ابعاد نانو

ابعاد نانو و فناوری نانو

پیشوند "نانو" برگرفته از واژه یونانی "نانوس (nanos)" به معنای قدکوتاه (dwarf) است. در دنیای علم، نانو به عنوان یک پیشوند اندازه‌گیری به کار می‌رود که به مقیاس بسیار کوچک 10 به توان منفی 9 (10^-9) متر اشاره دارد. این یعنی یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است؛ مقیاسی که در آن ساختارها و پدیده‌ها خواصی بسیار متفاوت از حالت ماکروسکوپی از خود نشان می‌دهند. امروزه نانو نه فقط به‌عنوان یک پیشوند اندازه، بلکه به‌عنوان بخشی از واژه‌هایی نظیر نانومتر، نانوفناوری، نانوساختار، نانولوله، نانوربات و نانوسیم وارد فرهنگ علمی و عمومی شده است.

جدول 1. پیشوندهای اندازه در مقیاس متریک:

ابعاد مواد نانو چیست

مفهوم فناوری نانو

فناوری نانو به بررسی، طراحی، ساخت و کاربرد مواد و ساختارهایی در ابعاد نانومتری (1 تا 100 نانومتر) می‌پردازد. برای درک این مقیاس، کافی‌ است بدانید قطر یک تار موی انسان حدود 60000 نانومتر است، در حالی که یک نانومتر تقریباً برابر با طول 10 اتم هیدروژن کنار هم یا 5 اتم سیلیکون است.

در این ابعاد، مواد خواصی کاملاً متفاوت از حالت ماکروسکوپی دارند. به عنوان مثال، طلا در مقیاس نانو به جای رنگ زرد متالیک به رنگ قرمز یا بنفش دیده می‌شود، کربن می‌تواند به صورت نانولوله‌ها بسیار رسانا و مستحکم باشد، و نقره خاصیت ضدباکتریایی از خود نشان می‌دهد. علت این تفاوت در خواص، به افزایش نسبت سطح به حجم، کوانتیده شدن انرژی‌ها، و غلبه نیروهای سطحی نسبت به نیروهای حجمی در این ابعاد بازمی‌گردد.

ساختارهای طبیعی در مقیاس نانو

جهان طبیعت سرشار از ساختارهای نانومتری است. از جمله این ساختارها می‌توان به پروتئین‌ها، ویروس‌ها، DNA، غشای سلول‌ها و حتی ترکیب‌های غذایی مانند شیر (که یک کلوئید نانومقیاس است) اشاره کرد. یکی از مثال‌های جذاب استفاده موجودات زنده از فناوری نانو، مارمولک است. مارمولک‌ها می‌توانند به راحتی روی دیوار و حتی سقف راه بروند، و این قابلیت به دلیل وجود نانوبرآمدگی‌هایی در پنجه‌های آن‌ها است که به ایجاد نیروی واندروالس بین پا و سطح کمک می‌کند.

ابزارهای نانوتکنولوژی

پیشرفت فناوری در حوزه ابزارهای تحلیل و بررسی ساختارها، مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و روبشی (SEM)، موجب توانایی مشاهده، اندازه‌گیری و دستکاری ساختارها در مقیاس نانو شده است. بدون این ابزارها، دستیابی به دانش نانویی و توسعه کاربردهای آن ممکن نبود.

تولد علم نانو

مفهوم اولیه فناوری نانو را ریچارد فاینمن، فیزیک‌دان برجسته، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان "فضای زیادی در پایین وجود دارد (There is Plenty of Room at the Bottom)" مطرح کرد. او در آن سخنرانی گفت: "چه می‌شود اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی‌یکی آن‌طور که می‌خواهیم مرتب کنیم؟" این دیدگاه انقلابی به مرور موجب شکل‌گیری شاخه‌ای نوین از علم شد که به آن نانوفناوری می‌گوییم.

تفاوت ساختار و خواص در ابعاد نانو

یکی از نکات کلیدی فناوری نانو این است که خواص یک ماده فقط به نوع اتم‌های سازنده‌اش بستگی ندارد، بلکه نحوه چیدمان این اتم‌ها نیز تأثیر اساسی دارد. برای مثال، الماس و گرافیت هر دو از کربن تشکیل شده‌اند، اما الماس سخت‌ترین ماده طبیعی و عایق الکتریسیته است، در حالی که گرافیت نرم و تا حدی رساناست. این تفاوت فقط به دلیل تفاوت در نحوه اتصال و زاویه پیوندهای بین اتم‌های کربن است. در الماس، اتم‌ها با زاویه حدود 109.5 درجه در ساختاری تتراهدرال چیده شده‌اند، در حالی که در گرافیت این زاویه حدود 120 درجه در ساختار شش‌ضلعی لایه‌ای است.

چیدمان و مهندسی اتمی

با توسعه ابزارهای دقیق در سطح نانو، دانشمندان توانسته‌اند چیدمان اتم‌ها را تغییر داده و مواد جدید با خواص هدفمند بسازند. این فرآیند که "دستکاری اتمی" یا "manipulation" نام دارد، اساس طراحی نانوساختارها را تشکیل می‌دهد. هدف اصلی از دستکاری در سطح اتمی، طراحی موادی با ویژگی‌های خاص برای کاربردهای متنوع در پزشکی، الکترونیک، محیط زیست، انرژی و حتی کشاورزی است.

کاربردهای فناوری نانو

کاربردهای نانوفناوری روزبه‌روز در حال گسترش است. از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. پزشکی: دارورسانی هدفمند با نانوذرات، تصویربرداری پیشرفته، طراحی بافت مصنوعی و تشخیص زودهنگام سرطان.

2. الکترونیک: ساخت تراشه‌های فوق ریز با سرعت بالا و مصرف انرژی پایین.

3. محیط زیست: تصفیه آب با استفاده از نانوفیلترها، حذف آلاینده‌های هوا و بازیافت کارآمدتر.

4. کشاورزی: نانوکودها، نانوحشره‌کش‌ها و ابزارهای دقیق کنترل آفات.

5. انرژی: افزایش راندمان سلول‌های خورشیدی، ذخیره‌سازی پیشرفته انرژی در باتری‌ها و ابرخازن‌ها.

کار با نانو‌مواد

بدون تردید، با دستانی که ابعادی در حدود میلیون‌ها نانومتر دارند، نمی‌توان به طور مستقیم با ذرات و ساختارهای نانویی که در مقیاسی بسیار کوچک‌تر قرار دارند، کار کرد. این وضعیت مانند آن است که بخواهیم با قاشقی به طول ۱۰۰ متر غذا بخوریم! خوشبختانه با پیشرفت چشمگیر در توسعه و ساخت میکروسکوپ‌های الکترونی، اکنون قادر هستیم نه تنها نانوذرات را مشاهده کنیم، بلکه حتی ساختارهای دلخواه در مقیاس اتمی را نیز طراحی و ایجاد نماییم.

در واقع، شاید بهتر باشد این ابزارها را به جای "میکروسکوپ"، "نانوسکوپ" بنامیم؛ چرا که توانایی آن‌ها فراتر از مشاهده در مقیاس میکرو و به دقت نانومتری رسیده است. برخی از مهم‌ترین انواع این میکروسکوپ‌ها عبارت‌اند از:

• میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM: Atomic Force Microscope)

• میکروسکوپ پروب روبشی (SPM: Scanning Probe Microscope)

• میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM: Scanning Tunneling Microscope)

ایده اصلی در میکروسکوپ‌های الکترونی، استفاده از پرتوهای الکترونی به جای نور مرئی است. دلیل این انتخاب، طول موج بسیار کوتاه‌تر الکترون‌ها نسبت به نور مرئی است، که به ما امکان مشاهده ساختارهایی در ابعاد زیر ۱ نانومتر را می‌دهد. این میکروسکوپ‌ها همچنین از اثرات کوانتومی و تعاملات الکترونی برای مشاهده و حتی دستکاری مستقیم اتم‌ها و مولکول‌ها بهره می‌برند.

یکی از نمونه‌های مشهور از این قابلیت، مربوط به «دان ایگلر» (Don Eigler)، محقق شرکت IBM است که با استفاده از STM توانست موقعیت اتم‌های منفرد را تغییر داده و واژه‌ی "I-B-M" را در مقیاس اتمی با چینش اتم‌ها بنویسد—کاری که بیش از یک نمایش تکنولوژیکی، اثباتی بر ورود بشر به عصر طراحی در مقیاس اتمی بود.

از جمله کاربردهای کلیدی چنین فناوری، کنترل ساختار مولکولی و چینش اتمی مواد است. این کنترل، امکان توسعه‌ی فناوری‌هایی نظیر رشد لایه‌های اتمی بر روی سطوح دیگر (لایه‌نشانی اتمی یا ALD)، کوچک‌سازی ترانزیستورها، دارورسانی هدفمند (نانو دارو) و طراحی مواد با ویژگی‌های خاص را فراهم می‌سازد.

کاربردهای نانو‌مواد

یکی از پرکاربردترین جلوه‌های فناوری نانو، نانوالیاف‌ها هستند که به طور گسترده در صنایع نساجی و پوشاک وارد شده‌اند. احتمالاً با اصطلاحاتی مانند "لباس نانو"، "پیراهن ضد لک" یا "شلوار همیشه تمیز" در بازار مواجه شده‌اید. یا شاید فرش‌ها، کیف‌ها و چمدان‌هایی را دیده‌اید که با وعده‌ی ضد گرد و غبار و آلودگی عرضه می‌شوند. این محصولات به طور معمول با استفاده از پوششی موسوم به nano-whiskers ساخته می‌شوند.

این نانوالیاف، دارای سطح بسیار وسیعی در ابعاد نانومتری هستند که نه‌تنها از عبور ذرات گرد و غبار جلوگیری می‌کنند، بلکه لایه‌های درونی پارچه را از آلودگی محفوظ نگه می‌دارند.

از دیگر ویژگی‌های شگفت‌انگیز نانوپوشش‌ها، آب‌گریزی (Hydrophobicity) آن‌هاست. سطوح پوشش‌داده‌شده با نانوذرات آب‌گریز، اجازه‌ی خیس شدن به مولکول‌های آب نمی‌دهند. در عوض، آب به شکل قطره‌های کروی روی سطح جمع می‌شود و به‌راحتی می‌لغزد و می‌افتد. این فناوری امروزه در محصولات مختلفی مانند پوشش‌های نانو برای بدنه خودروها، لباس‌ها و سطوح شیشه‌ای استفاده می‌شود. این پوشش‌ها معمولاً با استفاده از لایه‌نشانی به روش پلاسما یا پوشش‌دهی به روش سل-ژل تولید می‌شوند.

در کنار نانوالیاف، نانوساختارهای کربنی نیز نقشی کلیدی در توسعه فناوری نانو ایفا می‌کنند. دو نمونه‌ی مشهور این ساختارها عبارت‌اند از:

• گرافن (Graphene): یک صفحه‌ی دو‌بعدی و تک‌لایه از اتم‌های کربن با چیدمان لانه‌زنبوری. این ماده، بسیار سبک، فوق‌العاده مقاوم، دارای رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و انعطاف‌پذیر است.

• نانولوله‌های کربنی (Carbon Nanotubes): لوله‌هایی نانومتری از اتم‌های کربن با خواص مکانیکی و الکترونیکی بی‌نظیر. این ساختارها می‌توانند در ساخت صفحات نمایشگر، حسگرها، باتری‌ها و تجهیزات پزشکی کاربرد داشته باشند.

نانو‌الکترونیک

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای فناوری نانو، تأثیر چشمگیر آن در پیشرفت صنعت الکترونیک، به‌ویژه در ساخت ترانزیستورهای فوق ریز است. ترانزیستور، قلب هر مدار الکترونیکی و به‌ویژه تراشه‌های پردازنده (CPU) است. با کوچک‌سازی ترانزیستورها، می‌توان تعداد بیشتری از آن‌ها را در یک تراشه‌ی ثابت جای داد، که این امر باعث افزایش توان پردازشی، کاهش مصرف انرژی، و کاهش تولید گرما می‌شود.

برای مثال، شرکت AMD موفق به ساخت تراشه‌هایی با لیتوگرافی ۷ نانومتری شده و شرکت‌های طراحی تراشه بر اساس معماری ARM نیز وعده‌ی تولید تراشه‌هایی با لیتوگرافی ۵ نانومتری را داده‌اند.

با این حال، کوچک شدن بیش از حد ترانزیستورها با چالش‌هایی از جمله پدیده تونل‌زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) مواجه می‌شود که می‌تواند باعث نشت جریان و از بین رفتن اطلاعات شود. یکی از راه‌حل‌های نوآورانه برای عبور از این مشکل، توسعه تراشه‌های چند لایه‌ای (3D ICs) است. در این روش، به جای قرار دادن ترانزیستورها در یک سطح دو بعدی، آن‌ها را در چندین لایه روی یکدیگر قرار می‌دهند که به افزایش چگالی محاسباتی کمک می‌کند.

این دستاوردها در راستای حفظ قانون مور (Moore’s Law) است، قانونی که می‌گوید: تعداد ترانزیستورهای یک تراشه در یک سطح ثابت، هر دو سال یک بار دو برابر می‌شود.

نانو‌ماشین‌ها و نانوربات‌ها

یکی از هیجان‌انگیزترین چشم‌اندازهای فناوری نانو، ساخت ماشین‌های فوق‌ریز در مقیاس اتمی است. این ماشین‌ها شامل چرخ‌دنده‌ها، کلیدها، پمپ‌ها و حتی موتورها می‌شوند که همگی از چند اتم یا مولکول ساخته شده‌اند. ترکیب این اجزاء می‌تواند منجر به تولید نانو‌ربات‌ها (Nanobots) شود.

نانوربات‌ها می‌توانند نقش انقلابی در پزشکی هوشمند ایفا کنند. برای مثال، نانوربات‌های حامل دارو قادرند با دقت بالا از طریق جریان خون حرکت کرده و به نقاطی از بدن برسند که دسترسی به آن‌ها با روش‌های سنتی غیرممکن است—مانند مغز، بافت‌های سرطانی یا داخل سلول‌ها.

از نکات شگفت‌انگیز نانوربات‌ها این است که آن‌ها برای حرکت نیازی به موتورهای بزرگ یا نیروی خارجی ندارند. آن‌ها با بهره‌گیری از نیروهای بین مولکولی نظیر نیروی الکترواستاتیکی کولنی قادر به حرکت و انجام کار هستند. به‌عنوان مثال، آرایشی از اتم‌های باردار می‌تواند در یک میدان الکترواستاتیکی به صورت کنترل‌شده جابه‌جا شود و عملکرد خاصی انجام دهد.

این فناوری در آینده می‌تواند به توسعه ابزارهایی منجر شود که درون بدن به تشخیص زودهنگام بیماری‌ها، ترمیم سلول‌های آسیب‌دیده، یا هدف‌گیری مستقیم سلول‌های سرطانی کمک کند—بدون آسیب به بافت‌های سالم.

نتیجه‌گیری

فناوری نانو، مرزهای علم و مهندسی را گسترش داده و زمینه را برای دگرگونی در بسیاری از حوزه‌های زندگی فراهم کرده است: از صنایع نساجی و الکترونیک گرفته تا پزشکی، انرژی، محیط زیست و حتی هوافضا. با اینکه روزانه نانو‌مواد و نانو‌ساختارهای جدیدی در تحقیقات علمی تولید می‌شوند، اما هنوز در ابتدای مسیر تحول‌آفرین این فناوری هستیم.

تسلط بر جهان نانو به معنای کنترل ماده در بنیادی‌ترین سطح ممکن است؛ جایی که آینده‌ی علم، مهندسی و زندگی روزمره رقم خواهد خورد.