نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن

علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درك بهتر طبيعت در دهه‌هاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ي نده، همكاريهاي تحقيقاتي ميان‌رشته‌ا‌ي، آموزش خاص و انتقال ايده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تأثيرات و كاربردهاي نانوتكنولوژي به­شرح زير مي‌باشد:

1 – توليد ، مواد و محصولات صنعتي :

نانوتكنولوژي تغيير بنياني مسيري است كه در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوك‌هاي ساختماني نانو با اندازه و تركيب به دقّت كنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر، كه داراي خواص و كاركرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد مي‌كند. محقّقين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد كه در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبك‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزي ؛ كاهش هزينة عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فنّي ؛ ابزارهايي نوين بر پاية اصول و معماري جديد ؛ بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشه‌ا‌ي كه مزيّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

2- پزشكي و بدن انسان:

رفتار مولكولي در مقياس نانومتر، سيستمهاي زنده را اداره مي‌كند. يعني مقياسي كه شيمي، فيزيك، زيست‌شناسي و شبيه‌سازي كامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.

•  فراتر از سهل‌شدن استفادة بهينه از دارو، نانوتكنولوژي مي‌تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه كند، كه به‌نحو حيرت‌انگيزي توان درماني داروها را افزايش مي‌دهد.

•  مواد زيست‌سازگار با كارآيي بالا، از توانايي بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعّال، مي‌توان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات كوانتومي كه براي مرئي‌سازي بكار مي‌رود) درون سلولها وارد نمود.

•  افزايش توان محاسباتي بوسيلة نانوتكنولوژي، ترسيم وضعيت شبكه‌هاي ماكرومولكولي را در محيط‌هاي واقعي ممكن مي‌سازد. اينگونه شبيه‌سازي‌ها براي بهبود قطعات كاشته‌شدة زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهدبود.

3- دوام‌پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك:

نانوتكنولوژي چنان چ ه ذكر شد، منجر به تغييرات ي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگي را كاهش خواهدداد. همچنين فنّاوري‌هاي جديد، امكان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواه ن د كرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، مي‌تواند تأثير قابل ملاحظه‌ا‌ي ، در درك مولكولي فرآيندهاي مقياس نانو كه در طبيعت رخ مي‌دهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيست‌محيطي از طريق كنترل انتشار آلاينده‌ها ؛ در توسعة فنّاوري‌هاي "سبز" جديد كه محصولات جانبي ناخواستة كمتري دارند و ي ا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژي توان حذف آلودگي‌هاي كوچك از منابع آبي (كمتر از 200 نانومتر) و هوا (زير 20 نانومتر) و اندازه‌گيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد.

در زمينه انرژي ، نانوتكنولوژي مي‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ي كارآيي، ذخيره‌سازي و توليد انرژي را تحت تأثير قرار د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شركتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند كه مي‌تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيلها شود. استفاده گسترد ه ازاين نانوكامپوزيت‌ها مي‌تواند ساليانه 5/1 ميليارد ليتر صرفه‌جويي مصرف بنزين به ‌همراه داشته‌باشد .

يا انتظار مي‌رود تغييرات عمده‌ا‌ي در فنّاوري روشنايي در 10 سال آينده رخ دهد. مي‌توان نيمه‌هادي‌هاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در ا مريكا ، تقريبا" 20% كل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپهاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) مي‌شود. مطابق پيش‌بيني‌ها در 10 تا 15 سال آينده ، پيشرفتهايي از اين دست مي‌تواند مصرف جهاني را بيش از 10% كاهش دهد كه 100 ميليارد دلار در سال صرفه‌جويي و 200 ميليون تن كاهش انتشار كربن را به‌همراه خواهدداشت .

4 - هوا ­ و ­ فضا :

محدوديت‌هاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي مأموريتهاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتناب‌ناپذير مي‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشكل را بوجود آورده‌است.

"نانوساختن" ( Nanofabrication ) همچنين در طرّاحي و ساخت مواد سبك‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز براي هواپيماها، راكت‌ها، ايستگاههاي فضايي و سكّوهاي اكتشافي سيّاره‌ا‌ي يا خورشيدي، تعيين‌كننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستمهاي كوچك‌شدة تمام خودكار، منجر به پيشرفتهاي شگرفي در فنّاوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مسأله با توجه به اينكه محيط فضا، نيروي جاذبة كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعة نانوساختارها و سيستمهاي نانو – كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست- در فضا خواهدشد.

5- امنيت ملّي:

برخي كاربردهاي دفاعي نانوتكنولوژي عبارتند از: تسلط اطّلاعاتي از طريق نانوالكترونيك پيشرفته بعنوان يك قابليت مهم نظامي ، امكان آموزش مؤثّرتر نيرو، به كمك سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيده‌تر حاصله از الكترونيك نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و رباتيك پيشرفته براي جبران كاهش نيروي انساني نظامي، كاهش خطر براي سربازان و بهبود كارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به كارآيي بالاتر (وزن كمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌هاي نظامي و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فنّي كمتر و ه ز ينة كمتر در عمر كاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هسته‌ا‌ي ، بهبود طرّاحي در سيستمهاي مورد استفاده در كنترل و مديريت عدم تكثير سلاحهاي هسته‌ا‌ي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميكرومكانيكي جهت كنترل سيستمهاي دفاع هسته‌ا‌ي . در بسياري موارد، فرصتهاي اقتصادي و نظامي مكمّل هم هستند. كاربردهاي درازمدت نانوتكنولوژي در زمينه‌هاي ديگر، پشتيباني كننده امنيت ملّي است و بالعكس.

6- كاربرد نانوتكنولوژي در صنعت الكترونيك

ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده كوچك، با استفاده از اين فناوري مي‌توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد 1000 برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به كوچكي يك ساعت مچي منتهي شود.

ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يك ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود كه ذخيره‌ سازي 50 عدد DVD يا بيشتر در يك هارد ديسك با ابعاد يك كارت اعتباري شود.

ساخت تراشه‌ها در اندازه­هاي فوق­العاده كوچك به عنوان مثال در اندازه­هاي 32 تا 90 نانو متر، توليد ديسك‌هاي نوري 100 گيگا بايتي در اندازه­هاي كوچك نيز مي­باشد.

تاريخچه فناوري نانو در جهان

چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص كوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال 1959 با عنوان " آن پايين فضاي بسياري هست "( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : "اصول فيزيك، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امكان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي­زنند." او فرض را بر اين قرار داد كه اگر دانشمندان فرا گرفته­اند كه چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه­ها را با مقياسهاي كوچك بسازند، پس ما خواهيم توانست كه آنها را كوچك و كوچك­تر كنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي­شان در لبه­هاي نامعلوم كوانتوم نزديك خواهند بود به­طوري كه يك اتم را در مقابل ديگري به­گونه­اي قرار دهيم كه بتوانيم كوچكترين محصول مصنوعي و ساختگي ممكن را ايجاد كنيم.

با استفاده از اين فرمهاي بسيار كوچك چه وسايلي مي­توانيم ايجاد كنيم؟

Feynman در ذهن خود يك "دكتر مولكولي" تصور كرد كه صدها بار از يك سلول منحصربه فرد كوچكتر است و مي­تواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام كاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و به­طور كلي براي نگهداري بدن در سلامت كامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي كلمه "بزرگ" از اهميت ويژه­اي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه­هاي مهندسي بزرگ و غيره حتي كامپيوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال مي­كردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان روندي به­سوي كوچك شدن در پيش گرفت.

Marvin Minsky تفكرات بسيار باروري داشت كه مي­توانست به انديشه­هاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوش­هاي مصنوعي دهه 70-1960 جهان را در تفكراتي كه مربوط به آينده مي­شد، رهبري مي­كرد. در اواسط دهه 70 ، Eric Drexler كه يك دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را به­عنوان استاد راهنما جهت تكميل پايان­نامه­اش انتخاب كرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت. Drexler سبت به وسايل بسيار كوچك Feynman علاقه­مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناييهاي آنها به كاوش بپردازد. Minskey نيز با وي موافقت كرد. Drexler در اوايل دهه 80، درجه استادي خود را در رشته علوم كامپيوتر دريافت كرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود. او افكار جوانترها را با يك سري ايده­ها كه خودش "نانوتكنولوژي" نامگذاري كرده، مشغول مي­داشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتكنولوژي مولكولي (MNT) در سال 1981 ارايه داد. او كتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال 1986 به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دكتري در نانوتكنولوژي را در سال 1991 از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يك پيشرو در طرح نانوتكنولوژي است و هم­اكنون رئيس استيتو Foresight و Research Fellow مي­باشد.

تعيين بودجه­هاي كلان در كشورهاي صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتكنولوژي

بسياري از كشورهاي توسعه‌يافته و در حال توسعه (در حدود 30 كشور)، برنامه‌هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. زيرا نانوتكنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي كشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تأثير جدي قرار خواهد داد و اين مس أ له در اين كشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبيين‌شده و براي مديران اجرايي به صورت يك امر شفاف و قطعي درآمده است. در بخشي از اين كشورها، در يكي دو سال اخير تحركات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته و فعاليتهايي كه تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام مي‌گرفته است، با تشويق و حمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافته‌اند كه در اين قسمت نمودار ستوني ميزان سرمايه گذاري دولتها آورده شده است:

اهميت مطرح شدن طرح

همانگونه كه اشاره شد بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامه‌هايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مي‌نمايند. اما يك سوال مهم براي كشور ما و بسياري از كشورها كه هنوز به نانوتكنولوژي به عنوان تمدن آينده علمي توجه كافي نكرده‌اند، اين است كه آيا بايد با اين روند همراه شد يا نه؟ توجه به فضاي بسيار بزرگ و در حال ايجاد نانوتكنولوژي و حجم وسيع فعاليتهاي مربوط به آن در دنيا، اين باور را به انسان القاء مي‌كند كه دير يا زود بايد آينده را ديد و براي ورود به آن اقدام نمود.

١1) ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژي اجتناب‌ناپذير است.

بسياري از صاحب‌نظران و محققان، نانوتكنولوژي را مساوي آينده دانسته‌اند. به عنوان نمونه كميته مشاوران رئيس‌جمهور آمريكا در علوم و فناوري در تأييد برنامه ملي نانوتكنولوژي براي سال 2001، از نانوتكنولوژي به عنوان محور آينده جهان ياد مي‌كند. به دليل تأثيرات اين فناوري بر اكثر فناوريهاي موجود، عقيده صاحب‌نظران اين است كه متخصصان رشته‌هاي مختلف بدون گرايش به مباحث مقياس نانو در دهه‌هاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شكوفايي بسياري از فناوريهاي مهم ازجمله فناوري اطلاعات و بيوتكنولوژي به عنوان دو دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم بدون بهره‌گيري از نانوتكنولوژي دچار اختلال خواهند شد. از اين جهت اين مسئله براي دانشگاهيان، محققان و مسؤولان هر كشور امري حياتي است.

2٢) دلايل اساسي ضرورت ورود كشور به عرصة نانوتكنولوژي

علاوه بر موضوع فوق، مي‌توان دلايل زير را براي اجتناب‌ناپذيري ورود كشورهايي چون ايران اقامه نمود:

١2-٢1) تاثير اساسي نانوتكنولوژي در رشد و پيشرفت بسياري از فناوريها

ماهيت فرارشته‌اي علوم و فناوري نانو به عنوان توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با دقت اتم و مولكول، موجب تعريف كاربردهاي بسياري زيادي در عرصه‌هاي مختلف علمي و صنعتي شده است. براي نانوتكنولوژي كاربردهاي بسياري را در حوزه‌هاي دارو و غذا و بهداشت، درمان بيماريها، محيط‌زيست، انرژي، الكترونيك، كامپيوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و توليد، هوافضا، بيوتكنولوژي و كشاورزي و امنيت ملي و دفاع برشمرده‌اند. به همين دليل بر تمام فناوريها تأثير گذاشته و دير يا زود بايد شاهد محصولات آنها بود. به عنوان نمونه در بخش پزشكي و بهداشت، يك زمينه كاري بسيار مهم، سيستم توزيع دارو در داخل بدن مي‌باشد. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمي است در حالي كه سلولهاي خاصي از بدن نيازمند آن مي‌باشند. در روش جديد دارو با وسايل ترزيق متفاوت با امروزه به صورت مستقيم به سمت سلولهاي مشخص جهت‌گيري شده و دارو به محل نياز تحويل داده مي‌شود. با همين مكانيزم، بيماريهاي بزرگ و كوچك در آغاز شكل‌گيري قابل تشخيص و درمان خواهند بود. يا در بخش مواد، پروژه‌هايي در دست كار مي‌باشد كه موادي با وزن بسيار كم و خواص بسيار مناسب توليد شوند. كاربرد اين مواد در ساختمان، خودرو، هواپيما و بسياري از ملزومات زندگي انسانها ديده خواهد شد. بنابراين عرصه بسيار وسيع نانوتكنولوژي كه زندگي انسانها را نيز در برخواهد گرفت، خود القاءكننده اين نتيجه خواهد بود كه نمي‌توان به روي آن چشم بست.

٢2-٢2) تأثير نانوتكنولوژي بر امنيت جهاني

از نظر دفاعي، نانوتكنولوژي براي كشورها، هم فرصت است هم تهديد. به لحاظ كاربردهاي بسيار زيادي كه اين فناوري مي‌تواند در امور نظامي داشته باشد، گرايش زيادي در بخش دفاعي كشورها به تحقيق و توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته است. اين كاربردها از لباسهاي مانع خطر تا پرنده‌هاي بسيار كوچك، تجهيزات اطلاعاتي و بسياري موارد ديگر است كه هم‌اكنون با حمايت وزارتخانه‌هاي دفاع كشورهايي چون آمريكا، ژاپن و برخي كشورهاي اروپايي به صورت پروژه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام هستند. از اين جهت اين فناوري براي كشورها يك تهديد محسوب مي‌شود. اما براي كشورهايي كه بتوانند با استفاده از روند موجود، جايگاهي را در آينده امنيت جهاني براي خود در نظر بگيرند، يك فرصت خواهد بود. با توجه به اينكه اين كاربردها بسيار متنوع هستند، هر كشوري مي‌تواند زمينه‌اي را براي پيشگامي در جهان سهم خود نمايد و در آينده رقابتهاي بين‌المللي نقشي داشته باشد.

2٣-٢3) شكل‌گيري بازارهاي بسيار بزرگ

شواهد موجود نشان مي‌دهد كه درصد بالايي از بازارهاي محصولات مختلف متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود و به همين دليل دولتها و شركتهاي بزرگ و كوچك به دنبال كسب جايگاهي براي خود در اين بازارها هستند. ميهيل روكو، رئيس كميته علوم و فناوري نانو در رياست‌جمهوري آمريكا طي مقاله‌اي در ماه مي سال 2001، پتانسيل نانوتكنولوژي براي تغيير چشمگير در اقتصاد جهاني را يادآوري نموده است. بر مبناي پيش‌بيني وي و بخش ديگري از صاحب‌نظران در ده الي 15 سال آينده نانوتكنولوژي بازار نيمه‌هادي را به طور كامل تحت تأثير قرار خواهد داد. خبرهايي نيز كه اخيراً از شركتهاي اصلي سازنده پردازنده‌هاي كامپيوتر در آمريكا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌هاي حاوي يك ميليارد نانوترانزيستور تا قبل از 10 سال آينده حكايت دارد. به عنوان مثال شركت اينتل اعلام نموده است كه در سال 2007 پردازنده‌هاي متكي بر نانوترانزيستور را با قدرت و سرعت بسيار بيشتر و مصرف كمتر نسبت به آخرين دستاوردهاي امروزي نيمه‌هادي‌ها وارد بازار خواهد كرد.

در بخش دارو نيز پيش‌بيني شده است تا 10 الي 15 سال آينده نيمي از اين صنعت متكي بر نانوتكنولوژي خواهد بود كه خود نياز به وسايل تزريق جديد و آموزشهاي پزشكي روزآمد خواهد داشت يا در مورد موادشيميايي، فقط ذكر بازار 100 ميليارد دلاري كاتاليستها كه تا 10 سال آينده به طور كامل متكي بر كاتاليستهاي نانوساختاري خواهد بود براي نشان دادن اهميت بحث كافي است. از هم‌اكنون بازار بزرگي براي بكارگيري مواد جديد در محصولات فعلي در حال شكل‌گيري است. موادي كه مي‌توانند خواص جديد و فوق‌العاده‌اي به محصولات موجود بخشيده و موجب كاهش قيمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌هاي كربني ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسيار كمتر و استحكام بسيار بيشتر نسبت به موادي چون فولاد، بخش زيادي از صنايع را در آينده تحت تاثير قرار خواهد داد.

در كنار اين پيش‌بيني‌ها، اين سؤال بايد مطرح شود كه جايگاه كشورهايي كه به نانوتكنولوژي دسترسي ندارند، در بازارهاي آينده و اقتصاد جهاني چه خواهد بود. با توجه به اينكه سهم هر كشور يا بنگاه در زمان شكل‌گيري يك بازار تثبيت مي‌شود، زمان سرمايه‌گذاري براي رسيدن به جايگاه مناسب، همين امروز است.

ماخذ:

•  سايت كميته مطالعات سياست نانوتكنولوژي. www.irannano.org

•  نانوتكنولوژي، آيئنه تكنولوژي آفرينش، انجمن علمي دانشجويي دانشكده فني دانشگاه تهران.

•  سياستگذاري علم و تكنولوژي (مطالعه موردي نانوتكنولوژي در ايران)، دكتر قاضي نوري.

•  مجموعه مقالات 0 اولين همايش نانوتكنولوژي، كميته مطالعات سياست نانوتكنولوژي.

•  پيام دكتر عارف به اولين همايش نانوتكنولوژي، اسفند 1380.

برگرفته از :

http://www.autnano.org