تکنولوژی نانو چیست و چه کاربرهایی دارد؟

یکی از عباراتی که احتمالا خیلی به گوشتان خورده است، نانو تکنولوژی است. نانو تکنولوژی به استفاده از مواد در ابعاد اتمی، مولکولی و فرامولکولی در حوزه‌های صنعتی گفته می‌شود. نانو تکنولوژی امروزه تاثیر بسیار زیادی روی صنایع گذاشته است و حتی برخی از صنایع به خصوص صنایع شیمی به لطف نانو تکنولوژی دچار تغییر و تحولات بسیار بزرگی شده‌اند. برای آشنایی بیشتر با نانو تکنولوژی در این مقاله درمورد اینکه تکنولوژی نانو چیست و چه کاربرهایی دارد، توضیح داده شده است.

نانو تکنولوژی چیست؟

تکنولوژی نانو در واقع یک شاخه از علم مهندسی و فناوری است که در مقیاس نانو انجام می‌شود که اندازه آن چیزی در حدود 1 تا 100 نانومتر است. ایده نانو تکنولوژی به شکل امروزی اولین بار با سخنرانی معروف ریچارد فاینمن با موضوع "آن پایین فضای بسیاری هست" شکل گرفت. ریچارد فاینمن در سخنرانی خود در نشست انجمن فیزیک آمریکا در موسسه فناوری کالیفرنیا در تاریخ 29 دسامبر 1959 برای اولین بار از واژه نانو تکنولوژی استفاده کرد. فاینمن در سخنرانی‌های خود توضیح داد که تغییر و کنترل مواد در سطح اتم و مولکول امکان دارد. 

فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آن‌ها در سطح اتم‌ها و مولکول‌هاست. در واقع اگر همه مواد و سیستم‌ها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنش‌ها سریع‌تر و بهینه‌تر صورت می‌گیرد و توسعه پایدار پیش گرفته می‌شود. 

درمورد اینکه تکنولوژی نانو چیست باید گفت که این سخنرانی ریچارد فاینمن مقدمه‌ای برای آغاز پژوهش‌ها در این زمینه شد. حدود یک دهه بعد از این سخنرانی پروفسور نوریو تانیگوچی در کاوش‌های خود در حوزه نانو تکنولوژی توانست به ماشین کاری فوق دقیق (ultraprecision machining) دست یابد. بعد از آن نیز با گذشت سال‌ها با توسعه میکروسوپ‌های تونلی روبشی (scanning tunneling microscope)، امکان مشاهده اتم‌های منفرد فراهم شد که باعث شد تکنولوژی نانو به صورت امروزی پیشرفت کند.

درک نانومتر

برای اینکه بهتر متوجه شوید تکنولوژی نانو چیست ابتدا باید با مفهوم نانومتر آشنا شوید. تصور اینکه یک نانومتر چقدر می‌تواند کوچک باشد سخت است. یک نانومتر در واقع یک میلیاردیم متر است. برای اینکه بهتر یک نانومتر را درک کنید، به مثال‌های زیر توجه کنید:

• در هر یک اینچ 25 میلیون و 400 هزار نانومتر وجود دارد.
• یک ورق روزنامه حدود صد هزار نانومتر ضخامت دارد.

داشتن رفتاری متفاوت یا غیرمنتظره نانوتکنولوژی

• کاهش قابل توجه مقاومت ذرات در برابر الکتریسیته
• نقطه ذوب پایین‌تر
• واکنش شیمیایی سریع‌تر

کاربردهای نانو تکنولوژی

• وسایل و فرایندهای روزمره

لایه‌های شفاف نانو مقیاس روی عینک‌ها، نمایشگرهای کامپیوتر و دوربین‌ها، پنجره‌ها و دیگر سطوح می‌تواند به آن‌ها قابلیت‌هایی مختلفی از جمله ضد آب بودن، ضد انعکاس بودن، خود تمیز شوندگی، مقاومت در برابر اشعه‌های ماوراء بنفش و مادون قرمز، ضد بخار، ضد میکروبی، ضد خش و رسانای الکتریکی بودن اضافه کند.

 نانو تکنولوژی می‌تواند منجر به کاهش وزن خودرو‌ها، کامیون‌ها، هواپیماها، قایق‌ها و فضاپیماها شود. کاهش وزن می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در میزان سوخت مصرفی شود. همچنین استفاده از فناوری نانو در وسایل مختلف از چوب‌های بیسبال و راکت‌های تنیس گرفته تا قطعات خودرو و محفظه‌های برقی باعث می‌شود که ویژگی‌هایی همچون سبکی، مقاومت بالا و انعطاف پذیری به آن‌ها اضافه شود. برای مثال امروزه صفحاتی با ابعاد نانو از جنس کربن تولید می‌شوند که در وسایل نقلیه هوایی به کار برده می‌شوند.

مواد مهندسی شده نانو در محصولات خودرو باعث تولید محصولاتی با کیفیت بالا و ویژگی‌های منحصربه‌فرد شده است. برای مثال لاستیک‌هایی با مقاومت غلتشی کمتر، سنسورها و لوازم الکترونیکی با راندمان بالا، پنل‌های خورشیدی هوشمند در ابعاد بسیار کوچک با بازدهی بالا و اگزوزهای تمیزتر برخی از مزایای به کارگیری نانو تکنولوژی در صنعت خودرو هستند.

• صنعت تراشه

یکی از مهمترین کاربرد‌های تکنولوژی نانو در حوزه ساخت تراشه و ترازیستورهاست. ترانزیستور‌ها و تراشه‌هایی که تمامی محاسبات را انجام می‌دهند، از طریق فناوری نانو کوچک و کوچک‌تر می‌شوند. در آغاز این صنعت ترانزیستورهای معمولی ابعادی حدود 130 تا 250 نانومتر داشتند. بعد از آن با گذشت سال‌ها اینتل موفق به ساخت ترانزیستور 14 نانومتر شد. در سال بعد IBM اولین ترانزیستور 7 نانومتر دنیا و دوباره سال بعد نیز آزمایشگاه ملی لارنس برکلی نیز موفق به ساخت یک مدل از ترانزیستور یک نانومتری شد. هر چه اندازه ترانزیستور کوچک‌تر باشد، سریع‌تر و بهتر عمل می‌کند.

• صنعت شیمی

درباره اینکه تکنولوژی نانو چیست و چه ارتباطی با صنعت شیمی دارد باید گفت که نانو تکنولوژی و صنعت شیمی به یکدیگر بسیار وابسته هستند. صنایع شیمیایی طیف گسترده‌ای از نانو ذرات کاربردی را تولید می‌کنند. کاربرد نانو ذرات کاربردی را می‌توان در هر حوزه‌ای مشاهده کرد. از رنگ‌ها گرفته تا وسایل و موادی که در زندگی روزمره خود از آن‌ها استفاده می‌کنیم.

یکی دیگر از کاربردهای تکنولوژی نانو در کاتالیزورهای شیمیایی است. کاتالیزورها در علم شیمی برای سرعت بخشیدن به مدت زمان مورد نیاز برای انجام یک واکنش مورد استفاده قرار می‌گیرند. استفاده از تکنولوژی نانو در ساخت کاتالیزورها باعث تولید کاتالیزورهای با کیفیت و همچنین کاتالیزورهای ناهمگن جدیدی شده است.

علاوه بر این‌ها نانو تکنولوژی در صنایع شیمی کاربردهای دیگری نیز دارد که ما اثر آن‌ها را به صورت مستقیم نمی‌توانیم مشاهده کنیم. برای مثال غشاهایی که در فرآیند نانو مقیاس تولید می‌شوند، می‌توانند در فناوری‌های جذب کربن، نمک‌زدایی و تصفیه آب به کار برده شوند.

• پزشکی 

از نانو ذرات در پزشکی استفاده‌های زیادی می‌شود. مثلا از نانو ذرات طلا به عنوان درمان بالقوه سلول‌های سرطانی و یا ساخت واکسن‌هایی که بدون سوزن ماده مؤثره را به داخل بدن تزریق می‌کنند. یا تولید دستگاه ضربان سازی شده است که می‌تواند به جلوگیری از نارسایی‌های قلبی و افزایش طول عمر بیمارهای قلبی عروقی کمک کند. در مطالعاتی نشان داده شده که ضربان قلب و ریه‌ها، باعث ایجاد یک الگوی ریتمیک می‌شود. به این معنی که سرعت تنفس ما بر ضربان قلب ما تأثیر می‌گذارد. دستگاه‌های ضربان ساز سنتی ضربان قلب را در یک سرعت مشخص نگه می‌دارند؛ در حالی که قلب به صورت طبیعی این گونه کار نمی‌کند. دستگاه جدیدی که توسط دانشمندان ساخته شده است با ریه‌ها هماهنگ‌تر عمل می‌کند؛ خون را به صورت مؤثر پمپاژ و در مصرف انرژی عضله قلب صرفه‌جویی می‌کند.

• کشاورزی 

در کشاورزی با قرار دادن نانو ذرات نقره در مواد غذایی به عنوان یک عامل ضدباکتریایی می‌توان باعث افزایش طول عمر میوه‌ها و سبزیجات شد. این نانو ذرات بسیار کوچک‌تر از آن هستند که اثر مضری داشته باشند و یا طعم غذاها را تغییر دهند.

کاربردهای دیگر نانو تکنولوژی

• در پزشکی در زمینه‌های مختلفی مانند تولید نمونه داروهای معالج انواع بیماری‌ها و همچنین آسان کردن تشخیص بیماری‌های گوناگون توسط پزشکان حوزه‌های مختلف 
• بهبود فرایند مصرفیِ صنایع و منابع گوناگون طبیعی نظیر آب، خاک، باد، انواع انرژی‌ها و …
• صنایع تولید انواع محصولات ساختمانی
• صنعت نساجی و بافت انواع پارچه‌های با کیفیت
• صنعت ساخت و تولید انواع محصولات و تجهیزات ساختمانی
• صنعت تولید انواع شوینده‌ها
• صنعت نظام و حفظ امنیت ملی در راستای تولید انواع تجهیزات دفاعی و تهاجمی

وجود نانو در تمام صنایع فوق منجر به تولید محصولات و کالاهایی نظیر موارد زیر شده است:

• انواع لباس‌های آنتی باکتریال 
• تولید انواع سیمان و بتن با کیفیت عالی
• انواع عایق‌های ضد آب
• شیشه‌هایی با خاصیت‌های منحصر به فردی نظیر تمیز شوندگی سر خود، عایق آتش و حرارت، کنترل کننده‌ی انرژی و غیره 
• تولید آسفالت‌ با کیفیت‌ و با دوام بسیار طولانی‌
• لوله‌های با قابلیت مانع شدن از عبور انواع آلودگی‌ها
• انواع ربات حسگر که قادر به تشخیص حمله‌ی قلبی پیش از بروز آن می‌باشند.
• انواع روکش‌ها، کامپوزیت‌ها، سیم‌ها، سیالات، لیتوگرافی، ترانزیستورها، تصفیه کننده‌های آب و فاضلاب، انواع مواد نرم کننده، انواع پودرهای شست و شو، انواع مایع‌های شوینده و .... .

انواع نانو ذرات از لحاظ اندازه و ابعاد

نانو ذرات به بعدهای زیر تقسیم می‌شوند:

• نانوذره‌های صفر بعدی

نانوذره‌های صفر بعدی فاقد هیچ‌گونه بعد آزادی هستند. این ذره‌ها دارای ابعاد گوناگونی در شکل‌هایی مثل مکعبی، منشوری، کروی، بیضوی، ستونی و غیره هستند. این نوع از نانو در دو نوع خالص و یا ترکیبی تولید و بهره‌برداری می‌شود. از کاربردهای آن می‌توان به ضد خش کردن بدنه‌ی انواع اتومبیل‌، تولید لاستیک‌ با مقاومت به نسبت بالا، ساخت و تولید انواع داروها، تولید انواع محصولات الکترونیکی، نظامی و ... اشاره کرد.

• نانوذره‌های تک بعدی

این نانوذره از دو بعد در مقیاس نانو و یک بعد آزاد برخوردار است. کاربرد این نانو ذره بر اساس جنس و نسبت طول به قطر ذره‌ی مورد نظر طبقه‌بندی می‌شود. به عنوان مثال به علت داشتن خاصیت رسانش و هدایت جریان الکتریکی در ساخت و تولید انواع تجهیزات برقی بسیار کوچک مثل رایانه‌های پیشرفته‌ی کوچک، انواع لیزرهای کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• نانو ذرات دو بعدی

این نانو ذره دارای دو بعد آزاد و یک بعد در مقیاس نانو هستند. این نوع از نانو برای بهبود روند تولید انواع محصولات پوشش دهنده، نظیر انواع سلفون‌های بسته‌بندی مواد خوراکی، غذایی و … مناسب است. از این نانو ذرات هم به طور خالص هم به طور ترکیبی استفاده می‌شود.

• نانو ذرات سه بعدی

نانوذره‌های سه بعدی دارای سه بعد در مقیاس آزاد هستند. این گروه از نانو ذرات را می‌توان نانو کامپوزیت‌ها و مواد حجیم نانو ساختار نام برد که در موارد و زمینه‌های گوناگونی مورد استفاده‌ی انواع و اقسام صنعت‌ها قرار می‌گیرند.

محصول کلی فناوری نانو

به‌طور کلی کالای فناوری نانو شامل یکی از موارد زیر می‌شود:

1. نانوماده تولیدشده یا نانوماده مهندسی شده.
2. محصول میانی بهبود یافته با نانو یا پدیدار شده با نانو.
3. محصول نهایی بهبود یافته با نانو یا پدیدار شده با نانو.

نتیجه‌گیری

نانومتر در واقع یک میلیاردم یک متر است که ابعاد بسیار کوچکی دارد. نانو تکنولوژی نیز درست به همین موضوع اشاره دارد. تکنولوژی نانو در واقع به استفاده و ایجاد تغییر در مواد در ابعاد اتمی و مولکولی گفته می‌شود. امروزه نانو تکنولوژی به تمامی صنایع به خصوص صنایع شیمی و تراشه‌ها نفوذ کرده است و باعث ایجاد تحولات عظیمی شده است. به همین دلیل برای اینکه بهتر بدانید تکنولوژی نانو چیست، در این مقاله درمورد نانو تکنولوژی و کاربردهای آن در صنایع مختلف توضیح داده شد.