فناوری نانو چیست؟
فناوری نانو چیست؟
درست به همان نسبتی که یک ساختمان بلند به تک تک واحدها و دانه دانه بلوک‌ها و آجرهایش دارد، بخش‌های تشکیل دهنده ساختمان مواد نیز مرحله به مرحله کوچک و کوچک‌تر می‌شوند. از دید همه کسانی که ساختمان درونی مواد را بررسی می‌کنند. هر جسمی مثل یک بنای عظیم از آجرهای کوچک‌تری ساخته شده است . این آجرها نیز به نوبه خود از آجرهای کوچک و کوچک‌تر ساخته شده‌اند
درست به همان نسبتی که یک ساختمان بلند به تک تک واحدها و دانه دانه بلوک‌ها و آجرهایش دارد، بخش‌های تشکیل دهنده ساختمان مواد نیز مرحله به مرحله کوچک و کوچک‌تر می‌شوند. از دید همه کسانی که ساختمان درونی مواد را بررسی می‌کنند. هر جسمی مثل یک بنای عظیم از آجرهای کوچک‌تری ساخته شده است . این آجرها نیز به نوبه خود از آجرهای کوچک و کوچک‌تر ساخته شده‌اند و این تا جایی که بشر شناخته است. یعنی ساختارهای کوچک‌تر از اتم، ادامه دارد. اتمها، مولکول‌ها را می‌سازند و مولکول‌ها در کنار هم ساختمان‌های بزرگ و بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند. این ساختمان‌ها، هر کدام اسمی متناسب با اندازه‌شان دارند: ساختاری بزرگ یا ساختارهای ماکرومتری، ساختارهای ریز یا میکرومتری و ساختارهای نانومتری، ابعاد نانو، ابعاد مربوط به اتمها و مولکول‌ها است، یعنی ساختمانی که آجربناهایش اتمها هستند. پس در این مقیاس با مولکول‌ها و نیروهای بین اتمها سرو کار داریم. اما فناوری نانو چیست و چرا باید اینقدر مهم باشد؟ فناوری نانو همه روش‌های ارتباط ما با مقیاس مولکولی و اتمی در محدوده نانومتری را در بر می‌گیرد. بررسی خیلی از ساختارهای طبیعی نشان می‌دهد خواصی که در مقیاس بزرگ می بینیم مثل رنگ و ظاهر، وابسته به اتفاقاتی است که در ابعاد نانومتری می‌افتد. اگر با فناوری نانو ارتباط خوبی برقرار کنیم می‌توانیم پلی بین قابلیت‌ها و کاربردها بسازیم. با تغییر ساختمان مولکولی قادریم موادی بسازیم که قابلیت‌های ویژه‌ای از خود نشان می‌دهند. این قابلیت‌ها در موارد متعددی قابل استفاده هستند و به کمک این قابلیت‌های ویژه می توانیم هزینه ها و خطرات را کم کنیم. نمونه‌هایی از عمومیت کاربردها می‌توان بیان کرد. برای مثال موادی که مستحکم و سبک باشند، همانطور که در ساختمان ها استفاده می‌شوند برای ساخت ابزارها، ماشین‌ها و فضاپیماها نیز مفید خواهند بود. موادی که بتوانند حجم زیادی داده را در خود جای دهند، ابعاد خیلی از وسایل الکترونیکی را کوچک‌تر می‌کنند. مواد رسانان و عایق از اتلاف برق به صورت حرارت جلوگیری می‌کنند. هر یک از این مواد به نوعی یک ماده هوشمند اطلاق می‌شوند، زیرا رفتار خاصی را نشان می‌دهند که هر ماده دیگری قادر به انجام آن نیست. با این توصیف یک نخ کشسان نیز ماده‌ای هوشمند شمرده می‌شود، چون وظیفه خاصی را انجام می‌دهد.
اگر یک نخ کشسان بارها و بارها کشیده شود باز با رها کردن نیرو از دو سمت آن در نهایت به حالت اولیه خود بر می‌گردد. اگر چنین ماده هوشمندی در لباس استفاده شود، آن را به لباسی هوشمند تبدیل می‌کند. مواد نانو به لحاظ قابلیت‌هایی که دارند، هوشمند محسوب می‌شوند و با استفاده از آنها در برخی مواد دیگر می‌توان بهره‌های زیادی از آنها برد. می‌توان دستگاهی را در جیب گذاشت که با قدرتی خارق العاده بتواند یک ماده سمی خطرناک را به سرعت از محیط جذب کند؛ یا وسیله کوچکی روی لباس نصب شده باشد که با شامّه‌ای چندین برابر قوی‌تر از سگ، حضور مواد آلاینده یا سمّی و امواج رادیواکتیو را در محیط تشخیص دهد؛ با به کارگیری یک ماده نانومتری سبک و بسیار محکم‌تر از فولاد در چیزی غول پیکری مثل یک هواپیما می‌توان در مجموع بخش زیادی از وزن هواپیما را کاهش داد. بدنه یک کشتی غول پیکر باید سالانه چند بار رنگ شود تا بدنه در اثر خوردگی جلبک‌های گیاهی تخریب نشود، شاید فناوری نانو بتواند پوسته¬ای محافظ تولید کند که از خوردگی ناشی از جلبک‌ها جلوگیری کند. آشنایی با فناوری نانو و توان طراحی نانومتری نوید فوایدی را می‌دهد که در آینده باقی خواهد ماند.
تسلط بر قلمرو مولکول‌ها
برای قدم گذاشتن در عرصه فناوری نانو باید درک صحیحی از ابعاد نانو و اهمیت آن داشت. اغلب گفته می‌شود فناوری نانو، فناوری اشیاء کوچک است، اشیاء خیلی کوچک و در واقع استفاده و تولید ماده در مقیاس ریز مولکولی است که در این ابعاد اتمها و مولکول‌ها به شکیلی متفاوت از ابعاد بزرگ‌تر عمل می‌کنند و گستره‌ای از کاربردهای جالب و شگفت‌انگیز را فراهم می‌کنند. می‌توان اصطلاح "فناوری مولکولی" را برای فناوری نانو استفاده کرد، چرا که ابعاد نانو ابعاد کارایی مولکول‌ها است. این ابعاد چه حد و مرزی دارد؟ متوسط ضخامت یک تار موی انسان 80000 نانومتر و ابعاد مولکول گلوکز حدود 1 نانومتر است. قطر مو در مقایسه با مولکول گلوکز بسیار بزرگ‌تر است و مولکول گلوکز هشتاد هزار بار کوچک‌تر از تار مو است، اما می‌تواند انرژی فعالیت اجزای بدن را تامین کند.
"حوزه نانو، به هیچ حوزه خاصی از علم تعلق ندارد، به همه متعلق است". این توصیف تنوع بی‌نهایت و منحصر به فرد بودن فناوری نانو را می‌رساند و در عین حال لزوم آمادگی کسانی را نشان می‌دهد که می‌خواهند در آن نقش داشته باشند. واژه نانو اولین بار در اواخر دهه 1970 استفاده شد. در حالی که تعاریف زیادی برای فناوری نانو وجود دارد، برنامه راهبردی پیشگامی ملی فناوری نانو در آمریکا (NNI) در تلاش برای تعریف مرزهای این نظم جدید و نوظهور، حدودی مشخص را پیشنهاد کرده است. طبق تعریف تعیین شده "فناوری نانو شناخت و کنترل ماده در ابعاد نزدیک به 100-1 نانومتر است، ابعادی که در آن پدیده‌های منحصر به فرد کاربردهای جدیدی پیدا می‌کنند".
ماکروساختار، میکروساختار و نانوساختار
اگر هر جسمی را به منزله یک ساختمان با واحدهای کوچک‌تر در نظر بگیریم، این جسم و خواص آن از همه این واحدها تاثیر می‌پذیرد. برای مقال رنگ انعکاسی از یک جسم جامد هم تابع ماکروساختار شیشه است و هم از میکروساختار و نانوساختار متاثر است. ماکروساختار همان ساختار ظاهری است. مثلا یک ظرف می‌تواند حفره‌های سطحی یا لعاب داشته باشد. ساختار ماکرومتری یا خواص ماکرومتری قابل حس و درک است، تیزی یک کارد، نرمی پر، درخشش فلز و مشابه این موارد در ماکروساختار تعریف می‌شوند. مقیاس بزرگ روبنای یک ساختمان پیچیده‌تر است.
برای ورود به دنیای پیچیده مولکولی و اتمی به ناچار باید از ابعاد میکرومتری گذر کنیم. به ساختار میکرومتری، میکروساختار میگویند، بسیار از خواص قابل سنجش مواد حجیم مربوط به میکروساختار هستند که در مقیاس بین یک میلیمتر تا یک میکرومتر قرار دارد. در مقایسه با یک ساختمان این جز مثل اتاق‌های ساختمان می‌باشد.
ساختار مولکولی و اتمی یک شیء، نانوساختار نامیده می‌شود که به مراتب در سطحی بنیادی‌تر قرار می‌گیرد. در ساختار اتمی، نوع اتم‌های موجود، موقعیت و تعدادشان و نحوه آرایش آنها مدنظر قرار می‌گیرد. در علم نانو به ساختار بزرگ‌تر از ابعاد نانومتری ساختار حجیم یا توده‌ای گفته می‌شود. هرچه آشنایی ما با اتم و مولکول و پدیده‌های مرتبط به آن یعنی پدیده‌های کوانتومی بیشتر باشد، بیشتر از مزایای فناوری نانو مطلع خواهیم شد.