دانلود مقاله نانوتکنولوژی چیست

دانلود مقاله نانوتکنولوژی چیست

نانوتکنولوژی چیست؟

نانوتکنولوژی مولکولی ، نامی است که به یک نوع فن‌آوری تولیدی اطلاق می‌شود. همانطور که از نامش پیداست ، نانوتکنولوژی مولکولی، هنگامی محقق می‌شود که ما توانایی ساختن چیزها را از اتمها داشته باشیم و در این صورت ما توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی خواهیم داشت.

هدف نانوتکنولوژی ساختن مولکول به مولکول آینده است . همانطور که وسایل مکانیکی به ما اجازه می‌دهند که چیزی فراتر از نیروی فیزیکی خود به دست آوریم، علم نانویی و تولید در مقیاس نانو هم، سبب می‌شود تا ما بتوانیم پارا بفراتر از محدودیتهای اندازه‌ای که به طور طبیعی موجود است، بگذاریم و درست روی واحدهای ساختاری مواد کار کنیم, جایی که خاصیت مواد مشخص می‌شود و با تغییر در آن واحدها می‌توان تغییرات خواص را ایجادکرد. برای کنترل ساختار مواد، باید یک سیستم کامل و ارزان قیمت در اختیار داشته باشیم. فرض اصلی در نانوتکنولوژی این است که تقریباً همه ساختارهای با ثبات شیمیایی که از نظر قوانین فیزیک رد نمی‌شوند را می‌توان ساخت.

ماهیت نانوتکنولوژی، عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از مولکولی، در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها و با استفاده از موا‌د, وسایل و سیستم‌هایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان می‌باشد. همه مواد و سیستم‌ها زیربنای ساختاری خود را در مقیاس نانو ترتیب می‌دهند. در اینجا مثالهایی را ذکر می‌کنیم. یک مولکول آب دارای قطر حدود ۱ نانومتر است. قطر یک نانوتیوب تک لایه ۲/۱ نانومتر می‌باشد. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه ۲ نانومتر می‌باشند. مولکول  DNA ، ۵/۲ نانومتر پهنا دارد و پروتئینها بین ۱ تا ۲۰ نانومتر هستند. قطر  ATP ، ۱۰ نانومتر بوده و یک وسیله مولکولی نیز ممکن است در حدود چند نانومتر باشد.

کنترل مواد در مقیاس نانویی به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که خواص اساسی معین می‌شود. تا آنجایی که ما از طبیعت اطلاعات در دست داریم، این آخرین مقیاس تولید است. نانوتکنولوژی ، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که می‌توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط‌زیست استفاده شوند، شامل می‌شود.

دانشمندان اخیراً این توانایی را پیدا کرده‌اند که بتوانند اتمها را به طور مستقیم مشاهده کرده و دستکاری کنند ولی این تنها بخش کوچکی از تکنیکهایی است که در علم نانویی و همچنین فن‌آوری، به دست آمده است. هنوز چند دهه به توانایی تولید محصولات تجاری باقی است ولی مدلهای تئوری کامپیوتری و محاسباتی، نشان می‌دهند که دستیابی به سیستم‌های تولید مولکولی امکانپذیر است. چرا که این مدلها، قوانی فیزیکی کنونی را نقض نمی‌کنند. امروزه دانشمندان وسایل و تکنیکهای زیادی را که برای تبدیل نانوتکنولوژی از مدلهای کامپیوتری به  واقعیت لازم است ، اختراع و تدبیر می‌کنند.

دقت به عنوان منفعت ماشینهای مولکولی مدنظر می‌باشد و همچنین یکی از کلیدهای مهم برای درک لزوم پیشرفت در زمینه این فن‌آوری است. دقت در اینجا به این معناست که برای هر اتم جایی وجود دارد و هر اتم در جایگاه خودش است. ما از ماشینهای دقیق برای تولید محصولات با دقت مساوی، استفاده خواهیم کرد. فن‌آوری تا به حال هرگز چنین کنترل دقیقی نداشته است و همه‌ فن‌آوریهای کنونی ما، فن آوریهای بزرگ هستند. امروزه ما تکه یا توده‌ای از چیزی را در مقابل خود قرار می‌دهیم و به آن چیزی اضافه کرده و یا از آن تکه‌هایی را کم می‌کنیم و در نهایت وسیله مورد نظرمان را با این اعمال ایجاد می‌کنیم. در واقع ما وسایلمان را از سر هم کردن قسمتهای مختلف تولید می‌کنیم بدون آنکه نسبت به ساختمان مولکولی آنها توجهی داشته باشیم. در گذشته ساخت با دقت اتمی، تنها در محصولات کریستالها یا در سازمان‌های زنده‌ی زیستی مانند ریبوزومها که پروتئین مورد نیاز موجود زنده را فراهم می‌کنند و یا   DNA که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد موجود زنده را حمل می‌کند، دیده شده است. ما در جریان پیشرفت نانوتکنولوژی روندی به سوی دستیابی به درجه‌ای از کنترل سیستمها که قبلاً تنها در طبیعت موجود بوده، در پیش رو داریم.

منفعتهای دیگر وقتی نمایان می‌شوند که اندازه‌ی وسایل قابل ساخت را مورد توجه قرار می‌دهیم. وقتی ما در مقیاس اتمی کار کنیم، می‌توانیم دستگاههایی بسازیم که می‌توانند به جاهای غیرقابل تصور از نظر کوچکی بروند.

دو وسیله‌ی بسیار حساس که هنوز ساخته نشده‌اند در نانوتکنولوژی عبارتند از :

۱- نانوکامپیوتر             ۲- نانواسمبلر.

نانو کامپیوتر ماشینی مولکولی است که قادر است یک رشته اعمالی را به اجرا در آورد و آنها را اداره کند و در نهایت نتیجه‌ای را تولید نماید. در عمل این وسیله تا حدی با میکروپردازش‌گرهای امروزی متفاوت است، اگر چه شباهتهای نادری با کامپیوترهای قدیمی و مکانیکی که توسط   Charles Babbage در دوره‌ی ویکتوریا طراحی شده بود، دارد. همچنین دارای دستگاه ثبت‌کننده‌ای است که چیزی شبیه ماشینهای جمع‌کننده  ( Adding Machine) به وجود می‌آورد. البته ماشین جمع‌کننده‌ای که میلیون‌ها بار کوچکتر و بیلیونها بار سریعتر از میکروپردازش‌گرهایی که تاکنون طراحی شده است. وقتی یک نانوکامپیوتر وجود داشته باشد در این صورت به وجود آوردن نانواسمبلر نیز امکان‌پذیر خواهد بود. نانواسمبلر وسیله‌ای ساخته شده در تراز اتمی است که می‌تواند اتمها را برای بیشتر شکلهایی که مورد نظر می‌باشد، دقیقاً نظم‌دهی و آرایش کند. امروزه کارکردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی گران قیمت  (AFM) نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتمها به سمت جایگاهشان استفاده می‌کند. ولی نانواسمبلر می‌تواند به سادگی اتمها را از جایگاهشان خارج کرده و آنها را همانند دستگاه بافندگی صنعتی، در محل مورد نظر به یکدیگر پیوند دهد. در سلولهای ما، ریبوزومها کاری شبیه به این را انجام می‌دهند؛  DNA را به صورت  RNA کپی کرده و سپس آمینواسید صحیح را جهت ساخت پروتئینها جمع‌آوری می‌کنند. نانواسمبلری که یک نانو کامپیوتر را در هسته‌ی خود در بردارد ، تقریباً همین کار را انجام می‌دهد . نانواسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانوتکنولوژی است. وقتی یک نانواسمبلر کامل در دسترس باشد، تقریباً همه چیز ممکن می‌شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته‌ی انجمن نانوتکنولوژی است.

شصت سال پیش  John Von Neumann ( کسی که همراه  Alan Turing، زمینه علم کامپیوتر را پایه‌گذاری کرد.) حدس زد که روزی ساختن ماشین‌هایی که بتوانند خودشان را کپی کنند، ممکن خواهد شد. یک نوع تکرارکننده‌ی خودبه خودی که می‌تواند ما را از یک مثال ساده‌ی ذهنی به سمت اجتماعی از کپی‌های کامل هدایت کند. اگر چه ماشین مورد نظر  Von Neumann در تئوری ساده به نظر می‌رد ولی هرگز ساخته نشده است. در مقیاس ماکرومولکولی ساختن یک کپی از ماشین بسیار ساده‌تر از تهیه کردن ماشینی است که بتواند خود را کپی کند ولی در تراز مولکولی ، این موازنه برعکس است یعنی تهیه کردن ماشینی که بتواند خود را کپی کند بارها ساده‌تر از ساختن ماشین دیگری با استفاده از تراشه‌هاست.

این مزیت بزرگی است که وقتی تنها یک اسمبلر داریم، می‌توانیم هر تعداد که بخواهیم ، ایجاد کنیم. همچنین این بدان معناست که نانواسمبلر یک آفت کامل است. اگر به طور عمدی یا تصادفی یک نانواسمبلر در محیط آزاد شود، تنها با راهنمای چگونگی تکثیر شدن ، تمام سطح سیاره یعنی گیاهان، حیوانات و سنگها و صخره‌ها در عرض مدتی کمتر از هفتاد و دوساعت (۷۲) به ماده‌ی لزج و چسبناک خاکستری رنگ  (gray goo) از  naniteها (nano unite) مبدل خواهد شد.  Drexler معتقد است مشکل gray goo تا حد زیادی خیالی است ولی امکان سناریوی غبار خاکستری را تصدیق می‌کند که باعث برگشت یا تکرار naniteها می‌گردد و زمین را در روکشی که مادون میکروسکوپی است، خفه می‌کند و در اینجا ما با یک خطر فن‌آوری که در تاریخ بی‌سابقه است ، مواجهیم. علیرغم این مسائل، کسانی که روی نانوتکنولوژی مولکولی کار می‌کنند، در حال مطالعه برای ساختن دستگاهی در مقیاس اتمی هستند و به نظر می‌رسد به زودی اطلاعات کافی برای ساخت نانوکامپیوتر و نانواسمبلر را به دست می‌آوریم .

این مسائل اجتناب‌ناپذیر و مطرح شده در نانوتکنولوژی باعث شد تا  Drexler، یک زیربنای علمی و آموزشی ایجاد کند و آن انستیو  Foresight است که به عنوان یک محل شناخته شده و یک مرکز تفکر در مورد نانوتکنولوژی عمل می‌کند. در طی ۱۴ سال برپایی Foresight  ، این انستیتو به صورت تحقیقات نانوتکنولوژی درآمده است. در اواسط اکتبر ۲۰۰۰، انستیتو Foresight ، کنفرانس سالانه‌ی خود را در هتلی در  Santa Clara برگزار کرد. در آنجا زمزمه‌ای جدید به گوش می‌رسید؛ پیشرفتهای اخیر در سازه‌های با مقیاس مولکولی که حاصل ابتکار در برخی ترکیبات اصلی و بنیانی که  Drexler در نانوسیستم توصیف کرده است، می‌باشد. همانند ترکیباتی که در ساختمان نانو کامپیوترها و نانواسمبلرها ضروری است. چیز دیگری که در کنفرانس به دست آمدن یک کپی ا ز داروی نانویی   Robert Freitas بود. طب نانویی بیش از پیش در تلاش برای جامه‌ی عمل پوشاندن به وعده‌های  Feynman (دارنده‌ی جایزه نوبل برای طرح فن‌آوری در مقیاس کوچک) در مورد ” دکتر بسیار کوچک” است و قدم به قدم موانع فن‌آوری را از سر راه برمی‌دارد. موانعی که برای رسیدن به وسایل نانوپزشکی باید بر آنها فائق آمد.

 هم‌اکنون کنگره‌ی آمریکا نسبت به سرمایه‌گذاری در هر نوع تحقیق و توسعه  (R & D) بدون سوددهی زودرس در پزشکی و ارتش مخالفت دارد ولی دولت آمریکا سرمایه‌گذاری برای تحقیقات نانوتکنولوژی را دوبرابر کرده است. قسمتی از این سرمایه برای اهداف مرکز تحقیقات ناسا در   Mountain View کالیفرنیا صرف خواهد شد؛ جایی که تیم کوچکی روی طرح نانوکامپیوترها کار می‌کنند. حال این سئوال در ذهن نقش می‌بندد که چرا ناسا توجه خود را معطوف به نانوتکنولوژی کرده است؟ در پاسخ می‌توان گفت که ” اندازه” ، مهمترین دلیل می‌باشد. کامپیوترهای رایج مثل آنجه که در   Mars Pathfinder پایه‌گذاری شده، هم بزرگند و هم به اندازه کافی قدرتمند نیستند و دیگر اینکه مستعد انجام خطا هستند. با استفاده از وسیله‌ی نانویی به اندازه یک حشره‌ که به اصطلاح حشره‌ی نانویی(     nanobat) خوانده می‌شود، ناسا می‌تواند ۱۰۰ میلیون چشم و گوش را در بسته‌ای به وزن چند گرم، به سطح مریخ بفرستد. حتی اگر نیمی از آن حشره‌های نانویی دچار اشکال شوند و یا کار نکنند، باز هم کسی چیزی از دست نمی‌دهد. چرا که هنوز ۵۰ میلیون دیگر باقی مانده است. برای ساختن یک عدد از این حشره‌های نانویی ، محققان باید مشکلات بر سر راه نانوکامپیوترها را حل کنند و این همان نکته‌ای است که گروه تحقیق ناسا بر روی آن متمرکز شده است.

بررسی‌های انجام شده حاکی از آن است که نانوتکنولوژی تمام جنبه‌های زندگی ما را تحت تاثیر قرار خواهد داد. یک سری اتفاقات جالب در علم پزشکی و دارویی مورد انتظار است. نانوتکنولوژی حتی بر روی هوایی که تنفس می‌کنیم و آبی که می‌نوشیم نیز موثر است. با مطالعه بر روی پیامدهای نانوتکنولوژی می‌توان دریافت که این نوع فن‌آوری ما را به سمت پیشرفت در راه رسیدن به سیستمهایی بهتر، سریعتر ، مستحکمتر، کوچکتر و ارزان‌تر سوق می‌دهد.

–

فهرست

نانوتکنولوژی چیست؟  ۱
پیشگامان نانوتکنولوژی  ۸
نانوتکنولوژی و همگرایی علمی  ۱۰
نانوتکنولوژی مرطوب:  ۱۲
الف) نانوتکنولوژی و فراپزشکی:  ۱۲
ب) نانوتکنولوژی و علم بیوتکنولوژی  ۱۷
مقدمه:  ۱۷
بلوکهای ساختمانی نانوتکنولوژی:  ۱۷
کالبدشناسی اجزاء زیستی:  ۱۹
لایه‌های سطحی باکتریایی به عنوان اجزاء هادی :  ۱۹
بیوسرامیکها:  ۱۹
آهنرباهای میله‌ای زیستی:  ۲۰
گردآورنده‌های یا شکل‌دهی  ( Assemblers or Templating):  ۲۰
نانوتکنولوژی و  DNA (DNA Nanotechnology)  ۲۱
ج) محیط زیست نانوتکنولوژی  ۲۵
ساخت نوین سبز:  ۲۶
انرژی دوستانه ( دوستدار انسان و محیط زیست)  ۲۸
اثر مثبت در کشاورزی  ۲۹
متخصص تشریح محلولها:  ۲۹
انهدام محلهای جمع‌آوری زباله‌های شیمیایی و هسته‌ای  ۳۰
نانوتکنولوژی خشک  ۳۲
الف) یک مثال: نانوتکنولوژی ، مادر شیمی تکاملی تجربی  ۳۲
نانوتکنولوژی محاسباتی  ۳۴
الف- الکترونیک و کامپیوتر  ۳۴
پیشرفتهای اخیر:  ۳۷
برخی از کاربردهای نانو:  ۳۸
ب) شبیه سازی  ۳۹
مدل‌سازی مولکولی:  ۳۹
مدل‌سازی یک مونتاژگر:  ۴۰
ماشینهای نانوتکنولوژی  ۴۳
سیستم عامل  Fractal و خشت‌های روباتی :  ۴۵
مدل هال:  ۴۶
نانوتکنولوژی، مولد محصولاتی با قابلیتهای جدید  ۴۹
مواد  ۵۴
مواد عالی و هوشمند  ۵۴
۱٫مواد عالی:  ۵۴
۲)مواد هوشمند:  ۵۴
کربن : واحد جدید اندازه‌گیری طول  ۵۵
نانوتیوب‌ها : Bucky tubes ،  cntها  ۵۶
Fullerene ها:  ۵۶
نانوفیبرهای کربنی:  ۵۷
نانو قطعات  ( cnp):  ۵۷
نانوساختارهای کربنی (خصوصیات و کاربردها)  ۵۷
معیارهای کنترل:  ۶۱
بازرگانی نانوساختارهای کربنی:  ۶۳
ترکیب، ویژگیها و کاربردهای نانوفیبرهای گرافیتی  ۶۴
نیازهای آینده:  ۷۴
مثالهایی از کاربردهای نانوتکنولوژی  ۷۴
قطعات نانویی پلیمرهای مسلح:  ۷۴
کاتالیزورهایی با ساختار نانویی:  ۷۶
فلزات بی‌شکل با ساختار اتمی کنترل شده:  ۷۷
توسعه و پیشرفت در نانوتکنولوژی  ۷۹
توسعه‌ی نانوتکنولوژی مولکولی چه مدت به طور می‌انجامد؟  ۸۰
اقتصاد نانوتکنولوژی  ۸۱
کارکردهای اجتماعی  ۸۴
تغییـرات کنـونـی :  ۸۴
نانوتکنولوژی و تغییر اجتماع:  ۸۶
نانوتکنولوژی و زندگی مردم:  ۸۸
آمادگی برای دگرگونی و انقلاب :  ۸۹
رسالت دولتها، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی و صنعتی در شکوفایی نانوتکنولوژی  ۹۰
مردم و شبکه‌ها:  ۹۴
تولیـد :  ۹۵
گروه اول:  ۹۵
گروه دوم :  ۹۶
روشهای گسترش:  ۹۶
توصیه به تمامی گروهها:  ۹۸
توصیه به صنعت:  ۹۸
توصیه به دولتها:  ۹۸
توصیه به گروههای آموزشی:  ۹۹
راهکارهای موسسه‌ی  Foresight در ریزفن‌آوری مولکولی  ۹۹
شرح راهکارها:  ۱۰۱
ضوابط طراحی و توسعه‌ی فرآورده‌های  MNT:  ۱۰۴
دعوت همگانی برای ورود به زمینه‌ی فیزیکی جدید  ۱۰۵
چرا ۲۹ جلد دایره‌المعارف بریتانیکا (  Britannica) را بر سر یک سوزن نمی‌توانیم بنویسیم؟  ۱۰۶
اطلاعاتی درباره‌ی مقیاس کوچک:  ۱۱۰
میکروسکوپهای الکترونی پیشرفته‌تر:  ۱۱۱
سیستم‌های حیاتی حیرت‌آور:  ۱۱۳
کامپیوتر مینیاتوری :  ۱۱۴
استفاده از تبخیر در جهت کوچک‌سازی مواد:  ۱۱۶