آشنایی با نانوتکنولوژی

1ـ مقدمه:

نانوتکنولوژی یعنی تولید و کاربرد اجسام یا وسایل با مقیاس فوق العاده ریز و کوچک, اینگونه اجسام یا وسایل

 در حد 1 تا 100 نانومتر می باشند یک نانومتر معادل یک میلیونیم متر است که حدود 50000 برابر کوچکتر از قطرموی انسان می باشد. دانشمندان برای مقیاس نانو به حدود 1 تا 100 نانومتر استناد می‌کنند و اجسام و مواردی که در این مقیاس هستند بنام نانوکریستال یا اجسام نانو (nanomaterials) نامیده می شوند. مقیاس نانو بی مانند  و کم نظیر است زیرا هیچ شیئی کوچکتر از آن نمی توان ساخت ....

و از طرفی به این علت بی نظیر است که بسیاری از مکانیزم های بیوتکنولوژی و فیزیکی در مقیاس های طولی 1/0 تا 100 نانومتر کار می کنند. در این ابعاد اجسام خواص فیزیکی مختلفی نشان می دهند و بدین ترتیب دانشمندان امیدوارند که بسیاری تاثیرات نوین در مقیاس نانو برای پیشرفت تکنولوژیهای مختلف کشف و مورد استفاده واقع گردند. برخی پیشرفت های مهم قبلاً در نانوتکنولوژی رخ داده است. این پیشرفت ها در محصولاتی که در سراسر  دنیا تولید می شوند می توان یافت. بعضی از نمونه ها عبارتند از مبدل‌های کاتالیتیکی (Catalitic) در اتومبیل ها  که به حذف مواد آلوده کننده هوا کمک می نمایند. کرم‌های ضدآفتاب و مواد آرایشی که تشعشع مضر ناشی از آفتاب را می گیرند بدون اینکه شفافیت و نور از بین برود و یا روکش ها و پوشش های ویژه جهت پوشاک ورزشی و یا لباسهائی که کارکرد و عمل ورزشکار را بالا میبرد. هنوز بسیاری از دانشمندان, مهندسین و تکنولوژیست‌ها معتقدند که آنها فقط سطح پتانسیل نانوتکنولوژی را خراشی داده اند. نانوتکنولوژی طفولیت خود را میگذاراند و هیچکس با دقت نمی تواند پیش بینی کند که نتیجه شکفتن کامل این تکنولوژی در چند دهه آینده چه خواهد بود. معهذا بسیاری از دانشمندان با اطمینان اعتقاد دارند که نانوتکنولوژی اثرات عمده ای بر روی مراقبت های بهداشتی و پزشکی و کامپیوتر و سنسورها و امنیت و دفاع جهانی خواهد داشت.

2ـ نانوتکنولوژی چیست؟

 برای درک و فهمیدن مقیاس نانو, قطر یک اتم که جزء اصلی سازنده ماده می باشد, در نظر بگیرید. اتم هیدروژن , یکی از کوچکترین اتمهای موجود در طبیعت فقط 1/0 نانو قطر دارد. در واقع کلیه اتمها تقریباً از نانو می باشند و بحدی ریزند که چشم انسان قادر به دیدن آنها نیست. اتم ها بهم متصل شده و ملکولها را تشکیل میدهند که کوچکترین جزء تشکیل دهنده یک ترکیب یا ماده شیمیایی میباشند. ملکولها به نوبه خود, سلولها را بوجود  می آورند که واحدهای اصلی زندگی بشمار می روند. ملکولهائی که شامل 30 اتم می باشند قطرشان حدود 1 نانومتر است. اندازه سلولهای انسان از 5000 تا 200000 نانو میباشد یعنی بزرگتر از مقیاس نانو هستند معهذا مواد پروتئینی   که عملیات درونی سلول ها را انجام می دهند فقط 3 تا 20 نانو میباشند و در مقیاس ویروسهائی که سلولهای انسان را مورد حمله قرار می‌دهند. حدود 10 تا 200 نانو و ملکولهای سازنده داروها جهت مقابله با ویروسها کمتر از 5 نانو بزرگی دارند. امکان ساخت مواد و وسایل جدیدی که در همین مقیاس کارهای اصلی طبیعت عمل نمایند دلیل  آنست که چرا توجه بسیاری به جهان کوچکتر از 100 نانو معطوف شده است. اما 100 نانو یک خط تقسیم اختیاری نیست این مقدار طولی است که در آن خواص ویژه ای در مواد و اجسام مشاهده گردیده است یعنی خواصی که  عمیقاً با خواص موجود در مقیاس نانو تفاوت بسیار دارند. انسان عملاً مدتها درباره این خواص ویژه اطلاعاتی داشته است ولی نمی فهمید که چرا این خواص پیدا شده و یا رخ می دهند. شیشه گران در قرون وسطی برای مثال  می‌دانستند که اگر طلا را به ذرات بسیار ریز خرد کننده و این ذرات خیلی ریز را داخل شیشه می پاشند  رنگ طلا از زرد اصلی یا به آبی یا سبز یا قرمز تبدیل شود که بستگی به اندازه ذرات طلا دارد. شیشه گران از این ذرات برای ساختن و تولید شیشه های رنگی زیبا جهت پنجره ها استفاده می کردند که در کلیساهای سراسر اروپا یافت می شوند, مثلاً کلیسای نوتردام دوپاری در فرانسه. این شیشه گران در آن زمان نمی‌دانستند که طلا را در مقیاس نانو   خرد کرده اند یا نانوکریستال طلا تهیه نموده اند. در مقیاس های بزرگتر از 100 نانو رنگ طلا زرد است ولی در اندازه های کوچکتر از 100 نانو رنگهای دیگری خواهد داشت. نانوتکنولوژیست ها فریفته و وسوسه امکان تولید وسایل ساخت انسان در اندازه مولکولی در مقیاس نانو شده اند و به همین علت است که این رشته را گاهی اوقات نانوتکنولوژی ملکولی می نامند. بعضی از نانوتکنولوژیست ها قصد دارند اجسام و وسایل (خودتکثیر) بسازند  یعنی  به طور همزمان کار خود را انجام داده و تعدادشان را تکثیر نمایند درست مانند عملی که موجودات زنده انجام می دهند. برای برخی از طرفداران اولیه این رشته, این موضوع از نانوتکنولوژی بیشترین اهمیت را دارد. اگر واحدهای فعال و کاری بسیار ریز را بتوان در اندازه یک مولکول بهم سوار و مونتاژ نمود بطوریکه تحت شرایط کنترل شده  خود تکثیر باشند کارآئی های عظیمی واقعیت خواهد یافت معهذا بسیاری از دانشمندان در رابطه با امکان ساخت اجسام نانو که خودتکثیر باشند شک دارند.

3ـ روش های رسیدن به نانوتکنولوژی :

 دانشمندان هم اکنون در حال مطالعه و تجربه در رابطه با روش ساخت و تولید وسایل و مواد با مقیاس 1 تا 100    نانو می باشند. این روشها را بالا به پایین و پایین به بالا می نامند.

الف ـ روش بالا به پایین Top - Down ـ در فرایند بالا ـ پایین نانوتکنولوژیست ها از یک ماده یا جسم مجسم شروع کرده و از آن اجسام کوچکتر بریده و در می آورند. این روشها عموماً امروزه جهت ساخت و تولید قطعات کامپیوتر و قطعات حافظه و سایر اجزائی که مدارها را بهم پیوسته و کامپیوتر با آنها کار می کند, مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای تولید قطعات کامپیوتر, فیلم های نازکی از مواد که ماسک نامیده میشوند روی   ورقه های سیلیکون رسوب داده می شود (اندود می شود) و قسمتهای غیر مورد نیاز بیرون آورده می شود. تقریباً کلیه قطعات تجارتی کامپیوتری که امروزه ساخته میشوند بزرگتر از 100 نانومتر میباشند معهذا تکنولوژی جهت ساخت و تولید قطعات کامپیوتری کوچکتر و سریع تر تا کنون به زیر 100 نانومتر رسیده است. قطعات کوچکتر و سریعتر کامپیوتری موجب می شوند که کامپیوترها کوچکتر شده و عملیات را خیلی سریعتر انجام دهند. روش بالا پایین که گاهی اوقات mictofabrication (ساخت و تولید قطعات خیلی ریز) و یا nanofabrication (ساخت و تولید نانو) نامیده می شوند از روش ها پیشرفته حکاکی و یا چاپ بر روی سنگ برای ساخت و تولید قطعات  کامپیوتر به اندازه های فعلی یا کوچکتر از آنها, استفاده می نماید این شامل لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی E - Beam (تشعشع الکترونی) می باشند. لیتوگرافی نوری امروزه برای تولید اجسامی کوچکتر از 100 نانومتر بکار     می رود. تلاش میشود که با این روش قطعات حتی کوچکتر را نیز تولید نمایند. لیتوگرافی E - Beam (تشعشع الکترونی) میتواند قطعات کوچکتر از 20 نانومتر را تولید کند معهذا لیتوگرافی E - Beam برای تولید با مقیاس  زیاد مناسب نیست زیرا خیلی گران تمام می شود. تولید تجهیزات ساخت قطعات کامپیوتری با استفاده از لیتوگرافی نوری چندین میلیون دلار هزینه داشته است. بالاخره روش بالا پایین برای تولید قطعات بسیار ریز نه تنها به نظر   خیلی گران می رسد بلکه از نظر فنی نیز غیرممکن می باشد. نصب و مونتاژ قطعات کامپیوتری و سایر اجسام دیگر که با مقیاس نانومتر ساخته شده اند بدلیل اساسی غیرقابل کار می باشند برای کوچک کردن یک جسم که با طراحی   ویژه ای در نظر گرفته شده ابزار و وسایلی که باید برای کار با آنها و تولید آن جسم بکار برده شوند باید ابعاد و یا دقتی کوچکتر از قطعه ای که باید تولید شود, داشته باشند. بنابراین ابزار ماشینی باید لبه برنده کوچکتر و ظریفتر از ریزترین جزئی باشد که باید کوچک شود بهمین ترتیب ماسک لیتوگرافی یا حکاکی که باید برای قلم زدن یا حکاکی و کندن نقاطی از صفحه سیلیکونی بکار گرفته شود باید دارای دقتی ظریفتر از ماده ای باشد که باید بریده و درآورده شود. در مقیاس نانو که در آن ماده ای که باید برداشته شود و یا درآورده شود میتواند به اندازه یک اتم یا یک ملکول تنها, باشد و امکان چنی شرایطی وجود ندارد

ب ـ روش پایین ـ بالا : در نتیجه, دانشمندان برای ساخت و تولید قطعات و اجسام با مقیاس نانو علاقه‌مند به روش کاملاً متفاوتی شده اند که به روش پایین ـ بالا مشهور است. روش پایین ـ بالا شامل بکار بردن اتمها و ملکولها جهت ساخت قطعات بسیار ریز یا نانومتری است. در روش پایین ـ بالا از مسئله اجبار جهت ساخت با اندازه مقیاس نانو و یا کوچکتر از آن خودداری می شود و در عوض اجسام ریز نانومتری اتم به اتم و ملکول به ملکول رویهم سوار شده و از سطح اتم بطرف بالا پیش میرود درست همان وضعی که در طبیعت اتفاق می افتد معهذا ساخت قطعات در این مقیاس نیز مشکلات وسایل خود را دارد. در مدرسه, بچه ها بعضی چیزها درباره این مسائل یاد می گیرند, وقتی که حرکت اتفاقی Brownian در ذرات معلق در مایعات مثلاً آب, مطالعه می کنند. ذرات خودشان حرکت نمی کنند و ملکولهای آب که اطراف ذرات را فرا گرفته اند بطور مداوم در حال حرکت می باشند و این حرکت موجب برخورد ملکولها به ذرات بطور اتفاقی می شوند. اتم ها نیز چنین حرکت تصادفی و اتفاقی را از خود نشان میدهند که ناشی از انرژی سینتیک (انرژی حرکتی) آنها می باشند. درجه حرارت و نیروئی که اتمها را بهم متصل نموده است بنوبه خود در میزان و درجه حرکت این اتمها نقش دارند. حتی در جامدات و در درجه حرارت اطاق, مثلاً صندلی که ممکن است روی آن نشسته باشید اتمها در اطراف در حال حرکت می باشند که این پدیده را انتشار و پخش می نامند. این توانایی اتمها جهت حرکت به اطراف وقتی اجسام از جامد به مایع و سپس به گاز تبدیل می شود افزایش مییابد. اگر قرار باشد مهندسین و دانشمندان اجسام را در مقیاس اتمی با موفقیت ساخت و تولید نمایند باید وسایل و روشهایی جهت غالب آمدن بر این رفتار اتمها را در اختیار داشته باشند.
یک نمونه واضح از این نوع مشکلات در سال 1990 پیش آمد که متخصصین شرکت IBM نوعی میکروسکوپ (Scanning prabe) برای بهم سوار کردن اتمهای گزنون بکار بردند تا حروف IBM را روی سطح نیکلی درآورند. برای جلوگیری از حرکت اتمها از جاهای تعیین شده, سطح نیکل را تا درجه حرارت نزدیک به صفر سرد کرده و به پایین ترین درجه حرارت ممکنه رساندند و حرارت را بطور کامل از بین بردند (صفر مطلق تقریباً 16/273ـ درجه سانتیگراد یا 69/459ـ درجه فارنهایت می باشد.) در این درجه حرارت پایین, اتمها دارای انرژی جنبشی یا سینتیک خیلی کمی شده و بصورت منجمد در می آیند. معهذا حصول به این درجه حرارت, برای ساخت و تولید وسایل تجارتی غیرعملی و غیراقتصادی می باشد ولی با وجود این, توانایی دانشمندان در جهت کاربرد اتمها یکی از نخستین علائم و نشانه های عملی بودن روش پایین ـ بالا بشمار می رفت و همچنین نشان داد که پیدایش نانوتکنولوژی یک علم تجربی می باشد.