کاربرد فناوری نانو در مهندسی عمران

واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد. او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو»بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

خلاصه

در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“ با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني مي‌‌شود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است. به کارگيري فناوري نانو در ساخت زيربناهاي مربوط به حمل ونقل، تقريباً معادل با تلاش بشر براي فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.

تاريخچه

در سال 1870 يک شيميدان بلژيکي با نام دسمت(Desmedt) اولين سنگفرش آسفالت واقعي را، که مخلوطي از ماسه بود، در برابر تالار شهر در نيويورک ايجاد نمود. طراحي دسمدت در بزرگراهي در فرانسه در سال 1852 مورد الگوبرداري قرار گرفت. سپس دسمدت خيابان پنسيلوانيا در واشينگتن را آسفالت کرد که سطح اين پرژه 45149 متر مربع بود.يکي از نمايندگان محلي کنگره به دسمدت گفت: ”اين کار هرگز عموميت نخواهد يافت.“

با اين حال، بر اساس تقاضاي رو به‌رشد بازار، پيش‌بيني مي‌‌شود پس از 137 سال (در سال 2007) بازار آسفالت- قير معدني به 107 ميليون تن برسد. در اين ميان آسفالت معلق بيشترين رشد را دارد. همچنين به عنوان نشانه‌اي از رشد اين محصولات در آينده، چندي است كه کار بر روي آسفالتي که در موقع خرابي خودش را تعمير کند، آغاز شده است.

به کارگيري فناوري نانو در ساخت زيربناهاي مربوط به حمل ونقل، تقريباً معادل با تلاش بشر براي فرستادن انسان به ماه در سال 1960 است.در سال 2005 ايده ساخت آسفالتي براي بزرگراه‌ها که بتوانند خودشان را تعمير کنند براي بسياري دور از ذهن به نظر مي‌رسيد. بنابراين صنعت آسفالت-قير به يک تحول نياز دارد تا مردم بتوانند امکانات فناوري نانو را ديده و مزاياي آن را درک نمايند.

دکتر ليوينگستون، فيزيکدان برنامه تحقيقات زيربنايي پيشرفته در اداره کل بزرگراه‌هاي فدرال (FHWA)، مي‌گويد: ”آسفالت و سيمان هر دو جزء نانومواد مي‌باشند. تاکنون ما نتوانسته‌ايم بفهميم که در اين سطح چه اتفاقي مي‌افتد، اما اين اثرات بر عملکرد مواد تاثير مي‌گذارند.“

بنا بر گفته ليوينگستون، يک ماده پليمري ساختاري که مي‌تواند به طور خود به خودي ترک‌ها را اصلاح نمايد، قبلاً توليد شده است. اين پيشرفت قابل ملاحظه با استفاده از يک عامل اصلاح کننده کپسوله شده و يک آغازکننده شيميايي کاتاليستي درون يک بستر اپوکسي ايجاد شده است.

يک ترک در حال ايجاد موجب گسستن ميکروکپسول‌هاي موجود شده، در نتيجه عامل اصلاح‌کننده با استفاده از خاصيت مويينگي درون ترک رها مي‌شود. با تماس عامل اصلاح‌کننده با کاتاليزور موجود، اين عامل شروع به پليمريزه شدن نموده، دو طرف ترک را به هم مي‌چسباند.

اين روش مي‌تواند منجر به توليد آسفالتي شود که ترک‌هاي خود را اصلاح مي‌کند. ليوينگستون مي‌گويد: ”هيچ‌کس نمي‌تواند براي رشد اين فناوري زماني را پيش‌بيني کند، اما پيشرفت واقعي در حال انجام است و قابليت‌هاي موجود بسيار هيجان‌آور مي‌باشند.“

با اين حال، براي استفاده‌کنندگان فعلي آسفالت، تصور نبود دست‌انداز، يا نبود تأخير به خاطر تعميرات آسفالت، بسيار دور از دسترس بوده و نگراني‌هاي جدي آنها را برطرف نمي‌سازد.

محيط زيست عامل اصلي تأثيرگذار در فرايند تصميم‌گيري براي پروژه‌هاي بزرگراه در بسياري از کشورها است. مزاياي يک آسفالت متفاوت براي جاده‌ها از ديدگاه زيست‌محيطي و مصرف انرژي، تنها يک بخش مهم از فرآيند تصميم‌گيري است. ديدگاه‌هاي زيست‌محيطي موجب تسريع پيشرفت‌هاي فني و اجتماعي مي‌شوند. نيازهاي چندگانه حفاظت از محيط زيست شامل: محدود نمودن انتشار گازهاي گلخانه‌اي، مصرف کمتر انرژي، کاهش سر و صداي ترافيک و اطمينان از سلامتي و راحتي در رانندگي، اهدافي هستند که به دليل ايجاد مسئوليت مشترک، مهم‌تر از تمام پيشرفت‌هاي علمي مي‌باشند.

يکي از اين اهداف بستن چرخه مواد يا استفاده صد در صدي از مواد قابل بازيافت در ساخت جاده است. صنعت در اين زمينه تجربه زيادي در مورد استفاده از محصولات فرعي در آسفالت به دست آورده است.

مثال‌هايي از مواد زايدي که در مخلوط آسفالت مورد استفاده قرار گرفته‌اند، عبارتند از: تفاله کوره شيشه‌دمي، خاکستر حاصل از سوزاندن زباله‌هاي شهري، خاکستر موجود در مراکز توليد برق به وسيله زغال، آجر‌هاي خرد شده، پلاستيک حاصل از سيم‌هاي برق قديمي و لاستيک حاصل از تايرهاي کهنه.

با اين حال، استفاده موفقيت‌آميز از اين محصولات وابسته به تحقيقات کامل در زمينه منابع و ويژگي‌هاي آنها بوده و معمولاً در سطح پاييني قابل انجام است. در اين حالت امکان بررسي پيوسته عملکرد آسفالت نيز وجود دارد که خود موضوعي مورد بحث است.

با اين حال، مطابق گفته‌هاي مارك بلشه، مدير آسفالت لاستيک در پروژه آسفالت‌سازي آرام آريزونا، حمايت عمومي - نه تحقيقات علمي- کليد توسعه صنعت توليد آسفالت با استفاده از محصولات فرعي است.

پرژه آريزونا ارزشي معادل 34 ميليون دلار داشته و در همين سال به پايان خواهد رسيد. اين پروژه تقريباً 70 درصد (185 کيلومتر)آزادراه ناحيه فونيكس را دربرگرفته و آسفالت آن قادر خواهد بود تا مدت طولاني صداي ناشي از اصطکاک را در جاده کاهش دهد.

آسفالتِ داراي لاستيک تنها درصد بسيار کم و تقريباً بي‌اهميتي از درآمد صنعت ساختماني را به خود اختصاص مي‌دهد، اما بلشه مي‌گويد که با افزايش رغبت عمومي اين درصد افزايش خواهد يافت.

به عنوان مثال در ژاپن، گروه تحقيقات آسفالت لاستيک (JARRG)، که شامل مجموعه‌اي از توليد‌کنندگان تاير و شرکت‌هاي آسفالت‌سازي مي‌باشد، يک اتصال‌دهنده آسفالت بسيار ويسکوز را توسعه داده‌اند که از انبساط و پخش تايرهاي کهنه‌اي که به صورت بسيار ريز ساييده شده‌اند، توليد مي‌شود. اين اتصال دهنده در مخلوط آسفالت پخش شده و سپس پخته مي‌شود.اين ماده مي‌تواند به عنوان يک ماده الاستيک مابين مواد متراکم ديگر عمل نموده و از اين طريق، ارتعاش و صدا را کاهش دهد. بنا بر اعلام JARRG اقبال عمومي به اين محصول بسيار خوب است.

بلشه مي‌گويد: ”افرادي که در صنعت آسفالت لاستيک درگير بوده‌اند، همواره سعي کرده‌اند که آن را به دليل ويژگي‌هاي مهندسي بسيار عالي‌اش به فروش برسانند. امّا بيش از هر چيز اين محصول به عنوان کاهش دهنده صدا شناخته شده است و در پشت اين قضيه، استقبال عمومي قرار دارد.“

وزارت حمل و نقل آريزونا (ADOT) سه سال پيش يک نوع آسفالت را در بزرگراه سوپر استيشن در ناحيه آريزونا به کار برد. بلشه مي‌گويد كه به محض اتمام آسفالت اين بزرگراه، ADOT و مسئولين محلي سيل عظيمي از تلفن‌ها و ايميل‌ها را دريافت نمودند که از اشتياق مردم نسبت به اين جاده کم‌صداتر حکايت داشت.

البته همه چيز آسفالت لاستيک کامل نيست. اين مخلوط باعث ايجاد بخار و بو در فرآيند آسفالت کردن شده، هنوز در مورد قابل بازيافت بودن آن بحث وجود دارد. اين آسفالت نسبت به آسفالت‌هاي معمول بسيار گران‌تر بوده و آسفالت‌کاراني که تا به حال با اين ماده چسبناک کار نکرده‌اند، ممکن است در کار کردن با آن، که بايد در يک بازه دمايي معين انجام شود، دچار مشکل باشند.

ممکن است نظر بلشه در مورد نظر عمومي درست باشد، اما روي ديگر سکه اين است که خواست استفاده‌کنندگان از جاده کم‌صدا‌تر و در عين حال داراي اثرات زيست‌محيطي کمتر، افزايش يافته است. اين امر باعث تمرکز بيشتر تحقيقات بر روي مسائل مربوط به حمل و نقل، از جمله مواد مورد استفاده در جاده شده است.

افزايش عمومي در ميزان حمل و نقل، بار بيشتر بر روي محور، و فشار بيشتر تاير بر روي جاده، تقاضا براي آسفالت‌هاي قوي‌تر وبادوام‌تر را افزايش مي‌دهد. حمل و نقل بيشتر به اين مفهوم نيز مي‌باشد که ايجاد مشکل در حمل و نقل براي تعميرات جاده‌اي مطلوب نيست و اين امر موجب ايجاد تقاضاي بيشتر براي تحقيق و توسعه مؤثر مي‌گردد

تعريف نانوتکنولوژي و آشنايي با آن

نانوتکنولوژي، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا به تعبير دقيقتر "نانوتکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است" . در اين نوشتار بعد از تعريف نانوتکنولوژي و بيان کاربردهاي آن دلايل و ضرورتهاي توجه به اين فناوري آورده شده است: تعريف نانوتکنولوژي و آشنايي با آن نانوتکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر مي­شود. از همين تعريف ساده برمي­آيد که نانوتکنولوژی يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتکنولوژي کاربردهايي را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوتکنولوژي تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حمل­و­نقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن ­ آوري را به­عنوان يک زمينه فرا رشته­اي و فرابخش مطرح نموده است. هر چند آزمايش­ها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه 80 قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردني نانوتکنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يکي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند . استفاده از اين فن­آوري در کليه علوم پزشکي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الکترونيک، کامپوترهاي کوانتومي و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو به­عنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يک بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامه­ريزي علمي دقيق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرض­اندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين کاري طراحي يک برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتناب­ناپذير است. 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 کاربردهاي نانوتکنولوژي به­شرح زير مي‌باشد: توليد ، مواد و محصولات صنعتي :1- 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. پزشکي و بدن انسان:2- 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. دوام‌پذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد  محيط زيست پاك:3- 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 مريکا ، 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 .  هوا ­ و ­ فضا :4- 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   . امنيت ملّي:5- برخي کاربردهاي دفاعي نانوتکنولوژي 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-کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونيک ذخيره‌سازي اطلاعات در مقياس فوق‌ العاده کوچک، 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 کوچکي يک ساعت مچي منتهي شود. ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب مي‌شود که ذخيره‌ سازي 50 عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباري شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه­هاي فوق­العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه­هاي 32 تا 90 نانو متر، توليد ديسک‌هاي نوري 100 گيگا بايتي در اندازه­هاي کوچک نيز مي­باشد . تاريخچه فناوري نانو در جهان   چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم 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 بررسی بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : "اصول فيزيک، تا آنجايي که من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نمي­زنند." او فرض را بر اين قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته­اند که چگونه ترانزيستورها و ديگر سازه­ها را با مقياسهاي کوچک بسازند، پس ما خواهيم توانست که آنها را کوچک و کوچک­تر کنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقي­شان در لبه­هاي نامعلوم کوانتوم نزديک خواهند بود به­طوري که يک اتم را در مقابل ديگري به­گونه­اي قرار دهيم که بتوانيم کوچکترين محصول مصنوعي و ساختگي ممکن را ايجاد کنيم. با استفاده از اين فرمهاي بسيار کوچک چه وسايلي مي­توانيم ايجاد کنيم؟ Feynman در ذهن خود يک "دکتر مولکولي" تصور کرد که صدها بار از يک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و مي­تواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام کاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و به­طور کلي براي نگهداري بدن در سلامت کامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي کلمه "بزرگ" از اهميت ويژه­اي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه­های مهندسي بزرگ و غيره حتي کامپيوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال مي­کردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندي به­سوي کوچک شدن در پيش گرفت. Marvin Minsky تفکرات بسيار باروري داشت که مي­توانست به انديشه­هاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوش­هاي مصنوعي دهه 70-1960 جهان را در تفکراتي که مربوط به آينده مي­شد، رهبري مي­کرد. در اواسط دهه 70 ، Eric Drexler که يک دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را به­عنوان استاد راهنما جهت تکميل پايان­نامه­اش انتخاب کرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت.       تک لايه های خود سامان يافته (Self Assembly Monolayers) در «نانوتکنولوژی» تک لايه های خود سامان يافته (Self Assembly Monolayers) در «نانوتکنولوژی»   «تک‌لايه‌هاي خود سامان‌يافته» «(SAMs)» به طور معمول از تماس يک سطح با گروههاي شيميايي که داراي کشش بسيار قوي به سمت سوبسترا يا ماده طرح شده بر روي آن هستند، مي‌باشد. ميزان نظم اين ساختارها تابعي از ماهيت واکنش شيميايي بين سوبسترا و جذب‌شونده و به همان اندازه جنس و قدرت واکنش‌هاي بين ملکولي بين جذب‌شونده‌ها که براي نگهداشتن اتصال ضروري هستند، مي‌باشند. ملکولهايي که به سطوح متصل مي‌شوند به صورت جذب فيزيکي، که آنتالپي‌هاي در آن نسبتا پايين مي‌باشد (معمولا با توجه به نيروهاي در نظر گرفته مي‌شوند) و يا به صورت جذب شيميايي توصيف مي‌شوند. واکنش‌هاي استحکام دهنده بين ملکولها و سوبستراها و بين خود ملکولها شامل پديده‌هايي از قببيل پيوند هيدروژني، دهنده- پذيرنده (donor_acceptor ) و يا جفت يوني و تشکيل پيوندهاي کووالانس که ساختار را از نمونه‌هاي جذب شده فيزيکي پايدارتر مي‌سازند، مي‌باشند. مطالعات ديگري در مورد پيوندزني(grafting)  ملکولها به سطح، از قبيل اتصال ملکولهاي عملگر آريل (aryl functionalized) به سيليکون، ملکولهاي عملگر آلکيل به ژرمانيوم از طريق واکنش‌هاي گرينگنارد(Gringnard) و ملکولها به سطوح فلزي از طريق نمکهاي ديازونيوم(diazonium) ، انجام شده است، تمام اين نمونه‌ها نشان دهنده تشکيل پيوندهاي کربن-سطح مي‌باشند. سيستمهاي جذب شيميايي شامل سامان‌دهي تري‌آلکيل‌ها، تري کلرو يا تري آلکواکسي سيلان‌ها بر روي سطوح دي‌اکسيدسيليکون، اسيد‌هاي کربوکسيليک جذب شونده بر روي اکسيد آلومينيوم و سطوح نقره و n-آلکان‌تيول‌هاي جذب شونده بر روي سطوح طلا مي‌باشند. در اينجا تنها تعداد کمي از مواد رايج ذکر شده‌اند. همانطورکه توضيح داده شد، SAM‌ هايي که به طور ويژه به خوبي مورد مطالعه قرار گرفته‌اند آنهايي هستند که بر روي سطوح فلزات واسطه (براي مثال Ag,Au ) با سورفکتانت‌هاي داراي گروه‌هاي راسي غني از الکترون (براي مثال S,O,N)  و زنجيرهاي n-آلکيل تشکيل مي‌شوند. کشش بين سطح و گروههاي عاملي به اندازه کافي براي تشکيل پيوندهاي قطبي يا يوني قوي مي‌باشد و واکنش‌هاي جانبي قابل اعمال بين ملکولهاي مجاور براي کشيدن و نگهداشتن ساختارها در کنار هم کافي مي‌باشد. نماي شماتيک يک ملکول آلکان تيولات در شکل زير نشان داده شده است.                 استراتژي هاي ساخت ساختارهاي «نانوبيو»   3- راهبرد از پايين به بالا (Buttom-up) راهبرد مشهور "از پايين به بالا" در ساختِ «نانوساختارهايي» از عناصر ساختماني پايدار در علوم و مهندسي جاري دنيا، امري متعارف گشته است. اين اصل ساختاري، با بهره برداري از فاکتور‌هاي نظم-ده((Order-inducing که به جاي تحميل کردن نظم از بالا به پايين توسط منابع خارجي، خاصيت ذاتي سيستم هستند، عمل مي‌کند. اين راهبرد با تقليد از سيستم هاي بيولوژيکي عمل مي‌کند. در حالي که تکنيک هاي ساخت که اکنون از اهميت تجاري برخوردارند، نظير ليتوگرافي، عملا و بدون هيچ استثناء در حوزه "از بالا به پايين" قرار مي گيرند؛ روش هاي ساخت "از پايين به بالا" پتانسيل‌هاي بسيار سودمند و جذابي را در آينده ارائه مي دهند. اين سودمندي ها شامل ساده شدن تحقيقات تجربي در مقياس اتمي، امکان ساخت سه بعدي در مقياس «نانو» و پتانسيل ساخت انبوه و ارزان مي‌باشند. با وجود دورنماي تکنولوژيک، انگيزش اصلي براي تحقيقات در اين حوزه بسته به درک چگونگي تشکيل يکباره ساختارهاي منظم و يا پيچيده و چگونگي به خدمت گرفتن اين فرآيندها در جهت تهيه موادي با هندسه از پيش تعيين شده معطوف مي باشد. بيوتکنولوژي و علم مواد در حوزه اندازه يکساني عمل مي کنند. از يک طرف، اجزاء بيومولکولي نوعا داراي ابعادي در محدوده nm 200-5 هستند؛ از طرف ديگر نيازهاي تجاري توليد دستگاه‌هاي ميکرو‌الکترونيکيِ هرچه بيشتر کوچک شده، تحقيق در زمينه سيستم هاي «نانو» مقياس را شديدا تحريک مي‌کند. امروزه ابعاد ساختاري ميکروپروسسورهاي رايانه اي حدود nm 200 مي باشد. اين تجهيزات فقط توسط تجهيزات مرسوم (فرايندهاي مينياتور سازي) نظير فوتو-ليتوگرافي در دسترس هستند، اما در آينده، اين فناوري‌ها به سختي امکان توليد قسمت‌هايي را که از nm100 کوچک‌تر هستند، را در مقياس بالا فراهم مي سازد. این موضوع در شکل زیر آورده شده است.         همانگونه که فيزيکدان معروف، ريچارد فينمن، بيش از چهل سال پيش اشاره کرده بود: "فضاهاي بيشتري در محدوده هاي پايين وجود دارد."،  و لذا تحقيقات «نانوتکنولوژي» امروز، تاکيد بسيار زيادي بر توسعه استراتژي از پايين به بالا (استراتژي بزرگنمايي) دارد، که معطوف به خود ساخت يافتن (ماکرو) مولکولها و اجزاء ساختماني کلوئيدي براي توليد دستگاه‌هاي بزرگتر و عملگرتر مي باشد. در هر حال به ياد آوردي اين نکته بسيارضروري است که سرعت توسعه اين روش ها به حدي است که روشهاي نويني به صورت ماهانه ارائه مي‌شوند.   استراتژي هاي ساخت ساختارهاي «نانوبيو »   1- قالبهاي زيستي (Biotemplates) استراتژي قالب‌هاي زيستي استفاده از خواص الکترواستاتيکي و توپوگرافي ماکرومولکولهاي بيولوژيکي و مشتقات پيچيده سوپر‌مولکولي آنها براي سنتز و ساخت اجزاء آلي و غير آلي مي باشد. در اين راهکارِ قالب قرار دادنِ بيولوژيکي، شبکه هاي منظم دو بعدي از پروتئين هاي سطحي سلول باکتري در کنار اجزاء توخالي بيومولکولي مثل ذرات ويروسي؛ براي توليد «نانو ذرات» ومعماري سوپرمولکولها مورد بهره برداري قرار مي گيرند. سيستم‌هاي بيولوژيکي، ساختار‌هاي پيچيده بسيار کوچک يا بزرگي را با کنترلي حيرت انگيز در مورد نحوه قرارگيري اجزاء سازنده بسيار ريز درون بناهاي مختلفي شکل مي‌دهند. اميد به يادگيري از الگوهاي طبيعي براي سازمان دادن مواد غير آلي (معدني) در مقياس‌هايي مناسب، به منظور کاربرد در کاتاليز کردن، فتونيک و الکترونيک، منجر به پيگيري استراتژي‌هاي بسترهاي زنده و تقليد کننده از محيط زيست براي سنتز و ساخت موادي در حد نانو شده است. ميکرو‌ارگانيسم‌هايي نظير ويروس‌ها، باکتري و قارچ‌ها، خواصي منحصر به فرد داشته و ساختارهاي جالبي دارند و مي توانند به سرعت و با هزينه کم باز توليد شوند. اين خصوصيات آنها را به عنوان اهداف جالبي براي ساخت مواد جلوه مي‌دهد. تشکيل اکسيد آهن توسط باکتري، فرايند آهکي شدن در سيانو باکتر، رسوب دادن سيليکا در دياتوم‌ها و تشکيل ديگر مواد معدني زيستي توسط باکتري، گلسنگ، جلبک و قارچ نمونه‌اي از توليد مواد توسط ميکرو‌ارگانيسم‌ها مي‌باشد. اتصال يونهاي فلزي به پروتئين‌هاي لايه سطحي ، DNA يا ديگر ساختارهاي پروتئيني منظم براي توليد سايت‌هاي هسته‌زايي براي رشد نانو‌ذرات و سنتز کريستال‌هاي بسيار ريز فلزي از طريق احياء زيستي يونهاي فلزي باکتري‌ها و قارچها از ديگر کاربردها مي باشند.   2- تقليد هاي زيستي (Biomimetics) تقليد‌هاي زيستي عبارتست از مطالعه ساختارهاي بيولوژيکي، عملکرد و روش سنتز آنها جهت ارائه ايده‌هاي نوين و توسعه اين ايده‌ها در سيستم هاي سنتز مشابه آنچه که در سيستم هاي بيولوژيکي يافت مي شود. اين عمل يک استراتژي طراحي مواد پيچيده و چند کاره، باظرفيتي براي خود ساخت يافتن سوپرملکولي و تبديل بين انرژي شيميايي، گرمايي، مکانيکي، الکترومگنتيک و الکتريکي و توانايي حس‌کردن و تطبيق با محيط است. موادي که بدين ترتيب سنتز مي شوند را مواد هوشمند نامند.   «نانوتکنولوژی» و تجارت   از دیدگاه تجارت، «نانوتکنولوژی» از جمله علومی محسوب می شود که دارای نرخ رو به رشد بسیار بالایی است. در حال حاضر بیش از 1200 شرکت «نانوتکنولوژی» در سراسر دنیا محصولات جدید خود را که منتج از این دانش نوپاست روانه بازار کرده اند که از آن جمله می توان به دوربین دیجیتالی    Easy Share LS 633 محصول شرکت Kodak ،  اتومبیل Chevrolet Impala محصول شرکت GM اشاره کرد. از این میان، حدود 600 کمپانی در ایلات متحده و مابقی در اروپا و ژاپن قرار گرفته اند. بر اساس برآوردهای بعمل آمده، میزان گردش سرمایه در بخش «نانوتکنولوژی» دنیا بالغ بر 5/45 میلیارد دلار خواهد بود که باعث اشتغالزایی حدود 800 هزار تا 2 میلیون نفر خواهد شد. تنها در سال 2004 میلادی، 16 کمپانی آمریکایی که در زمینه تولید نانوذرات فعالیت داشته اند، حدود 8/3 میلیارد دلار فروش داشته اند. بنابراین «نانوتکنولوژی» در آینده ای نچندان دور می تواند تأثیرات چشمگیری را بر اقتصاد دنیا داشته باشد. اما لازمه ایجاد این تأثیرات سرمایه گذاری بر بخش R&D این علم جدید و پیشرو   می باشد. میزان سرمایه گذاری های انجام شده در بخش R&D «نانوتکتولوژی» در سال 2004، حدود 6/8 میلیارد دلار بوده است که سهم بخش دولتی 6/4 میلیارد دلار و بخش خصوصی حدود 8/3 میلیارد دلار بوده است. بیشترین میزان سرمایه گذاری توسط بخش خصوصی در ایالات متحده با 7/1  میلیارد دلار بوده است و بعد از آن ژاپن با 1/1 میلیارد دلار و نهایتاً اتحادیه اروپا با 7/0 میلیارد دلار حجم سرمایه گذاری قرار داشته است.         بر اساس برآوردهای بعمل آمده «نانوتکنولوژی» تا سال 2014 در تمامی عرصه های تولیدی وارد خواهد شد و حدود 15 درصد از کل محصولات تولید شده در دنیا به نوعی از این علم بهره مند خواهند بود که گردش سرمایه ای حدود 6/2 هزار میلیارد دلار  را در پی خواهد داشت. این برآوردها خاطر نشان می سازد که حجم درآمدهای حاصل از «نانوتکنولوژی» در حدود 10 برابر بیوتکنولوژی خواهد بود و تقربیاً معادل درآمدهای حاصل از IT خواهد شد.   (نانوتکنولوژی) + بیوتکنولوژی = نانوبیوتکنولوژی           (نانوتکنولوژی) + بیوتکنولوژی = نانوبیوتکنولوژی   نانو بيوتکنولوژي حوزه نوظهور علمي وفني است که شاخه اي چند-رشته اي از علوم است. اين حوزه به فعاليت‌هاي همگام علوم مواد و بيولوژي اشاره دارد. در شکل زیر ارتباط دو حوزه علمي نانو و بيوتکنولوژي نشان داده شده است.                   کاربردهاي نانوبیوتکنولوژي ·         نانو بیوتکنولوژي در پزشکی –         دستيابي به قدرت اندازه گيري و ساخت اجسام در مقياسي است كه ارگانيسم هاي زنده قادر به انجام اكثر وظايفشان شوند –         مثال: سيستم هاي انتقال و رهايش دارو، بانداژهاي هوشمند و هيدروسل ها l       نانو بیوتکنولوژي در محیط زیست –         راه حلي براي برطرف ساختن برخي مسائل زيست محيطي موجود از طریق كاهش مواد زايد و كمك به فراهم آوردن غذا، آب و انرژي فراوان –         مثال: ساخت نانوبيوسنسورها، نانوبيوپروب ها l       نانو بیوتکنولوژي در مهندسي مثال: ابزار مادون ريز، حسگرهاي نوري، نانوذرات، نانوماشين ها و نانوبيوراكتورها در حقيقت تعامل دو فناوري نانو و بيو بر گرفته از استفاده از مدل‌هاي بيو و نانوفناوري و ابزار نانو در فناوري بيو است. مادامي که مهندسين و دانشمندان آرزوي ساخت کنترل شده بناهايي در مقياس ميکرو و نانومتر را در سر دارند, طبيعت چنين وظايفي را انجام داده و ساختارهايي پيچيده را با دقت و راندمان بالا با استفاده از مولکول هاي بسيار ويژه‌اي نظير DNA و پروتئين‌ها بنا مي‌کند. از زماني که گروه ميرکين و گروه آليوياستوز ساخت بناهاي همراه با DNA از نانوذرات طلا را نشان دادند، گزارش‌هاي بسياري همراه با تمايل بسيار زياد براي ساخت ساختارهايي دقيق از نانو و ميکروذرات جهت رديابي شيميايي و بيولوژيکي و به منظور کاربرد در مدارهاي الکترونيکي، جهت ساخت دستگاههاي نانو الکترونيکي آينده ارائه شده است. راهکارهاي متعددي در ساخت اين مواد نظير روشهاي بر مبناي زيستي و شيميايي، الکتريکي و سيالاتي  مطرح شده است. طبيعت، ساختارهاي نانو را با استفاده از شناسايي مولکولي بنا مي کند. در مورد DNA، پيوند هيدروژني ، نوعي انحصار را در اتصال جفت هاي مکمل تک رشته به دو رشته فراهم مي کند. کاملا آشکار شده است که تعدادي از روندهاي مهم مرتبط با تکنولوژي، اثرات مهم جهاني را تا سال 2015 در پي خواهند داشت. اين روندها از پيشرفتهاي بيوتکنولوژي، نانوتکنولوژي، تکنولوژي مواد و تکنولوژي اطلاعات اثر مي پذيرند. بسياري معتقدند اگرچه قرن بيستم مقهور پيشرفت‌هاي شيمي و فيزيک شده بود، قرن بيست و يک با پيشرفت‌هاي بيوتکنولوژي اداره مي‌گردد. آشکار است که بشر در آستانه درک، مطالعه و کنترل کدهاي ژنتيکي موجودات زنده است، که انقلابي در کنترل ارگانيسم‌هاي بيولوژيکي و کمبود‌هايشان به ارمغان مي‌آورد. ديگر پيشرفت‌هاي حوزه مهندسي پزشکي در زمينه درمان و توسعه داروها چشم‌اندازهاي ديگري را از پيشرفت بيوتکنولوژي و کاربردهاي جديد آن به همراه دارد. علوم و مهندسي مواد نيز در موضعي بحراني به دو رشته بيوتکنولوژي و نانوتکنولوژي وارد مي‌شوند. به نظر مي‌رسد، تحقيقات بين رشته‌اي جهت توليد موادي با خواصي بهبود يافته براي کاربردهايي عمومي (نظير ساخت بناهاي نانو) و خاص ( نظير سيستمهاي هوا- فضا) همچنان ادامه يابد. مواد توليد شده در قرن بيست و يک ، موادي هوشمند تر، چندکاره و سازگار با محيط هاي بسيار مختلف مي‌باشند . ماشين مولکولي طبيعت، هر آنچه که بشر چگونگي ساخت آنرا با روشهاي سنتي مي داند، با مقياسي چند برابر تهيه ميکند. براي مثال، يک تک-سلول Escherichia coli که قطري تقريبا برابر μm 1 دارد، ظرفيت ذخيره کردن ديجيتالي ژنوم آن در حد يک ديسک لرزان با دانسيته بالاست؛ يک ريبوزوم مي تواند توسط بيش از پنجاه پروتئين مختلف خودبخود ساخته شود؛ سلولهاي يوکاريوت سنتز DNA را به نحوي مديريت مي‌کنند که خطايي کمتر از 11- 10 به ازاء هر نوکلئوتيد اضافه شده دارد و گياهان سبز انرژي به توده‌اي از مواد شيميايي به اندازه بيش از کل صنايع شيميايي جهان تبديل مي‌کنندتوانايي‌هاي گسترده سيستم‌هاي بيولوژيکي براي تبديل و انتقال انرژي، سنتز مواد شيميايي خاص، توليد توده هاي زيستي، ذخيره کردن اطلاعات، شناسايي، حس کردن، پاسخ دادن، حرکت، خود-ساخت يافتن (Self assembly) و باز-توليد نمايانگر حوزه جديدي از تحقيقات آينده است. در نتيجه، درک رو به رشدي از رشته نوين نانوبيوتکنولوژي، زمينه اي براي ساخت بناهاي مولکولي بديعي با صحت، دقت و انعطاف‌پذيري بالا فراهم کرده است، که نسبت به فرايندهاي ساخت سنتي هزينه هاي کمتري را به همراه خواهد داشت. بر اين اساس، با استفاده از ابزارهاي ساخت در مقياس نانو، کلاس جديدي از دستگاه‌ها و سيستم هاي مقاوم، بسيار سبک و زيست-سازگار قابل توليد است.  بهره گيري از چنين تکنيک‌هايي انقلابي را در ساخت دستگاه هاي الکترونيکي، مدارها و کامپيوترها، حس گرها، مواد هوشمند، سيستم‌هاي انتقال دارو، ميکرو روبوت‌ها و ابزارهاي دقيق جراحي به وجود خواهد آورد.             تأثير علوم شيمي و زيست شناسي بر «نانوتکنولوژي»       تأثير علوم شيمي و زيست شناسي بر «نانوتکنولوژي»     شيمي نقش اساسي در توسعه علم نانو داشته است ايجاد و شكسته شدن پيوندها بين اتم ها و يا  گروهي از اتم ها جز اصلي و پايه شيمي است و محصول اين دسته واكنش ها ساختارها و يا مولكولهايي هستند كه بازه اندازه آنها بين10-1/0 نانومترمي باشد. گسترش روش هاي سنتز جديد امكان توليد نانوساختارهاي يكدست در اشكال جديد و متفاوت (كروي ، طنابي ، سيمي شكل ، نيمه كروي و مكعبي) و تركيبهاي متنوع آلي ،اكسيد فلزي و نيمه رسانا را به وجود آورده است. مثالهايي از اين دسته شامل نانو كريستالها ، نانوسيم ها كوپليمرهاي آجري و نانو لوله هاست بعضي از اين ساختارهاي جديد در علوم مواد و كاتاليست ها، در پزشكي در زمينه انتقال دارو، در ميدانهاي ذخيره مغناطيسي و در الكترونيك و ابزارهاي نوري کاربرد بسياري دارند. زيست شناسي نيز يكي از منابع الهام علم نانو مي باشد، سلولها ( واحدهاي اساسي حيات ) در يك نگاه مجموعه اي پيچيده از نانو ماشين هاي زيستي هستند. بعضي از اجزا سلول داراي ابعادي در مقياس نانومترهستند، شامل: كاتاليست ها و ديگر سيستم هاي فعال (مانند آنزيم ها ، ريبوزوم ها ، پروتئين ها   مجموعه پروتئين-RNA ) دو لايه هاي ليپيدي ، كانالهاي يوني ،اجزا اسكلت سلولي ،(رشته هاي اكتين ، و ريز لوله ها)، DNA،RNA سيستم هاي زيستي داراي مثالهايي فراواني از برهمكنش نانوساختارها در شبكه هاي پيچيده درون سلولي هستند و روشهاي جديد از پايين به بالا ، براي ساخت نانوسيستم هاي مصنوعي ،پيشنهاد مي دهند .ابزارهاي جديد براي مشاهده و دستكاريهاي  مولكولي، اتمي و كلوئيدي مانند ميكروسكوپ ها پروب زنيوالكترونيكي،فاكتورهاي اساسي و مهمي در پيدايش علم نانو و فن آوري نانو محسوب مي شوند. توانايي قابل توجه براي آشكاري، دست كاري، تغيير و شكل دهي ساختارها در مقياس نانومتر در تفكيكي اتمي ، به ايده هاي بسيار جذابي در رفتارهاي جديد منجر شده است مانند : سامان دهنده ها، نانوربات ها، چسب خاكستري ( Gray glow)  كه هر كدام به نوبه خود توجه زيادي را جلب نموده اند. اگر چه اين ايده بيشتر علمي- تخيلي به نظر مي رسد تا علمي– فناوري، با اين حال توجه عمومي زيادي را درزمينه هاي تحقيقاتي علم نانو به خود جلب كرده  و دريچه اي به سوي فن آوري هاي پيشرفته بالقوه باز کرده است.   استفاده از مطالب  (نانو تکنولوژی) اين سايت با درج منبع بلا مانع است (نانو تكنولوژي) در صنعت نفت       (نانو تكنولوژي) تبديل نفت خام و نفت سنگين به نفت سبك       شايد زماني كه از (نانو تكنولوژي) به عنوان يك تكنولوژي نوين نام برده مي شد كه مي تواند راه حل هاي جديدي براي مسائل علوم مختلف ارائه نمايد، نمي توانستيم به روشني اين مفهوم را درك نماييم. اكثرآ افراد جامعه (نانو تكنولوژي) را ساختن اشياء در ابعاد كوچكتر مي دانستند اما اكنون بعد از گذشت چند سال مفهوم نانو براي افراد ملموس تر خواهد بود. اينكه مي توانيم توسط تكنولوژي نانو بسياري از مشكلات روزمره بشر را حل كنيم.   امروز باعث افتخار من است كه بالاخره سرمايه گذاري ايران در نانو تكنولوژي و پيشگامي دولت ايران در حمايت از دوستداران پيشرفت و انديشمندان ايران زمين نتيجه داد و محققان ايراني توانستند گامي بزرگ را در صنايع نفت بردارند.   مهندس سيد جواد احمد پناه مدير پروژه هيدروكانورژن هاي پژوهشگاه صنعت نفت توانست «فرآيند صنعتي هيدروكانورژن» را بصورت بين المللي به ثبت برساند. توسط اين فرآيند مي توان نفت خام و ته مانده هاي نفت سنگين را به نفت سبك تبديل نمود. به بيان ساده تر اينك با هزينه 2 دلار در هر بشكه مي توان يك بشكه نفت 30 دلاري را به يك بشكه نفت 60 دلاري تبديل نمود. اين فرآيند يك انقلاب در صنعت نفت به شمار مي رود كه با افتخار مي توان آنرا حاصل زحمات چندين مهندس ايراني دانست. حال اينكه اين موضوع چه ارتباطي با (نانو تكنولوژي) دارد را در ادامه توضيح خواهيم داد.   بهتر است ابتدا مروري كوتاه داشته باشيم بر فرآيند پالايش نفت و سپس به فرآيند جديدي كه توسط نانو تكنولوژي صورت پذيرفته است خواهيم پرداخت.     پالايش نفت   فرآيند پالايش نفت:   1. تفكيك 2. فرآيند هاي تبديلي. اين فرآيند ها اندازه و ساختار مولكولي هيدرو كربن ها را تغيير ميدهند.   ¬الف. تجزيه (تقسيم) ب. همسان‌سازي (تركيب) ج. جايگزيني (نو آرائي)   3. فرآيند هاي عمل آوري 4. تنظيم و اختلاط   همانطور كه مي بينيد تجزيه يكي از قسمت هاي فرآيند هاي تبديلي است. هيدروكراكينگ، شكست كاتاليستي و شكست گرمايي كارهايي هستند كه در مرحله تجزيه صورت مي پذيرند.   هيدروكراكينگ يك فرآيند دو مرحله‌اي شامل كراكينگ كاتاليستي و هيدروژنا‌سيون مي‌باشد كه در طي اين مراحل خوراك ورودي، در حضور هيدروژن به محصولات با ارزش افزودة بيشتر شكسته مي‌شود. اين فرايند در فشار و دماي بالا و با حضور كاتاليست و هيدروژن انجام مي‌شود.   هيدروكراكينگ براي خوراك‌هايي مورد استفاده واقع مي‌شود كه فرايندهاي كراكينگ كاتاليستي يا تبديل كاتاليستي در مورد آن‌ها به سختي انجام مي‌گيرد مانند نفت خامي كه غني از آروماتيك‌هاي پلي‌سيكليك بوده يا حاوي غلظت‌هاي بالاي تركيبات گوگرد و نيتروژن كه مسموم‌كننده كاتاليست‌ها هستند، ميباشد.   پيش تر در وب سايت ستاد نانو تكنولوژي ايران خوانده بودم كه در هيدروكراكينگ بطور معمول از كاتاليست‌هاي آلومينا، زئوليت‌ها و پلاتين استفاده مي‌شود، اما به تازگي آقاي فوكوياما براي هيدروكراكينگ يك كاتاليست تازه اختراع نموده است (پلاتين- نيكل- موليبدن روي پايه زئوليتي) كه در هيدرو كراكينگ نفت هاي سنگين مورد استفاده قرار مي گيرد.         به نظر مي رسد كه هيدروكانورژن (هيدروژناسيون+ كراكينگ) كاتاليستي، يك فرآيندي شكست كاتاليستي است كه در آن از يك نانو كاتاليست خاص استفاده مي شود كه باعث تصحيح فرآيند هيدروكراكينگ معمولي مي شود.   مزاياي هيدروكانورژن   1.       درصد تبديل بالا (90 درصد) 2.       تشكيل نشدن كك 3.       كاهش حداقل 60 درصد از گوگرد 4.       قابليت بازيابي كاتاليست تا 95 درصد 5.       حذف واكنش هاي پليمريزاسيون 6.       سادگي عمليات نسبت به روش هاي مشابه 7.       انعطاف پذيري بالا نسبت به شدت جريان و تركيبات فلزات و گوگرد 8.       توليد بخار مورد نياز واحد از بخش بازيابي كاتاليست 9.       ضريب بالاي بازدهي سرمايه و هزينه پايين كاتاليست 10.   تميزي واكش از نظر زيست محيطي در مقايسه با روش هاي مشابه   به نظر مي رسد كه اين طرح با توجه به ويژگي هاي منحصر به فردي كه در بالا بيان شد، مي تواند از ارزش افزوده بالايي برخوردار باشد. با يك حساب سر انگشتي اگر روزانه 10000 بشكه نفت سنگين 30 دلاري را با هزينه 2 دلار براي هر بشكه، به بشكه اي 60 دلار تبديل كنيم ارزش افزوده اي معادل روزانه 280000 دلار خواهيم داشت كه بسيار جالب توجه خواهد بود و اقتصادي بودن طرح به جرأت قابل دفاع و تحسين مي باشد.   به نظر مي رسد كه محققان ايراني پاسخ مناسبي به سرمايه گذاري دولت در بخش نانو تكنولوژي داده اند و رسيدن به اهدف برنامه دولت جمهوري اسلامي ايران كه همانا قرار گرفتن كشور ايران در ميان 15 كشور برتر دنيا در زمينه نانو تكنولوژي است روز به روز به واقعيت نزديك مي شود. همانطور كه پيشتر گفته شده است: «نانو تكنولوژي» تمام آينده است.   (فروشگاه نانو تكنولوژي ايران)   عرضه محصولات نانو در (فروشگاه نانو تكنولوژي ايران) www.NanoShop.ir   ۱. نانو شيشه و سراميك ۲. نانو شيشه اتومبيل ۳. نانو چوب ۴. نانو سنگ و بتون ۵. نانو پارچه (نانو تكنولوژي) بالاخره وارد ايران شد. شما نيز اكنون مي توانيد از آخرين دستاوردها و محصولات "نانو تكنولوژي" در ايران استفاده ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ چکيده مقاله : فناوري‌هاي نانو در زمينه‌هاي گوناگوني همچون توسعه داروها، آلودگي‌زدايي آب‌ها، فناوري‌هاي ارتباطي و اطلاعاتي توليد مواد مستحکم‌تر و سبک‌تر داراي مزاياي بالقوه مي‌باشند. در حال حاضر شرکت‌هاي زيادي نانوذرات را به شکل پودر، اسپري و پوشش توليد مي‌‌كنند که کاربردهاي زيادي در قسمت‌هاي مختلف اتومبيل، راکت‌هاي تنيس، عينک‌هاي آفتابي ضدخش، پارچه‌هاي ضدلک، پنجره‌هاي خود تميزکن و صفحات خورشيدي دارند. اما اثرات افزايش بيش از حد توليد و استفاده از نانومواد در سلامت کاركنان و مصرف کننده‌ها، سلامت عمومي و محيط زيست بايد به دقت مورد توجه قرار گيرد. از آنجايي که فرآيند رشد و واکنش‌هاي شيميايي کاتاليستي در سطح اتفاق مي‌افتند، يک مقدار مشخصي از ماده در مقياس نانومتري بسيار فعال‌تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگ‌تر مي‌باشد. اين ويژگي‌ها ممکن است بر روي سلامتي و محيط زيست اثرات منفي داشته و منجر به سميت زياد نانوذرات شوند متن مقاله خلاصه فناوري‌هاي نانو در زمينه‌هاي گوناگوني همچون توسعه داروها، آلودگي‌زدايي آب‌ها، فناوري‌هاي ارتباطي و اطلاعاتي توليد مواد مستحکم‌تر و سبک‌تر داراي مزاياي بالقوه مي‌باشند. در حال حاضر شرکت‌هاي زيادي نانوذرات را به شکل پودر، اسپري و پوشش توليد مي‌‌كنند که کاربردهاي زيادي در قسمت‌هاي مختلف اتومبيل، راکت‌هاي تنيس، عينک‌هاي آفتابي ضدخش، پارچه‌هاي ضدلک، پنجره‌هاي خود تميزکن و صفحات خورشيدي دارند. اما اثرات افزايش بيش از حد توليد و استفاده از نانومواد در سلامت کاركنان و مصرف کننده‌ها، سلامت عمومي و محيط زيست بايد به دقت مورد توجه قرار گيرد. از آنجايي که فرآيند رشد و واکنش‌هاي شيميايي کاتاليستي در سطح اتفاق مي‌افتند، يک مقدار مشخصي از ماده در مقياس نانومتري بسيار فعال‌تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگ‌تر مي‌باشد. اين ويژگي‌ها ممکن است بر روي سلامتي و محيط زيست اثرات منفي داشته و منجر به سميت زياد نانوذرات شوند. همزمان با توسعه دانش ما در مورد مواد در مقياس‌نانو و افزايش توانايي کار کردن با ساختارها در اين مقياس، فناوري‌نانو رفته رفته گسترش يافته و سرمايه‌گذاري جهاني در اين زمينه نيز افزايش مي‌يابد. فناوري‌هاي نانو در زمينه‌هاي گوناگوني همچون توسعه داروها، آلودگي‌زدايي آب‌ها، فناوري‌هاي ارتباطي و اطلاعاتي توليد مواد مستحکم‌تر و سبک‌تر داراي مزاياي بالقوه مي‌باشند. در حال حاضر شرکت‌هاي زيادي نانوذرات را به شکل پودر، اسپري و پوشش توليد مي‌‌كنند که کاربردهاي زيادي در قسمت‌هاي مختلف اتومبيل، راکت‌هاي تنيس، عينک‌هاي آفتابي ضدخش، پارچه‌هاي ضدلک، پنجره‌هاي خود تميزکن و صفحات خورشيدي دارند. تعداد اين شرکت‌ها روز به روز در حال افزايش است. محدوده اندازه ذراتي که چنين علاقه‌مندي را به خود جلب کرده است، عموما کمتر از 100 نانومتر است. براي داشتن تصوري از اين مقياس لازم به ذکر است که موي انسان داراي قطر 10000 تا 50000 نانومتر، يک سلول قرمز خوني داراي قطر حدود 5000 نانومتر و ابعاد يک ويروس بين 10 تا 100 نانومتر است. با کاهش اندازه ذرات، نسبت تعداد اتم‌هاي سطحي به اتم‌هاي داخلي افزايش مي‌يابد. به عنوان مثال درصد اتم‌هاي سطحي يک ذره با اندازه 30 نانومتر، 5 درصد است، در حالي که اين نسبت براي يک ذره با اندازه 3 نانومتر، 50 درصد مي‌باشد. بنابراين نانوذرات در مقايسه با ذرات بزرگ‌تر نسبت سطح به وزن بسيار بزرگ‌تري دارند. با کاهش اندازه ذرات به يک دهم نانومتر يا کمتر، اثرات کوانتومي پديدار مي‌شوند و اين اثرات، مي‌تـوانـند به مقـدار زيــادي ويـژگي‌هـاي نــوري، مغـناطيسي و الكتـريكي مواد را تغيير دهند. از طريق پي‌گيري ساختار مواد در مقياس نانو، امکان طراحي و ساخت مواد جديد با ويژگي‌هاي کاملا نو به وجود مي‌آيد. تنها با کاهش اندازه و ثابت نگهداشتن نوع ماده، ويژگي‌هاي اساسي از قبيل هدايت الکتريکي، رنگ، استحکام و نقطه ذوب ماده (که معمولا براي هر ماده مقدار ثابتي از آنها را در نظر مي‌گيريم) مي‌تواند تغيير کند. در حال حاضر نانوذراتي که به طور ناخواسته، از طريق فرآيندهاي احتراق انجام شده جهت توليد انرژي يا در اتومبيل‌ها، فرآيندهاي خوردگي مکانيکي و يا فرآيندهاي صنعتي معمول به وجود مي‌آيند، بيش از توليد صنعتي نانوذرات بر محيط زيست و زندگي انسان تاثير مي‌گذارند. اما اثرات افزايش بيش از حد توليد و استفاده از نانومواد در سلامت کاركنان و مصرف کننده‌ها، سلامت عمومي و محيط زيست بايد به دقت مورد توجه قرار گيرد. از آنجايي که فرآيند رشد و واکنش‌هاي شيميايي کاتاليستي در سطح اتفاق مي‌افتند، يک مقدار مشخصي از ماده در مقياس نانومتري بسيار فعال‌تر از همان مقدار ماده با ابعاد بزرگ‌تر مي‌باشد. اين ويژگي‌ها ممکن است بر روي سلامتي و محيط زيست اثرات منفي داشته و منجر به سميت زياد نانوذرات شوند. تنفس نانوذرات خطرات احتمالي نانوذراتي که در هوا پخش شده‌اند، يعني آئروسل‌ها از اهميت بيشتري برخوردارند. اين قضيه به دليل تحرک بالاي آنها و امکان جذب آنها از طريق ريه، که راحت‌ترين مسير ورود به بدن مي‌باشد، اهميت پيدا مي‌کند. اندازه ذرات تا حدزيادي تعيين‌کننده محل نشست اين ذرات در دستگاه تنفسي مي‌باشد. به خاطر راحت‌تر شدن کار، دستگاه تنفسي را به سه قسمت ناحيه‌اي و کارکردي تقسيم مي‌‌كنيم: 1- مسير‌هاي هوايي بالايي، 2- ناحيه نايژه‌ها، که هر دوي آنها به وسيله لايه موکوس حفاظت مي‌شوند. در اينجا ذرات بزرگ‌تر، از طريق نشستن بر روي ديواره مسير هوايي، از هواي ورودي به ريه جدا مي‌شوند. حرکات مژه‌هاي اين قسمت، خلط را به سوي گلو بالا برده و از آنجا يا در اثر سرفه خارج و يا بلعيده مي‌شوند. ذرات کوچکتر (کوچکتر از 2.5 ميکرومتر) و نانوذرات ممکن است وارد کيسه‌هاي هوايي شوند، که ناحيه مبادله گاز در ريه مي‌باشند. جهت تسهيل جذب اکسيژن و دفع دي‌اکسيد کربن، تمام غشاها و سلول‌ها در اين قسمت از ريه، نازک و آسيب‌پذير بوده و هيچ‌گونه لايه حفاظتي ندارند. تنها مکانيسم حفاظتي در اين قسمت از طريق ماکروفاژها مي‌باشد. 3- ماکروفاژها سلول‌هاي بزرگي هستند که اشياي خارجي را بلعيده و از طريق جابه‌جا کردن آنها، به عنوان مثال به سوي گره‌هاي لنفاوي، آنها را از کيسه‌هاي هوايي خارج مي‌کنند. نانوذرات تا حد زيادي از اين سيستم حفاظتي رها شده و مي‌توانند وارد بافت‌هاي تنفسي گردند. ذرات و الياف باقي‌مانـده مي‌تواننـد با بافت‌هاي مخاطي ريوي بر هم كنش داده و منجر به ايجاد التهاب شديد، زخم و از بين رفتن بافت‌هاي ريوي گردند. اين وضعيت ريه‌ها شبيه حالت به وجود آمده در بيماري‌هايي همچون بيماري باکتريايي ذات‌الريه، يا بيماري‌هاي ريوي صنعتي مهلک همانند سيليکوسيس يا آزبستوسيس مي‌باشد. سيليکوسيس و آزبستوسيس با وجودي که بيماري‌هاي سيليکوسيس و آزبستوسيس از طريق نانوموادي که به روش تکنيکي توليد شده‌اند به وجود نمي‌‌آيند، اما منشا ايجاد اين بيماري‌ها، تنفس موادي شبيه نانوذرات است که اطلاعات قديمي در مورد اثرات زيان‌بخش آنها بر روي سلامتي وجود دارد. سيليکوسيس زماني ايجاد مي‌شود که گرد و غبار حاوي سيليس به مدت طولاتي به درون ريه تنفس شود. سيليس بلوري براي سطح بيروني ريه سمي مي‌باشد. زماني که سيليس بلوري در تماس با ريه قرار مي‌گيرد اثرات التهابي شديدي به وجود مي‌آيد. در مدت زمان طولاني اين التهاب باعث مي‌شود تا بافت ريه به طور برگشت‌ناپذيري آسيب‌ديده و ضخيم شود که اين پديده به نام فيبروسيس ناميده مي‌شود. سيليس بلوري عموما در ماسه‌سنگ، گرانيت، سنگ لوح، زغال سنگ و ماسه سيليسي خالص وجود دارد. بنابراين افرادي همچون کارگران کارخانه‌هاي ذوب فلزات، سفال‌گران و كارگراني كه با ماسه كار مي‌كنند، در معرض خطر قرار دارند. سيليس بلوري از سوي سازمان بهداشت جهاني به عنوان يک ماده سرطانزا معرفي شده است. الياف پنبه نسوز داراي طول چند ميکرومتر مي‌باشند و در نتيجه جزء نانومواد قرار نمي‌گيرند. با اين‌ حال جزء ذرات و الياف مجموعه امراض شغلي قرار مي‌گيرند. پنبه نسوز يک فيبر معدني طبيعي است که در بيش از 3000 ماده ساختماني و محصول توليد شده به کار گرفته شده است. تمام انواع پنبه نسوز تمايل به خرد شدن به الياف بسيار ريز دارند. به دليل کوچک بودن، اين الياف پس از پخش شدن در هوا ممکن است به مدت چند ساعت يا حتي چند روز معلق بمانند. الياف پنبه نسوز تخريب‌پذير نبوده و در طبيعت پايدار مي‌باشند. اين الياف در مقابل مواد شيميايي پايدار هستند، تبخير نمي‌شوند، در آب حل نمي‌شوند و در طول زمان تجزيه نمي‌گردند. پنبه نسوز موجب ايجاد سرطان ريه و مزوتليوما مي‌شود که نوعي تومور خطرناك غشايي است که ريه را مي‌پوشاند . آلودگي ذره‌اي هوا در مشاغل ديگري همچون توليد و فرآوري کربن سياه و الياف مصنوعي نيز موجب ايجاد نگراني مي‌شود. آلودگي ذره‌اي هوا آلودگي هوا مخلوط كمپلكسي از تركيبات مختلف در فاز گاز، مايع و جامد است. خود مواد ذره‌اي مخلوطي ناهمگن از ذرات معلق هستند که ترکيب شيميايي و اندازه آنها متفاوت است. در مطالعات اپيدمي‌شناسي، انواع مختلفي از آلودگي‌هاي ذره‌اي هواي معـرفي شـده‌اند کـه از آن جمـله ميـتـوان بـه TPS (مجموع مواد معلق) و PM 10 (مواد ذره‌اي با قطر موثر آئروديناميک کمتر از 10 ميکرومتر) اشاره کرد. در سال‌هاي اخير مطالعات زيادي در زمينه مواد ذره‌اي ريز PM 2.5 (ذراتي با قطر آئروديناميک کمتر از 2.5 ميکرومتر) و فوق ريز (ذرات با قطر کمتر از 100 نانومتر) انجام گرفته است. با وجودي که ميزان خالص آلودگي‌ ذره‌اي هواي شهري (يعني مقدار PM 2.5)، با کم شدن نشر ذرات از صنايع و مراکز توليد انرژي کاهش يافته است، غلظت ذرات فوق‌ريز ناشي از ترافيک افزايش يافته است. هر چند غلظت اين ذرات کوچک معمولاً مهمتر است اما سهم آنها معمولاً پايينتر از غلظت کل است. بنابراين اندازه‌‌گيري توزيع اندازه ذرات تا چند نانومتر ، براي توصيف ذرات پخش‌شده از ترافيک ضروري است. با توسعه روش‌هاي اندازه‌گيري آثار روشن‌تري از ذرات با اندازه کوچک‌تر مشاهده گرديد. با اين‌حال، بسياري از مطالعات هنوز ادامه دارند و تعداد بسيار کمي از آنها تاکنون به نتيجه رسيده‌اند. پيشنهاد شده است که اثرات زيان‌آور آلودگي ذره‌اي هوا به طور عمده به غلظت ذرات کوچک‌تر از 100 نانومتر ارتباط دارد و به غلظت جرمي ذرات بزر‌گ‌تر بستگي چنداني ندارد. بنابراين معقول به نظر مي‌رسد که اطلاعات به دست آمده از اپيدمي‌شناسي محيطي را با داده‌هاي حاصل از مطالعات سم‌شناسي انجام گرفته بر روي حيوانات و يا ساير داده‌هاي تجربي ترکيب نماييم. مطالعات اپيدمي‌شناسي زيادي ثابت کرده‌اند که ارتباط مستقيمي بين افزايش مقطعي مواد ذره‌اي و افزايش بيماري و مرگ و مير ناشي از نارسايي‌هاي قلبي و عروقي وجود دارد. بيماران مسن‌تري که سابقه بيماري‌هاي قلبي و يا تنفسي دارند و همچنين بيماران ديابتي، در معرض خطر بيشتري قرار دارند. مدارک تجربي، مکانيسم‌هاي بيولوژيکي محتملي همچون تحريک دستگاه تنفسي و فشار اکسيدي جهازي را نشان مي‌دهند. در نتيجه اين تحريک‌ها، مجموعه‌اي از پاسخ‌هاي زيستي همانند موارد زير ممکن است ايجاد شوند: تغيير جريان خون به نحوي که موجب ايجاد انعقاد در قسمتي از رگ‌هاي خوني گردد، به هم خوردن آهنگ ضربان قلب، عملکرد نادرست و بحراني رگ‌ها، ناپايداري پلاکت‌هاي خوني، و در طولاني مدت توسعه تصلب شرايين، التهاب مزاجي و ريوي ناشي از ذرات، تصلب شرايين تسريع شده و عملکرد تغيير يافته ارادي قلب. اين موارد ممکن است بخشي از عوامل زيستي باشند که آلودگي ذره‌اي هوا را به مرگ و مير ناشي از بيماري‌هاي قلبي ارتباط مي‌دهند. همچنين نشان داده شده است که نشست ذرات در کيسه‌هاي هوايي شش‌ها منجر به فعال شدن توليد سيتوكين به وسيله ماکروفاژها و سلول‌هاي اپيتليال کيسه‌هاي هوايي گشته و موجب التهاب سلول‌ها مي‌شود. در نمونه‌هايي که به طور تصادفي از ميان بزرگسالان سالم در معرض آلودگي ذره‌اي هوا انتخاب شده بودند، افزايش ويسکوزيته پلاسما، فيبرينوژن و پروتئين فعال C مشاهده گرديد. خلاصه و چشم‌انداز بحث در مجموع مدارک بسيار زيادي حاصل از مطالعات اپيدمي‌شناسي وجود دارد که اثرات زيان‌آور ذرات فوق‌ريز را بر روي سلامتي نشان مي‌دهند. همچنين از مدت‌ها پيش مدارک زيادي مبني بر زيان‌آور بودن تنفس ذرات قابل تنفس در محيط‌هاي کاري وجود دارد. به طور کامل مشخص نيست که اين مسائل به نانومواد ساخت بشر مربوط است يا نه. با اين حال منطقي آن است تا زماني که بر اساس مطالعات بيشتر اپيدمي‌شناسي، همچنين مطالعات انجام شده بر روي حيوانات، اثرات زيان‌آور اين نانومواد کاملا مشخص نشده است، از اين داده‌ها چشم‌پوشي نکنيم. در حال حاضر هيچ قانوني در مورد توليد و کاربرد نانومواد براي سلامتي کارکنان و مصرف‌كنندگان و همچنين براي مسائل زيست‌محيطي وجود ندارد. همچنين در زمينه قانون‌گذاري براي مواد شيميايي، هيچ گزينه‌اي براي اندازه ذرات در هنگام ثبت يک ماده مدنظر قرار نمي‌گيرد. پيش از انجام هرگونه قانون‌گذاري در زمينه نانومواد، بايد اطلاعات بسيار زيادي راجع به اثرات فرآيندها و محصولات نانو، بر روي سلامتي انسان و همچنين محيط زيست به دست آيد. اما حتي با در نظر گرفتن عدم قطعيت علمي موجود، شواهد کافي براي انجام اقدامات پيشگيرانه در محيط‌هاي کاري و بسته وجود دارد  

نانو الكترونیك

نانو الكترونیك

در سال ۱۹۵۶ گوردون مور بنیان‌گذار اینتل تحلیلی ارایه كرد كه بر طبق آن هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورهای بكار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود كه نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیكونی در آن می‌تواند نتیجه این قوانین باشد. این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام‌آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت كوچكتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ كند و درنتیجه انرژی كمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یك تراشه سیلیكون جای می‌گرفت.

افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را كاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌تر این بود كه هر ترانزیستور تا حد امكان كوچكتر شود، این كوچك‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الكترونیك باید به فكر فناوریهای جایگزین بود، فناوری كه مشكلات گذشته را حل كرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و اینبار نانو تكنولوژی بود كه توانست به كمك الكترونیك بیاید و فناوری الكترونیك مولكولی یا همان نانو‌الكترونیك بنا نهاده شد. نانو تكنولوژی یك رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی كه به مرور در حال بهتر شدن است نانو تكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن مانند نانوالكترونیك درواقع تولید كارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در این مقیاس توسعه یافته است. صنعت الكترونیك امروزی مبتنی بر سیلیكون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می‌رسد و اكنون به مرحله‌ای رسیده است كه از لحاظ تكنولوژیكی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده است. در مقابل این فناوری، الكترونیك مولكولی قرار ارد كه در مراحل كاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الكترونیك سیلیكونی مطرح شود. الكترونیك مولكولی دانشی است كه مبتنی بر فناوری نانو بوده و كاربردهای وسیعی در صنعت الكترونیك دارد. با توجه به كاربردهای وسیع الكترونیك در محصولات تجاری بازار می‌توان با سرمایه‌گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الكترونیك در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سود‌دهی كلان محصولاتی بود كه جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌كنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد كه با سرمایه‌گذاری در این فناوری شاهد رشد و شكوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیكن با توجه به اهمیت نانوتكنولوژی و نیز نانو الكترونیك كه به عنوان یك شاخه كاربردی از نانو تكنولوژی مطرح است لزوم سرمایه‌گذاری كلان در درازمدت و ریسك‌پذیری و تشكیل مراكز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می‌شود.

برای پیشبرد فناوری نانو الكترونیك و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می‌شود كه با پیاده‌سازی این سه‌مرحله می‌توان نانو الكترونیك را جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی كرد ونسل جدیدی از محصولات الكترونیكی را وارد بازار ساخت.

● مرحله اول:
مولكولی در نظر گرفته می‌شود باید كاربردهایی ساده ارزان و غیر پیچیده‌ای باشند تا اطمینان نسبی به الكترونیك مولكولی ایجاد شده و سرمایه‌گذاری‌ها به سمت آن هدایت شود و از طرفی كارایی این فناوری ثابت شود. به بیان ساده وشفاف و مقایسه نسل جدید محصولات كه بر پایه این فناوری جایگزین شده‌اند، توجیه كاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف‌كنندگان می‌تواند به عنوان بهترین حامی اقتصادی در این مرحله باشد.
● مرحله دوم: تولیدات اولیه الكترونیك مولكولی (نانو الكترونیك) باید مكملی برای فناوری سیلیكون باشند اینگونه نباشد كه انقلابی رااز همان آغاز و ابتدا شروع كرده و این ادوات و فناوریهای جدید تافته جدا بافته باشد و هیچ ربطی به فناوری سیلیكونی نداشته باشد زیرا فناوری سیلیكونی یك صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالكترونیك را بتوان مكملی برای فناوری سیلیكونی بكار برد شاهد پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در این فناوری نوپا بوده و جایگزین مناسبی برای نسل آینده محصولات الكترونیكی در نظر گرفته شده است.
● مرحله سوم: مرحله سوم مبحث كاملاً جدیدی است كه اصلاً در دسترس فناوری سیلیكون نبوده و نانوالكترونیك می‌تواند بعد از طی مراحل اول و دوم به آن بپردازد، یك مثال ساده وروشن این موضوع، نمایشگرها هستند، نمایشگرهای متداول كاملاً سخت و غیرقابل انعطاف هستند ولی با استفاده از الكترونیك مولكولی ومولكول‌هایی كه در صفحه نمایش استفاده داشته باشد بنابر این كابرد‌هایی وجود دارد كه از دسترس فناوری سیلیكون، آن هم بخاطر جامد و كریستالی بودن ذاتی‌اش دور بوده و برای الكترونیك مولكولی قابل دستیابی است. وقتی كه نانو الكترونیك جا افتاد و وارد بازار محصولات الكترونیك شد آنگاه می‌توان نسل جدیدی از محصولات را به دست آورد كه شامل پردازندهایی ۱۰۰۰ مرتبه سریعتر از نوع امروزی باشند. اگر این مرحله با موفقیت طی شود حدوداً یك دهه طول خواهد كشید تا نسل جدید محصولات الكترونیكی مبتنی بر الكترونیك مولكولی یا الكترونیك در ابعاد نانومتر (نانو الكترونیك) ظهور یابد.
● بررسی امكانات موجود: برای ساخت ابزارهای مولكولی باید دید از چه چیزهایی می‌توان استفاده كرد،‌وسایلی كه در اختیار است و تاكنون مدنظر بوده است به شرح ذیل هستند: ـ نانو لوله‌ها ـ حلقه‌های بنزنی ـ پلیمرها ـ DNA
● نانو لوله‌ها: اگر یك صفحه تخت گرافیكی مدنظر باشد و به شكلی بتوان آن را به صورت نواری در نظر گرفت و لوله كرد یك نانو لوله مفروض به دست می‌آید كه ساختار آن همان ساختار گرافیت بوده و یك هگزاگونال است. این ماده در سال ۱۹۹۱ در ژاپن كشف شده و به علت خصوصیات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. یك خاصیت جالب این مواد آن است كه بر حسب اینكه در چه جهتی خم شود دارای خاصیت نیمه‌هادی و یا فلزی می‌شود. قطر یك نانو لوله كمتر از ۲ نانومتر است و از این نانو لوله می‌توان به عنوان یك سیم كوانتومی یا یك سیم غیرفعال استفاده كرد به عنوان مثال این لوله می‌تواند به عنوان یك سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یك الكترود به الكترود دیگر عمل كند كه این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می‌تواند باشد. نانو لوله دارای خاصیت فلزی است این خاصیت رسانش نه فقط در طول بلكه در عرض نانو لوله نیز وجود دارد برای حالت سیمهای مولكولی غیرفعال، بهتر است كه نانو لوله دارای خاصیت رسانش باشد، اگر باشد، نانو لوله دارای گاف انرژی خواهد بود كه شبیه نیمه هادی خواهد شد. اگر نانو لوله كربنی روی سطحی قرار داده شود و نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) رابه سطح آن نزدیك شود، چنانچه ولتاژی را بین بستری كه نانو لوله روی آن قرار دارد و نوك STM اعمال شود جریانی عبور خواهد كرد، بر حسب مقدار جریانی كه عبور می‌كند، می‌توان تشخیص داد كه گاف انرژی چقدر است.
● حلقه بنزنی:
حلقه‌های بنزنی به خاطر چگالی حالت بالا كه بر روی حلقه‌های خود دارند جانشینی برای سیمهای كوانتومی در نظر گرفته می‌شود.
● پلیمرها: از نمونه‌هایی كه به عنوالن سیمهای مولكولی فعال یا غیرفعال می‌توان نام برد پلی‌تیوفن (PT) یا پلی‌انیلین است كه داخل یك سیكلود كسترین۱ (CD) قرار گرفته باشد این دو ماده در اصل پلیمرهایی هستند كه به عنوان قسمتهای هادی سیم بكار می‌روند این پلیمرها شبیه حلقه‌ بنزنی است كه به همدیگر چسبیده‌اند و دو سر آن به دو الكترود طلا وصل شده است. اتصالات سیمهای مولكلولی به الكترودهایش توسط اتم‌های گوگرد برقرار می‌شود سطحی كه این پلیمر بر روی آن قرار می‌گیرد ممكن است قسمتی از جریان را بكشد یعنی اینكه یك جریان اتلافی داشته باشد برای اینكه مانع از این جریان اتلافی شد باید این سیم را داخل یك حفاظ مولكولی قرار داد این حفاظ نیز شبیه نانو لوله كربنی است اما دارای قطر بسیار بزرگتر و ساختار پیچیده‌تری است لذا این لوله مولكولی مانع عبور جریان اتلافی از دیواره‌های سیم و انتقال آن به سطح تماس می‌شود.

● DND:
DNA نمونه‌ای از سیم‌های فعال است. ساختمان DNA كاملاً شناخته شده است و به طور خودكار این ساختمان ایجاد می‌شود، برای تولید آن مانند پلیمرها مشكلی وجود ندارد فقط باید خواص آن مورد بررسی قرار گیرد تا متوجه چگونگی تغییرات آن شد برای این منظور به ذكر مثالی پرداخته می‌شود: به منظور استفاده از DNA برای محاسبه جریان بر حسب ولتاژ، یك فاصله ۸ نانومتری بین دو الكترود پلاتین مفروض می‌شود، پس با اعمال یك ولتاژ می‌توان جریان را محاسبه كرد. نكته‌ای كه از شكل بالا برداشت می‌شود این است كه نمودار جریان بر حسب ولتاژ نموداری نامتقارن است، یعنی اینكه جریان برای ولتاژی مثلاً بین ۱- و ۲ ولت اجازه عبور ندارد در حالی كه برای ۲- و ۱- جریان می‌تواند عبور كند و این یعنی اینكه DNA می‌تواند عمل یكسوسازی را انجام دهد. در مورد هدایت از داخل DNA سه نظریه مد نظر است، یكی اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف خیلی بزرگ است. دیگر اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف كوچك ونیز اینكه DNA دارای خاصیت فلزی است. موضوع در اصل این است كه DNA ماده بسیار پیچیده‌ای است كه شرایط محیطی به شكل بسیار زیادی می‌تواند بر روی خواص آن تاثیر بگذارد یكی از این شرایط محیطی موثر حضور آب است، DNA‌یی كه در محیط خشك باشد با DNAیی كه در محیط مرطوب باشد بسیار متفاوت است. لذا با توجه به شرایط محلی حاكم بر DNA نمی‌توان یك نتیجه قطعی در مورد اینكه DNA فلز است یا نیمه فلز بیان كرد اما آنچه كه مسلم است این است كه DNA یك نیمه هادی با گاف بزرگ است. در حالت عادی یونهایی وجود دارد كه با دستكاری آنها می‌توان خواص هدایتی DNA را تغییر داد یعنی می‌توان امید داشت كه با افزودن یونهایی بتوان حتی آن را به فلز تبدیل كرد یك نكته جالب دیگر این است كه می‌توان از DNA به عنوان قالب استفاده كرد و در مكانهای مشخصی روی DNA یكسری فلزات را قرار داد تا یك سیم فلزی دور DNA ایجاد شود. در این حالت DNA به عنوان قالبی برای پایدار نگه داشتن سیم مورد نظر استفاده قرار گیرد. بررسی پایداری DNA با توجه به شرایط محلی حاكم بر سیستم نیز امكان‌پذیر است. هدایت DNA در دو مسیر مشخص صورت می‌گیرد. وقتی DNA را به عنوان هدایت‌كننده جریان در نظر گرفته شده یك بار می‌تواند در جهت موازی محورش جریان را عبور دهد و یك بار نیز می‌تواند عمود بر محورش جریان را عبور دهد، حال برای هدایت در جهت عمود بر محور می‌توان اینگونه فرض كرد كه وقتی نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) در بالای DNA قرار می‌گیرد جریان به شكل عمود از جفت‌های بازی كه وجود دارد وارد نوك STM می‌شود این كار می‌تواند هم به عنوان آزمایشی برای دیدن تصویر DNA و هم برای اندازه‌گیری عبور جریان جفت‌های بازی به كار رود ومی‌توان بدین شكل رسانش AT و CG (جفت‌های بازهایی كه در مارپیچ DNA وجود دارند) را محاسبه كرد.
DNA می‌تواند یك ابزار در تولید محصولات نانو‌الكترونیك كاربرد‌های فراوانی داشته باشد، با توجه به اینكه DNA به طور طبیعی در طبیعت و سلولهای موجودات زنده وجود دارد می‌توان از آن در تولید دیگر محصولات نانوتكنولوژی همانند نانوموتورها سود جست. كنترل و پایداری DNA نیز با توجه به خواص ذاتی و محلی آن امكان‌پذیر بوده و جای تامل و بحث دارد.
● نتیجه‌گیری: ۱ـ آنچه كه مسلم است، الكترونیك مولكولی دارای آینده‌ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تكامل است. از این رو توجه خاصی را می‌طلبد.
۲ـ نتایج عملی رشد و توسعه شاخه‌های نانوتكنولوژی مانند نانوالكترونیك سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد كه در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل كاملاً جدیدی با قابلیت‌های منحصر به فرد خواهد بود.
۳- نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار كارآمد در تولید محصولات نانوالكترونیك از اهمیت خاصی برخوردارند، ولیكن در این میان DNA به دلیل داشتن خواص محلی و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهمیت بیشتری برخوردار است.
۴- با توجه به دو شاخص تعداد مقالات علمی و اختراعات ثبت‌شده، در نانو تكنولوژی می‌توان نتیجه گرفت كه این شاخصها می‌توانند اطلاعاتی مفید در مورد تكامل این فناوری را نشان دهند و برای طرح برنامه‌ها و استراتژیها مناسب باشند.
۵- نانوتكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك به عنوان پدیده‌هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تكنولوژیكی را دارد. با توجه به اینكه هم‌اكنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش‌بینی اینكه كدامیك از محصولات آینده بهتری دارند (از نظر رقابتی) نیاز به بررسی بیشتر شاخصهای این فناروی در بخشهای صنعت و زیرمجموعه‌های این فناوری دارد.
۶- با توجه به اهمیت فناری نانو و كاربردهای روزافزون آن در دنیا باید تحقیقات دانشگاهی و دولتی تواماً صورت گیرد و به علت اینكه اهداف تحقیقاتی این فناوری پایه‌ای و درازمدت است بخش صنعت توان سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقات درازمدت و مخاطره‌آمیز را نداشته، از این رو حمایت دولتمردان به عنوان پشتوانه‌ای مهم در این فناوری خواهد بود علاوه بر این ایجاد ساختارهای جدید در دانشگاهها و آزمایشگاههای ملی برای توسعه این فناوری لازم است نیازمندیها و انتظارات فناوری نانو و شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك فراتر از تمامی چیزهایی است كه مقررات سنتی دانشگاهی، آزمایشگاهی ملی و یا حتی تمام صنعت می‌تواند فراهم كند و به خاطر همین مشكلات است كه یك حركت و اندیشه ملی پایه‌ریزی و با حمایت دولتی در زمینه این فناوری حیاتی به نظر می‌رسد. با توجه به پتانسیل‌های موجود ایران در زمینه مهندسی الكترونیك، لزوم یك مركز R&D دولتی كه به حمایت محصولات تولیدی الكترونیكی صنایع پرداخته و بتواند در آینده بازار تجاری محصولات نانو‌الكترونیك را به دست بگیرد به شدت حس می‌شود و اگر تدبیری اندیشیده نشود متاسفانه باید گفت كه همانند گذشته باید مصرف‌كننده خوبی بوده و شاهد سودهای كلان تجاری دیگر كشورها و سرمایه‌گذاران بود.