نانوتکنولوژی مطالعه ذرات مواد در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست . هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است . نانوتکنولوژی در الکترونیک ، زیستشناسی ، ژنتیک ، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده میشود. نانو کلمهای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم یک کمیت استفاده میشود . چون یک اتم تقریباً ۱۰ نانومتر است ، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشود. 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 ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های 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 (ملکولی) – مثل یک درخت یا یک میکروب – ساخته می شود. علم بشری لینک 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 نو
• ورشکستگی 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
• شناسائی 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
تاریخچه ی نانوتکنولوژی
استفاده از نانو تکنولوژی برخلاف تصور عمومی دارای سابقه تاریخی طولانی است . تفهیم اینکه نانوتکنولوژی چگونه اولین اثرات خود را بر زندگی بشریت گذاشت و اینکه از آن زمان تاکنون چگونه موجب زندگی بهتر و گشودن درهایی برای اکتشافات بیشتر بوده است کار چندان آسانی نیست .
کشفیات باستان شناسان روشنگر استفاده از نانو تکنولوژی حتی در دوران قبل از میلاد مسیح است . یک محصول معروف که از آن دوره به جا مانده و در کاوش های اخیر به دست آمده ، جام لیکورگوس است که در موزه بریتانیا نگه داری می شود . ماده اصلی این جام از شیشه است و مربوط به قرن چهارم قبل از میلاد است .
این جام دارای بدنه برنزی با لبه های برجسته است و آن چیزی که این جام را بی همتا می سازد این است که در برابر نورهای با رنگ های مختلف ، رنگ های مختلف را از خود نشان می دهد .
مطالعات میکروسکوپی روشن نموده که شیشه این جام دارای ذرات نانو از جنس طلا و نقره است این ذرات خواصی را بروز می دهند که از ذرات درشت موجود در آن متفاوت است. بعد ها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیسا ها استفاده شد .
همچنین شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی بکار برده شده توسط قوم مایا موجود است .
کشف کلوئید های طلا در ۱۸۵۷
گرچه کلمه ” نانو ” در آن زمان استفاده نمی شد اما میشل فارادی اولین کلوئید های فلزی را در۱۸۵۶ کشف کرد .
کلوئید ها ذراتی هستند که در یک محلول معلق اند (مابین ذرات حل شونده و آنهایی که در حلال رسوب می کنند).
کلوئید های طلایی فارادی خواص الکترونیکی و شیمیایی مخصوصی داشتند و الآن بعنوان یکی از بهترین نانو ذرات فلزی شناخته می شوند . بنا به تشخیص بسیاری ، یکی از بهترین آزمایشگرها و شیمیست ها و فیزیسین هایی که تابحال بدنیا آمده دانشمند انگلیسی فارادی بوده که دارای تحصیلات ابتدایی بود و در ۱۴ سالگی شاگرد یک صحاف کتاب بوده . در آنجا او به کارهای شیمی و فیزیک علاقه مند بود و بعد از شنیدن سخنرانی شیمیست معروف هامفری دیوی یادداشتهایی از سخنرانی دیوی را برایش ارسال می کند و به این ترتیب معاون دیوی در آزمایشگاه رویال در انسیتو لندن می شود . در سن ۲۱ سالگی بیش از ۶۰۰ آزمایش توسط او انجام می گیرد .
نانوتکنولوژی و انرژی
نانوتکنولوژی ، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی ، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد . همچنین فنّاوریهای جدید ، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد ، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی میتواند بهطور قابل ملاحظهای کارآیی ، ذخیرهسازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال ، شرکتهای تولید کننده مواد شیمیایی ، مواد پلیمری تقویتشده با نانوذرات را ساختهاند که میتواند جایگزین اجزای فلزی بدنه ی اتومبیلها شود . استفاده گسترده از این مواد میتواند سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفهجویی مصرف بنزین به همراه داشتهباشد .
هدایت حرارتی موادی که با فناوری نانو حاصل شده ، کاربردهای دیگری نیز ارائه می دهد . ازآنجائیکه دانسیته مناسب از این مواد می توانند قادر به هدایت سریع حرارت از سطح تماس به حفره های حرارتی باشند ، امکان تحقق این مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح می گردد همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی ، بهره مندی از اختلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی ازاین کاربردها می تواند گرم کردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های برمبنای مایع موجود ، برای گرما دهی طبقات خواهد شد .
مواد ، حدود ۷۰% از رشد ناخالص جوامع صنعتی را در یک یا چند زمینه تشکیل می دهند و از این رو برای اقتصاد حیاتی هستند . نانوتکنولوژی تقریباٌ مسیر تولید انواع نامحدودی از مواد جدید را به شیوههای گوناگون فراهم میآورد . نانو مواد را میتوان به صورت مواد جدیدی که اندازه ساختار بنیادی آنها در مقیاس نانومتری طراحی شده تعریف کرد . اصولاٌ مواد نانومتری با کاهش اندازه، در هر مقیاس رفتار جدیدی را بروز میدهند . نانوتکنولوژی اجازه ایجاد مواد و وسایلی با خصوصیات عملکردی و کارایی های جدید را میدهد .
یکی دیگر از بازارهای این تکنولوژی در تجهیزات الکتریکی می باشد . از طرحهای صنعتی چنین برآورد میشود که پیشرفت های ایجاد شده در نانو تجهیزات نوری مبتنی بر اِل ئی دی ، طی ۱۰ تا ۱۵ سال آینده قابلیت کاهش ۱۰ درصدی مصرف جهانی انرژی را دارد . این امر باعث ذخیره سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار و کاهش انتشار ۲۰۰ میلیون تن از گازهای کربن در سال میشود و انتظار میرود تغییرات عمدهای در فنّاوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. میتوان نیمههادیهای مورد استفاده در دیودهای نورانی (اِل ئی دی ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد . در امریکا، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی ، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) میشود .
همچنین نانوتکنولوژی نوید بخش پیشرفتهای چشمگیری در زمینه تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی ، مبدلهای ترموالکتریک، باتریها ، پیلهای سوختی بسیار کارآمد و همچنین خطوط کارآمد انتقال نیروی الکتریکی است .
نانوتکنولوژی و محیط زیست
از دیر باز آلودگی های مختلف ، تهدیدی جدی برای محیط زیست جهانی و زندگی انسان بوده است . در قرن بیست و یکم توسعه فناوریهای جدیدی که اقتصاد صنعتی را بدون آسیب رساندن به سلامت انسان و محیط زیست شکوفا نماید ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است . توسعه فناوری های جدید ساخت و انتقال و سایر فعالیتهای کاهش یا حذف محصولات زیان آور در حین تولید ، تصفیه و اصلاح مواد سمی موجود در محیط زیست ، مهمترین چالش کنونی جوامع ما است .
علم و مهندسی مقیاس نانو میتواند به طرز چشمگیری شناخت ما را از فرآیندهای مولکولی که در محیط زیست رخ میدهد بهبود بخشد. توسعه فناوریهای «سبز» که استفاده ، تولید و انتقال محصولات زاید ، خصوصاٌ مواد سمی را به حداقل میرسانند به کاهش آلودگی کمک کند. پاک سازی محیط زیست به وسیله زدودن آلودگی از هوا و آب تا رساندن آنها به سطحی که در حال حاضر غیرقابل حصول است، با اندازهگیری پیوسته و به موقع آلودگیها میسر خواهد شد. از این رو افزایش شناخت اثرات نانو تکنولوژی برروی محیط زیست ، اجتماع و سلامتی انسان یک امر حیاتی است .
نانوتکنولوژی دوامپذیری منابع طبیعی را تضمین می کند . این فناوری منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد . همچنین فناوریهای جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد .
در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، میتواند تأثیر قابل ملاحظهای در: درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ میدهد ؛ در درمان مسائل زیستمحیطی از طریق کنترل انتشار آلایندهها داشتهباشد . لازم به ذکراست ، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگیهای کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازهگیری و کاهش مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد .
تجربیات جهانی
نانوتکنولوژی و درک قابلیت های عظیم این فناوری متحول کننده ، موجب سازماندهی و تدوین برنامه های ملی فراوانی در بسیاری از کشورهای جهان شده است . تدوین این برنامه ها عمدتاً به منظور بهره گیری هرچه بیشتر از قابلیت های نانوتکنولوژی و عقب ماندن کشورها از مسیر تحولات سریع و دستاوردهای روبه رشد این فناوری صورت پذیرفته است .
میزان توجه کشورها به نانوتکنولوژی به حدی بالا بوده است که رقم سرمایه گذاری جهانی در این عرصه از ۸۰۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۰ به بیش از ۳ میلیارد دلار در سال ۲۰۰۳ رسیده است .
میزان سرمایه گذارى مستقیم دولتها در زمینه نانو تکنولوژى نشان از اهمیت بالای این فناوری دارد : در سال ۱۹۹۷، سرمایه گذارى دولتها در این زمینه ۴۳۰ میلیون دلار بوده و در سال ۲۰۰۲ این رقم به دو میلیارد و ۲۰۰ میلیون دلار افزایش یافته است و از این عدد کشور امریکا ۶۰۴ میلیون دلار را به خود اختصاص داده است و ۴۵۰ میلیون دلار به کل اروپا و ۶۵۰ میلیون دلار به ژاپن و مبلغ باقیمانده به مجموعه کشورهاى دیگر اختصاص دارد.
در سال ۲۰۰۳ ، چهار میلیارد دلار سرمایه گذارى در زمینه نانو تکنولوژى انجام شده است که ۳ میلیارد آن را بخش دولتى و یک میلیارد را بخش خصوصى تامین کرده است .
از سال ۱۹۹۰ به بعد نظریه هاى نانو تکنولوژى مطرح شدند و روند رو به رشد ملایمى داشته اند و از سال ۱۹۹۴ نانو تکنولوژى بیشتر در بعد تولید دانش فعال شد و در سالهاى اخیر بحث محصولات به شکل جدى مطرح شده است .
در سال ۲۰۰۲ در آمریکا برنامه پیشگامى ملى نانو تکنولوژى تدوین شد و ساماندهى برنامه تحقیقاتى، تخصیص متمرکز اعتبارات براى فعالیتهاى نانو تکنولوژى و راه اندازى چندین آزمایشگاه ملى در این زمینه صورت گرفته است .
در ایران نیز رویکرد تازه اى در ارتباط با نانو تکنولوژى مطرح شده است ، اما با توجه به محدودیتهایى موجود (دلایلى نظیر رکود اقتصادى و عدم تطبیق ما با استانداردهاى جهانی) این روند به کندى طى میشود .
تشکیل کمیته هاى راهبردى نانو در وزارتخانه هاى مختلف، تشکیل نهادهاى خود جوش دانشجویى ، تدوین برنامه هاى آموزشى در زمینه نانو و اطلاع رسانى عمومى و فراگیر در این رابطه از جمله اقداماتى است که تاکنون در زمینه نانو تکنولوژى در کشور انجام شده است .
همچنین اختصاص بودجه ویژه جهت نانو تکنولوژى و راه اندازى آزمایشگاههاى ملى در دستور کار قرار دارد .
از فناوری نانو به عنوان “رنسانس فناوری” و “روان کننده جریان سرمایه گذاری” یاد می شود . ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائی های بزرگ اقتصادی خواهد شد . هم اکنون بخش های دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا ، اتحادیه اروپا ، چین، هند ، تایوان ، کره جنوبی ، استرالیا ، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر میبرند . هم اکنون روی هم رفته حدود ۳۰ کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای “برنامه ملی” یا درحال تدوین آن هستند ، وطی پنچ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به ۵/۳ برابر افزایش داده اند . کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده اند .