همه چيز درباره نانوتكنولوژي
۱۳۸۸/۱۰/۱۸
در دو دهه اخير پيشرفتهاي تكنولوژي وسايل و مواد با ابعاد بسيار كوچك به دست آمده و به سوي تحولي فوقالعاده پيش ميرود كه تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد كرد. براي احساس اندازههاي مادونريز، قطر موي سر انسان را كه يك دهم ميليمتر است در نظر بگيريد، يك نانومتر صدهزار برابر كوچكتر است10-9 متر. تكنولوژي و مهندسي در قرن پيشرو با وسايل، اندازهگيريها و توليداتي سروكار خواهد داشت كه چنين ابعاد مادون ريزي دارند. در حال حاضر فرايندهايي در ابعاد چند مولكول قابل طراحي و كنترل است. همچنين خواص مكانيكي، شيميايي، الكترونيكي، مغناطيسي، نوري و... مواد در لايهها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحليل و سنجش است. تكنولوژي در قرن گذشته در هرچه ريزتر كردن دانههاي بزرگتر پيشرفت چشمگيري داشت، بهطوريكه به مزاح گفته شد كه ديگر كشف ذرات ريز اتمي نه تنها جايزه نوبل ندارد بلكه به آن جريمه هم تعلق ميگيرد! تكنولوژي نو در قرن حاضر مسير عكس را طي ميكند. يعني مواد مادونريز را بايد تركيب كرد تا دانههاي بزرگتر كارامد به وجود آورد و اين معني همان روشي است كه در طبيعت بر توليد حاكم است. مجموعههاي طبيعي، تركيبي از دانههاي مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازههاي در حدود نانو است.
تاثير تحقيقات در فناوريهاي مادونريز, در درمان بيماريها و يا دستيافتن به مواد جديد ظهور يافته است. موارد بسياري در مرحله تحقيقات كاربردي و آزمايشي است. اكنون ساخت رايانههاي بسيار كوچكتر و ميليونها بار سريعتر در دستور كار شركتهاي تحقيقاتي قرار دارد.
در بياني كوتاه، نانوتكنولوژي فرايند توليد مولكولي است. همانطور كه طبيعت مجموعهها را بهطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روي هم مونتاژ كرده است، ما هم بايد براي توليد محصولات جديد، با اين اعتقاد كه هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست، نظير طبيعت راهي پيدا كنيم. البته منظور اين نيست كه چند هسته از مواد را پيدا كنيم و به رساندن انرژي و خوراك پس از چند سال يك نيروگاه از آن بسازيم كه شهري را برق دهد بلكه براي تركيب و تكامل خودكار توليدات مادونريز كه به نحوي در مجموعههاي بزرگتر مصرف دارد، راهي بيابيم. در اندازههاي مادونريز، روشها و ابزارآلات متعارف فيزيكي مانند تراشيدن و خم كردن و سوراخكردن و... پاسخگو نيستند.
براي ساختن ماشينهاي مولكولي بايد روش فرايندهاي طبيعي را دنبال كرد
با تهيه نقشههاي ساختاري بدن يعني آرايش ژنها و DNA كه ژنم ناميده شده است و به موازات آن دستيافتن به تكنولوژي مادونريز، در درازمدت تحولات بسياري در هستي ايجاد خواهد شد. توليد مواد جديد، گياهان، جانوران و حتي انسان هم متحول خواهد شد. اشكالات ساختاري موجودات در طبيعت رفع ميشود و با تركيب و خواص اورگانيك گياهان و جانوران، موجودات جديدي با خواص فوقالعاده و شخصيتهاي متفاوت بهوجود خواهد آمد. آينده علوم و مهندسي كه چند گرايشي است، به طرف توليد ماشينهاي مولكولي سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعههاي كارا از پيوندهاي اورگانيك و سايبريك را عرضه كند.
هستي را ميتوان به رايانه (سختافزار) و برنامه (نرمافزار)تشبيه كرد كه دو پديده مختلف اما ادغام شده هستند. سختافزار مصداق ماده (اغلب اتم هيدروژن) و نرمافزار يا برنامه، قابليت نهفته در خلقت است.
اتم بهنظر ساده و ابتدايي هيدروژن، طي ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليونها نوع آرايش مختلف را در هستي به وجود آورد. بشر از بهوجود آوردن اساس ماده عاجز است، در برنامهريزيها جديد و يافتن اشكال ديگري از آنچه در طبيعت وجود دارد، پيش خواهد رفت. طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح، قفلهاي شگفتآور آن را باز خواهد كرد. احتمالاً انسان در شرايط مناسبتري از درجه حرارت و فشار كه در تشكيل طبيعي مواد مختلف از هيدروژن لازم است، بتواند اتمهاي مورد نياز خود را توليد كند، سيارات ديگري را در نهايت در اختيار بگيريد و بعيد نيست كه نوادههاي دوردست ما بتوانند در نيمههاي راه ابديت در اكثر نقاط جهان هستي و كهكشانها سكني گزينند.
به احتمال زياد پيش از پايان هزاره سوم، انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعي و ديجيتالي را خواهند داشت. آنها از بيماري، پيري، درد ستون فقرات، كم حافظهاي و... رنج نخواهند برد. قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بينهايت خواهد شد. در هزارههاي آينده احتمالاً نمونههايي از انسانهاي طبيعي براي مطالعات پژوهشي نگهداري شده و به نمونههاي آزمايشگاهي و بهطورحتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اين همه درد و ناراحتي كه اجداد آنها در هزارههاي قبل كشيدهاند، متعجب و متأثر خواهند بود.
اكنون جا دارد همگام با تحولات جديد در مهندسي و علوم، دانشگاهها و مراكز تحقيقاتي بهطور جدي به پروژههاي تكنولوژي مادون ريز مشغول شوند تا حداقل ما نيز بتوانيم مرزهاي دانش روز را به نسلهاي آينده تحويل دهيم و در تشكلهاي جديد هستي, سهمي داشته باشيم. باشد هرچه زودتر به خود آييم و عمق شكوهمند و معجزهآساي انديشه بشر را دريابيم و از كوتاهبيني و افكار فرسوده موروثي فاصله بگيريم.
چه انتظاري بايد از نانوتكنولوژي داشت؟
اين تكنولوژي جديد توانايي آن را دارد كه تأثيري اساسي بر كشورهاي صنعتي در دهههاي آينده بگذارد. در اينجا به برخي از نمونههاي عملي در زمينه نانوتكنولوژي كه براساس تحقيقات و مشاهدات بخش خصوصي به دست آمده است، اشاره ميشود:
- انتظار ميرود كه مقياس نانومتر به يك مقياس با كارايي بالا و ويژگيهاي منحصربه فرد، تيديل شود
- مواد شيميايي بهگونهاي ساخته خواهند شد كه روش شيمي سنتي نميتواند پاسخگوي اين امر باشد
- نانوتكنولوژي ميتواند باعث گسترش فروش سالانه 300 ميليارد دلار براي صنعت نيمه هاديها و 900 ميليون دلار براي مدارهاي مجتمع، طي 10 تا 15 سال آينده شود.
- نانوتكنولوژي، مراقبتهاي بهداشتي، طول عمر، كيفيت و تواناييهاي جسمي بشر را افزايش خواهد داد.
- تقريباً نيمي از محصولات دارويي در 10 تا 15 سال آينده متكي به نانوتكنولوژي خواهند بود كه اين امر، خود 180 ميليارد دلار نقدينگي را به گردش درخواهد آورد.
- كاتاليستهاي نانوساختاري در صنايع پتروشيمي داراي كاربردهاي فراواني هستند كه پيشبيني شده است اين دانش، سالانه 100 ميليارد دلار را طي 10 تا 15 سال آينده تحت تأثير قرار دهد.
- نانوتكنولوژي موجب توسعه محصولات كشاورزي براي جمعيتي عظيم خواهد شد و راههاي اقتصاديتري را براي تصفيه و نمكزدايي آب و بهينهسازي راههاي استفاده از منابع انرژيهاي تجديدپذير همچون انرژي خورشيدي ارائه كند. مثلاً استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهاي نانولوله كربني كه بتازگي آزمايش شد، نشان داد كه اين روش آب دريا را 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس، نمكزدايي ميكند.
- انتظار ميرود كه نانوتكنولوژي نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلايندهها، محيط زيستي سالمتر را فراهم كند. براي مثال مطالعات نشان ميدهد طي 10 تا 15 سال آينده، روشنايي حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژي، مصرف جهاني انرژي را تا 10 درصد كاهش داده، باعث صرفهجويي سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگي هوا به ميزان 20 ميليون تن كربن شود.
در چند سال گذشته بازار چند ميليارد دلاري بر پايه نانوتكنولوژي گسترش يافتهاند. براي مثال در ايالات متحده، TBM براي هد ديسكهاي سخت، يك سري حسگرهاي مغناطيسي را ابداع كرده است.
Eastern Kodak و 3M تكنولوژي ساخت فيلمهاي نازك نانو ساختاري را به وجود آوردهاند. شركت Mobil كاتاليستهاي نانوساختاري را براي دستگاههاي شيميايي توليد كرده است و شركت Merck، داروهاي نانوذرهاي را عرضه كرده است. تويوتا در ژاپن مواد پليمري تقويت شده نانوذرهاي را براي خودروها و سامسونگ الكتريك كره، در حال كار بر روي سطح صفحات نمايش توسط نانولولههاي كربني هستند. بشر درست در ابتداي مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاري از نانوساختارهاي يك بعدي بهره ميگيرند (نانوذرات، نانولولهها، نانولايهها و سوپرلاستيكها). نظريات جديد و روشهاي مقرون به صرفه توليد نانوساختارهاي دو و سه بعدي از موضوعات مورد بررسي آينده ميباشد.
نانوتكنولوژي يا كاربرد فناوري در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرتانگيري را پيش روي دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيري براي آن نميتوان يافت. پيشرفتهاي پرشتابي كه در اين عرصه به وقوع ميپيوندد، پيام مهمي را با خود به همراه آورده است. بشر در آستانه دستيابي به تواناييهايي بيبديل براي تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعهاي كه در آيندهاي نه چندان دور به مدد اين فناوري جديد پديدار خواهد شد، تفاوتهاي بنيادين با جهان مالوف آدمي درگذشته خواهد داشت.
به گزارش ايرنا، نانوتكنولوژي نظير هر فناوري ديگر, همانند شمشيري دولبه است كه ميتوان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودي و فنا استفاده كرد. گام اول در راه بهرهگيري از اين فناوري شناخت دقيقتر خصوصيات آن و آشنايي با قابليتهاي بالقوهاي است كه در خود جاي داده است. در خصوص نانوتكنولوژي يك نكته را ميتوان به روشني و بدون ابهام مورد تأكيد قرار داد: اين فناوري جديد هنوز، حتي براي متخصصان، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامي را كه آن را در برگرفته ضخيمتر ميكند و راه را براي گمانهزنيهاي متنوع هموار ميسازد.
كساني بر اين باورند كه اين فناوري نظير هيولاي فرانكشتين در داستان مري شلي و يا همانند جعبه پاندورا در اسطورههاي يونان باستان، مرگ و نابودي براي ابناي بشر در پي دارد. در مقابل, گروهي نيز معتقدند كه به مدد تواناييهاي حاصل از اين فناوري ميتوان عالم را گلستان كرد.
در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتي ـ تجاري در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، امريكا و ژاپن با بودجهاي كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ ميشود، سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانوتكنولوژي هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاري غيرمتعارف از خود به نمايش ميگذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا، شناخت بهتر نحوه شكلگيري عالم است. به اين ترتيب دانشمنداني كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستي و نقشه شگفتانگيز او در خلقت عالم آشنايي پيدا ميكنند، اما از آنجا كه دانايي توانايي به همراه ميآورد، شناسايي و رازهاي هستي ميتواند توان فوقالعادهاي را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانوتكنولوژي از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات به دست آمد.
از جمله گروهي از محققان شركت IBM موفق شدند 35 اتم گزنون را روي يك صفحه از جنس نيكل جاي دهند و با كمك اين تك اتمها نامي را بر روي صفحه نيكلي درج كنند. محققان ديگر به بررسي درباره ساختارهاي ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوتها و رشتههاي ابريشم پرداختند تا بتوانند موادي نازكتر و مقاومتر توليد كنند. در اين ميان ساخت يك نوع مولكول جديد كربن موسوم به باكمينسترفولرين يا كربن -60 راه را براي پژوهشهاي بعدي هموارتر كرد. محققان با كمك اين مولكول كه خواص حيرتانگيز آن هنوز در دست بررسي است، لولههاي موئينهاي در مقياس نانو ساختهاند كه ميتواند براي ايجاد ساختارهاي مختلف در تراز يك ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسيهايي كه در ابعاد نانو بر روي مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازهاي را آشكار كرده است. مثلاً ذرات سيليكن در اين ابعاد از خود نور ساطع ميكنند و لايههاي فولاد در اين مقياس از استحكام بيشتري در قياس با صفحات بزرگتر اين فلز برخوردارند.
برخي شركتها از هماكنون بهرهبرداري از برخي يافتههاي نانوتكنولوژي را آغاز كردهاند. به عنوان نمونه شركت آرايشي اورال از مواد نانو در محصولات آرايشي خود استفاده ميكند تا بر ميزان تأثير آنها بيفزايد. ساخت ديودهاي نوري با استفاده از مواد نانو موجب ميشود تا 80 درصد در هزينه برق صرفهجويي شود. توپهاي تنيسي كه با كربن 60 ساخته و روانه بازار شده, سبكتر و محكمتر از توپهاي عادي هستند. شركتهاي ديگر با استفاده از مواد نانوپارچههايي توليد كردهاند كه با يك بار تكاندن آنها ميتوان حالت اتوي اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروكهايشان را زائل كرد. با همين يك بار تكان همه گردوخاكي كه به اين پارچهها جذب شدهاند نيز پاك ميشوند. نوارهاي زخمبندي هوشمندي با اين مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولكولي، پزشكان را مطلع ميسازند.
از همين نوع مواد همچنين ليوانهايي توليد شده كه قابليت خود – تميز كردن دارند. لنزها و عدسيهاي عينك ساخته شده از جنس مواد نانو ضدخش هستند و يك گروه از محققان تا آنجا پيش رفتهاند كه درصددند با مواد نانو پوششهاي مناسبي توليد كنند كه سلوهاي حاوي ويروسهاي خطرناك نظير ويروس ايدز را در خود ميپوشاند و مانع خروج آنها ميشود. مهمترين نكته درباره موقعيت كنوني فناوري نانو آن است كه اكنون دانشمندان اين توانايي را پيدا كردهاند كه در تراز تك اتمها به بهرهگيري از آنها بپردازند و اين توانايي بالقوه ميتواند زمينهساز بسياري از تحولات بعدي شود. يك گروه از برجستهترين محققان در حوزه نانوتكنولوژي بر اين اعتقادند كه ميتوان بدون آسيب رساندن به سلولهاي حياتي، در درون آنها به كاوش و تحقيق پرداخت. شيوههاي كنوني براي بررسي سلولها بسيار خام و ابتدايي است و دانشمندان براي شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق ميافتد ناگزيرند سلولها را از هم بشكافند و در اين حال بسياري از اطلاعات مهم مربوط به سيالهاي درون سلول با ارگانلهاي موجود در آن از بين ميرود.
يك گروه از محققان كه در گروهي موسوم به اتحاد سيستمهاي زيستي گرد آمدهاند، سرگرم تكميل ابزارهاي ظريف هستند كه هدف آن بررسي اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعي و بدون آسيب رساندن به اجزاي دروني سلول يا مداخله در فعاليت بخشهاي داخلي آن است. ابزاري كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند، رديفهايي از لولهها سيستمهاي بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفي را به انجام برسانند از جمله اينكه هزاران پروتئيني را كه به وسيله سلولها ترشح ميشود شناسايي كند. گروههاي ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزار ديگر براي انجام مقاصد علمي ديگر هستند.
به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهاي موردنظر را شناسايي كنند. گروهي نيز دستگاهي را در دست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا ميتواند پروتئينهاي معيني را فعال سازد يا از كار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آنكه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعي آنها اطلاعات مناسب را به دست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديدنظر اساسي قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام ميرسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و دادهها ميان خود، ردوبدل كردن مواد غذايي و بالاخره سوخت وساز و اعمال حياتي. يك گروه از روش تازهاي موسوم به الگوي انتقال ابرـ شبكه استفاده كردهاند كه ساخت نيمه هاديهاي نانومتري به قطر تنها 8 نانومتر را امكانپذير ميسازد. هر يك از اين لولههاي بسيار ريز بالقوه ميتوانند يك پادتن خاص يا يك اوليگو نوكلئواسيد و يا بخش كوچك از رشته دي ان اي بر روي خود جاي دهند.
با كمك هر تراشه ميتوان 1000 آزمايش متفاوت بر روي يك سلول انجام داد. براي دستيابي به موفقيت كامل بايد بر برخي از محدوديتها غلبه شود. از جمله آنكه در حال حاضر براي بررسي سلولها بايد آنها را در درون مانعي قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعي سلولها را بازسازي ميكند. اما يون موجود در اين مايع ميتواند سنجندههاي موئينه را از كار بيندازد. براي رفع مشكل، محققان سلولها را درون مايعي جاي ميدهند كه چگالي يون آن كمتر است. گروههاي ديگري از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهاي مناسب در مقياس نانو براي بررسي جهان سلولها ابداع كنند. يكي از اين ابزارها نوعي فيبر نوري است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روي نوك نوعي پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوري با استفاده از فيبرهاي معمولي و تراش آنها ساخته شده و بر روي فيبر پوششي از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيري كند. نحوه عمل اين فيبر نوري درخور توجه است.
از آنجا كه قطر نوك اين فيبر نوري از طول موج نوري كه براي روشن كردن سلول مورد استفاده قرار ميگيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهاي نور نميتوانند خود را تا انتهاي فيبر برسانند، درعوض در نزديكي نوك فيبر مجتمع ميشوند و يك ميدان نوري به وجود ميآورند كه تنها ميتواند مولكولهايي را كه در تماس با نوك فيبر قرار ميگيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوري يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان ميچسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو ميكنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار ميزند و خود جاي آن را ميگيرد به اين ترتيب، نوري كه از مولكول فلورسان ساطع ميشد از بين ميرود و فضاي درون سلول تنها با نوري كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوري به وجود ميآيد روشن ميشود و در نتيجه محققان قادر ميشوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند.
مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نميشود و به دانشمندان اجازه ميدهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند. نانوتكنولوژي همچنين به محققان امكان ميدهد كه بتوانند رويدادهاي بسيار نادر يا مولكولهاي با چگالي بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهاي مينياتوري نيمه هاديهاي فلزي در يك فركانس خاص از خود نور ساطع ميكنند و از اين نور ميتوان براي مشخص كردن مجموعهاي از مولكولهاي زيستي و الصاق برچسب براي شناسايي آنها استفاده كرد. به نوشته هفتهنامه علمي نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانستهاند سنجنده خاصي را تكميل كنند كه قادر است حركت اتمهاي روي را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبي مدد رساند.
از ابزارهاي در مقياس نانو همچنين ميتوان براي عرصه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده كرد. در آزمايشي كه بتازگي به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلولهاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزايش ميدهد.محققان اميدوارند در آيندهاي نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژي موفق شوند امور داخلي هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهاي بلندي در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان ميتوانند فعاليت پروتئينها و مولكول DNA را در درون سلول كنترل كنند. به اين ترتيب نانوتكنولوژي به محققان امكان ميدهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها يعني اصليترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه كامل سازند.
منبع:
Alivephysics.persianblog.com
نويسنده : فريد سعادتيان فريور
0 ارسال نظرات:
ارسال یک نظر
با نظرات خود ما را در هر چه بهتر کردن وبلاگ یاری کنید