9- صنعت نانو: تكنولوژي و آينده

گامى ديگر در نانوتكنولوژى

درست همان روشي كه در طبيعت براي توليد كردن حاكم است . مجموعه هاي طبيعي ، تركيبي از دانه هاي مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه هاي در حدود نانو است . اثر تحقيقات در فناوريهاي مادون ريز هم اكنون در درمان بيماريها و يا دست يافتن به مواد جديد به ظهور رسيده است . موارد بسياري در مرحله تحقيقات كاربردي و آزمايشي است .اكنون ساخت رايانه هاي بسيار كوچكتر و ميليونها بار سريعتر در دستور كار شركتهاي تحقيقاتي قرار دارد .

نانوتكنولوژي مي تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 ميليارد دلار براي صنعت نيمه هاديها و 900 ميليون دلار براي مدارهاي مجتمع ، طي 10 تا 15 سال آينده شود .

نانوتكنولوژي موجب توسعه محصولات كشاورزي براي يك جمعيت عظيم خواهد شد و راههاي اقتصادي تري را براي تصويه و نمك زدايي آب و بهينه سازي راههاي استفاده از منابع انرژيهاي تجديد پذير همچون انرژي خورشيدي ارائه نمايد . بطور مثال استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهاي نانولوله كربني كه اخيرا آزمايش گرديد ، نشان داد كه اين روش 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس ، آب دريا را نمك زدايي مي كند .

انتظار مي رود كه نانوتكنولوژي نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده ها ، محيط زيستي سالمتر را فراهم كند . براي مثال مطالعات نشان مي دهد در طي 10 تا 15 سال آينده ، روشنايي حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژي ،مصرف جهاني انرژي را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جويي سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگي هوا به ميزان 200 ميليون تن كربن شود.

در چند سال گذشته بازارچند ميليارد دلاري برپايه نانوتكنولوژي گسترش يافته اند . براي مثال در ايالات متحده ، IBM براي هد ديسكهاي سخت ، يك سري حسگرهاي مغناطيسي را ابداع كرده است .

Eastern Kodak و 3M تكنولوژي ساخت فيلمهاي نازك نانو ساختاري را به وجود آورده اند . شركت Mobil كاتاليستهاي نانو ساختاري را براي دستگاههاي شيميايي توليد كرده است و شركت Merck ، داروهاي نانوذره اي را عرضه كرده است . تويوتا در ژاپن مواد پليمري تقويت شده نانوذره اي را براي خودروها و Samsung Electronics در كره ، در حال كار بر روي سطح صفحات نمايش توسط نانولوله هاي كربني هستند . بشر درست در ابتداي مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاري از نانوساختارهاي يك بعدي بهره مي گيرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لايه و سوپر لاستيكها ) . نظزيات جديد و روشهاي مقرون به صرفه توليد نانوساختارهاي دو و سه بعدي از موضوعات مورد بررسي آينده مي باشند.

نانو تكنولوژي يا كاربرد فناوري در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرت انگيزي را پيش روي دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيري براي آن نمي توان يافت. پيشرفتهاي پرشتابي كه در اين عرصه بوقوع مي پيوندد، پيام مهمي را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستيابي به توانايي هاي بي بديلي براي تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه اي كه در آينده اي نه چندان دور به مدد اين فناوري جديد پديدار خواهد شد، تفاوت هايي بنيادين با جهان مالوف آدمي در گذشته خواهد داشت.

به گزارش ايرنا نانو تكنولوژي نظير هر فناوري ديگري چونان يك تيغ دولبه است كه مي توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودي و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گيري از اين فناوري شناخت دقيق تر خصوصيات آن و آشنايي با قابليت هاي بالقوه اي است كه در خود جاي داده است. در خصوص نانو تكنولوژي يك نكته را مي توان به روشني و بدون ابهام مورد تاكيد قرار داد: اين فناوري جديد هنوز، حتي براي متخصصان، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامي را كه آن را در برگرفته ضخيمتر مي كند و راه را براي گمانزني هاي متنوع هموار مي سازد. كساني بر اين باورند كه اين فناوري نظير هيولايي فرانكشتين در داستان مري شلي و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره هاي يونان باستان، مرگ و نابودي براي ابناي بشر درپي دارد. در مقابل گروهي نيز معتقدند كه به مدد توانايي هاي حاصل از اين فناوري مي توان عالم را گلستان كرد.

در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتي- تجاري در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمريكا و ژاپن با بودجه اي كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ مي شود سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانو تكنولوژي هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاري غيرمتعارف از خود به نمايش مي گذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا شناخت بهتر نحوه شكل گيري عالم است. به اين ترتيب دانشمنداني كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستي و نقشه شگفت انگيز او در خلقت عالم آشنايي پيدا مي كنند، اما از آنجا كه دانايي توانايي به همراه مي آورد، شناسايي رازهاي هستي مي تواند توان فوق العاده اي را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانو تكنولوژي از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات عايد گرديد. از جمله آنكه يك گروه از محققان شركت آي بي ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روي يك صفحه از جنس نيكل جاي دهند و با كمك اين تك اتمها نامي را بر روي صفحه نيكلي درج كنند. محققان ديگر به بررسي درباره ساختارهاي ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوت ها و رشته هاي ابريشم پرداختند تا بتوانند موادي نازك تر و مقاوم تر توليد كنند.

يك گروه از محققان كه در گروهي موسوم به اتحاد سيستمهاي زيستي گرد آمده اند، سرگرم تكميل ابزارهاي ظريفي هستند كه هدف آن بررسي اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعي و بدون آسيب رساندن به اجزاي دروني سلول يا مداخله در فعاليت بخشهاي داخلي آن است. ابزاري كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند رديف هايي از لوله ها يا سيمهاي بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفي را به انجام برسانند از جمله آنكه هزاران پروتئيني را كه به وسيله سلولها ترشح مي شود شناسايي كند. گروههاي ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزارهاي ديگر براي انجام مقاصد علمي ديگر هستند.

به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهاي مورد نظر را شناسايي كنند. گروهي نيز دستگاهي را دردست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا مي تواند پروتئين هاي معيني را فعال سازد يا از كار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آنكه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعي آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديدنظر اساسي قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام مي رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها ميان خود، ردوبدل كردن مواد غذايي و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتي. يك گروه از روش تازه اي موسوم به الگوي انتقال ابر - شبكه استفاده كرده اند كه ساخت نيمه هاديهاي نانومتري به قطر تنها 8 نانومتر را امكان پذير مي سازد.

هريك از اين لوله هاي بسيار ريز بالقوه مي توانند يك پادتن خاص يا يك اوليگو نوكلئو اسيد و يا يك بخش كوچك از رشته دي ان اي بر روي خود جاي دهند. با كمك هر تراشه مي توان 1000 آزمايش متفاوت بر روي يك سلول انجام داد. براي دستيابي به موفقيت كامل بايد بر برخي از محدوديتها غلبه شود، ازجمله آنكه درحال حاضر براي بررسي سلولها بايد آنها را در درون مايعي قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعي سلولها را بازسازي مي كند، اما يون موجود در اين مايع مي تواند سنجنده هاي موئينه را از كار بيندازد.

براي رفع مشكل، محققان سلولها را درون مايعي جاي مي دهند كه چگالي يون آن كمتر است. گروههاي ديگري از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهاي مناسب در مقياس نانو براي بررسي جهان سلولها ابداع كنند. يكي از اين ابزارها چنانكه اشاره شد يك فيبر نوري است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روي نوك نوعي پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوري با استفاده از فيبرهاي معمولي و تراش آنها ساخته شده و بر روي فيبر پوششي از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيري به عمل آورد. نحوه عمل اين فيبر نوري درخور توجه است.

از آنجاكه قطر نوك اين فيبر نوري، از طول موج نوري كه براي روشن كردن سلول مورد استفاده قرار مي گيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهاي نور نمي توانند خود را تا انتهاي فيبر برسانند، درعوض در نزديكي نوك فيبر مجتمع مي شوند و يك ميدان نوري بوجود مي آورند كه تنها مي تواند مولكولهايي را كه در تماس با نوك فيبر قرار مي گيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوري يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان مي چسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو مي كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار مي زند و خود جاي آن را مي گرد. به اين ترتيب نوري كه از مولكول فلورسان ساطع مي شد از بين مي رود و فضاي درون سلول تنها با نوري كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوري بوجود مي آيد روشن مي شود و درنتيجه محققان قادر مي شوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند. مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمي شود و به دانشمندان اجازه مي دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند.

نانو تكنولوژي همچنين به محققان امكان مي دهد كه بتوانند رويدادهاي بسيار نادر يا مولكولهاي با چگالي بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهاي مينياتوري نيمه هاديهاي فلزي در يك فركانس خاص از خود نور ساطع مي كنند و از اين نور مي توان براي مشخص كردن مجموعه اي از مولكولهاي زيستي و الصاق برچسب براي شناسايي آنها استفاده كرد. به نوشته هفته نامه علمي نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته اند سنجنده خاصي را تكميل كنند كه قادر است حركت اتمهاي روي را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبي مدد رساند. از ابزارهاي در مقياس نانو همچنين مي توان براي عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمايشي كه بتازگي به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلولهاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزايش مي دهد. محققان اميدوارند در آينده اي نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژي موفق شوند امور داخلي هر سلول را تحت كنترل خود درآورند.

محققان دانشگاه دوك در نظر دارند به كمك مجموعه اى از ابزارهاى CAD (طراحى به كمك كامپيوتر)، فرآيند مونتاژ اجزاى مولكولى را در طراحى مدارهاى كامپيوترى كه از نانوتيوب هاى كربن مونتاژ شده توسط DNA مصنوعى ساخته مى شوند، ساده سازى كنند. چنين مدارهايى در مقياس مولكولى كه محصول مونتاژ خود به خودى اند بايد بتوانند نسبت به كامپيوترهايى كه براساس تكنولوژى هاى امروز تراشه سازى مبتنى بر سيليكون توليد مى شوند، دستگاه هايى به مراتب ارزان تر و كارآمدتر ارائه دهند. به گفته كريس دوير (Dwyer.C)، استاديار مهندسى برق و كامپيوتر در دانشگاه دوك، «اين ابزارها امكان طراحى مدارهاى كامپيوترى كه بتوانند به طور خودكار توسط مولكول هاى DNA مونتاژ شوند را فراهم مى كند. در واقع به كمك ابزارهاى ما است كه با تكيه بر فرآيند مونتاژ خودبه خودى DNA و نانوتيوب هاى كربن، طراحى و ارزيابى مدارها امكان پذير مى شود».

اين ابزارها براى ساخت مدارهاى كامپيوترى با چگالى 2500 ترانزيستور در هر ميكرون مربع طراحى شده اند. اين چگالى حدود 30 برابر بزرگتر از تراكمى است كه با استفاده از تكنولوژى هاى تراشه سازى فعلى در مدارهاى كامپيوترى اعمال مى شود. به عبارت ديگر 2500 ترانزيستور در هر ميكرون مربع يعنى 250 ميليارد ترانزيستور در هر سانتى متر مربع. ترانزيستورها به شكل گيت هاى منطقى آرايش مى يابند سپس با تلفيق ميليون ها گيت با يكديگر مدارهاى پيچيده اى به وجود مى آيند كه وظيفه ذخيره و پردازش اطلاعات در كامپيوتر را به عهده دارند. بنابراين توانايى مونتاژ ترانزيستورهاى نانوتيوبى منفرد، پيش نياز دستيابى به تكنولوژى تراشه سازى بر پايه نانوتيوب ها است. در واقع كليد اين معما دريافتن روش هايى براى تلفيق آنها به شكل مدارهاى منطقى است.

به تازگى تيم تحقيقاتى ديگرى از دانشگاه دوك موفق به ساخت ابزارهايى شده اند كه از چهارچوب DNA بهره مى گيرند. در واقع مى توان اين ابزارها را پايه اى براى مدارهاى نانوتيوبى دانست. اين چارچوب محصول تور مانندى از مونتاژ خودبه خودى مولكول هاى DNA مصنوعى است كه عرض حفره هاى آن به 20 نانومتر مى رسد.به اعتقاد دوير اين تكنولوژى هنوز در آغاز راه است و اين چارچوب و ديگر ابزارها به موازات يكديگر توسعه مى يابند. به گفته وى «زمانى كه تكنولوژى چارچوب DNA مهيا شود ما بايد بتوانيم درباره كارايى اين دستگاه و نوع معمارى كامپيوترى خاصى كه ما را به آن سمت مى كشاند، به درستى بينديشيم تا امكان تصميم گيرى هاى استراتژيك سطح بالايى مثل تعيين چگونگى بازسازى جريان اطلاعات و اجراى محاسبات فراهم شود.»

در معمارى مدار نانوتيوب _ DNA محققان دانشگاه دوك، براى اتصال انتهاهاى نانوتيوب هاى كربن به نقاطى در چارچوب DNA از جفت هايى از توالى هاى مكمل در DNA استفاده شده است. در واقع اتصال نانوتيوبى نيمه رسانا در امتداد خط مركزى يكى از حفره ها و اتصال نانوتيوب فلزى ديگرى در راستاى عمود بر اولى منجر به يك ترانزيستور اثر ميدانى خواهد شد.

ابزارهاى اين محققان نيز مثل ابزارهاى سنتى طراحى به كمك كامپيوتر امكان طراحى منفرد قطعات دستگاه مثل گيت هاى منطقى، اتصال آنها براى تشكيل سيستم كامل، ايجاد طرح اوليه مدار و توليد يك توالى از مراحل مونتاژ را در اختيار كاربران قرار مى دهد. اين ابزار از مدل هاى تخصص يافته اى بهره مى گيرد كه مى تواند عملكرد مدارها براساس رفتار ترانزيستور نانوتيوبى در سيگنال هاى كوچك را به طور تقريبى نشان دهد. به گفته دوير «ما به كمك اين ارزيابى قادريم سرعت و ميزان مصرف انرژى طراحى هايمان را تخمين بزنيم.»

براى آن كه بتوان بهترين تكنولوژى ممكن را براساس نانوالكترونيك و به ويژه فرآيند مونتاژ خودبه خودى ساخت بايد به گونه اى ديگر درباره مدارها و چگونگى انجام محاسبات انديشيد. به گفته دوير «ابزارهاى ما زيربنايى براى طراحى هاى آينده اند. گام بعدى محققان استفاده از آنها در طرح هاى ساده است. ما هم اكنون مشغول مونتاژ شبكه ساده اى از DNA هستيم كه اساساً مى تواند براى يك گيت NAND مناسب باشد.»

گيت NAND يا Not AND يكى از عناصر زيربنايى در مدارهاى كامپيوترى به شمار مى رود. اين گيت شامل دو سيگنال ورودى و يك سيگنال خروجى است كه در صورت يك بودن هر يك از سيگنال هاى ورودى، سيگنال خروجى صفر خواهد بود.يكى از چالش هاى موجود در راه توسعه تكنولوژى DNA اين حقيقت است كه هر چه چارچوب DNA بزرگتر باشد، تعداد توالى هاى منحصر به فرد موردنياز براى مدار بيشتر خواهد بود. به گفته دوير «محققان به دنبال راهى هستند تا تعداد كل توالى هاى موردنياز را كاهش دهند» اما با اين حال به نظر نمى رسد ابزارهاى طراحى به كمك كامپيوتر تا پيش از پنج يا ده سال آينده قادر به ساخت نانوتيوب باشند.

نانوتكنولوژي علمي جديداست كه مي خواهد مضراتي راكه علوم مصنوعي به عالم فعلي گذاشته از بين برده واز راه طبيعي جهان را به بهشت تبديل كند بطوري كه زندگي را براي تمامي مردم از كوچك تا بزرگ لذت بخش وراحت سازد .

مادرآستانه ورود به جهاني آرماني هستيم، توليد محصولات كشاورزي برمبناي نانوتكنولوژي مثل سيب زميني كه فقط پروتئين هاي موجود درآن بانفوذ براتم هاي گرد وغبار، هوا وآب نمونه هايي مشابه خودرا ايجاد مي كند ، تاسيب زميني شكل گيرد. يا توليد غذا برمبناي نانوتكنولوژي مانند استيك جوجه يا بره نيم پزشده به كمك ملكول هاواتم ها توسط خودمان بدون اينكه حيواني ذبح شود ، همه نمونه هايي از رسيدن به جهان آرماني است . در نتيجه مي توان يك طرح زيبا از پايان دادن به قحطي وگرسنگي ارائه داد كه درآن سياره اي با درختان مو سبزرنگ وزيبا وميوه هاي كشاورزي كه خاك طبيعي وكاملي ندارند ، ترسيم مي شود . 

به پيوند اجباري شيمي و مهندسي ، نانوتكنولوژي يا دومين انقلاب صنعتي گفته مي شود. نانوتكنولوژي يا هنر ساخت مواد از اتم ها ،با توليد جديد از محصولاتي كه پاكيزه تر،نيرومندتر ،سبك وزنتر و سالمتر از مواد قبلي است ، همراه مي باشد. نانوتكنولوژي سعي در يكي كردن اكتشافات و پروژه ها از بيوتكنولوژي و مهندسي ژنتيك با شيمي،فيزيك ، الكترونيك و علم مواد دارد.

با استفاده از نانوتكنولوژي هر چيزي مي تواند به شكل هر شي قابل تصور ديگري متصور شود و 92 عنصر جدول تناوبي مي توانند بي نهايت با هم تركيب شوند تا ملكول هاي متفاوتي از ابعاد نانوگرفته تا يك سياره را بسازد .

در سال 1959 ريچارد فينمن تئوري تكنولوژي برتر را ارايه داد در سالهاي آتي با ذكر جزئيات بيشتر اين تئوري،مطالبي توسط اريك دركسلر تحت عنوان موتورهاي آفرينش در سال 1986 و نامحدود ساختن آينده در سال 1991 ارايه گرديد ، وي تنها درجه دكتـري در نانونوتكنولوژي را در همين سال از دانشگاه Mit دريافت نمود .

هدف از انتخاب اين موضوع آگاهي دادن به افراد جامعه در مورد پيشرفت علم در زمينه توليد غذا در عصر نانوتكنولوژي مي باشد،زيرا در آن برهه از زمان به طور نمايي همراه با دقت اتمي، در همان نانو عمومي غذا مي تواند از اتم هاي خام سنتز شود تا به اهداف آلودگي كمتر و پاك كردن اتوماتيك آلودگي موجود دست يابيم و پاياني براي قحطي و گرسنگي داشته باشيم.

تاريخچه پيدايش كشاورزي و انقلاب صنعتي

درحقيقت اگر هر 100 ميليون سال را يك سال در نظر بگيريم كره زمين سياره اي 46 ساله است كه هيچ اطلاعاتي راجع به 7 سال اول آن وجود ندارد ودر مورد سالهاي مياني آن اطلاعات كم و بيش پراكنده و نامطمئني وجود دارد. درسن 42 سالگي گياهان و جنگل ها پديدار شده و شروع به رشد كرده اند،انسان جديد حدود 4 ساعت روي زمين است كه طي همين يك ساعت گذشته كشاورزي را كشف كرده و انقلاب صنعتي فقط يك دقيقه پيش اتفاق افتاد. حال ببينيم كه در اين يك دقيقه انسان چه بلايي بر سر اين كره 46 ساله آورده است.

نانوتكنولوژي چيست؟

نانوتكنولوژي يا هنر ساخت مواد از اتم ها،توانايي كپي كرده دقيق اتم به صورت منحصر به فرد و قرار دادن آنها در جاي دلخواه مي باشد. در حقيقت به پيوند اجباري شيمي و مهندسي شيمي نانوتكنولوژي گفته مي شود. نانوتكنولوژي يا دومين انقلاب صنعتي جهان،رقيب ساير تكنولوژي ها نيست ، بلكه مكمل و پايه آنهاست.اين علم در واقع مهمترين كليد پتانسيل اقتصادي در قرن بيست و يكم به حساب مي آيد. نانوتكنولوژي علمي جديد است ،كه مي خواهد مضراتي راكه علوم مصنوعي در عالم كنوني گذاشته از بين ببرد و از راه طبيعي جهان را تبديل به بهشت كند،به طوري كه زندگي را براي تمام مردم از كوچك تا بزرگ لذت بخش و راحت سازد،با اين علم گرسنگان سير مي شوند و ديگر قحطي از بين مي رود و ما شاهد اتفاقات بسياري كه هم اكنون قادر به تصور آن نيستيم،مي باشيم. نانوتكنولوژي يك رشته جديد نيست،بلكه رويكردي جديد در تمام رشته هاست. اطلاعات ما از طبيعت آن را آخرين مقياس توليد مي داند.

وعده هاي نانوتكنولوژي در تمام رشته ها به جز كشاورزي و تغذيه

جهان در آستانه يك انقلاب تكنولوژي جديد ، برترازتجربه هرانساني مي باشد.اين انقلاب صنعتي قدرتمندجديدظرفيت آوردن سلامتي،سعادت و تعليم و تربيت،بدون آلودگي براي هر انسان در سياره خاكي را دارد .