نانوفناوری: شگفتیهای دنیای کوچک
نانو چیست؟ درک اندازه و مقیاس
برای درک بزرگی یا بهتر بگوییم کوچکی دنیای نانو، باید با واحد اندازهگیری آن آشنا شویم: نانومتر. یک نانومتر یک میلیاردم متر است. برای تصور این اندازه، به مثالهای زیر توجه کنید:
- یک ورق کاغذ معمولی حدود 100,000 نانومتر ضخامت دارد.
- قطر یک تار موی انسان تقریباً 80,000 تا 100,000 نانومتر است.
- یک مولکول آب (H$_2$O) حدود 0.3 نانومتر قطر دارد.
پس نانوفناوری دربارهی کار با چیزهایی در اندازهی اتمها و مولکولهاست. جالب اینجاست که وقتی مواد به این کوچکی میرسند، خواص کاملاً جدید و متفاوتی از خود نشان میدهند. مثلاً طلا در اندازهٔ معمولی زرد رنگ و غیرفعال است، اما نانوذرات طلا میتوانند قرمز، بنفش یا حتی سبز باشند و به عنوان کاتالیزور3 در واکنشهای شیمیایی عمل کنند.
روشهای ساخت در دنیای نانو: از پایین به بالا و از بالا به پایین
برای ساخت نانومواد، دو راهبرد اصلی وجود دارد که در جدول زیر با مثالهایی مقایسه شدهاند:
| نام روش | توضیح مفهوم | مثال ملموس | مثال فناورانه |
|---|---|---|---|
| از پایین به بالا ساختاری |
چیدن اتمها و مولکولها کنار هم برای ساخت یک شیء بزرگتر، مانند ساختن یک کاخ با استفاده از آجرهای کوچک. | ساخت یک ماکت یا لگو | رشد نانولولههای کربنی4 از طریق فرآیندهای شیمیایی |
| از بالا به پایین تخریبی |
تراشیدن و کوچک کردن یک مادهٔ بزرگ تا رسیدن به ابعاد نانو، مانند حجاری یک مجسمه از یک سنگ بزرگ. | تراشیدن یک مداد برای نوک تیز کردن آن | ساخت تراشههای کامپیوتری با لیتروگرافی5 پیشرفته |
این دو روش مکمل یکدیگر هستند و بسته به نیاز و نوع محصول نهایی، دانشمندان از یکی یا ترکیبی از هر دو استفاده میکنند.
کاربردهای شگفتانگیز نانوفناوری در زندگی روزمره
شاید فکر کنید نانوفناوری چیزی دور از دسترس است، اما امروزه محصولات زیادی از این فناوری استفاده میکنند. در این بخش به چند نمونهٔ کاربردی و عینی اشاره میکنیم.
۱. پزشکی و دارورسانی هوشمند: تصور کنید داروها مستقیماً به سلولهای بیمار برسند و به سلولهای سالم آسیب نزنند. با نانوفناوری این رویا به واقعیت نزدیک شده است. دانشمندان نانوذرات دارو را طراحی میکنند که مانند کلیدِ قفل، فقط به سلولهای سرطانی میچسبند و دارو را در آنجا رها میکنند. این روش عوارض جانبی شیمیدرمانی را به شدت کاهش میدهد.
۲. پارچهها و سطوح ضدلک و ضدآب: کت یا کفش ضدآبی دارید؟ احتمالاً از فناوری نانو بهره برده است. با پوشاندن سطح پارچه با نانوذرات، میتوان ساختاری ایجاد کرد که قطرات آب نتوانند به آن نفوذ کنند و به صورت قطره از روی آن بغلتد. حتی برخی رنگهای دیواری از این فناوری برای ضدلک و ضدگردوغبار شدن استفاده میکنند.
۳. تولید انرژی پاک: نانوفناوری به بهبود سلولهای خورشیدی کمک زیادی میکند. با استفاده از نانومواد، میتوان سطح جذب نور خورشید را افزایش داد و بازده تبدیل نور به برق را بالا برد. همچنین در ساخت باتریهای قویتر و با عمر طولانیتر برای خودروهای الکتریکی و گوشیهای همراه، نانوفناوری نقش کلیدی دارد.
۴. الکترونیک قدرتمندتر: قانون مور6 پیشبینی کرده بود که تعداد ترانزیستورها در یک تراشه هر دو سال تقریباً دو برابر میشود. نانوفناوری با امکان ساخت ترانزیستورها در ابعاد اتمی، این پیشبینی را تا سالها محقق نگه داشته است و باعث شده گوشیهای امروزی از ابررایانههای دهههای قبل قدرتمندتر باشند.
نانوفناوری و محیط زیست: از تصفیه آب تا حسگرهای دقیق
حفظ محیط زیست یکی از دغدغههای اصلی بشر است و نانوفناوری در این زمینه نیز کمکهای بزرگی میکند. به عنوان مثال، فیلترهای نانومتری میتوانند کوچکترین آلایندهها، باکتریها و حتی ویروسها را از آب جدا کنند و آب آشامیدنی پاکیزهای تولید کنند. همچنین از نانوذرات کاتالیزوری برای تجزیهی سریعتر آلایندههای شیمیایی خطرناک در خاک و آبهای زیرزمینی استفاده میشود. حسگرهای نانویی نیز میتوانند مقادیر بسیار کم آلودگی در هوا را تشخیص دهند و هشدار زودهنگام بدهند.
پرسشهای مهم و شبهات رایج درباره نانوفناوری
پاسخ: این یک پرسش بسیار مهم است. مانند هر فناوری جدیدی، نانوفناوری نیز باید با مسئولیتپذیری و مطالعهٔ دقیق توسعه یابد. اندازهٔ بسیار کوچک نانوذرات ممکن است باعث شود به راحتی وارد بدن شوند. بنابراین، دانشمندان فعالانه در حال مطالعه بر روی نانوایمنی7 و نانوسمشناسی8 هستند تا مطمئن شوند محصولات نانویی قبل از ورود به بازار، به طور کامل از نظر ایمنی آزمایش شدهاند. هدف، استفادهٔ ایمن و پایدار از این فناوری است.
پاسخ: نانوفناوری کاملاً واقعی است و همین امروز در بسیاری از محصولات اطراف ما وجود دارد. از کرمهای ضدآفتاب که حاوی نانوذرات دیاکسید تیتانیوم برای محافظت بهتر در برابر نور خورشید هستند، تا راکتهای تنیس مستحکمتر ساخته شده از نانولولههای کربنی، همگی مثالهایی از کاربرد عملی این فناوری هستند. البته بخشی از تحقیقات نانوفناوری (مثل رباتهای نانویی که در رگها حرکت میکنند) هنوز در مراحل آزمایشگاهی و توسعه قرار دارد و میتواند زمینهساز فناوریهای آینده باشد.
پاسخ: نانوفناوری یک علم بینرشتهای است. این یعنی برای پیشرفت در آن، به دانش و همکاری چندین علم مختلف نیاز داریم. شیمی به ما میآموزد چگونه اتمها و مولکولها را برای ساخت نانوذرات جدید با هم ترکیب کنیم. فیزیک به ما کمک میکند خواص عجیب مواد در مقیاس نانو (مانند خواص الکتریکی و نوری) را درک و از آنها استفاده کنیم. زیستشناسی نیز برای الهام گرفتن از طبیعت (زیستتقلید) و کاربرد در پزشکی ضروری است.
پاورقی و معادلهای انگلیسی
1 نانوفناوری: Nanotechnology
2 نانومتر: Nanometer (nm). یکای طول برابر با $10^{-9}$ متر.
3 کاتالیزور: Catalyst. مادهای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد بدون آنکه خود مصرف شود.
4 نانولولههای کربنی: Carbon Nanotubes (CNTs). استوانههایی از اتمهای کربن با خواص مکانیکی و الکتریکی استثنایی.
5 لیتروگرافی: Lithography. فرآیندی برای حکاکی و ایجاد الگو روی یک سطح (معمولاً در ساخت تراشه).
6 قانون مور: Moore's Law. یک مشاهده و پیشبینی که توسط گوردون مور، از بنیانگذاران اینتل، مطرح شد.
7 نانوایمنی: Nano-safety. مطالعه و اجرای اقدامات برای اطمینان از ایمنی کار با نانومواد.
8 نانوسمشناسی: Nanotoxicology. مطالعهٔ سمیت و اثرات زیانبار بالقوهٔ نانومواد.
