نانوفناوری چیست و چه کاربردهایی دارد؟

فناوری نانو توانایی ساخت، کنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتری است. اندازه ذرات در فناوری نانو بسیار مهم است، چرا که در مقیاس نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها با خواص توده ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است، اما به‌طور معمول مواد نانو به موادی که حداقل یکی از ابعاد آن‌ها کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر باشد گفته می‌شود.

نانوفناوری چیست؟

نانوفناوری یا نانوتکنولوژی (Nanotechnology) به استفاده از مواد در ابعاد اتمی، مولکولی و فرامولکولی در کاربردهای صنعتی گفته می‌شود. اولین توصیف گسترده از نانوتکنولوژی، «اهداف فناورانه خاص برای دستکاری دقیق اتم‌ها و مولکول‌ها برای ساخت محصولاتی با ابعاد ماکرو» بود، که اکنون به عنوان نانوتکنولوژی مولکولی شناخته می‌شود. متعاقباً توصیف کلی تری از فناوری نانو توسط طرح ملی فناوری نانو (آمریکا) ایجاد شد که فناوری نانو را به عنوان «دستکاری ماده که حداقل یک بعد آن از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد»، تعریف کرد. این تعریف این واقعیت را منعکس می‌کند که اثرات مکانیک کوانتوم در این بعد-کوانتومی مهم بوده، و تعریف از یک هدف خاص فناورانه به یک دسته تحقیقاتی شامل همه انواع تحقیقات و فناوری‌هایی که با خواص ویژه موادی که در آستانه اندازه داده شده سر و کار دارند، تغییر کرد. در نتیجه عبارت‌هایی جمعی مانند «فناوری‌های نانو» یا «فناوری‌های ابعاد-نانو» به طیف گسترده‌ای از تحقیقات و کاربردها اشاره دارد که ویژگی مشترک همه آنها «اندازه» است.

کاربردها

تا تاریخ ۲۱ آگوست ۲۰۰۸، پروژه نانوفناوری‌های نوظهور تخمین می‌زند بیش از ۸۰۰ محصول شناسایی شده توسط سازندگان در بازار عمومی قرار دارد، و تقریباً با سرعت ۳–۴ محصول جدید در هر هفته در حال ظهور هستند. این پروژه همه محصولات را در یک پایگاه داده آنلاین در دسترس عموم قرار داده‌است. بیشتر کاربردها محدود به استفاده از نانومواد منفعل «نسل اول» است که شامل دی‌اکسید تیتانیوم در ضدآفتاب، مواد آرایشی، پوشش‌های سطحی، و برخی محصولات غذایی است. آلوتروپ‌های کربن که برای تولید نوار گکو استفاده می‌شوند. نقره در بسته‌بندی مواد غذایی، لباس، مواد ضد عفونی کننده و کاربردهای خانگی استفاده می‌شود. اکسید روی در ضدآفتاب‌ها و مواد آرایشی، پوشش‌های سطحی، رنگ‌ها و لاک‌های مبلمان فضای باز استفاده می‌شود؛ و اکسید سریم به عنوان یک کاتالیزور سوخت استفاده می‌شود.

دانشمندان در حال حاضر درباره پیامدهای آینده نانوفناوری بحث می‌کنند. فناوری نانو ممکن است بتواند بسیاری از مواد و دستگاه‌های جدید را با طیف گسترده‌ای از کاربردها در برای مثال نانوپزشکی، نانو الکترونیک، تولید انرژی مواد زیستی و محصولات مصرفی ایجاد کند. از سوی دیگر، ناوفناوری مانند بسیاری از فناوری‌های دیگر باعث ایجاد موضوعات بحث‌برانگیز می‌شود، از جمله نگرانی در مورد سمیت و اثرات زیست‌محیطی نانومواد و تأثیرات بالقوه آنها بر اقتصاد جهانی و همچنین گمانه زنی در مورد سناریوهای مختلف پایان جهان.

مهندسی مولکولی

مهندسی مولکولی (Molecular engineering)، یکی از شاخه‌های مهم فناوری نانو است که زمینه مطالعاتی نوظهوری را پایه‌گذاری کرده که با طراحی و آزمایش ویژگی‌های مولکولی، رفتار و برهم‌کنش‌ها به منظور فراهم آوری مواد، سیستم‌ها و فرایندهای بهتری برای کارکردهای ویژه در ارتباط است. این رویکرد، که در آن خاصیت‌های قابل مشاهده یک سیستم ماکروسکوپی تحت تأثیر تغییر مستقیم یک ساختار مولکولی است، در رده گسترده‌تری از طراحی «از پایین به بالا» قرار می‌گیرد. مهندسی مولکولی به تلاش‌های پیشبرد و توسعه مواد در فناوری‌های نوظهور؛ که به رویکردهای تحقیقاتی پیشرفته برای طراحی مولکولی به سیستم‌های بسیار پیچیده احتیاج دارند، سروکار دارد. مهندسی مولکولی از نظر ماهیت جستاری کاملاً میان‌رشته‌ای است و جنبه‌های آن شامل مهندسی شیمی، علم مواد، مهندسی زیستی، مهندسی برق، فیزیک، مهندسی مکانیک و شیمی است. همچنین با نانوتکنولوژی همپوشانی قابل توجهی وجود دارد، به این ترتیب که هر دو به رفتار مواد در مقیاس نانومتر یا کوچکتر توجه دارند. با توجه به ماهیت بسیار اساسی برهم‌کنش‌های مولکولی، تعداد بسیار زیادی از مناطق کاربردی بالقوه وجود دارد که شاید دامنه آن تنها توسط تخیل شخص و قوانین فیزیک محدود شود. با این حال، برخی از موفقیت‌های اولیه مهندسی مولکولی در زمینه‌های ایمنی‌درمانی، زیست‌شناسی مصنوعی و الکترونیک قابل قابل مشاهده است.

نانو الکترونیک

نانو الکترونیک شاخه‌ای از فناوری نانو است که از تأثیر نانوفناوری بر دانش و صنعت الکترونیک ایجاد شده‌است. تاریخچه این دانش به حدود ۵۰ سال قبل و از زمان تلاش برای کوچک‌تر کردن هر چه بیش‌تر ترانزیستورها برمی‌گردد. نانوالکترونیک از نظر ساخت وسایل الکتریکی کوچک‌تر ، سریع‌تر و کم‌مصرفتر نقش بسیار مهمی در تکنولوژی جهانی دارد. افزایش میزان ذخیره اطلاعات، محاسبه‌گرهای رایانه‌ای کوچک‌تر، طراحی مدارهای منطقی، نانوسیمها و… از زمینه‌های کاربرد نانو الکترونیک هستند. با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد که این نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی می‌شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع رسیده، و این امر موجب ذخیره‌سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه‌های فوق‌العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه‌های ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه‌های کوچک نیز از دیگر محصولات آن می‌باشد.

نانو لوله‌های کربنی (carbon nanotubes)

نانو تیوب‌ها دارای فرم لوله‌ای با ساختار شش ضلعی هستند. نانو تیوب‌ها را می‌توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده‌اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو تیوب‌ها می‌توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند. به علت اینکه کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p می‌باشد، حرکت موجی الکترون‌ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله‌ها صورت می‌گیرد. این ساختار کربنی علاوه بر رسانایی بالا دارای استحکام مکانیکی بسیار خوبی نیز است. البته در کنار این مزایا مشکلاتی نیز وجود دارد. اغلب فرایندهای ساخت نانو تیوب‌ها به گو نه‌ای می‌باشند که امکان کنترل و نظارت کامل در طول فرایند وجود ندارد به عنوان مثال تعیین قطر دقیق و یکسان برای لوله‌های کشت شده در یک محیط، کنترل تولید نانو لوله‌های تک دیواره یا چند لایه یا ساخت نانو لوله‌های مستقیم و بدون خم شدگی با طول زیاد از مسائلی است که هنوز در فرایند بهبود کیفیت تولید نیاز به مطالعه و تحقیقات بیشتری دارد. همچنین به علت پدیده تونل زنی الکترون که یک پدیده کوانتومی است امکان افزایش نشتی جریان و در نتیجه افزایش تلفات وجود دارد که بررسی روش‌های کاهش احتمال تونل زنی از جمله کارهایی است که می‌توان انجام داد. از کربن نانو تیوب‌ها به دلیل رسانایی بالا و مقاومت کم در دمای محیط در ساخت کانال هدایت ترانزیستورها، نوک میکروسکوپ‌های عکسبرداری در ابعاد نانو استفاده می‌شود.

نانو روکش

نانو روکش به ماده‌ای گفته می‌شود که در مقیاس نانو ساخته شده و به عنوان روکش، پوشاننده یا محافظ برای دیگر مواد به کار می‌رود. زمینه‌هایی که در آن از نانو روکش‌ها استفاده می‌شود: الکترونیک، مواد غذایی و وسایل نقلیه و…. یکی دیگر از کابردهای نانو روکش این است که می‌توان در آینده ایی نزدیک به عنوان لباس سربازان یا دیگر افراد استفاده شود.

نانومواد

موادی که حداقل یکی از ابعاد آن‌ها در مقیاس ۱ الی ۱۰۰ نانومتر باشد، مواد نانویی یا نانومواد خوانده می‌شوند. این مبحث در قالب موضوعات مربوط به نانوفناوری جای می‌گیرد. نانوفناوری، توانمندی تولید و ساخت مواد، ابزار و سیستم‌های جدید با در دست گرفتن کنترل در مقیاس نانومتری یا همان سطوح اتمی و مولکولی، و استفاده از خواصی است که در این سطوح ظاهر می‌شوند. یک نانومتر برابر با یک میلیاردم متر است. این اندازه ۱۸۰۰۰ بار کوچکتر از قطر یک تار موی انسان است. به‌طور میانگین ۳ تا ۶ اتم در کنار یکدیگر طولی معادل یک نانومتر را می‌سازند که این خود به نوع اتم بستگی دارد. به‌طور کلی، فناوری نانو، گسترش، تولید و استفاده از ابزار و موادی است که ابعادشان در حدود ۱–۱۰۰ نانومتر می‌باشد. فناوری نانو به سه سطح قابل تقسیم است: مواد، ابزارها و سیستم‌ها. موادی که در سطح نانو در این فناوری به کار می‌رود، را نانو مواد می‌گویند. ماده نانو ساختار، به هر ماده‌ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانومتری (زیر ۱۰۰ نانومتر) باشد اطلاق می‌شود. این تعریف به وضوح انواع بسیار زیادی از ساختارها، اعم از ساخته دست بشر یا طبیعت را شامل می‌شود. منظور از یک ماده نانو ساختار، جامدی است که در سراسر بدنه آن انتظام اتمی، کریستال‌های تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در مقیاس چند نانومتری گسترده شده باشند. در حقیقت این مواد متشکل از کریستال‌ها یا دانه‌های نانومتری هستند که هر کدام از آن‌ها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند. همه مواد از جمله فلزات، نیمه هادی‌ها، شیشه‌ها، سرامیک‌ها و پلیمرها در ابعاد نانو می‌توانند وجود داشته باشند. همچنین محدوده فناوری نانو می‌تواند به صورت ذرات بی‌شکل(آمورف)، کریستالی، آلی، غیرآلی یا به صورت منفرد، مجتمع، پودر، کلوئیدی، سوسپانسیونی یا امولسیونی باشد.

وضعیت فناوری نانو در ایران

جرقه‌های اولیه فناوری نانو در ایران در سال ۱۳۸۰ زده و به دنبال آن مطالعات راهبردی فناوری‌نانو آغاز شد. دو سال بعد از شروع این مطالعات، در سال ۱۳۸۲ ستاد ویژه توسعه فناوری نانو (INIC) تأسیس شد، این ستاد سند راهبردی فناوری‌نانو را در مدت دو سال تهیه و به هیئت وزیران تسلیم نمود. این سند در سال ۱۳۸۴ توسط هیئت وزیران تصویب شد. در سال ۱۳۸۵ نیز سیاست‌ها و راهبردهای ارتقاء و توسعه فناوری نانو به تصویب رسید. برای توسعه فناوری نانو این ستاد کارگروه‌های مختلفی را دایر کرد که از آن جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: کارگروه صنعت و بازار، کارگروه توسعه فناوری، کارگروه توسعه منابع انسانی، کارگروه زیرساخت‌های فناوری، کارگروه ترویج و فرهنگ‌سازی، کارگروه روابط بین‌الملل و کارگروه سیاست‌گذاری و ارزیابی سند ده ساله دوم توسعه فناوری‌نانو (۱۴۰۴–۱۳۹۴) با توجه به ارزیابی‌های راهبردی، گزارش‌های عملکرد سالانه و بازخوردهای حاصل از اجرای آن، در سال ۱۳۹۴ تدوین شد. در این سند تلاش شده تا اهداف و نحوه دستیابی به آنان به‌گونه‌ای به‌روزرسانی شود که حرکت پیش‌گامانه کشور در عرصه این فناوری نوظهور، به صورت شتابان تداوم داشته باشد. بر این اساس، رویکرد کلی حاکم بر سند اول که ناظر بر توسعه و تربیت سرمایه انسانی و تأمین زیرساخت‌های توسعه این فناوری بود، به رویکردهایی از قبیل دستیابی به مرجعیت علمی نانو در جهان، توسعه فناوری‌های کلیدی، استقرار سیستم نانونماد، ایجاد و ارتقای صنایع نانو و توسعه بازار این فناوری ارتقا یافت. انرژی، بهداشت و سلامت، آب و محیط زیست، و ساخت و ساز، اولویت‌های ملی فناوری نانو در ایران محسوب می‌شوند. حوزه انرژی، با توجه به این که نفت و گاز از صنایع اصلی در ایران هستند از اولویت‌های اصلی تحقیقات فناوری نانو قلمداد می‌شود

 با توجه به اهمیت پرورش متخصصان فناوری‌نانو، طی ده سال گذشته در ۲۳ دانشگاه ایران دوره‌های دکتری مرتبط با فناوری‌نانو تأسیس شده‌اند که در آن‌ها دانش‌پژوهان در رشته‌هایی نظیر نانوشیمی، نانوفیزیک، نانومواد، نانوپزشکی و چند رشته مرتبط دیگر تحصیل می‌کنند. همچنین ۶۶ دانشگاه نیز در مقطع کارشناسی ارشد دانشجو می‌پذیرند. تا پایان سال ۹۶، ۳۷۷۰ پروژه دکتری در حوزه فناوری‌نانو به اتمام رسید و ۷۴۰ پروژه نیز در دست انجام بود. در مقطع کارشناسی ارشد نیز بیش از ۱۶۰۰۰ پروژه انجام شد و ۳۴۰۰ پروژه هم در حال انجام بود. اعضاء هیئت عملی فعال در فناوری‌نانو نیز در سال ۱۳۸۳، ۲۴۴ نفر بودند که این رقم در پایان سال ۱۳۹۶ به ۲۴۵۰ نفر رسید. در کنار این فعالیت‌ها، کتاب‌های متعددی نیز به چاپ رسیده‌است که از آن جمله می‌توان به ۳۲ کتاب انگلیسی و ۱۲۶ کتاب به زبان فارسی اشاره کرد.

طی ۱۳ سال گذشته از زمان اجرای سند توسعه فناوری نانو در ایران، ۱۷۶ شرکت مبتنی بر فناوری‌نانو در ۱۳ صنعت مختلف تأسیس و مشغول به تولید هستند. حدود یک چهارم از این شرکت‌ها در تجهیزات آزمایشگاهی فعالیت دارند. ساخت تجهیزات آزمایشگاهی و صنعتی مرتبط با فناوری‌نانو یکی از اولویت‌های اصلی متولیان فناوری‌نانو در ایران بوده‌است. از این رو برنامه‌های تشویقی متعددی برای سوق دادن مخترعان و دانش‌پژوهان به سوی ساخت ادوات و تجهیزات مرتبط با فناوری‌نانو تدوین و اجرا شده‌اند. پس از تجهیزات، بیشترین شرکت‌ها در صنایع ساخت و ساز، نساجی و پلیمر و کامپوزیت فعال هستند. همچنین تعداد محصولات نانوی ساخت ایران موجود در بازار تا اردیبهشت ۹۷، ۴۲۱ محصول بوده‌است که ۳۵ درصد از آن‌ها (۱۵۰ محصول) را تجهیزات آزمایشگاهی و صنعتی دربرمی‌گیرند. در محصولات نیز پس از تجهیزات سه حوزه پزشکی و سلامت، نساجی و ساخت و ساز بیشترین سهم را دارا هستند. محصولات نانوی ایران در سال ۹۶ به ۴۷ کشور دنیا (عمدتاً در آسیا و اروپا) صادر شده ‌است.