‌شود.

شکل3.مدل گوی و میله برای نمایش آرایش اتمی
​

شیمی‌دانان ها چگونه می‌توانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف، بسته به این‌که از چه عناصری تشکیل شده‌اند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند. برای مثال، موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان می‌دهند ،در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پیوند دارد. حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ... قرار گیرد، ترکیب به جای "خصلت اسیدی"، "خاصیت قلیایی" خواهد داشت.
در داروها و مولکول‌های بزرگ، خواص ترکیب، به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانو فناوری ،که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خاص است، یک دانشمند شیمی مولکولی، با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتم‌ها را پیشنهاد می‌کند که خاصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها، صرفا" آنچه ما روی کاغذ رسم می‌کنیم نیستند. مولکول‌ها دارای بعد هستند و فضا اشغال می‌کنند.
یک مولکول، در فضا آرایشهای مختلفی را می‌تواند اختیار کند. درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر، می‌توان آرایش‌های مختلف را پیش‌بینی و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر بررسی کرد. همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی، چه خواصی را موجب می‌شود. این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر می‌باشد.
شاخه‌ای از نانوفناوری، که با بهره‌گیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی می‌کند را "نانوفناوری محاسباتی" می‌نامند.

 

[P O U R I A]

چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌کند؟ قسمت اول

چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌کند؟ قسمت اول

در این مقاله ابتدا به تشریح ساختار مواد می پردازیم و در این راستا به اطلاعات مورد نیاز جهت شناخت ساختار مواد همچون ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها،پیوندهای شیمیایی و ... اشاره می کنیم و برای فهم بهتر به مقایسه ی الماس و گرافیت می پردازیم . اما در قسمت دوم مقاله به ریز ساختار ها و دو مورد از انواع آن پرداخته و در همین راستا به مثال هایی اشاره می کنیم.

 

[P O U R I A]

مقدمه

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارساناهستند؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌کند و از بعضی دیگر نه؟
سئوالاتی از این دست، ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم، شاید گمان کنیم که تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف، حاصل از تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر، مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی مواد، همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار می‌‌کند. براستی آیا با دانستن ترکیب شیمیایی مواد، خواص آنها معلوم خواهد شد؟
با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آنها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟
برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.


ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد،ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ،ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی، نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را، در ویژگی‌های ناشی از این پیوندها، در مواد مختلف می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود؛ زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی درطول ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد،اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟
برای روشن شدن مطلب، مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را، به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد؛ زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد.علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است(شکل 1).لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است؛ نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که نوع این پیوند از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفحات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، استحکام این ساختار، در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری ، به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها است. از سوی دیگر، به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیروی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.

شکل 1- ساختار گرافیت
​

در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است(شکل 2). در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود، در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

شکل 2- ساختار الماس
​

با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد، مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ،ساختار مواد از طریق نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی خواص ، می‌‌توان ساختار را متناسب با آنها طراحی نمود.

 

[P O U R I A]

ریزساختار چیست؟

با شناختی که نسبت به ساختار مواد پیدا کرده‌اید، ممکن است گمان کنید موادی که ما به صورت توده‌ای در اطراف خود می‌بینیم ،از گسترده‌تر شدن نظم ساختاری اولیه خود، به وجود آمده‌اند. به عبارت دیگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌ای، شکل گسترش یافته ای از ساختار اولیه اش می باشد و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهد بود. این تصور، با مشاهدات رفتاری مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافیت ما انتظار داریم که استحکام در راستاهای مختلف متفاوت باشد؛ زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحکام کمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حرکت لایه‌ها بر روی یکدیگر" را داشته باشد. می‌دانیم که از گرافیت به عنوان ماده اصلی مغز مداد استفاده می‌شود و اثری که از مداد بر روی کاغذ باقی می‌ماند در حقیقت لایه‌‌های نازک گرافیت است که با مالش نوک مداد بر روی کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روی کاغذ می‌چسبد و همانطور که پیش‌تر اشاره شد، لایه‌های گرافیت ،به دلیل پیوند ضعیف ثانویه، امکان لغزش و حتی جدا شدن از یکدیگر را دارند. حالا سوال اینجاست که اگر توده گرافیت ،حالت گسترش یافته ی همان ساختار اولیه گرافیت باشد، باید مداد تنها در یک جهت خاص قابلیت نوشتن داشته باشد؛ زیرا ساختار گرافیت تنها لغزیدن لایه‌ها بر روی هم و کنده شدن آنها از توده و چسبیدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصی میسر می‌سازد و در غیر از آن جهات خاص ، به دلیل وجود پیوندهای قوی درون لایه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. این تعبیر به آن معناست ، که مداد تنها در برخی جهات خاص می‌نویسد و در دیگر جهات مداد نخواهد نوشت و این تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگیری مداد متفاوت و متناقض است ؛زیرا به تجربه دریافته‌ایم که مداد در تمامی جهات می‌نویسد. ما مداد را در هر زاویه و هر جهتی نسبت به کاغذ حرکت دهیم مداد خواهد نوشت. پس دلیل این تناقض چیست؟ آیا ساختار گرافیت آنگونه که گمان می‌کنیم نیست؟ و یا اینکه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یکنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟(شکل 1)

شکل 1- طرحی ساده از ریزساختار ایده‌آل گرافیت
​

برای درک درست از رفتار توده‌ای مواد ،لازم است که با ریزساختار آنها آشنا بشویم. با بررسی میکروسکوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ که توده گرافیت یکپارچه نیست؛ بلکه این توده متشکل از دانه‌های بسیاری است که هر یک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی که هر یک دارای ساختار گرافیت هستند، دانست(شکل 2).

شکل 2- طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت
​

تفاوت این نوع ریزساختار، از نوعی که پیش‌تر تصور می‌کردیم، یعنی یک توده گسترده از ساختار گرافیت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ، ما توده گرافیت را یک ساختار یکپارچه و منظم از ساختار گرافیت که در تمام توده گسترش یافته می‌دانستیم؛ در این حالت ، نظم حاکم بر ساختار، یک نظم با دامنه بلند که تمام توده را می‌پوشاند در نظر گرفته می‌شود. اما درعمل ، نظم ساختار گرافیت به صورت محلی و با دامنه‌های کوتاه مشاهده می‌شود. این بی‌نظمی در قرار گرفتن توده‌های دارای ساختار گرافیت ، باعث می‌شود که تنوع و گوناگونی فراوانی در بخش‌های گرافیت که هر یک زاویه و جهت خاصی دارند، وجود داشته باشد. بنابراین همیشه بخش‌هایی که زاویه و جهت مناسب برای حرکت و کنده شدن لایه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگرانی از جهت و زاویه قرار گرفتن مداد می‌توانیم از نوشتن آن مطمئن شویم.


نتیجه‌گیری:

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد را به صورت اجمالی و ساده شناختیم. این عوامل عبارت بودند از: عناصر تشکیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یک شهر بدانیم. عناصر تشکیل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد که چگونگی قرارگرفتن عناصر در کنار یکدیگر و اتصالات میان آنها را مشخص می‌کند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار که چگونگی کنار هم قرار گرفتن ساختار میکروسکوپی را معین می‌کند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یک شهر نه تنها به مصالح(ترکیب شیمیایی بکار رفته در آن) بلکه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز بشدت وابسته خواهد بود.

 

[P O U R I A]

پیشنهادهای فاینمن درباره فناوری نانو

پیشنهادهای فاینمن درباره فناوری نانو

ریچارد فاینمن،فیزیکدانی است که نقش به سزایی در شکل گیری علوم نانو داشته است.در زمانی که کسی اطلاعات چندانی در زمینه ی علوم نانو نداشت ،او در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان«در پایین دست ،فضای زیادی وجود دارد»، سوالاتی در زمینه کار با مواد و اجسام در ابعاد خیلی ریز طرح کرد که ذهن هر شنونده ای را به خود مشغول ساخت.او همچنین با ذکرتفاوتهای علوم نانو و فیزیک بنیادی،پیشنهادهایی مطرح کرد که هرچند برای افراد درآن دهه تعجب برانگیز و غیرممکن تصور میشد،اما امروز شاهداجرائی شدن بسیاری از این پیشنهادها هستیم و با پیشرفت روزافزون بشر در زمینه علوم مختلف و تکنولوژی و همچنین دست یابی انسان به ابعاد بسیار ریز ماده،پیش بینی می گردد که تمامی پیشنهادهای او روزی به حوزه ی واقعیت های علم بشر وارد شوند.

 

[P O U R I A]

مقدمه

ریچارد فاینمن (11 می 1918 تا 15 فوریه 1988) یکی از تأثیرگذارترین فیزیکدانان آمریکایی در قرن بیستم بود که نظریه الکترودینامیک کوانتومی را پیش برد. او سخنرانی برجسته و نوازنده‌ای غیرحرفه‌ای بود. فاینمن به خاطر کارهایش بر روی نظریه الکترودینامیک کوانتومی، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1965 به همراه جولیان شوینگر و شین ایچیرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنرانی او را هنگام دریافت جایزه نوبل می توانید بخوانید.




سه جلد کتاب فیزیک پایه با عنوان «سخنرانی‌های فاینمن درمورد فیزیک عمومی»، بر اساس یک دوره آموزش درس فیزیک پایه در دوره کارشناسی توسط وی تهیه شده‌اند که شاید بتوان گفت به اندازه جایزه نوبلش، مایه شهرت فاینمن بوده‌اند.


دیدگاه‌های ریچارد فاینمن ( فیزیکدان و برنده جایزه نوبل سال 1965) ، نقش بسزایی در پی‌ریزی علوم نانو داشته است. او دیدگاه‌های خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان «در پایین‌دست فضای زیادی وجود دارد» مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در این سخنرانی پیش‌بینی‌های قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است. متنی که می‌خوانید، ترجمه‌ای است از سخنرانی فاینمن و نیز توضیحاتی که در مورد میزان تحقق پیش‌بینی‌ها ی او داده شده‌اند.


1.حوزه علوم نانو

فاینمن:
می‌خواهم حوزه‌ای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد. این حوزه شبیه حوزه فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند نمی‌گوید. بلکه بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده‌های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق می‌افتند، اطلاعات جالبی می‌دهد. به علاوه، نکته‌ای که از همه مهمتر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است.
اشاره
واقعیت این است که علوم نانو، نگرشی بنیادی درباره جهان در مقیاس کوچک به ما نمی‌دهند. نگرش بنیادی، پدیده‌های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح می‌دهد. علوم نانو به مقیاس کوچک‌تر از اتم کاری ندارند. در عوض،فیزیک بنیادی در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک‌ها و لپتون‌ها که حداقل ده مرتبه کوچک‌تر از اتم هستند ــ دستاوردهای خوبی دارد.
از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده‌های جدید می‌دهند. در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهم‌کنشِ ساده بین اجزای تشکیل‌دهنده سیستم، خاصیت جدیدی در کلّ سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز می‌کند؛ چیزی که در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تا حدی مشاهده شده است. بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفت‌های فناوری در آینده نزدیک می‌دهند.

2.ساختن در مقیاس اتمی

فاینمن:
چیزی که می‌خواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است. به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک‌سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز می‌گویند. آنها از موتورهای الکتریکی‌ای به کوچکی ناخن انگشت سخن می‌رانند. آنها می‌گویند وسیله‌ای وجود دارد که می‌تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنیای کوچک شگفت‌آورتری در پایین‌دست وجود دارد. در سال 2000، وقتی به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب می‌پرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمی‌توانیم 24 جلد «دایره‌المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند. پهنای سر سوزن یک میلی‌متر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همه صفحات «بریتانیکا» می‌شود. بنابراین، تنها لازم است که اندازه‌های نوشته‌های دایره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا چنین چیزی ممکن است؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلی‌متر است که برابر با یکی از نقطه‌های کوچک دایره‌المعارف یادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید، هنوز هشتاد انگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی. به زبان دیگر، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای می‌دهد. بنابراین، هر نقطه می‌تواند در اندازة لازم برای چاپ تنظیم شود؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن «دایره‌المعارف بریتانیکا» موجود است.
اشاره
این کار در زمان حاضر امکان‌پذیر است. اگر سر سوزن از جنس سیلیکون و تخت باشد، با لیتوگرافی پرتوی الکترونی می‌توان نقوشی در این ابعاد و با این دقت ایجاد کرد.


فاینمن:
حال که «دایره‌المعارف بریتانیکا» روی سر سوزن جا شد، بیایید همة کتاب‌های عالم را در نظر بگیریم. کتابخانه کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد، کتابخانه موزه بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانه ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر. مسلماً در میان اینها نسخه‌های تکراری هم وجود دارند. بنابراین، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتابِ غیر تکراری در دنیا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق می‌کرد) هر چه قدر تند و تیز باشد، بعد از ده سال فقط می‌تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی کارت‌ها بنویسد. متن کتاب‌هایی که از کف تا سقفِ همه ساختمان کتابخانه چیده شده‌اند، و کارت‌هایی که همه کشوهای کتابخانه را انباشته‌اند، همه می‌توانند تنها در یک کارت نگه‌داری شوند. آیا چنین چیزی ممکن است؟
اشاره
اگر فرض کنیم هر کتاب یک میلیون حرف دارد، 24 میلیون جلد کتابی که فاینمن می‌گوید، در فضایی معادل با 24 ترابایت ذخیره می‌شود. در چند سال آینده، یک آرایه از لوح‌های RAID گنجایش همه این اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازه یک کارت کتاب نیست، اما خیلی به آن نزدیک است.
3. ارتباط بین فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی
فاینمن:
بنابراین باید بتوانیم اتم‌های منفرد را ببینیم. اگر اتم‌ها را از هم جدا ببینیم، چه فایده‌ای دارد؟... ما دوستانی در رشته‌های دیگر داریم، مثلاً در زیست‌شناسی. ما فیزیکدان‌ها معمولاً به آنها نگاه می‌کنیم و می‌گوییم: «می دانید چرا همکاران شما این‌قدر کُند پیشرفت می‌کنند؟ (در واقع، من رشته‌ای را نمی‌شناسم که در زمان ما رشدی به سرعت زیست‌شناسی داشته باشد) شما باید ریاضیات را بیشتر به کار ببرید، همان کاری که ما می‌کنیم.» آنها مؤدبانه پاسخ می‌دهند: «کاری که شما باید انجام دهید تا ما سریع‌تر پیشرفت کنیم، این است که میکروسکوپ الکترونی را صد مرتبه بهتر کنید.»
اشاره
میکروسکوپ‌های پیمایشیِ امروزی قدرت تشخیص پستی و بلندی‌هایی از مرتبه دهم انگستروم (صدم نانومتر) را دارند. یعنی فیزیکدان‌ها درخواستی را که زیست‌شناسان آن زمان از زبان فاینمن بیان کرده‌اند انجام داده‌اند.

فاینمن:
اصلی‌ترین مسائل در زیست‌شناسی امروز چه هستند؟ سؤال‌هایی هستند مثل: ترتیب پایه‌های DNA چیست؟ وقتی یک جهش ژنتیکی رخ دهد، چه اتفاقی می‌افتد؟ ترتیب پایه‌ها در DNA چه ارتباطی با اسیدهای آمینه در پروتئین دارد؟ ساختار RNA چیست؟ یک‌زنجیره‌ای است یا دوزنجیره‌ای و چگونه در ترتیب پایه‌ها با DNA مرتبط می‌شود؟ ساختار میکروزوم چیست؟ پروتئین‌ها چطور سنتز می‌شوند؟ RNA کجا می‌رود؟ چگونه قرار می‌گیرد؟ پروتئین‌ها کجا قرار می‌گیرند؟ آمینواسیدها از کجا داخل می‌شوند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست؟ چگونه چیده شده است؟ کاروتنوئیدها کجا در این فرآیند دخیل می‌شوند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟

پاسخ دادن به این سؤالات بنیادی زیست‌شناسی بسیار ساده است. کافی است به ساختارها نگاه کنید. می‌توانید ترتیب پایه‌ها را در زنجیره یا ترکیب میکروزوم را ببینید. متأسفانه میکروسکوپ‌ها در حال حاضر، مقیاسی را می‌بینند که بسیار زمخت است. میکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنید. در این صورت، بسیاری از مسائل زیست‌شناسی ساده‌تر می‌شوند.
اشاره
امروزه با استفاده از انبرک‌های لیزری می‌توان یک مولکول DNA را زیر میکروسکوپ نیروی اتمی ثابت و تصویرش را ثبت کرد.
فاینمن:
...اگر فیزیکدان‌ها بخواهند، می‌توانند دشواری کار شیمیدان‌ها در مسائل تجزیه شیمیایی را حل کنند. تجزیه هر ترکیب پیچیده شیمیایی بسیار ساده است، فقط باید به آن نگاه کرد و دید اتم‌ها کجا هستند... یک سیستمِ زیستی می‌تواند بسیار کوچک باشد. سلول‌ها خیلی ریز، اما بسیار فعال‌اند. آنها ترکیبات مختلفی می‌سازند، حرکت می‌کنند، و همه جور اعمال شگفت‌انگیز انجام می‌دهند، همه در مقیاسی بسیار ریز. همچنین آنها اطلاعات ذخیره می‌کنند. امکانش را تصور کنید که ما هم بتوانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که آنچه ما می خواهیم انجام دهد یا به عبارت دیگر بتوانیم شیئی بسازیم که در آن ابعاد مانور دهد!


اشاره
امروزه نانوبیوتکنولوژیست‌ها تلاش می‌کنند تا با مهندسیِ سلول‌های جدید، فعالیت‌های این سلول‌ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند.

4.نانوماشین‌ها
فاینمن:
...امکانات یک ماشین کوچک با قابلیت تحرک چیست؟ آنها ممکن است به‌دردنخور باشند، اما مسلماً ساختن آنها مُفرّح است. من نمی‌دانم به طور عملی چطور در ابعاد ریز این کار را انجام دهم، اما می‌دانم که ماشین‌های محاسبه بسیار بزرگ هستند؛ آنها اتاق‌های متعدد را اشغال می‌کنند. چرا نمی‌توانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم، آنها را از سیم‌های ریز بسازیم، از اجزای کوچک ــ و منظور من از کوچک این است که به عنوان مثال سیم‌ها 10 یا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گسترة چند انگستروم قرار گیرند.
اشاره
این شبیه همان مرحله‌ای است که فناوری سنتی سیلیکون امروزه در آن قرار دارد. روش‌های زیادی برای ساخت اجزای سنتی الکترونیک طراحی شده است. در عین حال، با افزایش کنترل انسان در ابعاد نانو ،اصول جدیدی برای کار ماشین‌های محاسبه پیشنهاد شده است. ترانزیستورهای مولکولی، ترانزیستورهای تک‌الکترونی و اسپینترونیک حوزه‌های جدیدی هستند که مورد مطالعه دانشمندان حوزه نانو قرار دارند.
عنوان اسپینترونیک از تشابه این حوزه با رقیب (یا همکار) سنتی خود یعنی الکترونیک ریشه گرفته است. در شیمی خوانده‌ایم که الکترون‌ها و برخی دیگر از ذرات بنیادی به غیر از بار الکتریکی و جرم، خاصیت دیگری به نام اسپین هم دارند که یکی از خواص ذاتی الکترون به حساب می‌آید و دو مقدار مثبت یا منفی یک‌دوم به آن نسبت داده می‌شود. جریان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی (که از روابط ماکسول پیروی می‌کنند) ابزار اصلی در تحلیل یک مدار الکترونیکی هستند و بیشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپینترونیک تلاش می‌کنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغییرات «اسپین الکترون» روش‌های جدیدی برای ساخت سیستم‌هایی معادل با مدارهای الکترونیکی به‌خصوص برای محاسبه و ذخیره اطلاعات بیابند.

فاینمن:
امکانات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست؟ ...دوست من، آلبرت هیبس، امکان جالبی برای یک ماشین کوچک پیشنهاد می‌کند. او می‌گوید که اگرچه ایده بسیار خامی است، اما بسیار جالب است اگر بتوانی جراح را ببلعی. جراح مکانیکی را درون رگ قرار می‌دهی و او به داخل قلب می‌رود و اطراف را مشاهده می‌کند (مسلماً اطلاعات باید به خارج ارسال شوند). او پیدا می‌کند که کدام دریچه مشکل دارد و با یک چاقوی کوچک آن را جراحی می‌کند. بعضی ماشین‌های کوچکِ دیگر می‌توانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضایی که نارسایی دارند، کمک کنند.
اشاره
ایده بدیع نانوماشین‌ها و کاربرد آنها در بدن انسان نخستین‌بار در سخنرانی فاینمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملی بودن این ایده در آینده نزدیک مشکوک‌اند، اما بسیاری از تحلیلگران آینده آن را امکان‌پذیر می‌پندارند. در یک نانوروبوت، ابزارهایی برای حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عملیات خاص لازم است. دانشمندان موفق شده‌اند نمونه‌هایی از حسگرها، ردیاب‌ها و موتورهای بسیار کوچک شیمیایی را در ابعاد نانومتر ایجاد کنند، اما هر کدام از این عناصر نیاز به سیستم‌های پیچیده جانبی برای تکمیل عملکرد خود دارند؛ مثلاً برای مشاهده ردیاب‌ها، نیاز به میکروسکوپ و برای تحلیل سیگنال حسگرها، نیاز به سیستم‌های پردازنده ماکروسکوپیک وجود دارد. درست مانند یک کامپیوتر خانگی که هرچند پردازنده آن بسیار کوچک (در حدود چند میلی‌متر مربع) است، اما برای ایجاد کارایی نیاز به قطعات بزرگ جانبی دارد. امکان گنجاندن همه این ابزارها در ابعادی کوچک‌تر از یک باکتری، به‌شدت مورد تردیدِ بسیاری از دانشمندان نانو است.
فاینمن:
اما من هراسی ندارم که سؤال آخرم را طرح کنم. آیا ــ در آینده بسیار دور ــ می‌توانیم اتم‌ها را آن‌جور که می‌خواهیم بچینیم؟ خود اتم‌های بسیار ریز! چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی‌یکی طوری بچینیم که می‌خواهیم؟
اشاره
این کار در حال حاضر، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی بر روی سطوح تخت ممکن است؛ در عین حال قدرت طراحی اجزای جدید، با استفاده از کنترل خودآرایی مولکولی، روز به روز در حال پیشرفت است؛ هرچند ایجاد ساختارهای دلخواه سه‌بُعدی در این روش‌ها و روش‌های مشابه، محدود به چیدن لایه‌به‌لایه آنها می‌شود. به‌تازگی اَبَربلورهایی با لایه‌نشانی توسط لیزر ساخته شده‌اند که در واقع موادی مصنوعی به حساب می‌آیند که قبلاً وجود نداشته‌اند. در یکی از جدیدترین دستاوردها، یک گروه هلندی با چیدن یک در میان لایه‌های اتمی از یک نارسانا و یک فلز ضعیف، موفق به مشاهده خاصیت ابررسانایی شده است.
ریچارد فاینمن توانسته است به نحوی شگفت‌انگیز بیشتر حوزه‌های فعالیت دانشمندان امروزی علوم نانو را در سخنرانی خود معرفی کند. آن‌هم زمانی که هنوز فعالیت چشمگیری در این رشته شروع نشده بود. او این کار را به دور از توهّم‌سازی و کاملاً حساب‌شده انجام داد. امروز به‌خوبی می‌دانیم اهدافی که او 45 سال پیش مطرح کرد، یا به دست آمده‌اند یا در آینده نزدیک به وقوع خواهند پیوست. اینها همه نشان از پختگی و شهود قوی این فیزیکدان برجسته و رهبر علمی دارد.