بسمه تعالي
آشنایی با فناوری نانو
آشنایی با فناوری نانو
مبانی و مفاهیم فناوری نانو
برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت. اغلب گفته می شود فناوری نانو، فناوری اشياء كوچك است، اشياء خيلي كوچك و در واقع استفاده و توليد ماده در مقياس ريز مولکولي است که در اين ابعاد اتمها و مولكولها به شکلی متفاوت از ابعاد بزرگتر عمل مي‌كنند و گستره اي ازکاربردهاي جالب و شگفت‌انگيز را فراهم مي‌كنند. مي توان اصطلاح"فناوري مولکولي" را برای فناوری نانو استفاده کرد، چرا كه ابعاد نانو ابعاد كارايي مولكولها است.
شکل1- مقایسه ساختار های مختلف از نظر ابعاد
مثلاً فکر کنید، ضخامت تار موي انسان 50000nm است. اين ابعاد در مقايسه با يک مولکول گلوکز كه کمتر از یک نانومتر است، بسیار زیاد است. جالب است كه با چنین تفاوتی، مولکول گلوکز که پنجاه هزار بار کوچکتر از تار مو است، می-تواند انرژي فعاليت‌هاي متابوليکي را تأمين کند. شکل زیر مقايسه بهتري از ابعاد را نشان مي دهد. یک توپ فوتبال صد ميليون برابر کوچکتر از کره زمين است؛ اين در حالي است که همين توپ صد ميليون برابر بزرگتر از فولرين است(توضیح بیشتر در بخش نانومواد). نخستین بار امکان دستکاري ماده در سطح نانومتری توسط ريچارد فاينمن در محافل علمی مطرح شد، فاينمن در طول کنفرانس خود با عنوان "فضای زیادی در آن پایین وجود دارد" استفاده از آجربنای اتمي براي تجمع در سطح مولکولي را شرح داد و عنوان کرد: "تا آنجا که می دانیم، اصول فيزيکي، حرکت اتم به اتم روی اشیا را غیرممکن نمی داند و ما هم سعي نداریم قانوني را از اعتبار ساقط کنيم. در اصل اين کاري است که مي توان انجام داد، ولي تا کنون در عمل انجام نشده است، زيرا فکر می کنم ما خیلی بزرگ هستيم". سالها بعد زمینه فناوري نانو از سوي اريک درکسلر و ريچارد اسمالي بنا نهاده شد، و چاد ميرکين نیز حوزه بیونانوفناوري را شروع کرد.
شکل 2- مقايسه ابعاد نانو با اندازه هاي دنياي واقعي هر تصویر یک میلیون بار بزرگتر شده است.
دکتر ريچارد اسمالي، استاد رشته شيمي دانشگاه رايس از پيشگامان نانوفناوري بود و در سال 1996 به خاطر ابداع باکی بال ها، جايزه نوبل دريافت کرد. او نقش برجسته اي در عرصه فناوري نانو داشته است و گروه تحقيقاتي که او و مرکز سرطان اندرسون تشکيل دادند، خلاقيت بالقوه اي در حوزه بیونانوفناوري داشت. گروه اسمالي با فعاليت‌هاي خلاقانه، کار خود را ادامه داده و در اين فعاليت‌ها، تأثير بسزايي در فناوري نانو و کاربردهاي پزشکي آن داشته است؛ از تلاشهای این گروه مي توان به ابداع يک روش کاربردی براي توليد انبوه نانولوله کربني اشاره کرد. این روش گامی حیاتی برای توسعه تجاری نانولوله های کربنی در سال 2000 بود که برای اهداف تحقيقاتي و تجاري به آن نیاز بود.
اريک درکسلر در سال 1991 درجه دکتراي خود را در فناوري نانو مولکولی از دانشگاه MIT دريافت کرد، که اولين دکترای نانو است. او به عنوان محقق، مؤلف، و مشاور سياسي، يکي از پيشگامان توجه به فناوري‌هاي نوظهور و اثرات آنها در آينده محسوب ميشود. وی مؤسسه فورسایت را تأسيس کرد و مشاور فنی آن شد. شرکت اریک درکسلر نرم افزار طراحي و شبیه سازي سيستمهاي ماشين مولکولي را ابداع کرده است. تالیفات درکسلر با عناوين "موتورهاي آفرينش: حوزه آينده نانوفناوري"، "نانوسيستمها: ماشين مولکولی، ساخت و محاسبه"، و "آينده نامحدود: انقلاب نانوفناوري" بسیار تأثيرگذار شدند، زیرا عرصه‌هاي مختلف را با نانوفناوري درگیر کرده اند.
چاد ميرکين پروفسور سازمان شيمي و مؤسسه نانوفناوري دانشگاه نورث وسترن، از پیشگامان عرصه بهبود شيميايي توسط نانوسيستمها برای پیشرفت بیونانوفناوري به شمار میرود؛ کار تحقيقاتي وي روي تک لايههاي خود تجمع يافته، طراحي وسايل الکترونيکي با اساس مولکولی، نانوليتوگرافي، سنتز نانوذرات و سنتز هدفمند DNA توانسته است پايه هايي براي تحقيقات فناوري نانو در بسياري از حوزههاي گوناگون کاربردي فراهم آورد. "حوزه نانو، به هیچ حوزه خاصی از علم تعلق ندارد، به همه متعلق است". اين تعريف تنوع بی-نهایت و منحصر به فرد بودن نانوفناوري را مي رساند و در عين حال لزوم آمادگي کساني را نشان مي دهد که مي خواهند در آن نقش داشته باشند. مؤسسه ملي فناوري نانو آمریکا در تلاش براي تعريف مرزهاي اين نظم جديد و نوظهور، حدودی مشخص را پيشنهاد کرده است. طبق اين تعريف "نانوفناوري شناخت و کنترل ماده در ابعاد نزدیک به 100-1 نانومتر است، ابعادي که در آن پديده‌هاي منحصر به فرد کاربردهاي جديدي پيدا مي کنند". مقیاسهای مهم، از متر به میلیمتر، از ميليمتر به ميكرومتر و از ميكرومتر به نانومتر تغییر می کنند.
براي هرچيزي كه بشر از آن بهره مي گيرد، اندازه گيري و معیار لازم است. این معیارها بر اساس نیاز به هر کمیت قابل سنجشی شکل گرفته است و کمک مي‌كند كه بتوان يك شيء يا ماده را با ديگري مقايسه كرد و استفاده از ابزار را به طور صحيح و دقیق ممکن می سازد. براي مقايسه مواد در مقياس نانو با مواد معمولي نياز به اندازه گيري هايي است که بتوان تفاوت های این مقیاس را لمس کرد. پیش از این بـيشتر مقـياس‌ها و فـنون اندازه‌گيري براي مقياس هاي بزرگتر از مقياس نانومتر طراحي شده بودند، اما با ساخت دستگاههای تحلیل و شناسایی نوین، امکان انعکاس حقایق بیشتری از ابعاد ریز مولکولها ممکن شد. در حقیقت توسعه فناوری با توسعه ابزارها تسهیل می شود. در گذشته دیدن ابعاد نانومتری با چشم مسلح به میکروسکوپ های نوری ممکن نبود. با توجه به این حقیقت که میکروسکوپهای نوری عدسی نوری هم داشت، خطا و محدودیت آنها اجتناب ناپذیر بود. بر اساس خصوصیات امواج نوری و محدودیت وضوح ناشي از خطاي عدسي ها، ميكروسكوپها هر جسمی را بر اساس طول موج نور مرئی نشان می داد. در حال حاضر دسته ای از میکروسکوپهای نوری وجود دارد که چشمه نور ماوراء بنفش را با طول موجی کمتر از نور مرئی نشان می دهد، با این همه بزرگنمایی چنین میکروسکوپهایی بیشتر از 4000 برابر نمیشود که کارایی آنها را برای مشاهده نمونه هایی مثل ویروسها مختل می کند. کار کردن با اتم ها و مولکولها نیز از بحث میکروسکوپهای نوری خارج است. به طور خلاصه میکروسکوپهای نوری ابداً هیچ کمکی به مشاهده دنیای نانو نمی کنند. این در حالی است که میکروسکوپ های الکترونی بر اساس شتابدهی پر انرژی الکترونها، ساختارهای نانومتری را نشان می دهند.
شکل 3- میکروسکوپ پروب روبشی و پروب میکروسکوپ نیروی اتمی
برخی میکروسکوپها، دستکاری و لمس این ابعاد را با تیغه ای که در نوک آن تنها چند اتم وجود دارد، ممکن می سازند، شکل2. پس ميکروسکوپ ها مي توانند ويژگي هاي ابعاد نانو را بررسي کرده و حتي تغييراتي را در این سطح ايجاد کنند. اساس کار برخی آنها پدیده های کوانتومی مثل اثر تونل زنی است.
شکل4-اثر تونلی
اثر تونلی اساساً پدیده ای مربوط به مکانیک کوانتومی است و شباهتی به انسان و اشیای معمولی پیرامونش ندارد. در فیزیک کلاسیک اگر انرژی سد انرژی بیشتر از انرژی ذره باشد، این امکان برای ذره وجود ندارد که از آن سد عبور کند. در مکانیک کوانتوم ذره مکان مطمئنی ندارد. اما خواص موجی ذره و موقعیت آن بر اساس احتمال بیان میشود. موقعیت ذره با یک ابر الکترونی که از سد انرژی گذشته است، تعیین می-گردد. به این ترتیب، ذره می تواند از سد انرژی عبور کند و در این عبور در داخل سد انرژی تونل می زند. با توجه به پدیده تونلی است که الکترون از پروب میکروسکوپ STM به نمونه می رود و از حایل خالی بین آنها می گذرد. شدت این اثر برای تعیین موقعیت اتمها در نمونه مورد بررسی، اندازه گیری می شود. اندازه گيري هاي مورد نياز براي فناوري نانو، اندازه گیری خصوصیاتی مانند تعداد ذرات، مساحت سطح، شکل، محدوده ابعاد، درصد ذرات با اندازه و اشکال مختلف در يک نمونه، آرایش یافتگی زنجیره ها و ساختارهای مولکولی و ويژگيهاي سطح مواد بزرگ در مقياس نانو، ويژگي هايي همانند دندانه داشتن و برجستگي ها و ويژگي هاي فيزيکي، شيميايي، رسانايي الکتريکي، مغناطيسي و نوري است. براي دستيـابي به هر یک از ايـن اندازه ها، متخصصين انـدازه گيري در مقيـاس نـانـو از ابـزارهاي مختلفي استفاده مي کنند. ذره شمارها، تعداد و حدود ابـعـاد ذرات درون نمونه را انـدازه گـيري مي کنند. ابزارهاي ديگري هم مي توانند مساحت سطحي ذره (با ميزان گازي که مي تواند آن را محصور کند) و ترکيبات شيميايي را اندازه گيري کنند.
مرجع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/426
