پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو و چشم‌انداز آینده

بسپار/ ایران پلیمر فناوری نانو با ایجاد موجی از تحقیقات گسترده در سراسر جهان عنوان “فناوری کلیدی قرن بیست و یکم” را به خود اختصاص داده‌است. تمرکز اصلی این فناوری کنترل ساختار ماده در ابعاد کمتر از nm 100 است. در این مقاله به مفهوم فناوری نانو، تاریخچه، کاربرد و روند پیشرفت آن پرداخته می‌شود.

 

1. فناوری نانو چیست؟

ساخت ماده در مقیاس اتمی، مولکولی و فوق مولکولی دارای حداقل یک بعد به اندازه nm 1 تا 100 است.

2. تاریخچه فناوری نانو

ظهور فناوری نانو در دهه 1980 به واسطه پیشرفت‌هایی همچون اختراع میکروسکوپ روبشی تونلی و کشف فولرن (Fullerenes) رخ داد. در اوایل قرن بیست و یکم کاربردهای تجاری فناوری نانو رشد کردند.

3. فناوری نانو در زمان کنونی

به نظر می‌رسد شکوفایی فناوری نانو در دهه اخیر به علت توسعه دستگاه‌هایی همچون میکروسکوپ روبشی تونلی، میکروسکوپ مغناطیسی و الکترونی است که امکان مشاهده و ساخت مواد در مقیاس نانو را فراهم آورده‌اند. همان‌طور که دانش گالیله توسط امکانات زمان خودش محدود شده‌بود، امروزه نیز کمبود دستگاه خوب و دقیق امکان کسب دانش بیشتر در این زمینه را محدود کرده‌است.

دو نانوساختاری که در چند سال اخیر توجه بسیاری را جلب کرده‌اند نانوسیم و نانولوله کربنی هستند. نانوسیم‌ها، سیم‌هایی با قطری به کوچکی حتی nm 1 است. دانشمندان امیدوارند به کمک آن‌ها بتوانند ترانزیستورهای بسیار کوچکی برای رایانه و دیگر دستگاه‌هایی الکترونی بسازند. البته کاربرد نانولوله‌های کربنی گوی سبقت را از نانوسیم‌ها ربوده‌است. نانولوله کربنی، استوانه‌ای متشکل از اتم کربن در ابعاد نانو است. اگرچه تمام نانولوله‌های کربنی از کربن ساخته شده‌اند، چیدمان اتم‌ها می‌تواند تاثیر زیادی در ویژگی‌ آن‌ها داشته‌باشد. چهار نسل در توسعه محصولات فناوری نانو شناخته شده‌است:

• نانوساختارهای انفعالی: در دوره اول خواص انفعالی نانومواد مورد توجه بود. برای مثال دی‌اکسید تیتانیوم به علت جذب و انعکاس اشعه فرابنفش در کرم ضدآفتاب به‌کار می‌رود. با تبدیل آن به نانوذره در برابر نور مرئی شفاف شده و از سفیدی ظاهر کرم می‌کاهد. نانولوله‌های کربن بسیار مستحکم‌تر از فولاد و در عین حال سبک‌تر هستند؛ استفاده از آن‌ها در ساخت راکت‌های تنیس موجب سختی بالا بدون افزایش وزن در آن‌ها می‌شود.
• نانوساختارهای فعال: این دسته از نانوساختارها، در واکنش به محیط اطراف حالت خود را تغییر می‌دهند. نانوذرات می‌توانند سلول‌های سرطانی را تعقیب و داروی لازم جهت مقابله با آن‌ها را رها کنند. یک دستگاه نانوالکتروشیمی کارگذاشته شده در بدنه یک قطعه می‌تواند تنش وارده به ساختار را حس و مواد پلیمری برای ترمیم آن آزاد کند. یک لایه نانوماده خاص قادر است با واکنش به نور خورشید بار الکتریکی ایجاد کند. محصولات نانویی نیاز به درک عمیق‌تر ارتباط بین ساختار ماده و خواص مربوط به آن دارد تا بتوان موادی با کاربرد منحصربه‌فرد طراحی نمود.
• نانوسامانه‌ها: چالش کلیدی در مواجهه با این سامانه‌ها، ایجاد هماهنگی بین اجزاء اصلی در یک شبکه است. نانوساختارها می‌توانند در یک شبکه به نحوی چیده شوند که استخوان یا بافت‌های دیگر روی آن رشد کنند. دستگاه‌های کوچک نانوالکترومکانیکی توانایی جستجوی سلول‌های سرطانی و غیرفعالسازی آن‌ها را دارند. پیشرفت‌های چشمگیر در روباتیک، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاعات نسل جدید به مرور در محصولات نانو نمایان خواهد شد.

4. نانومواد

پودر نانوسرامیک: این پودرها با اختصاص بیش از 50% از سهم مواد نانوساختار به خود، بسیار حائز اهمیت‌اند. نانوسرامیک‌ها در قالب پودر خشک یا پراکنده شده در مایع به صورت تجاری در دسترس هستند. مهم‌ترین آن‌ها سیلیکا، دی‌اکسید تیتانیوم، آلومینا، اکسیدآهن، اکسید روی، سریا می‌باشند.

نانولوله: این دسته از نانومواد با ساختار مستحکم دارای خاصیت رسانایی الکتریکی (یا نیمه رسانا) و حرارتی می‌باشند.

نانوکامپوزیت: این مواد معمولاً پایه پلیمری به همراه پرکننده‌هایی در ابعاد نانو هستند.

5. کاربردها

فناوری نانو دارای سه حوزه است که با یکدیگر هم‌پوشانی دارند:  نانوالکترونیک، نانومواد و نانوبیوتکنولوژی که در زمینه مواد، انرژی، امنیت، روباتیک، سلامت، فناوری اطلاعات، داروسازی، کشاورزی، حمل‌ونقل و صنایع غذایی کاربرد پیدا می‌کند.

نانوزیست فناوری: طراحی فرمولاسیون جدید برای دارو در حوزه رهایش دارو و ساخت و ترمیم بافت آسیب‌دیده در حوزه مهندسی بافت از کاربردهای نانوبیوتکنولوژِی است.

نانوفناوری و کاربردهای پزشکی: سامانه‌های جدید رهایش دارو بر اساس فناوری نانو برای سرطان، دیابت، عفونت‌های قارچی و ویروسی در حال توسعه است. موادی همچون مواد رنگزای فلورسنتی و نانوذرات مغناطیسی نیز در تشخیص پزشکی کاربرد یافته‌اند. نانوسیم بر خلاف نانولوله فاقد حفره در درون خود است، نانوسیم‌های بر پایه سیلیکون در تشخیص ویروس در محلول بسیار موفق عمل کرده‌اند. نانومواد متخلخل بر پایه کربن، سیلیکون، سرامیک و یا پلیمر با حفراتی در ابعاد nm 100 دارای مساحت سطح زیاد و قابلیت کاربرد به عنوان کاتالیست و جاذب هستند. با اعمال پوششی از نانوذرات روی سطح مواد سخت، امکان ساخت تیغه جراحی بسیار تیز فراهم است. ابزارهای فناوری نانو مانند انبر نوری و قیچی نانو نیز برای بررسی‌های سلولی به کار گرفته می‌شوند.

الکترونیک: صنعت نیمه‌رسانا طی چهار دهه توانسته است عملکرد سامانه‌های الکترونیکی را به کمک دستگاه‌ها و قطعات بر پایه سیلیکون بهبود دهد اما این روش به زودی محدودیت‌های تکنیکی و فیزیکی خود را نشان خواهد داد. ازسوی دیگر تقاضا برای بهبود عملکرد و کارایی، کاهش هزینه و کوچک شدن دستگاه‌ها صنعت میکروالکترونیک را به دنیای نانو و یافتن جایگزین برای سیلیکون سوق داده‌است. نانومواد کربنی مانند نانولوله کربنی یک‌بعدی و گرافن دوبعدی با توجه به خواص الکتریکی فوق‌العاده‌شان امکان ساخت قطعات الکترونیکی سریع و کارآمد را فراهم کرده‌اند. در سال 2004 برای اولین بار نشان داده‌شد که می‌توان یک صفحه کربنی که در آن اتم‌های کربن با الگویی شبیه به کندوی عسل کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند را از گرافیت جدا نمود. این نانوماده جدید گرافن نام گرفت، از ویژگی‌های آن می‌توان به سرعت بسیار بالای الکترون اشاره کرد که در ساخت ترانزیستورهای اثر میدان (field-effect) سریع و کوچک قابل استفاده است. خواص الکترونیکی نانولوله کربنی تک دیواره نیز مشابه گرافن است اما ساختار استوانه‌ای آن‌ها را برای تشکیل کانال در ترانزیستورهای اثر میدان مناسب‌تر کرده‌است. در طی دهه گذشته کاربرد نانولوله کربنی از ترانزیستور فراتر رفته و به اجزاء فرکانس رادیویی رسیده‌است.

علاوه بر خواص الکتریکی، ویژگی‌های دیگری مانند رسانایی گرمایی فوق‌العاده، استحکام مکانیکی و نسبت سطح به حجم بالا نانولوله کربنی و گرافن را تبدیل به ماده‌ای بسیار مناسب برای ساخت حسگرهای الکترومکانیکی یا الکتروشیمیایی با حساسیت بالا و پاسخگویی سریع‌ نموده‌است. سامانه‌های نانوالکترومکانیکی در 10 سال گذشته بسیار تکامل یافته‌ و پیشرفت‌های اخیر در ساخت نانوموادی با خواص بارز الکتریکی و مکانیکی کاربرد این سامانه‌ها را گسترش داده‌است.

 

 

شکل 1: طول پیوند کربن در گرافن

پوشرنگ و پوشش: صنعت پوشرنگ و پوشش در سراسر جهان رو به رشد است. فناوری جدید پوشرنگ به کمک نانوذرات نقره با رشد باکتری و قارچ مقابله می‌کند. نانوذرات نقره در پوشرنگ دیوار از تشکیل قارچ در داخل ساختمان و خزه در دیوارهای خارجی ساختمان جلوگیری می‌کند. ظاهر بهتر، مقاومت شیمیایی خوب، مقاومت در برابر خراش، مقاومت در برابر تابش فرابنفش، آبگریزی و روغن‌گریزی، مقاوم در برابر آتش‌سوزی، خودتمیزشوندگی و…از دیگر مزایای استفاده از نانوذرات در پوشش هستند.  

نساجی: فناوری نانو، پتانسیل بالایی در صنعت نساجی نشان داده‌است. یکی از روش‌های رایج در این حوزه اعمال نانوذرات روی الیاف و پارچه است. نسبت سطح به حجم بالا و انرژی سطحی زیاد این نانوذرات به افزایش دوام پارچه کمک می‌کند. موفقیت فناوری نانو در نساجی منوط به گسترش کاربرد محصول بدون تحت تاثیر قرار دادن خواص عمومی پارچه همچون فرآیندپذیری، انعطاف‌پذیری، قابلیت شستشو و نرمی آن‌هاست. تولید پارچه‌های ضدباکتری، مقاوم در برابر تابش فرابنفش، قابلیت شستشوی آسان، ضدلک، ضدآب و ضدتعریق از دستاوردهای فناوری نانو در این صنعت است.

صنایع غذایی: چالش‌های پیچیده مهندسی و علمی در صنایع غذایی مخصوصاً برای تولیدکنندگان بزرگ توسط فناوری نانو قابل حل است. این فناوری در تولید مواد غذایی و محصولات کشاورزی در قالب حسگرهای نانو جهت کنترل رشد گیاهان و بیماری‌های مختلف در آن‌ها به کار گرفته می‌شود. شناسایی باکتری و کنترل کیفیت مواد غذایی به کمک حسگر نانو، سامانه‌های بسته‌بندی هوشمند و کپسوله کردن ترکیبات بایوفعال مثال‌هایی از کاربرد فناوری نانو در این صنعت است.

کاتالیست‌ها: مساحت سطح زیاد در نانومواد، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربرد کاتالیستی تبدیل کرده‌است. نانوموادی همچون فلزات، اکسیدفلزات، سولفیدها و سیلیکات‌ها دارای چنین قابلیتی هستند. کاتالیست‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: همگن و غیرهمگن. کاتالیست غیرهمگن بر خلاف نوع همگن دارای فاز متفاوت با فاز واکنش‌دهنده‌هاست.

کاربردهای نظامی: موارد استفاده از نانوفناوری در حوزه نظامی عبارت است از: پارچه/مواد، روباتیک، امنیت، اسلحه (شناسایی، دفاع)، وسایل نقلیه (سوخت، محافظت از سربازان)، سلامت نظامیان (تشخیص، پزشکی)

با اعمال نانولایه‌ای از تفلون بر روی ورقه‌هایی از جنس کولار (Kevlar) به روش لایه‌نشانی شیمیایی (chemical vapor deposition) می‌توان جلیقه ضدگلوله و ضدآب ساخت.    

6.تولید فناوری نانو:

داروهای هوشمند- درمان سرطان: حوزه‌های مختلف فناوری نانو به تشخیص و درمان سرطان اختصاص یافته‌است. یکی از اهداف اصلی فناوری نانو در زمینه پزشکی ساخت دستگاه‌هایی است که در داخل بدن در نقش سامانه رهایش دارو عمل می‌کنند. روش‌های پرتودرمانی و شیمی‌درمانی از آنجایی که علاوه بر از بین بردن سلول‌های سرطانی، سلول‌های سالم را نیز نابود می‌کنند عوارض جانبی زیادی را بر بیمار تحمیل می‌کنند. فناوری نانو قادر است انواع سرطان را با هدف قرار دادن سلول‌های سرطانی بهبود دهد.

مواد پیچیده- چسبنده فوق‌العاده: توانایی مارمولک در برای چسبیدن به سطوح و راه رفتن روی دیوارها محققان را بر آن داشت که تارهای الاستیک موجود در کف پای این موجود را شبیه‌سازی کند. این امر منجر به ساخت ماده‌ای با چسبندگی 10 برابر قوی‌تر از چسبندگی پاهای مارمولک با بهره‌گیری از نانولوله کربنی شد. این نانولوله‌ها زمانی که به موازات سطح قرار می‌گیرند، نسبت به حالت عمودی دارای چسبندگی بسیار بیشتری به سطح هستند. نتیجه حاصل از این طراحی را می‌توان برای اتصال وزنه‌ای سنگین به یک سطح عمودی استفاده کرد، در عین حال بتوان آن را به راحتی از سطح جدا نمود. وجود فناوری نانو سبب شده‌است که اجرای ایده ساخت لباسی که به انسان امکان راه رفتن روی سطح عمودی دیوار را دهد، دور از انتظار نباشد.

تولید انرژی و مصارف آن: نسل جدید حسگرهای نانو، کاتالیست‌ها و مواد توانسته‌اند در کاهش مصرف انرژی نقش ایفا کنند. استفاده از نانومواد مهندسی سبب افزایش کارایی در انتقال انرژی می‌شوند. فناوری نانو در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر به بهبود راندمان و کاهش هزینه کمک می‌کند. به منظور افزایش تولید الکتریسیته در سلول‌های سوخت هیدروژنی می‌توان از خواص سطح در مقیاس نانو و روش‌های نوین ساخت نانومواد بهره گرفت.

7.آینده فناوری نانو

پیش‌بینی آینده یک فناوری برجسته‌ به علت احتمال دست کم گرفتن اثر فناوری و سرعت پیشرفت آن امری مشکل است. در حال حاضر توسعه فناوری نانو از پیش‌بینی‌های انجام شده در سال 2000 پیشی گرفته‌است. هر نمودار توانی بالاخره به نقطه‌ای می‌رسد که سرعت رشد در آن بی‌نهایت می‌شود. اگر پیشرفت فناوری نیز به‌صورت توانی باشد، بعد از سال 2020 چه اتفاقی خواهد افتاد؟ با توجه به شرایط کنونی پیش‌بینی می‌گردد شتاب رشد فناوری منجر به محصولاتی شود که امروزه علمی تخیلی به نظر می‌رسند. اولین نیروی محرکه برای پیشرفت فناوری تقاضای مداوم برای مواد جدید و فشار رقابت است. پیشرفت هوش مصنوعی به حدی است که رایانه‌ها به تحولات فناوری و کشفیات علمی کمک شایانی می‌کنند. به عبارت دیگر ماشین‌های هوشمند دست به کشفیاتی خواهند زد که برای انسان بسیار پیچیده خواهد بود. در نهایت فرضیه‌ای وجود دارد که راه حل بسیاری از مشکلات امروزی از جمله کمبود مواد، سلامت انسان و تخریب محیط زیست توسط فناوری حل خواهد شد. پیشرفت فناوری در چند سال گذشته بسیار سریع‌تر از پیش‌بینی‌ها در بهترین حالت بود. اگرچه رشد علم بسیار سریع است، سرعت تغییر فناوری و زندگی روزمره به چند دلیل بسیار آهسته‌تر می‌باشد.  دلیل اول زمان‌بر بودن تبدیل کشفیات علمی به محصولات جدید است، خصوصاً زمانی که بازار محصول مورد نظر مشخص نباشد. دلیل دوم این امر مقاومت افراد و موسسات به ایجاد تحول است زیرا هر فناوری جدید برای اثرگذار بودن به تغییرات سازمانی و هزینه‌ای نیاز دارد. برای مثال فناوری رایانه تا زمانی که استفاده از آن در ادارات و فعالیت‌های مختلف رایج نشده‌بود، سودآوری اقتصادی نداشت.

8. خطرپذیری در فناوری نانو

 

مترجم: مهندس رعنا رفیعی هشجین، دانشجوی دکتری مهندسی رنگ، پژوهشگاه رنگ

 

(ادامه دارد…)

 

متن کامل این مقاله را که در شماره   200 ویژه نامه پوشرنگ در پایان ردیبهشت ماه منتشر شده است، بخوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید.