فناوری نانو چیست و چه کاربردی دارد؟

فناوری نانو چیست؟ فناوری نانو، علم و فناوری مرتبط با ابعاد نانومتری و ویژگی‌های متمایز مواد در این ابعاد است. این فناوری به مطالعه، توسعه، و استفاده از مواد و ساختارهایی با ابعاد نانومتری (کمتر از ۱۰۰ نانومتر یا ۰٫۱ میکرومتر) می‌پردازد. در این ابعاد، خواص مواد به طور قابل توجهی تغییر می‌کنند و به ویژه خواص نانومتری می‌توانند به صورت گسترده در علوم مختلف مانند فیزیک، شیمی، بیولوژی، مهندسی مواد، و الکترونیک مورد استفاده قرار گیرند.

فناوری نانو اغلب با تلاش برای کنترل و بهینه‌سازی خواص مواد در ابعاد نانومتری در جهت بهبود عملکرد و کارایی در برنامه‌ها و صنایع مختلف همراه است. این فناوری شامل موضوعاتی مانند نانومتریال‌ها، نانوساختارها، نانوفناوری، و ابزارهای نانو است.

فناوری نانو به دلیل توانمندی‌هایش در ایجاد مواد با خواص و کاربردهای منحصر به فرد، در زمینه‌های مختلفی مانند الکترونیک، پزشکی، انرژی، محیط زیست، و موارد دیگر به کار می‌رود.

اگر بخواهیم برای کودکان این فناوری را تعریف کنیم، به این صورت می توان گفت:

فناوری نانو یعنی بازی با مواد خیلی خیلی کوچیک! مواد نانومتری، یعنی موادی که ابعادشون خیلی خیلی کوچیک‌تر از یک موی انسان است. این مواد کوچیک‌ترین قطعات موجود در مواد هستن.

وقتی ما با مواد رو به این اندازه کوچیک بازی می‌کنیم، خواصشون تغییر می‌کنه. به عبارت دیگه، چیزهایی که در ابعاد بزرگتر قابل رویت نیستند، وقتی به ابعاد نانو می‌رسند، ویژگی‌های جدیدی پیدا می‌کنند.

مثلاً ممکنه یک ماده که در ابعاد بزرگتر شفافه، وقتی به ابعاد نانو می‌رسه بتونه رنگ‌های مختلف نشون بده. یا ممکنه موادی با خاصیت‌های عجیب مثل هوا را درون خود جا بده.

فناوری نانو به ما این امکان رو می‌ده که مواد رو به شکلی جدید در بیاریم و ازشون در زمینه‌های مختلف مثل پزشکی، الکترونیک، و حتی لباس‌ها استفاده کنیم. به وسیله فناوری نانو، ما می‌تونیم دنیای اطرافمون رو به شکل‌های جدید و جالب‌تر ببینیم و از خلاقیتمون برای ایجاد چیزهای خاص و کاربردی استفاده کنیم.

 فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی – عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک – از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی،

مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو ، فناوری زیستی (Biotechnology) و فناوری اطلاعات (IT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند. نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد. در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی وبیولوژیکی تک تک اتم ها، ملکول ها باخواص توده ماده متفاوت است، نانوذرات درچنین مقیاس و مشخصه های منحصر به فردی موجب پیدایش دستاوردهای نوینی درعلوم پزشکی و مهندسی می شوند.

به طورخلاصه نانو تکنولوژی به معنی انجام مهندسی مواد در ابعاد اتمی – ملکولی و ساخت موادی با خواص کاملا” متفاوت درابعاد نانو است. تعریف دیگر نانوتکنولوژی “با آرایش دادن ودستکاری اتم ها ساخت مواد مورد نظراست”. نانومتر، (یک میلیاردم متر) به اندازه چیدن ۵الی۱۰ اتم درکنار یگدیگر است، مکعبی باابعاد ۲٫۵ نانومتر تقریبا” ۱۰۰۰ اتم راشامل می شود. خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ماده تبدیل شده به ابعاد نانو نسبت به خواص آن در ابعاد ماکرویی کاملا” متفاوت است. نانو در ملکولهای ماده انرژی بالایی را ایجاد می کند به همین دلیل معجزه آسا نامیده می شود.

تاریخچه فناوری نانو

تاریخچه فناوری نانو، یک سفر پرپیچ و خم در عرصه علم و فناوری است که در دهه‌های گذشته با پیشرفت‌های علمی و تکنولوژیک، نور افکنده و به عنوان یک حوزه بسیار مهم شناخته شده است. این سفر آغاز خود را در دهه ۱۹۵۰ با توجه به تفکرات پیشتازانه در حوزه فیزیک اتمی گرفت، جایی که فیزیکدانان مطرح مانند ریچارد فاینمن به بررسی خصوصیات مواد در مقیاس اتمی پرداختند. این دهه به عنوان نقطه شروع آگاهی از اهمیت مطالعه و درک ابعاد نانومتری مواد شناخته می‌شود.

سپس، در دهه ۱۹۸۰، مفهوم نانوتکنولوژی به عنوان یک حوزه جدید علمی و فناوری به تدریج مطرح شد. نخستین بار این اصطلاح توسط Eric Drexler، در انستیتو Foresight، به ویژه به توسعه دستگاه‌های ملکولی و کاربردهای آن‌ها اشاره کرد. این ایجاد نه‌تنها به تحول در زمینه نامگذاری منجر شد بلکه به تفکر و پژوهش در مواضع علمی و فناورانه مبتنی بر مقیاس اتمی نیز انگیزه بخشید.

در دهه ۱۹۹۰، با پیشرفت تحقیقات علمی در زمینه نانوتکنولوژی، نخستین مقالات علمی منتشر شدند و ابزارهای تحقیقاتی نانومتری مانند میکروسکوپ‌ها به وجود آمدند. این دهه علاوه بر پیشرفت در تحقیقات، زمینه‌ساز شدن برای توسعه کاربردهای صنعتی و فناورانه نانوتکنولوژی نیز بود.

در دهه ۲۰۰۰، با پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه‌های مختلف مانند الکترونیک، پزشکی، مواد، و انرژی، نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری موفق و چندکاربره تشخیص داده شد. این دوران باعث پیشرفت‌های صنعتی و اقتصادی قابل توجهی در سطح جهانی شد و نشان از تأثیرات انگیزنده و محورگرد فناوری نانو بر زندگی انسان داشت. در حال حاضر، در دهه ۲۰۲۰، فناوری نانو به‌عنوان یکی از پیشروهای جهانی علم و صنعت تلقی می‌شود که به سرعت در حال نفوذ به زندگی روزمره و بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعت می‌باشد.

در زیر، یک تاریخچه خلاصه از توسعه فناوری نانو ارائه شده است:

1. دهه ۱۹۵۰ تاریخ آغاز: در دهه ۱۹۵۰، فیزیکدانان مانند ریچارد فاینمن از اهمیت ویژگی‌های مواد در مقیاس اتمی گفتگو می‌کردند. این دهه به عنوان آغاز تفکر در زمینه فیزیک اتمی و مبانی نانوتکنولوژی محسوب می‌شود.
2. دهه ۱۹۸۰ پدیدارشناسی نانو: در این دهه، نظریه پدیدارشناسی نانو ارتقاء یافت و اولین بار اصطلاح “نانوتکنولوژی” به ویژه توسط Eric Drexler مطرح شد. او به توسعه دستگاه‌های ملکولی و کاربردهای آن‌ها پرداخت.
3. دهه ۱۹۹۰ شروع پژوهش‌های علمی: در این دهه، پژوهش‌های علمی در زمینه نانوتکنولوژی آغاز شد و اولین مقالات علمی در این زمینه منتشر شد. همچنین، توسعه ابزارهای تحقیقاتی مانند میکروسکوپ‌های نانو امکان مشاهده ساختارهای ملکولی را فراهم آورد.
4. دهه ۲۰۰۰ پیشرفت‌های صنعتی: در این دهه، نانوتکنولوژی به صورت گسترده در صنایع مختلف مانند الکترونیک، پزشکی، مواد، و انرژی کاربرد یافت. پیشرفت‌های صنعتی و اقتصادی قابل توجهی حاصل شد.
5. دهه ۲۰۱۰ رشد تحقیقاتی و کاربردهای پزشکی: تحقیقات در زمینه نانوتکنولوژی به اوج خود رسید و کاربردهای زیادی در حوزه‌های پزشکی، تشخیص بیماری، و درمان‌های نوین ظاهر شد. همچنین، توسعه مواد نانو و پوشش‌های هوشمند به عنوان تکنولوژی‌های مورد توجه قرار گرفت.
6. دهه ۲۰۲۰ نفوذ گسترده: در حال حاضر، فناوری نانو به عنوان یکی از فناوری‌های کلان و چشم‌گیر جهان شناخته می‌شود. نفوذ گسترده در بسیاری از حوزه‌ها و کاربردهای نانوتکنولوژی در زندگی روزمره افراد به وضوح دیده می‌شود.

این تاریخچه کوتاه نشان از پیشرفت و گسترش سریع فناوری نانو در گذشته دهه‌ها دارد و نشانگر تأثیرات چشمگیری است که این حوزه در علم، صنعت، و زندگی اجتماعی دارد.

اصول بنیادی

یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است. برای سنجش طول پیوندهای کربن-کربن، یا فاصلهٔ میان دو اتم بازهٔ ۱۲ تا ۱۵ نانومتر به کار می‌رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی‌ان‌ای نزدیک به ۲ نانومتراست. و از سوی دیگر کوچک‌ترین باکتری سلول‌دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازهٔ یک نانومتر نسبت به متر سنجشی انجام دهیم می‌توانیم اندازهٔ آن را مانند اندازهٔ یک تیله به کرهٔ زمین بدانیم. یا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازهٔ رشد ریش یک انسان در طول زمانی است که برای بلند کردن تیغ از صورتش باید بگذرد.

شاخه‌های اصلی در نانو

فناوری نانو به صورت گسترده در شاخه‌های مختلف علمی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. در زیر، شاخه‌های اصلی فناوری نانو و کاربردهای آن در هر شاخه توضیح داده شده‌اند:

1. نانومتریال‌ها (Nanomaterials):
   • نانوذرات (Nanoparticles): ذرات خیلی کوچک با اندازه نانومتری که در ترکیبات مختلف مانند فلزات، اکسیدها، یا پلیمرها می‌توانند متنوع و با خواص منحصر به فرد باشند. کاربردها شامل کاتالیزورها، سنسورها، و مواد بهبود یافته در الکترونیک و پزشکی می‌شود.
   • نانوکامپوزیت‌ها (Nanocomposites): ترکیباتی از دو یا چند ماده که یکی از آنها حاوی نانومواد است. این کامپوزیت‌ها خواص مکانیکی و حرارتی بهبود یافته و در صنایع مانند خودروسازی، هوافضا، و ساخت‌وساختارها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. نانوساختارها (Nanostructures):
   • نانوسیم‌ها (Nanowires): ساختارهای طولانی با قطر در حد نانومتر، که در الکترونیک و اپتیک به عنوان اجزای اصلی استفاده می‌شوند.
   • نانوتیوب‌ها (Nanotubes): ساختارهای استوانه‌ای با قطر نانومتری. نانوتیوب‌ها در مواردی مانند انتقال اطلاعات الکترونیکی یا به عنوان تقویت‌کننده‌ها در مصارف مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
3. نانوفناوری (Nanotechnology):
   • نانوالکترونیک (Nanoelectronics): استفاده از نانومتریال‌ها در ساخت اجزای الکترونیکی. این شاخه در توسعه دستگاه‌های نانومتری مانند ترانزیستورها و مدارهای الکترونیکی پیشرفت‌های زیادی داشته است.
   • نانوپزشکی (Nanomedicine): استفاده از فناوری نانو در زمینه‌های پزشکی برای تشخیص، درمان، و پیشگیری بیماری‌ها. نانوذرات دارویی، تصویربرداری نانو، و دستگاه‌های نانوپزشکی از جمله این کاربردها هستند.
4. ابزارهای نانو (Nanotools):
   • میکروسکوپ‌های الکترونی نانومتری (Scanning Tunneling Microscope – STM، Atomic Force Microscope – AFM): این ابزارها به ما این امکان را می‌دهند که اشیاء را با دقت در حد نانومتر ببینیم و حتی با آنها تعامل داشته باشیم.
   • تجهیزات تحقیقات نانو (Nanofabrication Tools): ابزارهایی که برای ساختن و تولید ساختارها و دستگاه‌های نانو استفاده می‌شوند. این ابزارها شامل لیتوگرافی نانو، ریخت‌سازی نانو، و ابزارهای دقیق دیگر هستند.

این شاخه‌ها تنها یک بخش از دنیای گسترده فناوری نانو هستند و محققان و صنعتگران همچنان در حال کشف و استفاده از این فناوری جذاب هستند.

کاربرد فناوری نانو

فناوری نانو به عنوان یک دانه جادویی در علم و صنعت ظاهر شده است، که با استفاده از ابعاد نانومتری مواد، در زمینه‌های مختلف به انقلابی در کاربردها و تکنولوژی‌ها منجر شده است. این فناوری نه تنها به ما امکان کنترل دقیق‌تر خواص مواد را در ابعاد نانومتری می‌دهد بلکه در عین حال کاربردهای فراوانی در زمینه‌های متنوع از پزشکی و الکترونیک تا صنایع مواد و محیط زیست دارد. در این مقاله آی تی پورت، در ادامه به برخی از این کاربردها خواهیم پرداخت تا تاثیرات چشم‌گیر این فناوری در تحولات مختلف را به واضحی بیان کنیم.

1. پزشکی (Nanomedicine):
   • – داروهای نانو:
     • طراحی داروهای نانو برای افزایش کارایی در تشخیص و درمان بیماری‌ها.
     • استفاده از نانوذرات به عنوان وسایل حمل دارو به ناحیه‌های خاص در بدن.
   • – تصویربرداری نانو:
     • استفاده از نانوذرات برای تصویربرداری دقیق‌تر سلول‌ها و بافت‌های بدن.
     • افزایش دقت در تشخیص و پیش‌بینی بیماری‌ها.
2. الکترونیک (Nanoelectronics):
   • ترانزیستورهای نانو: ساخت ترانزیستورها و اجزای الکترونیکی با ابعاد نانومتری، که منجر به افزایش سرعت و کارایی دستگاه‌های الکترونیکی می‌شود.
   • مدارهای نانو: طراحی مدارهای الکترونیکی با استفاده از اجزا و ابزارهای نانومتری.
3. مواد و صنایع (Nanomaterials and Nanocomposites):
   • تقویت مواد: افزایش خواص مکانیکی، حرارتی، و الکتریکی مواد به کمک نانوذرات یا نانوتیوب‌ها.
   • لباس‌های نانو: استفاده از نانومتریال‌ها برای ساخت لباس‌هایی با خصوصیات ضدآب، ضدباکتری، و حتی لباس‌های هوشمند.
4. انرژی (Nanotechnology in Energy):
   • سلول‌های خورشیدی نانو: ساخت سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانومتریال‌ها برای بهبود بهره‌وری و کارایی.
   • باتری‌های نانو: توسعه باتری‌ها با استفاده از نانومتریال‌ها برای افزایش ظرفیت و عمر مفید.
5. پوشش‌های نانو:
   • پوشش‌های خودتمیزکننده: استفاده از نانومتریال‌ها برای ساخت پوشش‌ها و موادی که خود به طور خودکار آلایش را پاک می‌کنند.
   • پوشش‌های ضدباکتری: ایجاد پوشش‌ها با ویژگی‌های ضدباکتری و ضدویروس.
6. محیط زیست (Nanotechnology in Environment):
   • تصفیه آب نانو: استفاده از نانومتریال‌ها برای تصفیه آب و حذف آلاینده‌ها و باکتری‌ها.
   • حفاظت از محیط زیست: استفاده از نانومتریال‌ها برای کاهش آلودگی هوا و خاک.
7. ابزارها و تجهیزات نانو (Nanotools):
   • میکروسکوپ‌های نانو: استفاده از ابزارهای تحقیقات نانو برای مشاهده و مطالعه ساختارها در ابعاد نانومتری.
   • تجهیزات تحقیقات نانو: ابزارهایی برای ساخت و تولید ساختارها و دستگاه‌های نانو.
8. نانوسنسورها: استفاده از نانوذرات یا ساختارهای نانومتری برای ساخت سنسورها با حساسیت بالا در تشخیص مولکول‌های خاص یا تغییرات محیط.
9. تولید مواد خودهوشی: ساخت مواد خودهوشی با استفاده از نانومتریال‌ها که می‌توانند به طور خودکار به شرایط محیطی تنظیم شوند.
10. الکترونیک انعطاف‌پذیر: استفاده از نانومتریال‌ها برای ساخت قطعات الکترونیکی انعطاف‌پذیر که در دستگاه‌های قابل انعطاف مانند صفحات نمایش، سنسورها، و الکترونیک پوشیدنی کاربرد دارند.
11. کاتالیزورهای نانو: استفاده از نانومتریال‌ها به عنوان کاتالیزورها در فرآیندهای شیمیایی و صنایع نفت برای افزایش بهره‌وری و کاهش آلودگی.
12. تکنولوژی اطلاعات نانو: ساخت ساختارها و دستگاه‌های نانومتری در زمینه تکنولوژی اطلاعات برای ارتقاء ظرفیت ذخیره‌سازی داده و افزایش سرعت انتقال اطلاعات.
13. نانوالیاف: استفاده از نانوالیاف در صنعت پوشاک و مصارف پزشکی برای ایجاد محصولات با خواص مکانیکی و حرارتی بهبود یافته.
14. سلول‌های خورشیدی شفاف: ساخت سلول‌های خورشیدی با نانومتریال‌ها برای استفاده در پنجره‌ها یا سطوح شیشه‌ای که انرژی خورشیدی را جذب و تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کنند.
15. نانوسیستم‌های بیوچسبنده: طراحی نانوسیستم‌هایی که می‌توانند به طور خودکار به سلول‌ها یا بافت‌های زنده چسبنده شوند و در مطالعات بیولوژیکی یا پزشکی استفاده شوند.
16. حسگرهای غذایی نانو: استفاده از حسگرهای نانومتری در زمینه غذایی برای تشخیص مواد آلی و میکروب‌ها به منظور افزایش ایمنی غذا.
17. کاتالیزورهای هوشمند: استفاده از نانومتریال‌ها به عنوان کاتالیزورهای هوشمند که فعالیت خود را با تغییرات در شرایط محیطی تنظیم می‌کنند.
18. فناوری نانو در ترمیم بافت‌ها: استفاده از نانومتریال‌ها برای توسعه مواد ترمیم‌کننده بافت‌های بیولوژیکی.
19. نانوساختارهای ترمیم‌پذیر: ساخت ساختارهایی با استفاده از نانومتریال‌ها که در صورت آسیب دیدن، به طور خودکار ترمیم می‌شوند.
20. کنترل اندازه ذرات در کشاورزی: استفاده از نانومتریال‌ها برای کنترل اندازه و رهیافت مواد مورد استفاده در کشاورزی.
21. تکنولوژی نانو در صنعت هوافضا: استفاده از نانومتریال‌ها در ساخت مواد سبک و مقاوم برای استفاده در ساخت و تولید قطعات هوافضا.
22. توسعه باتری‌های با انرژی زیاد: تحقیقات بر روی باتری‌های نانو برای ذخیره انرژی بیشتر و افزایش طول عمر آنها.
23. کاربردهای نانو در صنعت نساجی: استفاده از نانوالیاف در تولید بافت‌ها با خواص مختلف برای مصارف نساجی.
24. نانوسیستم‌های تحویل دارو: ساخت نانوسیستم‌هایی برای تحویل دقیق دارو به محل مورد نظر در بدن.
25. نانوذرات در محیط زیست: استفاده از نانوذرات در تصفیه آب و پسماند به منظور کاهش آلودگی محیط زیست.

همچنین، موارد دیگر نیز به دلیل پیشرفت‌های روزافزون در حوزه فناوری نانو همچون درمان بیماری‌ها با نانوذرات هدایت‌پذیر، تولید مواد با خواص عجیب و معجزه‌آسای دیگر ادامه دارد.

این فقط چند نمونه از کاربردهای فناوری نانو هستند، و این حوزه همچنان در حال توسعه و کشف نوآوری‌های جدید است.