_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 25
علم و فناوری نانو به چه معنا است؟
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه
از آنجا که موضوع علم و فناوری نانو از مباحث جدید بوده و برای همگان تا حدودی ناشناخته است، در این اولین بخش از مجموعه آموزشی آشنایی با فناوری نانو با تعاریف و مفاهیم اولیه جهان نانو آشنا می‌شویم.
1- تعریف علم و فناوری نانو
احتمالا تا به امروز نام نانو یا فناوری نانو را شنیده‌اید و همچنین با برخی از کاربردهای آن در صنایع مختلف آشنا شده‌اید. در نتیجه حتما این سوالات برای شما پیش آمده است که نانو چیست؟ آیا علم نانو، علم جدیدی است؟ فناوری نانو به چه فناوری‌ای گفته میشود؟ به چه دردمان می‌خورد؟
در قدم اول اجازه دهید شما را با تعریف علم نانو آشنا کنیم. تا به امروز تعریف‌های مختلفی از علم نانو (nanoscience) ارائه شده است. یکی از بهترین تعریف‌های علم نانو که به صورت بسیار مختصر شما را با جهان نانو آشنا میکند بدین گونه است: علم نانو مطالعه پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس‌هایی در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است که منجر به تغییر شدید خواص مواد (نسبت به مواد در ابعاد بزرگ) میشود.
همان‌گونه که متوجه شده‌اید، علم نانو به پدیده‌هایی اشاره میکند که در مقیاس‌های مشخص و احتمالا بسیار کوچک رخ می‌دهد. مواد توده‌ای (تکه‌ای بزرگ از مواد؛ همانند آنچه که اطراف ماست) خواص فیزیکی مشخص و پیوسته‌ای دارند. به عبارت دیگر خواص فیزیکی آنها جدای از ابعادشان برای ما شناخته شده بوده و تغییر نمی‌کند. حال اگر یک ماده را کوچک کنیم، خواص آن ماده در ابعاد کوچکتر و میکرومتری (به عنوان مثال به اندازه یک ذره شن) نیز تقریبا مشابه همان تکه توده‌ای اولیه است ولی هنگامی که آن ماده به ابعاد بسیار کوچکتر و به اندازه ابعاد نانومتری برسد، خواص ماده به گونه‌ای تغییر میکند که دیگر قوانین فیزیک معمول و کلاسیک توانایی توضیح دادن آن را ندارد. آن ماده (به عنوان مثال طلا) در ابعاد نانومتری ممکن است خواص (به عنوان مثال خواص الکتریکی، نوری یا مکانیکی) بسیار متفاوتی نسبت به اندازه توده‌ای خود داشته باشد.
حال با درک اولیه از تعریف علم نانو می‌توانیم فناوری نانو (nanotechnology) را نیز این گونه تعریف نماییم: فناوری نانو طراحی، مطالعه، تولید و کاربرد ساختارها، ابزارها و سیستم ها از طریق کنترل شکل و اندازه آنها در مقیاس نانومتری است. سوالی که مطمئنا برایتان پیش آمده است این است که کلماتی همچون میکرومتری، نانومتری یا ابعاد نانو دقیقا به چه معنا است و به چه ابعادی اشاره میکند. پس بهتر است نگاهی دقیق‌تر به کمیت‌های اندازه‌گیری بیاندازیم.
1- 2- یک نانومتر چقدر کوچک است؟
هیچکس نمی داند که اولین انسان‌ها چه زمانی فهمیدند که نیازمند اندازه گیری بعضی چیزها هستند، اما گویا از اولین کمیت‌هایی که توانستند اندازه بگیرند، فاصله یا طول بوده است. انسان ها در ابتدا با استفاده از اعضای بدن خود این کمیت را اندازه گیری می کردند. طول ساعد، طول پا و طول دست های بازشده از هم، اولین مبناهای اندازه گیری بودند. اندک اندک با پیشرفت زندگی انسان و افزایش شناخت او از طبیعت و محیط اطرافش، واحدهای اندازه گیری نیز دقیق تر شدند. امروز دستگاه های اندازه گیری معینی تعریف شده اند و همه از واحدهای مشخصی استفاده می کنند.
متر، یکی از شناخته شده ترین واحدهای اندازه گیری طول است. این اندازه به حدی شناخته شده است که به راحتی می توان با طول یک گام بلند آن را نشان داد. بیشتر آنچه که انسان‌ها به طور روزمره با آن مواجه هستند، اندازه ای بین صد متر تا یک صدم متر (سانتی متر) دارند. در حقیقت زندگی معمول انسان‌ها در اندازه بزرگی متر (مقیاس ماکرو) می گذرد. اما این محدوده، بخش بسیار بسیار کوچکی از اندازه های موجود در طبیعت پیرامون زندگی انسان است. او بر روی کره زمین زندگی می کند که قطری معادل 12,760,000 متر (12/76 میلیون متر) دارد و موجودات کوچکی (مانند باکتری) به اندازه 0/000001متر (یک میلیونیم متر) می توانند به آسانی سلامت و حتی حیات و بقای او را تحت تاثیر قرار دهند. به نظر می رسد تصور کردن این اندازهها کار مشکلی است.
ریاضیدانان سعی نمودهاند که این مشکل را حل کنند. آنها با استفاده از نمادگذاری و ارائه یک روش مقایسهای، تصور اندازههای بسیار کوچک و بسیار بزرگ را آسانتر نمودهاند. روش پیشنهادی آنها را میتوان با یک آزمایش ساده ارزیابی کرد. اگر پشت یک میز و روبروی نمایشگر یک رایانه نشستهاید، احتمالا میزی که رایانه شما بر روی آن قرار دارد طولی حدود یک متر دارد. اگر طول این میز را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک سی-دی (لوح فشرده) میشود. اگر قطر لوح فشرده را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک تیله میشود و اگر تیله را 10 بار کوچک کنید، به اندازهیک دانه نمک درمیآید (شکل 1). حالا اگر دانه نمک را سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگ کنید، میتوانید از آن به عنوان میز استفاده نمایید. ریاضیدانان برای نمایش این نسبت میان دانه نمک و میز از نماد 3-10 (سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار کوچک‌سازی) استفاده کردهاند. البته آنها از این روش برای توصیف اندازههای بزرگ نیز بهره بردهاند. به طور مثال میتوان منظومه شمسی با اندازه 1013 متر (13 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) و کهکشان راه شیری با اندازه 1021 متر (21 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) را نیز با این روش توصیف کرد.
شکل 1: نمایش کوچک‌سازی، از راست به چپ در هر مرحله، جسم 10بار کوچک شده است.
لازم به ذکر است دانشمندان برای بعضی اندازهها نام مشخصی تعیین کردهاند. به طور مثال اندازههایی را که 1000 برابر بزرگ‌تر از متر هستند، کیلومتر نامیدهاند و اندازههایی را که هزار برابر کوچکتر از متر هستند، میلی‌متر میخوانند. جدول زیر برخی از این نامها را مشخص کرده است.
جدول1: معرفی واحدها و اندازهها
در میان اندازههای کوچک، نانومتر از اهمیت ویژهای برخوردار است که بعدها بیشتر در مورد علت آن صحبت خواهد شد. اما پیش از آن لازم است که درک صحیحی از این اندازه داشته باشید. برای این منظور میتوان آزمایش بالا را ادامه داد. تا آنجا پیش رفتید که دانههای نمک را به اندازه یک میز بزرگ کردید. با این بزرگنمایی (1000 برابر)، تار موی شما قطری معادل یک طناب بسیار کلفت خواهد داشت، میتوانید از گلبولهای قرمز برای تیله بازی استفاده کنید و باکتریها نیز همچون دانه های نمک قابل رویت میشوند (شکل 2).
شکل 2: نمایش در بزرگنمایی 1000 برابر
اما هنوز هم یک نانومتر نشان داده نشده است. این بار باکتری‌های کوچک نمکین را دوباره 1000برابر بزرگ‌تر در نظر بگیرید. باکتریها دیگر آنقدر بزرگ شده‌اند که میتوانید به عنوان یک مبل راحت به آنها تکیه دهید. در این دنیای جدید میتوانید با ویروس‌ها تنیس بازی کنید، پروتئین‌ها را به دور انگشتتان بپیچید و اتم‌ها و مولکول‌های کوچک را لمس کنید (شکل 3). به مقیاس نانو خوش آمدید.
شکل 3: نمایش در بزرگنمایی 000,000 ,1 برابر
پیشوند نانو از واژه یونانی نانوس به معنای کوتاه قد یا کوتوله استخراج شده است. نانو هم اکنون واژهای شناخته شده برای بیشتر علوم پیشرفته است و بسیاری از نانوواژه‌ها (واژه‌های مربوط به نانو) اخیرا در فرهنگ لغات وارد شده‌اند. واژه‌هایی مانند نانومتر، نانومقیاس، نانو فناوری، نانوساختار، نانولوله، نانوسیم و نانوروبات از این قبیل هستند.
به طور خلاصه در این بخش با تعریف علم و فناوری نانو آشنا شدید و دریافتید که منظور از نانو اشاره به یک مقیاس بسیار کوچک و در ابعاد یک میلیاردم یک متر است. همچنین به صورت اولیه دریافتید که خواص مواد در این مقیاس تغییر خواهد کرد. در بخش آینده به این سوال پاسخ می‌دهیم که به چه موادی نانومواد گویند. آیا تنها به موادی که قطرشان یک نانومتر است، نانومواد می‌گویند؟ مفاهیمی همچون نانوساختار، نانولوله یا نانولایه به چه معنا هستند؟
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه
از آنجا که موضوع علم و فناوری نانو از مباحث جدید بوده و برای همگان تا حدودی ناشناخته است، در این اولین بخش از مجموعه آموزشی آشنایی با فناوری نانو با تعاریف و مفاهیم اولیه جهان نانو آشنا می‌شویم.
1- تعریف علم و فناوری نانو
احتمالا تا به امروز نام نانو یا فناوری نانو را شنیده‌اید و همچنین با برخی از کاربردهای آن در صنایع مختلف آشنا شده‌اید. در نتیجه حتما این سوالات برای شما پیش آمده است که نانو چیست؟ آیا علم نانو، علم جدیدی است؟ فناوری نانو به چه فناوری‌ای گفته میشود؟ به چه دردمان می‌خورد؟
در قدم اول اجازه دهید شما را با تعریف علم نانو آشنا کنیم. تا به امروز تعریف‌های مختلفی از علم نانو (nanoscience) ارائه شده است. یکی از بهترین تعریف‌های علم نانو که به صورت بسیار مختصر شما را با جهان نانو آشنا میکند بدین گونه است: علم نانو مطالعه پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس‌هایی در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است که منجر به تغییر شدید خواص مواد (نسبت به مواد در ابعاد بزرگ) میشود.
همان‌گونه که متوجه شده‌اید، علم نانو به پدیده‌هایی اشاره میکند که در مقیاس‌های مشخص و احتمالا بسیار کوچک رخ می‌دهد. مواد توده‌ای (تکه‌ای بزرگ از مواد؛ همانند آنچه که اطراف ماست) خواص فیزیکی مشخص و پیوسته‌ای دارند. به عبارت دیگر خواص فیزیکی آنها جدای از ابعادشان برای ما شناخته شده بوده و تغییر نمی‌کند. حال اگر یک ماده را کوچک کنیم، خواص آن ماده در ابعاد کوچکتر و میکرومتری (به عنوان مثال به اندازه یک ذره شن) نیز تقریبا مشابه همان تکه توده‌ای اولیه است ولی هنگامی که آن ماده به ابعاد بسیار کوچکتر و به اندازه ابعاد نانومتری برسد، خواص ماده به گونه‌ای تغییر میکند که دیگر قوانین فیزیک معمول و کلاسیک توانایی توضیح دادن آن را ندارد. آن ماده (به عنوان مثال طلا) در ابعاد نانومتری ممکن است خواص (به عنوان مثال خواص الکتریکی، نوری یا مکانیکی) بسیار متفاوتی نسبت به اندازه توده‌ای خود داشته باشد.
حال با درک اولیه از تعریف علم نانو می‌توانیم فناوری نانو (nanotechnology) را نیز این گونه تعریف نماییم: فناوری نانو طراحی، مطالعه، تولید و کاربرد ساختارها، ابزارها و سیستم ها از طریق کنترل شکل و اندازه آنها در مقیاس نانومتری است. سوالی که مطمئنا برایتان پیش آمده است این است که کلماتی همچون میکرومتری، نانومتری یا ابعاد نانو دقیقا به چه معنا است و به چه ابعادی اشاره میکند. پس بهتر است نگاهی دقیق‌تر به کمیت‌های اندازه‌گیری بیاندازیم.
1- 2- یک نانومتر چقدر کوچک است؟
هیچکس نمی داند که اولین انسان‌ها چه زمانی فهمیدند که نیازمند اندازه گیری بعضی چیزها هستند، اما گویا از اولین کمیت‌هایی که توانستند اندازه بگیرند، فاصله یا طول بوده است. انسان ها در ابتدا با استفاده از اعضای بدن خود این کمیت را اندازه گیری می کردند. طول ساعد، طول پا و طول دست های بازشده از هم، اولین مبناهای اندازه گیری بودند. اندک اندک با پیشرفت زندگی انسان و افزایش شناخت او از طبیعت و محیط اطرافش، واحدهای اندازه گیری نیز دقیق تر شدند. امروز دستگاه های اندازه گیری معینی تعریف شده اند و همه از واحدهای مشخصی استفاده می کنند.
متر، یکی از شناخته شده ترین واحدهای اندازه گیری طول است. این اندازه به حدی شناخته شده است که به راحتی می توان با طول یک گام بلند آن را نشان داد. بیشتر آنچه که انسان‌ها به طور روزمره با آن مواجه هستند، اندازه ای بین صد متر تا یک صدم متر (سانتی متر) دارند. در حقیقت زندگی معمول انسان‌ها در اندازه بزرگی متر (مقیاس ماکرو) می گذرد. اما این محدوده، بخش بسیار بسیار کوچکی از اندازه های موجود در طبیعت پیرامون زندگی انسان است. او بر روی کره زمین زندگی می کند که قطری معادل 12,760,000 متر (12/76 میلیون متر) دارد و موجودات کوچکی (مانند باکتری) به اندازه 0/000001متر (یک میلیونیم متر) می توانند به آسانی سلامت و حتی حیات و بقای او را تحت تاثیر قرار دهند. به نظر می رسد تصور کردن این اندازهها کار مشکلی است.
ریاضیدانان سعی نمودهاند که این مشکل را حل کنند. آنها با استفاده از نمادگذاری و ارائه یک روش مقایسهای، تصور اندازههای بسیار کوچک و بسیار بزرگ را آسانتر نمودهاند. روش پیشنهادی آنها را میتوان با یک آزمایش ساده ارزیابی کرد. اگر پشت یک میز و روبروی نمایشگر یک رایانه نشستهاید، احتمالا میزی که رایانه شما بر روی آن قرار دارد طولی حدود یک متر دارد. اگر طول این میز را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک سی-دی (لوح فشرده) میشود. اگر قطر لوح فشرده را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک تیله میشود و اگر تیله را 10 بار کوچک کنید، به اندازهیک دانه نمک درمیآید (شکل 1). حالا اگر دانه نمک را سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگ کنید، میتوانید از آن به عنوان میز استفاده نمایید. ریاضیدانان برای نمایش این نسبت میان دانه نمک و میز از نماد 3-10 (سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار کوچک‌سازی) استفاده کردهاند. البته آنها از این روش برای توصیف اندازههای بزرگ نیز بهره بردهاند. به طور مثال میتوان منظومه شمسی با اندازه 1013 متر (13 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) و کهکشان راه شیری با اندازه 1021 متر (21 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) را نیز با این روش توصیف کرد.
شکل 1: نمایش کوچک‌سازی، از راست به چپ در هر مرحله، جسم 10بار کوچک شده است.
لازم به ذکر است دانشمندان برای بعضی اندازهها نام مشخصی تعیین کردهاند. به طور مثال اندازههایی را که 1000 برابر بزرگ‌تر از متر هستند، کیلومتر نامیدهاند و اندازههایی را که هزار برابر کوچکتر از متر هستند، میلی‌متر میخوانند. جدول زیر برخی از این نامها را مشخص کرده است.
جدول1: معرفی واحدها و اندازهها
در میان اندازههای کوچک، نانومتر از اهمیت ویژهای برخوردار است که بعدها بیشتر در مورد علت آن صحبت خواهد شد. اما پیش از آن لازم است که درک صحیحی از این اندازه داشته باشید. برای این منظور میتوان آزمایش بالا را ادامه داد. تا آنجا پیش رفتید که دانههای نمک را به اندازه یک میز بزرگ کردید. با این بزرگنمایی (1000 برابر)، تار موی شما قطری معادل یک طناب بسیار کلفت خواهد داشت، میتوانید از گلبولهای قرمز برای تیله بازی استفاده کنید و باکتریها نیز همچون دانه های نمک قابل رویت میشوند (شکل 2).
شکل 2: نمایش در بزرگنمایی 1000 برابر
اما هنوز هم یک نانومتر نشان داده نشده است. این بار باکتری‌های کوچک نمکین را دوباره 1000برابر بزرگ‌تر در نظر بگیرید. باکتریها دیگر آنقدر بزرگ شده‌اند که میتوانید به عنوان یک مبل راحت به آنها تکیه دهید. در این دنیای جدید میتوانید با ویروس‌ها تنیس بازی کنید، پروتئین‌ها را به دور انگشتتان بپیچید و اتم‌ها و مولکول‌های کوچک را لمس کنید (شکل 3). به مقیاس نانو خوش آمدید.
شکل 3: نمایش در بزرگنمایی 000,000 ,1 برابر
پیشوند نانو از واژه یونانی نانوس به معنای کوتاه قد یا کوتوله استخراج شده است. نانو هم اکنون واژهای شناخته شده برای بیشتر علوم پیشرفته است و بسیاری از نانوواژه‌ها (واژه‌های مربوط به نانو) اخیرا در فرهنگ لغات وارد شده‌اند. واژه‌هایی مانند نانومتر، نانومقیاس، نانو فناوری، نانوساختار، نانولوله، نانوسیم و نانوروبات از این قبیل هستند.
به طور خلاصه در این بخش با تعریف علم و فناوری نانو آشنا شدید و دریافتید که منظور از نانو اشاره به یک مقیاس بسیار کوچک و در ابعاد یک میلیاردم یک متر است. همچنین به صورت اولیه دریافتید که خواص مواد در این مقیاس تغییر خواهد کرد. در بخش آینده به این سوال پاسخ می‌دهیم که به چه موادی نانومواد گویند. آیا تنها به موادی که قطرشان یک نانومتر است، نانومواد می‌گویند؟ مفاهیمی همچون نانوساختار، نانولوله یا نانولایه به چه معنا هستند؟
