نانو
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی - عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک - از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکولو حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برقو مهندسی شیمینیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو ، فناوری زیستی (Biotechnology) و فناوری اطلاعات (IT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهند.[۴] نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
تاریجچه فناوری نانو
در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح ، دموکریتوس فیلسوف یونانی ، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست.[۴]
تعریف استاندارد
- به طراحی، تعیین ویژگی ها، تولید و کاربرد مواد، ابزار آلات و سیستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو می گویند
- به دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو می گویند و هدف آن تولید مواد، ابزار و سیستم هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردهای جدید می باشد
اصول بنیادی
یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است. برای سنجش طول پیوندهایکربن-کربن، یا فاصلهٔ میان دو اتم بازهٔ ۱۲ تا ۱۵ نانومتر به کار می‌رود؛ همچنین طول یک جفتِ دی‌ان‌اینزدیک به ۲ نانومتراست. و از سوی دیگر کوچک‌ترین باکتری سلول‌دار ۲۰۰ نانومتر است. اگر بخواهیم برای دریافتن مفهوم اندازهٔ یک نانومتر نسبت به متر سنجشی انجام دهیم می‌توانیم اندازهٔ آن را مانند اندازهٔ یک تیله به کرهٔ زمین بدانیمیا به شکلی دیگر یک نانومتر اندازهٔ رشد ریش یک
شاخه‌های اصلی در نانو
می‌توان موردهای زیر را شاخه‌های بنیادین دانش نانوفناوری دانست::
نانوپودر چيست؟
پودرها ذرات ريزي هستند كه از خُرد كردن قطعات جامد و بزرگ، يا ته‌نشين شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست ميآيند. بنابراين، نانوپودرها را ميتوان مجموعه‌ي از ذرات دانست كه اندازه‌ي آنها كمتر از 100 نانومتر است. (اگر يك متر را يك ميليارد قسمت كنيم، به يك نانومتر ميرسيم. طبق تعريف، ساختار نانومتري ساختاري است كه اندازه‌ي آن كمتر از 100 نانومتر باشد.)
چه پودري را ميتوان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار ميآيند:
حالت اول: ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر، در حد نانومتر باشد.
يعني اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي يك پودر را به صورت يكي از اشكال منظم هندسي در نظر بگيريم، ميانگين اندازه‌ي اضلاع آن بين 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترين اشكال هندسي، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر را كُره فرض كنيم، بايد قطر كُره كمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، ميانگين اضلاع مكعب بايد در محدوده‌ي 1 تا 100 نانومتر قرار گيرد.
حالت دوم: دانه‌هاي تشكيل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتري داشته باشند.
در حالتي كه اندازه‌ي ذرات تشكيل‌دهنده‌ي پودر از صد نانومتر بيشتر باشد، كافي است دانه‌هاي آن ابعاد نانومتري داشته باشند تا نانوپودر به شمار آيند. يك مثال براي فهم اين موضوع، اتم‌هايي هستند كه به صورت منظم و درون سلول‌هايي كه آنها را "دانه" ميناميم، كنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوري جامد نيز از سلول‌هاي ريزي تشكيل شده‌اند كه به آنها دانه مي‌گويند. درون هر دانه، اتم‌ها در يك جهت خاص و رديف‌هاي موازي چيده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاورِ هم، تفاوت در همين جهت‌گيري اتم‌هاست.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولي تركيب شوند.
در اين حالت، پودر را «نانوپودر كامپوزيتي» مينامند. كامپوزيت كه از كلمه‌ي انگليسي composition گرفته شده، به معني تركيب دو يا چند چيز است. ملموس‌ترين مثال براي كامپوزيت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌هاي كاه در زمينه‌ي گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهاي كامپوزيتي نيز ذرات نانومتري در زمينه‌ي ذرات بزرگتر (غير نانومتري) پراكنده شده
نانوسیمها
نانوسيمها ساختاري يك بعدي اي هستند كه نسبت طول به قطر بالايي دارند (در حدود ده ها نانومتر قطر و در حدود صدها ميكرون طول). تعاریف مختلفی از نانوسیمها که به نام ساختارهای شبه یک بعدی نیز شناخته می شوند، شده است. توجه به نانوسیمها در جایی مطرح می شود که قطر آنها در محدوده مشخصی قرار می گیرد که اندازه تحریک بور نام دارد. عموماً سيم به ساختاري گفته مي شود که در يک جهت (جهت طولي) گسترش داده شده باشد و در دو جهت ديگر بسيار محدود شده باشد و با نامهای نانومیله یا سیم کوانتومی نیز شناخته می شود. يک خصوصيت اساسي نانوسيمها رسانایي الکتريکي مي باشد. با اعمال اختلاف پتانسيل الکتريکي در دو انتهاي اين ساختارها و در امتداد طولي‌شان انتقال بار الکتريکي اتفاق مي افتد. از ديگر ويژگي‌هاي نانوسيمها ميتوان به نسبت بالاي طول به قطر آنها اشاره کرد (L>>D).انواع نانوسيم ها شامل نانوسیمهای فلزی،آلی و سیلیکونی است. نانوسيم‌هاي فلزي کارايي زيادي در قطعات الکترونيکي دارند.
نانوسيمها از چندين ماده مانند تركيبات بیسموتی، اكسيدها (In2O3 , ZnO , TiO2)، كاربيدها(SiC, TiC)، نيتريدها (GaN) وساير مواد ديگر تولید شده اند.
نانوسيمها هم توسط روشهای بالا به پايين و هم توسط روشهاي پايين به بالا سنتز مي شوند. با اين وجود محدوديتهاي ذاتي روش بالا به پايين، سبب شده تا روشهاي پايين به بالا به شكل گسترده اي به كار گرفته شوند و مورد بررسي قرار گيرند. سه نوع از اين روش ها وجود دارد: تكنيك هاي رسوبدهي فيلم نازك (MBE، CVD، برش ليزري)، تكنيك هاي سلف اسمبلی(خودسامانی) كنترل شده و روش هايی که از يك قالب توخالی برای رشد نانوسیمها استفاده می کنند.
مهمترين هدف از ديرباز به منظور توسعه نانوسيمها، ادامه فرايند كاهش شدید اندازه مدارهاي مجتمع است. تحقيق روي توليد و ادغام مدارهاي بزرگ شامل نانوسيمها، به عنوان اجزاء اصلي، تحت بررسي قرار دارد.
برخی از انواع ترانزيستورها و ديودها تنها از نانوسيم ها ساخته شده اند. نانوسيمها همچنين مي توانند در حسگرهاي شيميايي در مقياس نانو استفاده شوند. برای نانوسیمها كاربردهاي ديگري در زمينه تبديل انرژي (نوري - الكتريكي و گرمايي الكتريكي) و ليزینگ (ليزر هاي نانوسيم) متصور مي شوند
اندازه نانوسيمها
قطر نانوسيمها به طور معمول در حدود چند ده نانومتر مي باشد. اثرات محدودیت كوانتومي در ابعاد كمتر از 10 نانومتر قطر مشاهده مي شود (ميزان دقيق آن بستگي به نوع ماده دارد، بيسموت ماده اي با محدوديت قطري بسيار بالاست)
خواص نانوسیم
نانوسيمها ويژگي هاي نوري، مغناطيسي، گرمايي و الكتريكي مناسبي دارند. پديده هاي جديدي مثل پرتاب رگباری الکترونها از انتهای نانو سیم كه از نانومقياس بودن ناشي مي شود به شكل قابل توجهي بر روي قابلیتهای نانوسيمها گذاشته است. اين پديده ها را ميتوان با بهینه سازي اندازه قطر نانوسيمها كنترل كرد.
خواص گرمايي نانوسيمها به شكل قابل توجهي با حالت توده اي آنها متفاوت است. رسانايي گرمايي نانوسيمها از لحاظ بزرگي مرتبه، دو مرتبه كمتر از حالت توده اي مي باشد
کاربرد نانوسيمها
با کوچک‌تر شدن سيستم‌هاي الکترونيکي و نوري به سمت مقياس نانو، توليد نانوسيمها جهت اتصال اجزاء آنها به يکديگر، امري اجتناب ناپذير به نظر مي‌رسد. در مطالعات اخير اثبات شده است که نانوسيم‌هاي نيمه‌هادي اجزاي بسيار مناسبي براي اتصال نانوسيستم‌هاي الکترونيکي و نوري هستند. اجزاء برخي از اين نانودستگاه‌ها نظير ترانزيستورهاي متأثر از ميدان ((Field Effect Transistors (FETs)، ترانزيستورهاي دوقطبي، معکوس کننده‌ها ( Inverters)، ديودهاي ساطع کننده‌ي نور (( Light Emitted Diod (LED)و حتي گيت‌هاي منطقي(Logic gates) ، به وسيله‌ي نانوسيم‌هاي نيمه‌هادي مونتاژ مي‌شوند
همچنين از نانوسيم‌هاي مورد استفاده در تراشه رايانه‌هاي امروزي مثل سيليکون و نيتريد گاليون نيز ميتوان براي تشخيص بيماري‌ها استفاده کرد. دانشمندان موفق شدند نانوسيم‌هاي انعطاف پذير و طويلي را توليد کنند که طول‌هاي متغيري بين 1 تا 100 نانومتر دارند، که از لحاظ مقايسه حدود هزار مرتبه باريک‌تر از موي انسان است. بلندي، انعطاف پذيري و استحکام اين نانوسيمها خصوصيات ويژه‌اي را به آن مي‌بخشد. به عنوان مثال: نازک بودن و طويل بودن باعث افزايش سطح آن مي‌شود . لذا از اين ساختارها ميتوان در طراحي حسگرهاي بسيار سريع و حساس استفاده کرد. اين نانوسيمها توانايي توليد اشعه ماوراي بنفش را دارند. نور از يک انتها وارد نانوسيم شده و از انتهاي ديگر شروع به تابيدن مي‌کند. نانوسيمها بدون هيچ اتلافي اين نور را به طور مؤثري عبور مي‌دهند و در مسير خود اگر به يک عامل بيماري زا يا ماده سمي برخورد کنند شروع به تابيدن مي‌کنند و سيستم هشدار دهنده‌ي بسيار سريعي را ايجاد مي‌کنند که مي‌تواند بيماري را زودتر وسريع‌تر از هر آزمايشي تشخيص دهد.
در گذشته براي يافتن علل مختلف پيدايش بيماري‌هاي قلبي و عصبي، بدن را در هر نقطه مي شکافتند تا علت بيماري را بيابند، اما امروزه با گسترش فناوري نانو هر وسيله اي را مي توان به صورت ظريف، نازک و حساس، اختراع و ابداع کرد و حتي آن را به درون ظريف ترين رگ نيز فرستاد. محققين توانسته اند نانوسيم هايي از جنس پلاتين با ضخامت کمتر از 100 نانومتر را توليد و آن را به داخل رگ‌هاي خوبي بفرستند. اين نانوسيمها توسط دوربين کوچکي به طرف اعصاب مغزي هدايت مي‌شود. اين روش براي کمک به يافتن علل پيدايش بيماري هاي عصبي از جمله پارکينسون بسيار مفيد است.
توليد نانوسيم‌هاي مغناطيسي مي‌تواند به ساخت نوع جديد از حافظه‌هاي مغناطيسي منجر شود که ظرفيت ذخيره‌سازي آن، حدود صد برابر بيشتر از حافظه‌هاي RAM موجود است. فيزيکدان‌هاي ايالت متحده آمريکا روش جديدي را يافته‌اند که ما را يک قدم به استفاده از نانوسيم‌هاي مغناطيسي به عنوان ابزار ذخيره‌سازي اطلاعات با ظرفيت بالا، نزديک مي‌کند. در اين روش، با استفاده از چگالي جريان اسپين پلاريزه، ديواره‌هاي حوزه‌هاي مغناطيسي در طول نانوسيم جابه‌جا مي‌شود.
نانوسيم‌هايي که از مواد نيمه‌رسانا ساخته شده‌اند، در ساخت نمونه اوليه ليزرها و ديودهاي گسيل نور به کار مي‌روند. اين گونه منابع نور مي‌توانند کاربردهاي زيادي داشته باشند. به طور مثال ميتوان از آنها در دستگاه‌هايي مانند نوک ميکروسکوپ‌هاي روبشي براي تصوير کردن اجزاي کوچک‌تر، ابزار فوق دقيق در جراحيليزري و همچنين براي تشخيص عوامل واسطه‌ي زيست‌شناختي يا شيميايي استفاده کرد.
اين نانوسيمها وقتي با يک ليزر يا جريان الکتريکي برانگيخته مي‌شوند، نور فرابنفش يا نور مرئي ساطع مي‌کنند که به ترکيب آلياژ بستگي دارد. چنين تفاوت‌هايي در گسيل، امکان شناسايي خواص مواد نانوسيمها و بهره‌برداري از آنها جهت ساخت ديگر دستگاه‌ها به ويژه حسگرها را فراهم مي سازد.
انواع نانوسیمها عبارتند از:
نانوسیمهای فلزی: این نانو ساختارها به خاطر خواصی که دارند نویدبخش کارایی زیاد در قطعات الکترونیکی می‌باشند.
نانو سیم‌های آلی: نانو سیم‌های آلی همانطور که از نامشان پیداست از ترکیبات آلی بدست می‌آیند ویژگی این سیم‌ها نظیر رسانایی، مقاومت و هدایت گرمایی به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد.
نانوسیمهای نیمه‌هادی :نانوسیمهای نیمه‌هادی، ساختار شیمیایی این ترکیبات باعث بوجود آوردن خواص جالب توجه‌ای می‌گردد
عضو شوید
عضویت سریع
آمار مطالب
آمار بازدید
