? نانو تکنولوژی - PETROLMAN
X
تبلیغات
رایتل

PETROLMAN

نانو تکنولوژی






نانوتکنولوژی چیست؟

نانو تکنولوژی مولکولی، نامی است که به یک نوع فناوری تولید اطلاق میشود.همانطور که از نامش پیداست، نانوتکنولوژی مولکولی هنگامی محقق میشود که ما توانایی ساختن چیزها را از اتمها داشته باشیم و در این صورت ما توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی خواهیم داشت.
هدف نانو تکنولوژی ساختن مولکول به مولکول آینده است.همانطور که وسایل مکانیکی به ما اجازه میدهند که چیزی فراتر ازنیروی فیزیکی خود به دست آوریم، علم نانویی و تولید در مقیاس نانوهم، سبب میشود تا ما بتوانیم پا را از محدودیتهای اندازهای که به طور طبیعی موجود است،فراتر بگذاریم و درست روی واحدهای ساختاری مواد کار کنیم، جایی که خاصیت مواد مشخص میشود و با تغییر در آن واحدها میتوتن تغییرات خواص را ایجاد کرد.
فرض اصلی در نانوتکنولوژی این است که تقریباا همه ساختارهای با ثبات شیمیایی که از نظر قوانین فیزیک رد نمیشوند را میتوان ساخت.

ماهیت نانو تکنولوژی
ماهیت نانو تکنولوزی عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی، در ابعاد 1 تا 100نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها و با استفاده از مواد، وسایل و سیستمهایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان می باشد.
همه مواد و سیستم ها زیر بنای ساختاری خود را درمقیاس نانو ترتیب میدهند.
مثلا:
یک مولکول آب دارای قطری حدود 1 نانومتر است
قطر یک نانو تیوب تک لایه 1.2 نانومتر است.
کوچکترین ترانزیستورها به اندازه 20 نانومتر میباشند.
مولکول
DNA ، 2.5 نانومتر پهنا دارد.
پروتئینها بین 1 تا 20 نانومتر هستند.
قطر
ATP، 10 نانومتر بوده
و یک وسیله مولکولی ممکن است در حد چند نانومتر باشد

فولرین ها

اولین فولرینی که کشف شد، باکی بال بود، این ساختار در سال 1985 در دانشگاه رایس در ه وستون توسط ریچارد اسمالی، رابرت کرل و هاری کروتو کشفشد، که در سال 1996 توانستند به خاطر آن در جایزهنوبل با هم شریک شوند . فولرین ها قفس هایی شبکهکروی از 60 اتم کربن آرایش یافته به صورت ششضلعی ها و پنج ضلعی های به هم زنجیره شده (مثل توپفوتبال) هستند.
فولرین های دیگر که به فاصله اندکی پس ازآن کشف شدند، تعداد اتمهای کربن بیشتر یا کمتری دارند . ایننام در برگیرنده مجموعه این مولکولهای کربنی توخالی است، که شامل قفسی از پنج ضلعی ها و ششضلعی های به هم زنجیر شده می شوند .
روشهای قوس الکتریکی برای تولید فولرین ها بیشترین کاربرد را دارد .
دو خاصیت عمده ی باکی بال ها :
باکی بال ها از نظر فیزیکی مولکولهایی بیش از حد قوی هستند و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند - پس
ازتحمل 3000 اتمسفر فشار به شکل اولیه خود منبسط می شوند . به نظر می رسد استحکام فیزیکی آنها در بخشمواد دارای توان بالقوه ای باشد .
آنها مثل نانولو له ها به جای پیوند شیمیایی، با نیروهای بسیار ضعیفتری(نیروهای واندروالس ) به هم می چسبند، که مشابه نیروهای نگهدارنده لایه های گرافیت است . این مسأله موجب می شود باکی بال ها مثل گرافیت دارای قابلیت روان کنندگی شوند .
بیشترین کاربرد فولرین ها در پزشکی و درمان بیماری ها است .
البته اخیرا برای ذخیره سازی هیدروژن و هیدروکربن ها هم کاربردهایی در پیل های سوختی پیدا کرده است .
دسته بندی فناوری نانوفناوری نانو به سه شاخه جدا و در عین حال مرتبط با هم تقسیم می شه :
1. نانو تکنولوژی مرطوب -->
Wet NanoTechnology
این شاخه به مطالعه سیستم های زیست محیطی که اساسا در محیط های آبی پیرامون وجود دارن، می پردازه و چگونگی مقیاس نانومتری ساختمان مواد ژنتیکی، غشاء ها و سایر ترکیبات سلولی رو مورد مطالعه قرار می ده
این شاخه در بررگیرنده علوم پزشکی، دارویی، زیست محیطی و کلا علوم مرتبط با
Bio هست
2.نانو تکنولوژی خشک ---> ِ
Dry Nano Technology
این شاخه به مطالعه مدلسازی و ساختن ظاهر ساختمانهای پیچیده در مقیاس نانویی توجه داره. شناختی که به وسیله محاسبه بدست می آد به ما این اجازه رو می ده که زمان پیشرفت نانوتکنولوژی خشک رو به چندین دهه کاهش بدیم که این بر نانوتکنولوژی مرطوب هم تاثیر می زاره.
در واقع نانوتکنولوژی تخمینی، پلی برای ارتباط بین علوم مهندسی، محاسباتی، کامپیوتر و فنآوری جدید محسوب میشه.
نانوتکنولوژی مرطوب --> نانوبیولوژیعلارغم وعده ها نانو ساختار ها Nano Structures و نانو ذرات Nano Particles و Nano Devices به اندازه ی نانوبیولوژی پیشرفت نکرده اند.
قبل از ادامه بحث تعریف کوتاهی از مواد پلیمری خالی از لطف نیست :
از کنار هم قرار دادن تعداد زیادی از مولکول های زنجیره ای یا شبکه ای بزرگ از مواد آلی شامل کربن، هیذروژن، کلر، فلور، اکسیژن و ازت تشکیل شده اند که اغلب به صورت مصنوعی ساخته میشوند و دارای ساختار کریستالی و آمورف هستند.
دیگر خصوصیات عمومی این مواد:
- قابلیت هدایت الکتریکی بسیار ضعیف دارند
-در درجه حرارتهای پایین ( نزدیک به صفر ) ترد هستند و در درجه حرارتهای نسبتا بالا قابلیت شکلپذیری خوبی دارند ولی اگر دما خیلی بالا برود متلاشی میشون و در درجه حرارت های محیط از پایداری حرارتی خوبی برخوردارند
و در نهایت وزن مخصوص پایینی دارند.
با اینکه به نظر میرسد در طبیعت تعذداد محدودی بلوکهای سازنده اصلی --> آمینو اسیدها، چربیها و نوکلئیک اسیدها ) وجود دارند، اختلاف شیمیایی این مولکولها و راه های مختلف پلیمر شدن آنهاف گستره ی وسیعی از ساختمانهای ممکنم را ایجاد میکند.
علاوه بر این پیشرفت های صورت گرفته ما را قادر میسازد که این بلوک ها را در کنار هم در کنار هم قرار داده ترکیب کنیم و از این طریق مواد و ترکیب هایی که تا کنون در طبیعت ساخته نشده، بسازیم.
بیوپلیمر های تهیه شده از این روش، تک پراکند
Mono Disperse هستند که طول زنجیر را کنترل میکنند و تعریف شده هستند. که اخیرا نشان داده شده که دارای خاصیت کریستال مایعغیر عادی می باشند.
توزیع در طول زنجیری که معمولا برای پلیمرهای سنتزی وجود دارد، امکان مشاهده آنها را در مرحله ی هم شکل شدن اتمها ، کم می کند.چرا که در این مرحله فضادهی لایه هایشان می تواند در مقیاس دهها نانومتر کنترل شود.
در بیوتکنولوژی می توان از کنار هم قرار دادن اسیدآمینه های مصنوعیمانند بتا
alanine یا DehydroPoline و یا Fluortyrosine و پروتئین های دیگری که در ساختارشان آلکن یا آلکین وجود داردنیزاستفاده کرد.
که تحقیقات در این زمینه راه های جدیدی در مورد پلیمرهای با طول و مشخصات کنترل شده مثل بیو پلیمر هایی که حاوی خواص الکتریکی مثل هدایت هستند را بدست می دهد.

پیشرفتهای اخیر در زمینه نانو
1. ساخت OLED ها :

OLED – Organic Light Emmiting Device
که این وسایل نور زیادی تولید می کنند و کارایی و ظرفیت بیشتری نسبت به نمونه های قبلی LED
دارند و و تمام رنگها را شامل شده و طول عمر خوبی دارند.
در این دستگاه ها از رشته های کریستالی نانویی برای کاهش جریان آستانه و بهبود در شرایط خروجی استفاده شده است.
و همچنین:


OTFT – Oraganic Thin Film Transistor
که از مواد آلی ساخته شده اند در حالی که در نمونه های قبلی از سیلیکون غیربلوری استفاده
می شد.
لایه های سطحی باکتریایی به عنوان اجزا هادی
لایه های سطحی باکتریایی به صورت کریستالی هستن، و از واحد های پروتئین تشکیل یافته اند.
این لایه ها به صورت خود چیده “
Self-Assemble”هستند و قابلیت چسبندگی بالای دارند. که به عنوان اجزاء هادی برای نانو تکنولوژی در نظر گرفته شده اند.
به عنوان مثال برای شکل دادن سوپر لاتکس سولفید کادمیم استفاده شده اند.
بیو سرامیکها
اثرات مولکولهای زیستی و آلی، بر روی همیدگر می تواند در ساختن سرامیک، با افزایش سختی مورد استفاده قرار بگیرد.
مطالعات پایه ای زیستی – معدنی که در آنها یک ماده معدنی – معمولا پروتئین : پیتید یا لیپید - به وسیله یک فاز آلی – مثل کربنات کلسیم یا هیدروکسی – تحت تاثیر قرار گرفته و منجر به سنتز زیستی مواد مرکب شده اند.
سنتز های “میسل تمپلیتد” می تواند سرامیکهایی با ابعاد 20 تا 100 نانومتر تولید کند.
“پور ها” که موادی متخلخل هستند می توانند به عنوان کاتالیزور یا جذب کننده استفاده شوند. و برای جداسازی گاز و مایع و همینطور به عایق های گرمایی و صدایی به کار می روند.
یک مثال جالب در مورد ترکیبات معدنی و آلی ، مواد بسته بندی جدیدی هستن که برای گرفتن جای پلی استیرن به عنوان پوشش غذایی غذاهای حاضری بکار برده می شود.
آهنرباهای میله ای زیستی:
دقیقا نشان داده شده که بسیاری از ترکیبات آلی قادر به ته نشین کردن مواد مغناطیسی مانند :
Fe3O4 و Fe3S4
هستند. به علاوه در ترکیبات آلی میکروبی در بدن ماهیها زنجیر های خطی از کریستال های غشاء دار مغناطیسی که به :
Magnetosome
معروفند یافت شده است.
گرد آورنده ها یا شکل دهی -->
Assemblers or Templating
خودسازی متوالی زیست ملکولها معمولا به عنوان یکی از کلیدهای حیاتی کاربردهای نانو تکنولوژی شناخته می شود. اما آنچه باید بیشتر مورد تحقیق قرار گیرد:
چگونه ساختن آرایه های متناوب
گردهم آوری های زیست مولکولی
چگونگی استفاده از شکل دهیهای زیست مولکولی به طریق موثر
چگونگی تقلید خاصیت خود سازی
و بالاخره چگونگی بهره گیری از اختلافات بین خودسازی زیستی و غیر زیستی است

سیستمهای نانوالکترومکانیکی
در اواخر 1950، فیزیکدانی به نام ریچارد فاینمن، با پیشنهاد جایزه 1000 دلاری برای اولین فردی که موفق به ساخت موتور الکتریکی "کوچکتر از1/64 اینچ" شود، توجه مردم را به این موضوع جلب کرد.
در کمال حیرت، ویلیام مکلیلان، با کوشش فراوان و صرف ساعات بسیار خستهکننده، توانست این کار را با انبرک دستی و یک میکروسکوپ انجام دهد

موتور مکلیلان در حال حاضر در مؤسسه فنآوری کالیفرنیا در معرض نمایش بوده و مدتها است که از چرخیدن بازمانده است. هدف فاینمن از این کار، به حرکت درآوردن چرخهای دانشگاه ها و آزمایشگاه ها و حتی خطوط تولید صنعتی بود. سیستمهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) که به طور جدی از اواسط دهه 1980 ایجاد گردیدند، به حدی از رشد و بلوغ رسیدهاند که اکنون فقط در مورد تولید انبوه موتورهای کوچک ـ صدها بار کوچکتر از موتورمکلیلان ـ نسبتاً به مشکل برخوردهایم. در همین راستا انجمن MEMS برخی تولیدات واقعاً شگفتآور را ارائه داده است. از پروژکتورهای دیجیتالی شامل میلیونها میکروآیینه الکتریکی گرفته تا میکروحسگرهای حساس به حرکت که در کیسه هوای ماشینها به کار میروند.
) میکروموتور الکترواستاتیکی
MEMS ساخته شده از سیلیکون
b) میکروآینیههای مکانیکی در قلب پردازنده دیجیتال (عکس از Texas Instruments)
دانشمندان و مهندسانی که در زمینه اتصالات میکروحسگرها و ابزارهای دیگر تحقیق میکنند، با استفاده از آزمایشگاه ها و ایدههای نو، گستره جدیدی در این زمینه ایجاد کردهاند. ابزارهای این دانشمندان به مرزهای بسیار دور نیز اعمال میگردد، از اعماق دریا و پوسته زمین گرفته تا مناطق دوردست فضا و سیارات دوردست. چنین میکروحسگرهای راهدور با خواصی مانند مقاومت در برابر تغییرات شرایط و نیز هزینه اندکشان، اطلاعات فراوانی در مورد محیط پیرامون ما در اختیارمان میگذارد.
MEMS منجر به پیوند میان فرآیندهای نیمههادی و مهندسی مکانیک میگردد؛ در مقیاس بسیار کوچک این زمینه طی دهه اخیر رشد چشمگیری داشته است. شرکت های زیادی ـ از غولهای نیمههادی تا شرکت های نوپا ـ به سرعت به سوی فعالیتهای مقیاس میکرو پیش میروند. اما تا به حال در ابعاد زیر میکرومتر توسط MEMS کارهای اندکی انجام گرفته است.
در حالی که کارهای اخیر در میکروالکترونیک دارای تولید انبوه با اندازه هایی در حدود 0.18 میکرون می باشند.
در واقع
SEMATECH( یک مجمع فکری برای مشاوره شرکت های نیمه هادی در آمریکا) پیش بینی میکند که تا سال 2010 ، کمترین اندازه در چنین ابزاری به 70 نانومتر خواهد رسید.
برای دستیابی به این اهداف و پیشرفتهایی که برای جریان اصلی الکترونیک پیشبینی میگردد، وقت آن است که انقلابی در زمینه سیستمهای نانوالکترومکانیکی (
NEMS) از جمله، ماشینها، حسگرها، کامپیوترها و الکترونیک در مقیاس نانو، رخ دهد.
چنین تلاشهایی زمینه کار گروه فاینمن در
Caltech و گروههای دیگر در نقاط مختلف جهان در حال انجام است. پتانسیلهای این زمینه فراوان میباشد و میتواند در زمینههای متنوعی از پزشکی و بیوتکنولوژی تا مبانی مکانیک کوانتوم مثمرثمر باشد.
در این مقاله به جنبههای مهیج
NEMS و تلاشهایی که باید برای رسیدن به آن اعمال شود، پرداخته شده است
یک سیستم الکترومکانیکی چیست ؟
یکی از اولین ابزارهای الکترومکانیکی در سال 1785، توسط چارلز آگوستین دکولمب برای اندازهگیری بار الکتریکی ساخته شد. تعادل پیچشی الکتریکی او شامل دو توپ کروی فلزی است. یکی ثابت و دیگری متصل به یک میله متحرک ـ که مثل دو صفحه یک خازن عمل میکنند. اختلاف بار بین آنها به یک نیروی جاذبه تبدیل میگردد. عناصر مهمی که در اکثر سیستم های الکترومکانیکی استفاده میگردند (عنصر مکانیکی و مبدل) در این ابزار آشکار میباشد.
عنصر مکانیکی در اثر نیروی اعمال شده به نحوی یا منحرف میگردد و یا به ارتعاش درمیآید. برای اندازهگیری نیروهای شبهاستاتیک نوعاً میتوان از فنـر ضعیفی که با نیروی کمی به میزان زیادی منحرف میگردد، استفاده کرد. برای اندازهگیری نیروهای متغییر با زمان بهتر است که از نوسانگرهای مکانیکی با تلفات کم که به خوبی به سیگنالهای نوسانی با دامنه کم جواب میدهند استفاده گردد.
انواع متنوعی از عنصرهای مکانیکی را برای حس کردن نیروهای استاتیک یا متغیر با زمان میتوان به کاربرد. تعادل پیچشی (ساخت کلمب) و بازوهایی که اکنون در میکروسکوپی پروب پیمایشگر استفاده میگردند، از این نوعاند. برای دستیابی به حساسیت فوقالعاده زیاد، ابزارهای ظریفی استفاده میگردند، از جمله: ساختارهای نوسانی مرکب، شامل اجزاء پیچیده و نوسانات طولی و پیچشی. این پیچیدگی را میتوان برای کم کردن ارتعاش استفاده کرده و با تنظیمات خاص میزان خطا را کم کرد.
مبدلهای
NEMS و MEMS انرژی مکانیکی را به سیگنالهای الکتریکی یا نوری و بالعکس تبدیل میکنند. برخی مواقع مبدل ورودی به سادگی نوسانهای ماندگار در عنصر مکانیکی ایجاد میکند در حالی که ویژگی های آن حاکی از وجود اغتشاش در سیستم است.
در این صورت چنین اغتشاشاتی، علاوه بر سیگنال ورودی، دقیقاً همان سیگنالهایی هستند که ما میخواهیم اندازهبگیریم. این امر ممکن است شامل موارد زیر باشد: تغییرات فشار که بر عمر مکانیکی ابزارها مؤثر است یا حضور مواد شیمیایی جذب شده که که جرم نوسانگرهای نانومتری را تغییر میدهد یا تغییرات دما که میتواند الاستیسته یا کشش درونی را تغییر دهد. دو مورد آخر منجر به تغییر فرکانس ارتعاش میگردند.
به طور کلی، خروجی یک ابزار الکترومکانیکی، حرکت یک عنصر مکانیکی میباشد. دو نوع عکسالعمل عمده وجود دارد:
عنصر مکانیکی به سادگی تحت تاثیر نیروی اعمالی میتواند منحرف گردد و یا دامنه نوسانش تغییر کند

فایده نانوماشینها
خطوط تمیز در نیمههادیها
ابزارهای نانومکانیکی نوید انقلابی جدید در اندازهگیری جابجاییهای فوقالعاده کوچک و نیرویهای فوقالعاده ضعیف، علیالخصوص در مقیاس مولکولی را میدهند. در واقع با فنون نانو ماشین کاری موجود ، جرم
MEMS در حدود چند آتوگرم (10-18) و عرض مقطع آن در حدود 10 نانومتر می باشند.
جرم و اندازه کوچک
MEMS منجر به ایجاد پتانسیل بسیار زیادی برای کاربردهای جدید و اندازهگیری های بنیادی میگردد.
سیستمهای مکانیکی 0 ، نوسان میکنند.
wدر فرکانس زاویهای طبیعی خود،
این فرکانس میتواند با 0=(
Keff/Meff)1/2 تقریب زده شود که در آن Keff، ثابت مؤثر فنر و Meff جرمwرابطه مؤثر میباشد. (منظور از واژه مؤثر، مجموعه مرکب معادلات الاستیسیته است که بر پاسخ مکانیکی این اشیاء حاکم میباشد).
اگر انداره ابزار مکانیکی را بهگونهای کاهش دهیم که شکل کلی آنها حفظ گردد، در این صورت همانطور که دیمانسیون خطی،
I، کاهش مییابد، فرکانس بنیادی، ، نیز کاهش مییابد. این رفتار اساسی این واقعیت را می رساند متناسب می باشد ، در صورتیکه ثابت موثر فنر با I متناسب میbکه جرم موثر با باشد.این موضوع از این لحاظ حائز اهمیت است که عکسالعمل با فرکانس بالا منجر به زمان سریع عکسالعمل به نیروی اعمالی میگردد. نتیجه دیگری که به دست میآید آن است که میتوان بدون نیاز به ساختاری زمخت، به پاسخی سریع دسترسی داشت.
امروزه امکان ساخت نوسانگرهای با فرکانس بنیادی در حدود10
GHz با استفاده از فرآیندهای نانوماشین کاری سطح که مربوط به نانولیتوگرافی در مقیاس 10 نانومتر میباشد، وجود دارد.
این ابزارهای مکانیکی فرکانس بالا، ما را با امکانات و تواناییهای جدید و مهیجی، آشنا میکند. در این میان فرآیندهای مکانیکی با توان فوقالعاده کم در حدود فرکانسهای میکرویو و گونههای جدیدی از میکروسکوپهای پروب پیمایشگر نیز وجود دارند که میتوانند در تحقیقات بنیادی و یا حتی در مبانی اشکال جدید کامپیوترهای مکانیکی به کار روند.

ویژگی های مواد
MEMS
دومین ویژگی مهم MEMS ، تلفات بسیار اندک انرژی در آنها می باشد. این خاصیت مبین کیفیت یا فاکتورQ در پاسخ میباشد. در نتیجه، MEMS به مکانیزم نیروی بیرونی بسیار حساس میباشد و این امر برای ساخت گونههای مختلفی از حسگرها بسیار مهم میباشد.
علاوه بر این، نویز ترمومکانیکی که معادل نویز جانسون در مقاومت های الکتریکی میباشد، به طور معکوس با عامل
Q متناسب است. بنابراین، مقادیر بزرگ Q به عنوان یک ویژگی مهم، هم برای نوسانها و هم برای حسگرهای انحراف به شمار میآید، که نوسانات ناخواسته مکانیکی را حذف کرده و این نوع ابزارها را به نیروهای اعمالی به شدت حساس مینماید.
نوسانگرهای الکتریکی با فرکانس بالا نوعاً دارای فاکتور
Q کمتر از چند صد می باشند، اما حتی نخستین ابزار فرکانس بالای مکانیکی( که در سال 1994 توسط آندرو کلیلند در Caltech ساخته شد)، دارای مقدار Q صد برابر بهتر بود. چنین عامل بالای کیفیت برای پردازش سیگنال بسیار مهم میباشد.
جرم مؤثر کوچک در بخش مرتعش ابزارها، یا ممان اینرسی اندک ابزارهای پیچشی، از لحاظ دیگری نیز مهم میباشند. این امر باعث حساسیت فوق العاده زیاد ابزارهای
NEMS نسبت به جرمهای اضافی میشود. با توجه به تحقیقات اخیر، امید میرود که ابزارهای حساسی که اخیراً میسازیم نسبت به تعداد اندکی از اتمهایی که روی سطح این ابزار جذب میشود، حساسیت نشان دهند.
NEMS ذاتاً ابزارهای فوقالعاده کم مصرفی میباشند، مقیاس توان اصلی این ابزارها به صورت انرژی گرمایی تقسیم بر زمان پاسخ تعریف میشود 0 نشان داده میشود.
در دمای سیصد کلوین، NEMS تنها با نوسانات گرماییwqو با نماد در حدود آتووات (10-18 w) کار میکنند. بنابراین اگر یک ابزار NEMS، با سیگنال در حدود پیکووات (10-12w) راه اندازی شود، نسبت سیگنال به نویز، بیشتر از 106 خواهد بود. در چنین شرایطی حتی اگر یک میلیون از چنین ابزارهایی بطور همزمان در یک پردازنده سیگنال NEMS به کار روند، کل توان اتلافی توسط همه سیستم تنها در حدود چند میکرووات خواهد بود و این مقدار 3 یا 4 مرتبه کمتر از توان مصرفی توسط پردازندههای الکترونیکی رایج خواهد بود که بر مبنای جابجایی سریع بستههای بار الکترونیکی کار میکنند نه بر مبنای عناصر مکانیکی.
تعریف نانو تکنولوژیتعاریف مختلفی از نانو تکنولوژی وجود دارد. دریکی از این تعاریف ، نانو تکنولوژی عبارتست از مطالعه، تولید و کنترل هر پدیده ای در مقیاس nm 100-0.2 .
با این تعریف و محدوده اندازه ، بسیاری از مواد ، بویژه در صنایع دارویی، از مجموعه نانو تکنولوژی خارج می گردند. لذا در تعریف جامع تری می توان نانو تکنولوژی را بصورت زیر تعریف نمود:
نانو تکنولوژی عبارتست از مطالعه ، طراحی ، تولید و کاربرد هر ماده ، ابزار و مجموعه ای درمقیاس نانومترکه منجر به تولید مواد، ابزار و ساختارهایی با حداقل یک خصوصیت ویژه گردد.

1- مفهوم مقیاس نانو
یک نانو متر(nm) برابر است با یک میلیاردم متر. قطر هر گلبول قرمز خون nm 7000 و قطر هر مولکول آب برابر با nm 0.3 است.
در مبحث مقیاس نانو ، ذراتی با اندازه
nm0.2 (که برابر با اندازه یک اتم است) تا nm 100 مورد بحث قرار می گیرند. .
اهمیت مقیاس نانو در این است که در این مقیاس ، مواد خواص کاملا متفاوتی از خود نشان می دهند.
دو دلیل عمده برای متمایز شدن خواص مواد در مقیاس نانو وجود دارد، اول افزایش قابل توجه سطح واحد جرم مواد است این ویژگی باعث بهبود استحکام ، خواص الکتریکی و افزایش واکنش پذیری مواد می گردد. برخی مواد در مقیاس نانو واکنش پذیر هستند در حالیکه در مقیاس بزرگتر جزو مواد خنثی (
inert) محسوب می شوند.
دلیل دوم آشکار شدن تاثیرات کوانتومی در این مقیاس است ، که باعث تغییر در خواص الکتریکی ، اپتیکال و مغناطیسی مواد می شود.
مواد می توانند یک بعد(پوششها و لایه ها) ، دو بعد(نانو سیم ها و نانو تیوبها) و یا سه بعد(نانو ذرات) در مقیاس نانو داشته باشند.

2- نسل جدید مواد: نانو مواد
نانو تکنولوژی در واقع در دو زمینه بهبود مواد موجود و ساخت مواد جدید به خدمت گرفته شده است.نانو مواد به دو روش Top down ( تولید ساختارهای بسیار ریز از ذرات بزرگتر مواد)، وBottom up (چنیش اتم به اتم و یا مولکول به مولکول برای ایجاد یک ساختار خاص) تولید می شوند. در روش Bottom up نیز از دو تکنیک Selfassembly و positional assembly استفاده می شود.در تکنیکSelf-assembly مولکولها یا اتمها بدلیل خواص ذاتی خود چینش خاصی پیدا می کنند، رشد کریستالها در صنعت نیمه هادی ها از همین روش انجام می پذیرد. در حالیکه درتکنیک Positional assembly از دستگاههای خاصی برای چینش مولکولها استفاده می گردد. این روش در حال حاضر در کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد.
2-1- تعریف نانو مواد
نانو مواد به موادی اطلاق می شود که حداقل در یک بعد کوچکتر از nm 100 باشند. موادی که یک بعد در مقیاس نانو دارند ، شامل پوششها و لایه ها می باشند. موادی که دو بعد در مقیاس نانو دارند ، شامل نانو سیم ها و نانو تیوبها هستند و در نهایت موادی که سه بعد در مقیاس نانو دارند نانو ذرات را شامل می شوند.
کلوئید ها ،
Quantum dots (ذرات تشکیل دهند نیمه هادی ها) ومواد نانو کریستالین (موادی با دانه بندی در مقیاس نانو) از جمله این مواد هستند. برخی از این مواد قبلا هم مورد استفاده قرار می گرفتند و برخی دیگر جدید هستند. در این بخش ما به معرفی اجمالی کاربردهای فعلی نانو مواد و چشم اندازی که در آینده برای کاربرد این مواد وجود دارد می پردازیم.
دو دلیل عمده برای متمایز شدن خواص مواد در مقیاس نانو وجود دارد، اول افزایش قابل توجه سطح واحد جرم مواد و دلیل دوم آشکار شدن تاثیرات کوانتومی در این مقیاس است ، این دو عامل باعث تغییر و یا بهبود خواص الکتریکی ، اپتیکال ، مغناطیسی و واکنش پذیری مواد می شود.
هر چقدر سایز ذرات ریز تر شود، نسبت اتمهایی که در سطح ذره قرار می گیرند افزایش می یابد. بعنوان مثال در یک ذره به قطر
nm 30 ، 5% از اتمها در سطح ذره قرار می گیرند، در حالیکه در ذرات به قطر nm 10 و nm 3 این مقدار به 20% و 50% می رسد. بنا براین نانو ذرات سطح واحد جرم بیشتری نسبت به ذرات بزرگتر دارند.
پارامتر "نسبت سطح به واحد جرم " دربسیاری از زمینه ها از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.بعنوان مثال ، در واکنشهای شیمیایی، چون واکنش در سطح (
surface) اتفاق می افتد، واکنش پذیری مواد در مقیاس نانو بسیار بالاتر از واکنش پذیری مقدار جرم برابر از همان ماده ،در مقیاس بزرگتر می باشد.
جهت روشن تر تاثیر اندازه ذره در اندازه سطح ، به ذکر یک مثال می پردازیم: یک سکه به قطر
cm 4 سطحی حدود 27.2 سانتی متر مربع دارد. اگر همین سکه را به ذراتی به قطر nm 1 تقسیم کنیم، سطح کل ذرات برابر با 11400 متر مربع خواهد بود. بعبارت دیگر با تقسیم سکه به قطر cm 4 به ذراتی به قطر nm 1 سطح همان سکه حدود 4.115 میلیون برابر خواهد شد.
2-2- خواص نانو مواد
زمانیکه مواد به ذرات در مقیاس نانو(مقیاس اتمی ) تقسیم می شوند ،علاوه بر افزایش سطح واحد جرم ، تاثیرات کوانتومی (quantum effects) نمایان می گردند و باعث تغییر خواص مواد می شوند.
تاثیرات کوانتومی باعث می شوند نانو مواد رفتارهای مغناطیسی ، الکتریکی و اپتیکال بسیار منحصر بفردی داشته باشند.
Quantum dots و Quantum well lasers که در optoelectronic کاربرد دارند از جمله مواردی هستند که از Quantum effects بهره جسته اند.
از طرفی سطح واحد جرم بسیار بالا در نانومواد ، عاملی است برای آنکه نانو مواد از نظر مکانیکی، الکتریکی، واکنش پذیری و ... بسیار ویژه عمل نمایند. بعنوان مثال بیشتر فلزات از دانه های کریستالی تشکیل شده اند ، زمانیکه این دانه بندی ها در مقیاس نانومتر باشند بدلیل افزایش سطح بین کریستالها ، استحکام فلز افزایش می یابد. بعنوان مثال استحکام نانو کریستالین نیکل به اندازه پولاد آبدیده (
hardened steel) است.
3- دانش نانومواد
تولید نانومواد نیاز به روشهای ویژه ای دارد. دو روش عمده برای تولید نانو مواد عبارتند ازtop-down method (تولید ذرات بسیار ریز از ذرات بزرگتر) و bottom up method (تولید از روش چینش اتم به اتم و یا مولکول به مولکول) .
یکی از راههای اجرای روش
bottom up ، self assembly است که در آن اتمها و یا مولکولها بنا به ماهیت ذاتی خود به صورت خاصی کنار یکدیگر قرار می گیرند و ساختار خاصی را ایجاد می نمایند. روش دیگر استفاده از دستگاههای مخصوص برای ایجاد یک چیدمان خاص و در نتیجه ایجاد یک ساختار ویژه است.
4- کاربردهای نانو مواد:
کاربردهای نانو مواد را می توان به سه دسته عمده تقسیم نمود: کاربردهای فعلی، کاربرهایی در آینده نزدیک و کاربردهایی در آینده دورتر.
4-1- کابردهای فعلی:
(a) محصولات آرایشی و کرمهای ضد آفتاب:
نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی در کرمهای ضد آفتاب مورد استفاده قرار می گیرند. این نانو ذرات باعث می شوند تا کرمهای ضد آفتاب علاوه بر جذب و برگرداندن اشعه ماورا بنفش، شفاف (
transparent) باشند . بنابر این این نوع کرمها از نظر مشتریان مطلوبتر هستند.

(
b) کامپوزیتها:
کامپوزیتها موادی هستندکه در آنها دو یا چند ماده مجزا برای بهبود خواص یکدیگر مخلوط می شوند، و در نهایت خواص ماده نهایی (کامپوزیت) بهتر از تک تک کامپوننتها می باشد. این فرایند نه تنها خواص مکانیکی بلکه خواص الکتریکی ، اپتیکال و مغناطیسی مواد را نیز بهبود می بخشد. یکی از کاربردهای نانو مواد ساخت کامپوزیتهاست.
در حال حاضر فیبرهای کربنی و نانو تیوبهای کربنی دسته ای (
multi-walled CNT) برای کنترل و یا بهبود هدایت الکتریکی(conductivity) پلیمر ها مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از نانو تیوبهای کربنی منفرد (individualcarbon nanotubes) در کامپوزیتها یکی از کاربردهای نانو تیوبهای کربنی است که در آینده محقق خواهد شد.
در انواع دیگری از نانو کامپوزیتها ، نانوذرات بعنوان فیلر (پرکننده) در یک ماتریکس استفاده می شوند، بعنوان مثال کربن (
carbon black) بعنوان فیلر برای تقویت لاستیک اتوموبیل مورد استفاده قرار می گیرد. ولی اندازه ذرات کربنی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد بزرگتر از مقیاس نانوست لذا این ذرات جزو دسته نانو ذرات قرار نمی گیرند.

(
c) سفالها:
ساخت کامپوزیتهایی متشکل از پلاستیک و نانوذراتی از رس ، از کاربردهای دیگر نانو مواد است. این نوع کامپوزیتها در ساخت متریال های سازه ای و قطعات مختلفی ، (مانند سپر اتوموبیل ) مورد استفاده قرار می گیرند.
(
d) پوششها و سطوح:
نانو مواد در ساخت پوششهای فوق نازک که ضخامتی در حد نانومتر دارند مورد استفاده قرار می گیرند. بعنوان مثال دی اکسید تیتانیوم در ساخت پوششهای ضد باکتری خود شوینده و آبگریز جهت استفاده روی انواع شیشه و سطوح مورد استفاده قرار میگیرد. از کاربردهای دیگر می توان به ساخت پوششهای مقاوم و ضد خش ، پارچه های مدرن که در عین ضد آب و ضد لک بودن ، قابلیت عبوردهی هوا را دارند، اشاره نمود.
(
e) تجهیزات برش:
نانو کریستالین هایی مانند کربید تنگستن، کربید تانتانیوم و کربید تیتانیوم که بسیار سخت و مقاوم در مقابل سایش هستند ، در ساخت تجهیزات و ابزار برش و انواع مته کاربرد دارند.

4-2- کاربردهایی در آینده نزدیک (5 سال آینده)
(a) رنگها:
استفاده از نانو ذرات در رنگها ، منجر به تولید رنگهایی با خواص ویژه و منحصر بفرد خواهد شد. نازک شدن لایه رنگی( کاهش وزن هواپیماها و سفینه های فضایی) ، کم شدن حلال مورد نیاز در رنگها (آسیب کمتر به محیط زیست) مزایای استفاده از نانو مواد در رنگها می باشد.
پوششهای ضد رسوب در صنعت از اهمیت زیادی برخور دار هستند از جمله در مبدل های حرارتی ، که باعث کاهش اتلاف انرژی می گردد. در صورتی که این پوششها با قیمت کمتر تولید گردند ،درشبکه های لوله کشی صنعتی و خانگی نیز قابل استفاده خواهند بود.نانوذرات در تولید رنگهایی با قابلیت تغییر رنگ در محیط ها و دماهای مختلف نیزکاربرد خواهند داشت.

(
b) کاربردهای زیست محیطی:
استفاده از نانو مواد برای تبدیل مواد خطرناک موجود درخاک و آبهای زیر زمینی به مواد بی خطر از کاربردهایی است که در آینده نزدیک به کمک محیط زیست خواهد آمد. در یک مطالعه نانو ذرات آهن ، ترکیبات سرطان زای
chlorinated hydrocarbon موجود در آبهای زیر زمینی را به مواد کم خطر ترتبدیل کرده اند.
(
c) پیل های سوختی :
در آینده ممکن است هیدروژن (سوخت پیلهای سوختی) بوسیله واکنشهای کاتالیستی از هیدروکربنها تهیه گردد. در پیلهای سوختی خواص و ساختار خلل و فرج صفحات استفاده شده مستقیما در عملکرد پیل تاثیر دارد،لذا استفاده از غشا های تولید توسط نانو تکنولوژی امکان بالا بردن راندمان واکنشهای کاتالیستی و در نتیجه ساخت پیلهای سوختی کوچک را امکان پذیر خواهد نمود.
(
d) نمایشگر ها :
به کمک نانو مواد ، در چند سال آینده نسل جدیدی از نمایشگر ها به بازار خواهند آمد که ازنظر شفافیت و کیفیت تصویر بسیار متمایز و منحصر بفرد خواهند بود.
(
e) باطری ها :
امروزه اهمیت و کاربرد وسایل الکترونیکی پرتابل مانند تلفن همراه ، لپ تاپ و ... بر کسی پوشیده نیست . بزودی به کمک فن آوری نانو ، باطری های بسیار سبکتر با قابلیت ذخیره سازی انرژی بسیار بالا به بازار خواهند آمد و صنعت باطری را متحول خواهند نمود. در این باطری ها مواد نانو کریستالین بعنوان صفحه جداکننده (
separator plate) مورد استفاده قرار خواهند گرفت که بدلیل سطح واحد جرم بسیار بالا ، باطری های تولید شده نیاز کمتری به شارژ خواهند داشت.
(
f) مواد افزودنی به سوختها
محققان در حال ساخت افزودنی هایی هستند که با افزودن نانو ذرات اکسید سریم به بنزین ، مصرف بنزین را در اتوموبیل ها کاهش دهند.
(
g) کاتالیست ها
در صنعت ، راندمان کاتالیستها اهمتی بسیار زیادی دارد، چه از نظر مصرف کاتالیست و چه از نظر تولید محصولات جانبی ناخواسته . از آنجا که واکنشهای شیمیایی روی سطوح کاتالیستها انجام می گیرند، افزایش سطح واحد جرم برای کاتالیستها نقش حیاتی در بالا بردن راندمان و در نتیجه کاهش مصرف کاتالیستها دارد. بعنوان مثال در صنایعی که پلاتین بعنوان کاتالیست عمل می نماید ، کاهش مصرف کاتالیست بدلیل قیمت بالای پلاتین و محدود بودن منابع این فلز گرانبها ، از نظر اقتصادی قابل توجه می باشد.
لذا در آینده نزدیک استفاده از نانو تکنولوژی ، نقطه عطفی در صنعت ساخت کاتالیست خواهد بود.

4-3- کاربردهایی در آینده دورتر(15-5 سال آینده )
(a) کامپوزیتهای نانو تیوبهای کربنی
نانوتیوبهای کربنی (
CNT) خواص مکانیکی بسیار استثنایی دارند. بویژه از نظر مقاومت کششی و وزن بسیار کم. یکی از کاربردهای نانو مواد در تولید کامپوزیتهای تقویت شده با نانو تیوبهای کربنی خواهد بود . این کامپوزیتها عملکرد بسیار بهتری نسبت به کامپوزیتهای موجود که با استفاده از فیبر کربنی تولید شده اند خواهند داشت.
(
b) روان کننده ها
نانو ذرات کروی شکل مواد معدنی بعنوان روان کننده مورد استفاده قرار خواهند گرفت . در واقع این ذرات بصورت بلبرینگ های بسیار ریز عمل خواهند کرد. مزیت این روان کننده ها نسبت به روان کننده های فعلی ، عملکرد بهتر در فشارهای بالا و عملکرد بهتر در سطوح ناهموار است . البته روان ساز های مورد بحث مخلوط نانو ذرات و روان سازهای مایع خواهد بود.
(
c) مواد مغناطیسی
تحقیقات نشان داده که آهن ربا های ساخته شده از نانو کریستالین های یوتریوم ، ساماریوم و کبالت ، خواص مغناطیسی بسیار استثنایی دارند. این مواد مغناطیسی می توانند در موتور ها ، تجهیزات
MRI ، میکرو سنسورها و ... کاربرد داشته باشند. این مواد همچنین امکان ذخیره سازی حجم بالای اطلاعات را در فضای کم فراهم می آورند.



(
d) ایمپلنت های پزشکی
در حال حاضر ایمپلنتهای ارتوپدی و ولو (
valve) های مورد استفاده در قلب ، از تیتانیوم و استیل (stainless steel) ساخته می شوند. متاسفانه برخی از این آلیاژها پس از مدتی ، کارایی خود را از دست می دهند. در آینده ای نه چندان دور، نانوکریستالین اکسید زیرکونیوم ،نانو کریستالین کربید سیلیکون و نانو سرامیکها بدلیل استحکام ، مقاومت بالا در مقابل فرسودگی و تجانس با بدن انسان جایگزین آلیاژهای فعلی خواهند شد.
(
e) سرامیکهای انعطاف پذیر
سرامیکها موادی سخت و در عین حال شکننده و غیر قابل انعطاف هستند. با کاهش اندازه دانه بندی سرامیکها درحد مقیاس نانو ، انعطاف پذیری سرامیکها افزایش می یابد. با همین روش ، زیرکونیا که یک سرامیک بسیار سخت و شکننده است بصورت یک سوپر پلاستیک مورد استفاده قرار گرفته است ، زیراتا 300% قابلیت انعطاف (
Deformation) دارد. سرامیکهای نانو کریستالین مانند نیترید سیلیکون و کربید سیلیکون نیز در بخشهای مختلف اتوموبیل مانند فنرهای بسیار مستحکم و بلبرینگها مورد استفاده قرار گرفته اند. سرامیکهای نانو کریستالین علاوه بر خواص مکانیکی ویژه ، خواص شیمیایی منحصر بفرد و مقاومت حرارتی بسیار(جهت استفاده در کوره ها) بالا نیز دارند.
(
f) تصفیه آب
با استفاده از غشاهای ساخته شده توسط نانو تکنولوژی ، فرایند تصفیه آب بویژه در روش اسمز معکوس، با صرف انرژی کمتر و راندمان بالا انجام خواهد پذیرفت.
(
g) کاربرد های نظامی
موسسه نانو تکنولوژی سرباز (
Soldiernanotechnology) در دانشگاه MIT آمریکا ، در حال پزوهش و تحقیق در زمینه کاربردهای نظامی نانو تکنولوژی می باشد. مواد جاذب انرژی (جهت رویارویی با امواج انفجار)،مواد پایش کننده شرایط روحی سربازان، سنسورهای سلاحهای شیمیایی و بیولوژیکی که در صورت بروز حادثه ، منافذ لباسهای سربازان را کنترل نمایند و حتی لباسهایی که قابلیتهای پزشکی از جمله آتل شکسته بندی را دارند، از جمله مواردی است که در آینده توسط نانو تکنولوژی پا به عرصه وجود خواهند گذاشت.