نانوتکنولوژی چیه؟

احتمالاً بارها عبارت‌هایی نظیر نانو تکنولوژی، ساختار نانو، مقیاس نانو و … به گوشتان خورده است. با شنیدن این عبارات چه چیزی در ذهنتان شکل می‌گیرد؟ آیا درک شهودی مناسبی از کلمه نانو (Nano) دارید؟ در این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده و به دور از فرمول و روابط فیزیکی و شیمیایی به معرفی مقیاس نانو بپردازیم.

مقیاس نانو

ما در مقیاس متر زندگی می‌کنیم و عموماً با ابزارهایی سروکار داریم که ابعاد نسبتاً قابل لمسی در حدود میلی‌متر تا متر دارند. به عبارت دیگر ما در دنیای ماکروسکوپی زندگی می‌کنیم. اما احتمالاً برایتان پیش آمده که عکس چشمان یک زنبور عسل، ذرات بسیار ریز گرد و غبار و … که توسط میکروسکوپ‌های الکترونی تهیه شده‌اند را در وب‌سایت‌ها یا مجلات دیده باشید. این تصاویر که در مقیاس میکرومتر گرفته می‌شوند، در واقع تا ۱ میلیون برابر توسط میکروسکوپ‌ها بزرگنمایی شده‌اند.

مقیاس نانو تا 1000 بار از مقیاس میکروسکوپی و تا 1 میلیارد بار از مقیاس متر (دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم) کوچک‌تر است. برای این که درک شهودی بهتری از مقیاس نانو داشته باشید، به طول و ابعاد موارد زیر دقت کنید:

ابعاد اتم: 0.1 نانومتر

اتم‌های یک مولکول: 0.15 نانومتر

ساختار DNA: حدود 2 نانومتر

پروتئین معمولی: حدود 10 نانومتر

ترانزیستورهای یک تراشه: بین 100 تا 200 نانومتر عرض

باکتری : حدود 200 نانومتر طول

موی انسان: قطری بین 50.000 تا 100.000 نانومتر

ضخامت کاغذ: حدود 100.000 نانومتر

میله دومتری: 2000 میلیون نانومتر

یک ساختمان 380 متری: 380.000 میلیون نانومتر

نانو مواد

مقیاس نانو مواد

علم نانو (تکنولوژی نانو)

در مقیاس متر و زندگی روزمره با چیزهایی سروکار داریم که به راحتی لمس و یا دیده می‌شوند. در دنیای ماکروسکوپی می‌توانیم پاسخ چرایی و چگونگی بسیاری از پدیده‌ها را بدون اینکه نیازی به بررسی مولکولی و یا اتمی آن‌ها باشد، بدهیم. اما برای پاسخ به بسیاری از سوال‌ها در خصوص چگونگی کارکرد یک سیستم میکروسکوپی یا رفتار یک ماده و … نیاز است تا با نگاهی دقیق‌تر سیستم را بررسی کنیم.

فرض کنید که عکسی هوایی (ماهواره‌ای) در دست داشته که قسمتی از آن به رنگ سبز است. با زوم کردن متوجه می‌شوید که این ناحیه سبز رنگ، چمن است. با ادامه بیشتر عمل زوم، کلروپلاست‌های (کپسول‌های سبز رنگ کوچک در گیاهان که می‌توانند از نور خورشید انرژی جذب کنند) موجود در چمن را می‌توانید ببینید. با زوم بیشتر نیز مولکول‌های ساخته شده از اتم‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن قابل رویت هستند. حال به اهمیت علوم نانو پی بردید؟! به کمک علم نانو می‌توانیم به نوع اتم‌های تشکیل دهنده یک ساختار مولکولی پی ‌ببریم. در واقع پاسخ بسیاری از سوالات از بررسی اتمی و مولکولی ساختارهای مختلف نتیجه می‌شود.

با درک علوم نانو و بررسی فیزیک پدیده‌های مختلف در مقیاس‌های اتمی و مولکولی و یا حتی ‌اتم‌آرایی به شکل دلخواه، نه تنها به چرایی و چگونگی رخ دادن بسیاری از پدیده‌ها پی می‌بریم، بلکه می‌توانیم ساختارهای نانو مقیاس را وارد دنیای فناوری و تکنولوژی جهت حل مشکلاتمان کنیم.

دقت کنید که متاسفانه در تجارت و بازار با عبارت‌هایی مواجه می‌شویم که اساساً از لحاظ علمی اشتباه هستند. به عنوان مثال شاید عبارت «جوراب‌های نانو» را زیاد شنیده باشید؛ از این عبارت اینگونه برداشت می‌شود که اندازه و مقیاس جوراب در حدود نانومتر است! این در حالی است که جوراب‌های مذکور تنها در میان بافت خود حاوی نانوذرات هستند.

مزایای مقیاس نانو

مواد در مقیاس نانو، ویژگی‌های جالب توجهی از خود نشان می‌دهند که در مقیاس‌های ماکروسکوپی و بزرگ از آن مواد مشاهده نمی‌شوند. به طور مثال فلز مس در مقیاس نانو شفاف است و یا فلز طلا که در حالت عادی از لحاظ ترکیب و یا واکنش شیمیایی غیرفعال است، در مقایس نانو بسیار فعال می‌شود. همچنین در مقاله «گرافن — به زبان ساده» دیدیم که کربن در حالت عادی گرافیت، بسیار نرم است و اگر به صورت نانولوله و یا گرافن در آید، خواص فوق‌العاده‌ای پیدا می‌کند.

به عبارت دیگر مواد در مقیاس‌های حدود نانومتر، خواص فیزیکی متفاوتی نسبت به حالت عادی از خود نشان می‌دهند. دلیل این امر را می‌توان اینگونه پاسخ داد که اتم و مولکول‌های مواد در مقیاس نانو، آزادی عمل بیشتری داشته که این امر روی خواص شیمیایی و در نتیجه خواص فیزیکی آن‌ها نیز تاثیر می‌گذارد. ساختارهای نانو مواد سطح بیشتری را در معرض پیوند با دیگر نانو ذرات قرار می‌دهند، از این حیث یکی از کاربردهای نانو مواد استفاده به عنوان کاتالیزور جهت افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی است.

یکی از دلایل تفاوت رفتار مواد در مقیاس‌های نانومتر و میکرومتر، تقاومت در عملکرد عوامل خارجی است. به طور مثال در مقیاس متر و دنیای ماکروسکوپی، گرانش مهمترین و نیرومندترین نیرویی است که با آن مواجه هستیم. نیرو گرانش بر هر چیزی که در اطراف خود مشاهده می‌کنیم اثر می‌گذارد. اما در مقیاس نانو، تاثیر این نیرو بسیار کمتر از نیروهای الکترومغناطیسی بین اتم‌ها و مولکول‌ها است. به طور خلاصه به نظر می‌آید قواعد بازی علم، زمانی که شما در مقیاس‌های کوچک نانومتری در حال کار هستید، متفاوت است.

کار با نانو مواد

بدون شک با دستان خالی که اندازه‌ای در حدود میلیون‌ها نانومتر دارند نمی‌توانید با ذرات و ساختار‌های نانو کار کنید. این امر به منزله خوردن غذا با قاشقی به طول ۱۰۰ متر است! با پیشرفت و توسعه میکروسکوپ‌های الکترونی به راحتی می‌توانیم نانوذرات را مشاهده و حتی ساختارهای دلخواه خود را ایجاد کنیم. البته بهتر است که از واژه نانوسکوپ به جای میکروسکوپ استفاده کنیم. اسامی این میکروسکوپ‌ها به قرار زیر است:

میکروسکوپ نیرو اتمی (Atomic Force Microscopes : AFM)

میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning Probe Microscopes : SPM)

میکروسکوپ تونل روبشی (Scanning Tunneling Microscopes : STM)

میکروسکوپ الکترونی

شماتیکی از مقایسه دو میکروسکوپ AFM و STM

ایده اصلی یک میکروسکوپ الکترونی، استفاده از پرتو الکترونی برای دیدن چیز‌هایی است که ابعادی کوچکتر از طول موج نور مرئی دارند. یک میکروسکوپ الکترونی از اثرات الکترونیکی و کوانتومی برای دیدن ذرات و ساختارهای نانو استفاده می‌کند. این میکروسکوپ‌ها همچنین دارای یک پروب بسیار کوچکی هستند که توانایی تغییر در ساختار مولکولی یا چینش اتمی را دارد. به طور مثال محققی به نام «دان ایگر» (Don Eigler) که در شرکت IBM کار می‌کرد، با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی STM توانست واژه I-B-M را با تغییر جایگاه اتم‌ها بنویسد.

 یکی از مهم‌ترین کاربردهای تکنولوژی نانو، توانایی کنترل یا تغییر در چینش اتمی و ساختار مولکولی مواد است که منجر به کاربردهای‌ فراوانی نظیر رشد لایه‌های اتمی بر روی دیگر سطوح (لایه نشانی)، کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، نانو دارو و … شده است.

کاربرد نانو مواد

یکی از کاربردهایی نانو تکنولوژی، نانوالیاف بوده که اخیراً در بازارهای تجاری موفق ظاهر شده است. احتمالاً در بازار، لباس‌هایی با عناوین مختلف نظیر پیراهن نانو و یا شلوار ضد لک را دیده باشید. فرش‌، پتو و یا کیف و چمدان‌های نانو با وعده‌هایی همیشه تمیز و ضد گرد و غبار چطور؟ تمامی این مواردی که نام بردیم در ساختار خود پارچه‌هایی با پوشش «nano whiskers» دارند. این الیاف سطح بسیار کوچکی داشته که ذرات گرد و غبار را از خود عبور نمی‌دهند.

در نتیجه لایه‌های پایینی و عمیق تمیز باقی می‌مانند. یکی دیگر از خواص جالب توجه نانوپوشش‌ها، آبگریزی است. منظور از آبگریزی این است که سطح مذکور خیس نمی‌شود و مولکول‌های آب روی آن شکل کروی به خود گرفته و به راحتی سر می‌خورند. اخیرا در بازار‌های تجاری تبلیغات نانو پوشش‌های آبگریز برای بدنه‌های خودر و لباس‌ها مشاهده می‌شود. اغلب برای تولید نانو پوشش‌ها از سیستم‌های لایه نشانی به کمک پلاسما استفاده می‌کنند.

سطح آب گریز

سطحی آبگریز شده توسط نانو پوشش‌ها

یکی دیگر از کاربردهای نانوتکنولوژی، تولید نانو ساختارهای کربنی است که در شکل‌های متفاوتی نظیر گرافن یا نانو لوله‌های کربنی ظاهر می‌شوند. گرافن ساختاری است که تنها از یک لایه اتم ساخته شده است. گرافن و نانولوله‌های کربنی ساختاری سخت و محکم، با رسانایی الکتریکی فوق‌العاده دارند، انعطاف پذیر و بسیار سبک هستند و هر کدام بسته به شرایط دارای کاربرد و استفاده مفیدی هستند. 

توجه داشته باشید که لیست کردن خواص تمامی نانو مواد و نانو ذراتی که روز به روز در تحقیقات دانشگاهی بر تعداد آن‌ها افزوده می‌شود، امری غیر ممکن است. ما در اینجا فقط اشاره‌ای به برخی از این کاربردها داشتیم

نانو 2

می‌خواهیم به هفت محصولی که هم‌اکنون در زندگی روزمره از آن استفاده می‌کنیم و حتی خودمان هم نمی‌دانیم که با فناوری نانو ساخته شده‌اند، بپردازیم:

کرم ضدآفتاب

سال‌هاست که کرم‌های ضدآفتاب با نانوذراتی ساخته می‌شوند تا موثرتر روی پوست عمل کنند. دو نوع خاص از نانوذرات به کرم‌های ضدآفتاب اضافه می‌شوند که دی‌اکسید تیتانیوم و اکسید روی هستند. این ذرات نه تنها جلوی نفوذ اشعه ماورای بنفش به پوست را می‌گیرد، بلکه روی پوست سبک‌تر هستند. به همین دلیل کرم‌های ضدآفتاب امروزی به ضخامت و چسبندگی کرم‌های ضدآفتاب ۳۰ سال پیش نیستند.

پوشاک

در صنعت نساجی از نانوذرات سیلیس استفاده می‌کنند تا پارچه‌هایی را تولید کنند که آب و مایعات دیگر به آن‌ها نفوذ نمی‌کنند. سیلیس را می‌توان به هر بافت پارچه‌ای اضافه کرد یا حتی آن را به سطح پارچه اسپری کرد تا روکشی از ضدآب روی آن تشکیل شود. بنابراین، اگر توجه کرده باشید بعضی از لباس‌ها از پارچه‌ای درست شده‌اند که آب درون‌شان نفوذ نمی‌کند و درواقع هیچوقت لک نمی‌شوند. شرکت‌های زیادی در حال استفاده از نانوافزودنی‌هایی هستند تا پارچه و درنهایت البسه‌هایی را تولید کنند که چروک نمی‌شوند، دوام رنگی بالایی دارند، ضداشتعال هستند و عملکرد حرارتی بهتری در مقابل گرما یا سرمای هوا دارند.

مبلمان

به همان روشی که می‌توان از طریق فناوری نانو لباس ضدآب و ضدعفونی شده درست کرد، می‌توان مبلمان و لوازم داخلی خانه را نیز تهیه کرد. حتی می‌توان با کمک نانوفیبر‌های کربن مبلمان یا لوازم داخلی خانه را به گونه‌ای ساخت که تا ۳۵ درصد میزان اشتعال‌پذیری آن کاهش می‌یابد.

چسب

از فناوری نانو همچنین برای بهینه‌سازی چسب استفاده می‌شود. جالب است بدانید که بیشتر چسب‌ها در درجه حرارت بالا چسبندگی خود را تا حد زیادی از دست می‌دهند. اما چسبی که با فناوری نانو ساخته می‌شود، نه تنها در درجه حرارت بالا مقاومت می‌کند، بلکه میزان چسبندگی‌اش بیشتر هم می‌شود.

پوشش رنگ خودرو

همه می‌دانیم که فضولات پرندگان زمانی که مدتی روی خودرو بمانند، رنگ آن را از بین می‌برد. در همین راستا شرکتی به نام نانورپل (Nanorepel) پوشش نانویی با کارآیی بالایی تولید کرده است که می‌تواند از رنگ خودرو در مقابل مدفوع پرندگان محافظت کند. این شرکت همچنین پوشش‌های نانویی تولید می‌کند که از صندلی و لوازم داخل خودرو در مقابل لکه‌ها و آلودگی‌ها محافظت می‌کند.

توپ تنیس

فناوری نانو تحولی نیز در دنیای تجهیزات ورزشی ایجاد کرده است که یکی از نمونه‌های بسیار خوب آن در تجهیزات ورزش تنیس است. توپ‌هایی که با کمک فناوری نانو ساخته می‌شوند دوام و عمر بسیار بالایی دارند. با کمک فناوری نانو همچنین راکت‌های تنیسی ساخته می‌شود که بسیار قوی‌تر هستند و مدت بیشتری عمر می‌کنند.

کامپیوتر

بی‌شک بدون فناوری نانو بسیاری از ابزار‌های الکترونیکی که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم، نخواهیم داشت. اینتل، پیشگام بلامنازع پردازنده‌های کوچک کامپیوتری است و با کمک فناوری نانو بهترین و سریع‌ترین پردازنده‌های دنیا را می‌سازد. آخرین نسل فناوری پردازنده این شرکت یک تراشه ۱۰ نانومتری است. وقتی فکر می‌کنید که یک نانومتر یک میلیاردم متر است، این موضوع شگفت‌انگیزتر به نظر خواهد رسید.