شما می توانید در محیط جامد شنا کنید

چشم انداز آینده نانوتکنولوژی

کد خبر: ۴۲۰۳

مقیاس نانو تجربه جدید است ؛ اما تبدیل کشفیات تازه به فناوری هنوز هم به روش سنتی آن انجام میگیرد.تصور کنید یک میلیارد مرتبه کوچکتر شوید و بتوانید در محیط گازی ، مایع و یا جامد شنا کنید. در این سفر چیزهایی که شما با آنها مواجه می شوید مدنظر ما نیست ؛ بلکه عدم پیوستگی )گسستگی ( اتمها و ملکول هایی که ارکان طبیعت را تشکیل می دهند، اهمیت دارد.بیش از40 سال پیش بود که ریچارد فینمن فناوری ای را تجسم کرد که بانهایت استفاده از جعبه ابزار طبیعت ، اجسام را اتم به اتم یا ملکول به ملکول می ساخت . در دو دهه اخیر شاهد اولین جرقه های این تجسم بوده ایم و برخی نوآوری ها و کشفیات کلیدی در این مدت مشاهده شده اند. مثلا میکرسکوپ تونلی روبشی که می تواند تصویری از یک اتم واحد به ما بدهد و بامهارت ، آن را کنترل کند، و یا خانواده ای از ملکول ها نظیر باکی بال ها و نانوتیوپ های کربنی را که خواص منحصر به فردی - که در مواد بالک یافت نمی شود- دارند، تصویرسازی کرده و خواصشان را کنترل کند.همچنین مقیاس های نانومتری اندازه ملکول های بیولوژیکی و پروتئین ها و مواد غیرآلی شامل نیمه هادی ها، سرامیک ها و فلزات نانوساختاری را پوشش می دهد. این همپوشانی اخیرا تشکیل مواد هیبریدی نانومتری را که خواص و عملکردهای منحصر به فردی دارند، امکانپذیر کرده است.اگر ما تصوراتمان را گسترش دهیم ، می توانیم فناوری هایی را متصور شویم که متفاوت از فناوری های فعلی خواهند بود. به عنوان مثال ، پردازش و ذخیره اطلاعات می تواند بر پایه بیت های اطلاعاتی ای انجام گیرد که به عنوان ذرات واحدی )الکترون ها یا فوتون ها( تعریف شده اند؛ بنابراین تغییرات عظیمی در چگالی و مصرف برق ایجاد می شود مراقبت های بهداشتی و بیوتکنولوژیکی می توانند متکی بر اسمبلی های ملکولی نانوساختاری ای شوند که دارو را در بدن ما به محل دقیق مورد نیاز آن می فرستد و یا تومورهای سرطانی را در آغاز تکوین ردیابی میکنند.انسان می تواند موتورها و یخچال هایی بر پایه مواد ترموالکتریک نانو ساختاری را متصور شود که نه تنها قابلیت عملکرد بالاتری از دستگاه های امروزی خواهند داشت ؛ بلکه از نظر زیست محیطی نیز بی خطرتر هستند. نانوساختار همچنین خواص مکانیکی فلزات و سرامیک ها را تنظیم می کند که این امر می تواند تاثیر عظیمی بر صنایع حمل و نقل و صنایع فضایی داشته باشد. اگر تمامی این اهداف برآورده شوند، یک پایه تکنولوژیکی جدید پدید خواهد آورد که اثرات اجتماعی و اقتصادی اساسی خواهد داشت.قابل توجه است که در حال حاضر این فناوری در اغلب زمینه ها موجود نیست . کلید فناوری ، تنها در دانش آن نیست ؛بلکه در ترکیب دانش و مهندسی است ؛ بنابراین نانو مهندسی یکی از مهمترین ارکان موفقیت نانوتکنولوژی است.مهندسی نانو دقیقا چیست ؛ بیایید موضوعات مهم مهندسی را که باید به آنها پرداخت و توسعه داد، شناسایی کنیم . یکی از مهمترین موضوعات ، آن است که چگونه اجسام را در مقیاس های کوچک گنجاند؛ در سیستم های میکرو الکترونیکی و میکرو الکترومکانیکی می توان اشیای چند تایی را با استفاده از لیتوگرافی نوری دقیقا بر روی یک سکوی واحد قرار داد. این روش اغلب روش "از بالا به پایین " نامیده می شود که در آن از لیتوگرافی برای برش و شکل دهی لایه های نازک جامد استفاده می شود. موفقیت لیتوگرافی نوری به عنوان یک تکنیک تولیدی ، متکی بر سرعت و ماهیت موازی آن است که باعث هزینه پایین آن نیز می شود؛ اما قدرت تفکیک آن محدود به اندازه های بزرگتر از100 نانومتر است.بر عکس ، نانوتکنولوژی از ساختارهایی استفاده می کند که اندازه شان 1 تا100 نانومتر است . مشخص است که روش "از بالا به پایین " لیتوگرافی نوری بخشی از جواب است ؛ زیرا در ارتباط با محدوده بالایی ، این محدوده کوچک است . اما شخص باید تکنیک های "از پایین به بالای " خود اسمبلی را توسعه دهد که در محدوده 1 تا100 نانومتر بگنجد و در همپوشانی با روشهای "از بالا به پایین " باشند. اما خود اسمبلی باید کدگذاری شود؛ یعنی شخص باید قادر باشد که یک شی ء را در کنار دیگری اسمبل کند تا به یک الگوی طراحی شده برسد.چگونه انسان باید اسمبلی را کدگذاری کند ؛ این مساله خیلی پیچیده نیست . به عنوان مثال در زیست شناسی ، تولید پروتئین ها با تعریف کد دی ان آ در یک اسمبلی دقیق از آمینو اسیدها طی یک سلسله واکنش های آنزیمی انجام می گیرد. رشد کریستال های غیرآلی در جهات خاص و با الگوهای معین نیز یک گونه از اسمبلی کدگذاری شده اتمهاست ؛ البته نه با آن دقتی که در زیست شناسی است.تولید نیاز به شخصی دارد که خود اسمبلی کدگذاری شده نانو ساختارها را با استفاده از لیتوگرافی نوری اداره کند و در نتیجه ، تشکیل یک تکنیک تولید هیبریدی دهد. تکنیک های جدید بسیاری برای این هدف توسعه یافته اند؛ اما هنوز هیچیک را نمی توان یک فناوری نامید و کارهای بسیاری راجع به آن باقی مانده است.شخص ممکن است بپرسد: نانوساختار چه مزایایی برای سیستم دارد؛ در مقیاس نانو چه چیز منحصر به فردی وجود دارد؛ با ذکر چند مثال به این مساله می پردازیم : قابلیت تبدیل انرژی به انواع مختلف آن نظیر حرارتی ، مکانیکی ، الکتریکی ، نوری و شیمیایی ، با راندمان بالا قسمت مهمی از هر زیرساختار یک جامعه مدرن است . اهمیت مصرف انرژی ایجاب می کند که حتی بهبودهای ناچیز در راندمان تبدیل و روشهای تبدیل بتواند تاثیر بسیاری بر اقتصاد، ذخایر انرژی و محیط زیست بگذارد.اخیرا توسط یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه میت نشان داده شده است که اگر مواد ترموالکتریکی نظیر آلیاژهای بیسموت ساختار نانو بیابند، بازداشت های کوانتمی الکترون ها و فونون ها تنظیم خواص حرارتی ، الکتریکی و ترموالکتریکی آنها را به گونه ای امکان پذیر می کند که درجه شایستگی آنها به نحوه شگفت انگیزی افزایش یابد.این بدان معنی است که شخص قادر خواهد بود دستگاه های تبدیل انرژی را با قابلیت عملکرد بهتری نسبت به موتورهای احتراقی و یخچال های فشرده ساز بخار طراحی کند و بسازد اگر چه تا حدودی به انتقال الکترون در این نانوساختارها پی برده اند؛ ولی گرمای انتقال هنوز کاملا درکن شده است .