«إِنَّا فَتَحْنَا لَکَ فَتْحًا مُبِینًا»

فناوری نانو چیست و چه کاربردهایی دارد؟

فناوری نانو چیست

فناوری نانو

فناوری نانو چیست: به فناوری ساخت یا بهبود مواد و ابزارهای ریز در مقیاس کمتر از ۱۰۰ نانومتر فناوری نانو می‌گوییم. هر نانومتر معادل یک‌میلیاردُم متر است. یعنی اگر هر متر را به یک میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنید، هر قستمش معادل یک نانومتر است که اندازه بسیار کوچکی است و با چشم دیده نمی‌شود. برای مثال، عرض دو مولکول آب در کنار هم به‌زحمت به یک نانومتر می‌رسد. در واقع، فناوری نانو با ساختارهای ریز مولکولی و اتمی یا سلولی سروکار دارد.

فناوری نانو یا نانوفناوری (nanotechnology) مهم است زیرا بعضی از ویژگی‌های ماده در مقیاس نانو با ویژگی‌های همان ماده در حالت عادی فرق می‌کند. مثلا، طلا در حالت عادی زرد است اما اگر ذره ریزی از طلا به عرض ۵۰ نانومتر را جدا کنید، رنگش به سبز تغییر می‌یابد. دانشمندان با بررسی رفتار و خواص ماده در مقیاس نانومتر می‌کوشند مواد جدید یا ابزارهای مفید بسیار ریز تولید کنند و یا مواد فعلی را بهبود دهند. برای مثال با کمک فناوری نانو می‌توان مواد سبکی تولید کرد که چندین برابر از فولاد مقاوم‌تر و مستحکم‌تر هستند. وسایل و محصولاتی که با فناوری نانو تولید می‌شوند، در حوزه‌های متعدد مثل الکترونیک، پزشکی، انرژی و نساجی کاربرد دارند. ایران یکی از برترین کشورهای جهان در حوزه فناوری نانو است. در ادامه بیشتر توضیح می‌دهیم که فناوری نانو چیست و چه کاربردهایی دارد و چرا مهم است.

دانش و فناوری نانو یعنی مطالعه، مهندسی، تولید و ترکیب مواد یا ابزارهای ریز و یا بهبود دادن خاصیت آنها در مقیاس نانومتر.

نانومتر چیست؟

نانومتر مقیاسی برای سنجش طول است. هر نانومتر معادل یک‌میلیاردم متر (۱/۱۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰) است. برای درک چنین اندازه کوچکی، کافی است بدانیم که قطر بسیاری از مولکول‌ها به زحمت به یک نانومتر می‌رسد. عرض هر اتم نیز معمولا بین ۰.۱ تا ۰.۵ نانومتر و عرض هر رشته مولکول DNA حدوداً ۲.۵ نانومتر است. همانطورکه می‌بینیم متخصصان فناوری نانو در چنین مقیاس‌های کوچکی کار می‌کنند و به همین سبب، فناوری و علم نانو یکی از پیشرفته‌ترین علوم و فناوری‌های عصر حاضر است و چون در حوزه‌های بسیار زیادی کاربرد دارد، در زمره فناوری‌های راهبردی است. واژه نانو (nano) در اصل ریشه یونانی دارد و به معنای «کوتوله» است.

فناوری نانو چیست: مقیاس نانومتر

تصویر ۱. مقایسه این اجسام بسیار ریز نشان می‌دهد که مقیاس نانومتر چقدر کوچک و ریز است (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی روی آن کلیک کنید). 

نکته: گاهی به‌جای فناوری نانو عبارت نانوفناوری یا نانوتکنولوژی (nanotechnology) را به‌کار می‌برند. باتوجه به قواعد رایج در فارسی، فناوری نانو عبارت بهتر و درست‌تری است.

چرا فناوری نانو مهم است؟

گفتیم که فناوری نانو چیست. و اکنون می‌خواهیم اضافه کنیم که فناوری نانو مهم و راهبردی است، زیرا با کمک فناوری نانو می‌توانیم بعضی از رفتارها و خواص ماده را مطابق نیازمان تغییر دهیم. برای مثال می‌توانیم الیاف نازکی تولید کنیم که جسمی به سنگینی چندصد کیلوگرم را تحمل می‌کنند.

دانشمندان در اواخر قرن بیستم میلادی دریافتند که خواص فیزیکی و شیمیایی ماده در مقیاس نانو با خواص همان ماده در مقیاس‌های بزرگتر متفاوت است. نانوذره‌ها چون بسیار ریز هستند، نسبت مساحت به ‌حجم‌شان بیشتر است و همین موضوع سبب می‌شود بعضی خواص و رفتارهای‌شان تغییر کند؛ مثلا واکنش‌پذیرتر یا قوی‌تر شوند و یا جریان برق را بهتر از خود عبور ‌دهند. به چنین پدیده‌ای اثر سطحی می‌گوییم (این موضوع مهم را کمی بعد در همین مقاله، در بخش: «اثر سطحی» ببشتر توضیح خواهیم داد).

ضمنا، مواد و ابزارها در مقیاس نانو، چون بسیار ریز هستند، در محصولات و در حوزه‌های متعدد کاربرد دارند. برای مثال، پردازنده رایانه یا تلفن همراه شما میلیاردها ترانزیستور دارد که قطر هر کدام‌شان تنها چند نانومتر است و چون بسیار ریز هستند، به‌راحتی درون تراشه‌ای به ابعاد تنها چند سانتی‌متر مربع جای می‌گیرند و کار می‌کنند.

با کمک فناوری نانو، هم می‌توان مواد جدید با خواص جدید تولید کرد و هم می‌توان ساختار مواد عادی را تغییر یا بهبود داد. مثلا می‌توان بر استحکام آن‌ها افزود یا در برابر فرسایش مقاوم‌ترشان کرد. برای نمونه، با اضافه کردن نانوذره‌های خاص به سلول‌های خورشیدی می‌توانیم بازده آن‌ها را افزایش دهیم. همچنین می‌توانیم نانو ربات‌های بسیار ریز تولید کنیم که درون بدن انسان حرکت کنند و دارو را فقط به قسمتی از بدن که بیمار است منتقل کنند تا سایر بخش‌های بدن دچار عوارض جانبی نشوند. همچنین با استفاده از فناوری نانو می‌توانیم مصالح ساختمانی مقاوم‌تر و بادوام‌تر بسازیم یا برای لباس نوزادان پارچه‌های ضدباکتری تولید کنیم.


فناوری نانو در ایران

ایران یکی از کشورهای پیشتاز جهان در فناوری نانو است. در سال ۲۰۲۳ میلادی، ایران رتبه چهارم فناوری نانو را احراز کرد (منبع). در حال حاضر صدها شرکت بزرگ و کوچک دانش‌بنیان در حوزه فناوری نانو در کشورمان فعالیت و محصولات‌شان را به کشورهای مختلف دنیا صادر می‌کنند. از میان محصولات نانو ایران در سال ۲۰۲۳ میلادی، ۴۲ درصد مربوط به حوزه راه و ساختمان، ۱۷ درصد مربوط به حوزه نفت و گاز و ۱۳ درصد مربوط به صنعت خودروسازی بود.

بعضی از محصولات ایران در حوزه فناوری نانو چیست؟

  • الیاف نانو ضدباکتری: یکی از محصولات نانو ایران، پارچه پلی‌استر ضدباکتری است. پلی‌استر در مقایسه با دیگر الیاف صنعتی، مقاوم‌تر است. ضمنا چون آب را کمتر جذب می‌کند، افتادگی کمتری دارد و لذا در صنعت پوشاک زیاد به‌کار می‌رود. پارچه پلی‌استر نیز مثل سایر پارچه‌ها در بعضی از محیط‌ها به‌راحتی به قارچ و باکتری آلوده می‌شوند. اما دانشمندان کشورمان با بهره‌گیری از فناوری نانو و استفاده از نانو ذرات، پلی‌استر ضدباکتری تولید کرده‌اند. نانوذرات مذکور با غشای باکتری واکنش نشان می‌دهند و ساختار باکتری را عوض و نهایتا آن را نابود می‌کنند (منبع).

کاربرد فناوری نانو در نساجی چیست؟

  • مواد نانو ضدعفونی‌کننده: نقره خاصیت گندزدا و ضدباکتری دارد. مهندسان ایرانی با استفاده از نانوذرات نقره موادی تولید کرده‌اند که سطوح مختلف را ضدعفونی و گندزدایی می‌کنند (منبع).
  • نانوذرات اکسید روی: اکسید روی از ترکیبات شیمیایی غیرارگانیک با فرمول شیمیایی ZnO است. نانوذره‌‌های اکسید روی ضدباکتری و مرطوب‌کننده هستند و پرتوهای مضر فرابنفش خورشید را جذب و نیز به دفع بوی بد کمک می‌کنند. ضمنا اکسید روی در مقایسه با اکسید تیتانیوم و اکسید سیلیسیم بسیار سالم‌تر و ایمن‌تر است. پودر اکسید روی یکی از محصولات نانو کشورمان است (منبع).
  • دستگاه پردازش پلاسمای سطحی: یکی دیگر از محصولات ایران در صنعت نانو، دستگاه پردازش پلاسمای سطحی است. پلاسما در کنار حالات جامد، مایع و گاز، چهارمین حالت ماده است. به زبان ساده، به گاز یونیزه شده پلاسما می‌گوییم. برای مثال اگر دمای گاز را بیش از حد افزایش دهیم، انرژی اتم‌های گاز شدیداً افزایش می‌یابد و اتم‌ها با از دست دادن الکترون به یون تبدیل می‌شوند. آنگاه ماده از گاز به پلاسما تغییر حالت می‌دهد. ذرات پلاسما چون انرژی و شتاب زیادی دارند، به‌شدت با یکدیگر و با سطوح اطراف‌شان برخورد می‌کنند و زنجیره‌های مواد را می‌شکنند و رادیکال‌های آزاد تولید می‌کنند. به همین سبب برای حکاکی، تمیزکاری، رسوب‌گذاری، ایجاد چسبندگی، تولید نانوساختارها و چندین مورد دیگر می‌توان از پلاسما بهره برد. بهبود جذب رنگ و چسبندگی سطوح، اصلاح سطح الیاف و پلیمرها و تغییر خواص آن‌ها و افزایش آب‌دوستی، بعضی از کاربردهای دستگاه پردازش پلاسمای سطحی ایران است (منبع).

کاربرد فناوری نانو در صنعت پردازش پلاسما چیست؟


مزایای فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو مزایای زیادی دارد از جمله:

  • مواد باکیفیت‌تر: موادی که با استفاده از فناوری نانو تولید می‌شوند می‌توانند قوی‌تر، سبک‌تر و بادوام‌تر از مواد معمولی باشند. به همین علت مواد نانو کاربردهای مختلفی دارند و در صنایع گوناگون مثل ساختمان‌سازی، حمل‌ونقل و محصولات مصرفی کاربرد دارند.
  • افزایش بازده انرژی: با کمک مواد نانو می‌توانیم سلول‌های خورشیدی و باتری‌هایی بسازیم که بازده بیشتری دارند. مواد نانو وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی و انتشار گازهای آلاینده در جو زمین را کاهش می‌دهند.
  • بهبود درمان‌های پزشکی: با کمک فناوری نانو می‌توانیم داروهای بهتری بسازیم که موثرتر و هدفمندتر عمل می‌کنند. همچنین می‌توانیم ابزارها و تجهیزاتی بسازیم که بیماری را بهتر تشخیص می‌دهند یا آن‌را بهتر درمان می‌کنند.
  • بهبود کشاورزی و امنیت غذایی: با کمک فناوری نانو می‌توانیم حسگرهایی بسازیم که آلودگی‌ محصولات غذایی را با دقت تشخیص می‌دهند و همچنین کودها و ضدآفت‌هایی بسازیم که فقط با آفت مقابله می‌کنند و برای انسان و محیط زیست خطر کمتری دارند.
  • پوشش‌های خودتمیزشونده: بعضی از نانوذرات خاصیت خودتمیزشوندگی دارند و لذا در شیشه‌ پنجره و آینه به‌کار می‌روند.
  • مواد و پوشش‌های ضدعفونی‌کنند‌ه: بعضی از نانوذره‌ها مثل اکسید نقره خاصیت ضدباکتریایی دارند و گندزدا هستند.

حوزه‌های کاربرد فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو اکنون نیز در زندگی ما کاربرد زیادی دارد. در ادامه چند مثال برای فناوری نانو ذکر می‌کنیم:

  • الکترونیک: در تلفن همراه، لپ‌تاپ و تلویزیون‌های امروزی چند نوع ماده نانو به کار می‌رود زیرا رسانایی، قدرت و دوام بیشتری دارند. همچنین پردازنده‌های امروزی معمولا حاوی میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر هستند که در فضای کوچکتر باندازه تنها چند سانتی‌متر مربع کنار هم قرار گرفته‌اند و کار می‌کنند (تصویر ۳ را ببینید).
  • ورزش: بعضی از وسایل ورزشی مثل راکت و توپ تنیس و فوتبال حاوی مواد نانو هستند. مثلا با اضافه کردن خاک رُس نانو یا نانو رُس (nanoclay) به توپ تنیس و فوتبال، دوام آن‌ها افزایش می‌یابد.
  • پوشاک: در بعضی از لباس‌ها مثل لباس‌های ورزشی و لباس‌های کار از نانوماده‌های خاص استفاده می‌کنند تا مقاوم‌تر و یا ضدآب یا ضدآتش باشند. مثلا با کمک فناوری نانو می‌توانیم برای آتش‌نشان‌ها لباس‌های ضدحریق باکیفیت‌تر تولید کنیم.
  • پزشکی و بهداشت: بسیاری از اجزای ساختاری بدن انسان مثل گلبول‌ها و رشته‌های دی‌ان‌اِی در مقیاس نانو هستند. شاید ساخت ابزارها و ربات‌های ریز نانو بتواند تشخیص و درمان بعضی از بیماری‌ها را تسهیل و تسریع کند.
  • لوازم خانگی: با کمک فناوری نانو می‌توان مواد مقاوم اما سبک‌تر تولید کرد و از آن‌ها در ساخت لوازم منزل بهره برد.
  • چسب‌ نانو: بعضی از نانوذرات قدرت و دوام چسب را افزایش می‌دهند.
  • صنعت خودروسازی: خودروسازها در حال ارزیابی نانوماده‌هایی هستند که در برابر فرسایش مقاوم‌ترند و حتی می‌توانند خودشان را ترمیم کنند.
  • صنعت ساختمان: با استفاده از بعضی ترکیبات نانو می‌توان دوام و استحکام و کیفیت مصالح ساختمانی را افزایش داد. مثلا استفاده از نانوذره‌های سیلیکا بین دو لایه شیشه، مقاومت شیشه در برابر آتش را افزایش می‌دهد. همچنین، با استفاده از نانولوله‌های کربنی می‌توان استحکام کششیِ فولاد را تا ۱۵۰ برابر افزایش و در عین حال، وزن آن‌را تا ۶ برابر کاهش داد.
کاربرد فناوری نانو در صنعت پردازنده‌ها و تراشه‌ها چیست

تصویر ۳. پردازنده‌ها و تراشه‌های امروزی مانند این دو، معمولا حاوی میلیاردها ترانزیستور بسیار ریز در ابعاد نانومتر هستند که کنار هم قرار گرفته‌اند و کار می‌کنند.


در ادامه از پزشکی و صنعت ساختمان دو مثال ذکر می‌کنیم که بهتر نشان می‌دهد کاربرد فناوری نانو در این دو حوزه چیست.

کاربرد در پزشکی و زیست‌شناسی

بسیاری از سلول‌های ما بسیار ریز و در مقیاس نانو هستند. مثلا قطر هموگلوبین‌های خون یعنی همان پروتئین‌هایی که اکسیژن را در بدن‌مان می‌گردانند، تنها ۵.۵ نانومتر است. قطر هر رشته دی‌ان‌اِی، فقط ۲ نانومتر است. لذا امروزه بسیاری از دانشمندان می‌کوشند ابزارهای تشخیص و درمان بیماری را در مقیاس نانو طراحی کنند، زیرا هرچه این ابزارها ریزتر باشند، دقیق‌تر عمل می‌کنند. برای مثال، ربات‌های ریزی را تصور کنید که جنس آن‌ها از مولکول است و با حرکت درون بدن انسان، دارو را فقط به جاهایی که لازم است منتقل می‌کنند. در این‌صورت، هم داروی کمتری وارد بدن می‌شود و هم سایر نقاط سالم بدن در معرض دارو قرار نمی‌گیرد و از عوارض جانبی آن متضرر نمی‌شود.

کاربرد فناوری و دانش نانو در پزشکی چیست: آمفی‌فیل‌های پپتیدی (peptide amphtiphiels)

تصویر ۴. آمفی‌فیل‌های پپتیدی (peptide amphtiphiels) مولکول‌های منحصربه‌فردی هستند که شاید بتوانند بافت‌های تخریب‌شده استخوانی، ماهیچه‌ای و عصبی بدن را احیا کنند. در این تصویر، سلول‌ها روی پوششی از پپتید آمفی‌فیل فوق‌مولکولی (یعنی مولکول‌هایی که با پیوندهای نانویی غیرکوولانسی به هم وصل هستند) کشت داده شده‌اند. تعامل بین سلول‌ها و مواد پپتید آمفی‌فیل بر رشد و تحرک سلول‌ها و از جمله بر بهبود انتقال پیام بین سلول‌ها بسیار موثر بود. این تنها یکی از نمونه پژوهش‌ها در حوزه پزشکی است که از علم و فناوری نانو بهره می‌گیرد.

کاربرد در صنعت ساختمان

به‌کارگیری بعضی از نانوماده‌ها به افزایش دوام، استحکام، عایق‌بندی و تمیزی مصالح ساختمانی کمک می‌کند. برای مثال:

  • استفاده از نانوذره‌های سیلیکا بین دو لایه شیشه، مقاومت شیشه در برابر آتش را افزایش می‌یابد.
  • پوشاندن پنجره با بعضی از پوشش‌های نانو، به حفظ بهتر دمای محیط کمک و در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند.
  • با کمک مهندسی نانو می‌توان احتمال ترک‌خوردگی در سازه‌های فولادی و بتنی را کاهش داد.
  • با استفاده از نانولوله‌های کربنی می‌توان استحکام کششیِ فولاد را تا ۱۵۰ برابر افزایش و در عین حال، وزن آن‌را تا ۶ برابر کاهش داد.
  • نانوذره‌هایی مثل اکسید آهن (Fe2O3)، اکسید آلومینیوم (Al2O3) و اکسید مس (CuO) و پروکسید روی (ZnO2) و دی‌اکسید زیکرونیوم (ZrO2) گزینه‌هایی هستند که می‌توانند خواص بتن را بهبود دهند.
کاربرد فناوری نانو در صنعت ساختمان چیست (یو‌پی‌وی‌سی نانو ساخت ایران)

تصویر ۵. یو‌پی‌وی‌سی ساخت ایران حاوی نانوذرات جهت افزایش نرمی وانعطاف‌پذیری و در عین حال افزایش استحکام


چرا خواص نانوذره‌ها با خواص همان ماده در حالت عادی فرق می‌کند؟

اگر ماده را به ساختارهایی در مقیاس نانومتر تبدیل کنید، بعضی از خواص و رفتارهایش تغییر می‌کند. مثلا طلا در حالت عادی زرد است اما اگر تنها ۵۰ نانومتر طلا را جداگانه بررسی کنید، رنگش به سبز تغییر می‌یابد. اما چرا خواص نانوذرات ماده با خواص همان ماده در اندازه‌های بزرگتر فرق می‌کند؟ مهمترین علتش «اثر سطحی» است. هرچه ماده به ذره‌های ریزتری تبدیل شود، نسبت مساحت به حجم آن افزایش می‌یابد. نتیجتاً هر مولکول با مولکول‌های کمتری در ارتباط خواهدبود و واکنش‌پذیری بیشتری خواهدداشت. همین عامل ظاهرا ساده سبب می‌شود بعضی از خواص و رفتارهای ماده در مقیاس نانومتر با خواص و رفتارهایش در مقیاس‌های بزرگتر فرق کند.

فناوری نانو چیست: افزایش نسبت سطح به حجم در نانوذرات

تصویر ۶. افزایش نسبت سطح به حجم: با کوچکتر شدن ابعاد ذره، مقدار مساحت آن از مقدار حجم آن بیشتر و بیشتر می‌شود (برای دیدن تصویر در اندازه بزرگتر روی آن کلیک کنید.)

مواد در مقیاس نانو خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و نوری متفاوتی از خود بروز می‌دهند که دانشمندان با مطالعه آن‌ها می‌توانند مواد یا نانو-ابزارهای جدیدی تولید کنند و یا خواص مواد عادی را بسته به نیازشان تغییر یا بهبود دهند. اما چرا در مقیاس نانو بعضی از خواص ماده تغییر می‌کند؟ علتش دو پدیده موسوم به اثر سطحی و اثر کوانتومی است.

اثر سطحی و اثر کوانتومی در فناوری نانو چیست؟

گفتیم هرچه ابعاد ماده کوچکتر شود، نسبت مساحت به حجم ماده افزایش می‌یابد که حاصل آن بروز اثر سطحی و اثر کوانتومی است:

  • اثر سطحی: چون نانوذره‌ها بسیار کوچک هستند، بخش زیادی از اتم‌های نانوذره، در سطح هستند؛ یعنی در معرض محیط پیرامون‌شان هستند و لذا واکنش‌پذیری آن‌ها افزایش می‌یابد.
  • اثر کوانتومی: وقتی اندازه ذره به مقیاس نانو می‌رسد، سطح انرژی الکترون در آستانه سطح فرمی (Fermi level) از سطح انرژی شبه‌پیوسته به سطح انرژی گسسته تغییر می‌یابد؛ یعنی شکاف انرژی افزایش می‌یابد. اثر کوانتومی، تنظیم‌پذیری ماده را افزایش می‌دهد.

اما حاصل دو پدیده فوق چیست؟ همانطور که گفتیم، در مقیاس نانو مساحت ذره‌ها از حجم‌شان بیشتر است. پس ذرات بیشتری در معرض محیط پیرامون قرار می‌گیرند و تمایل آن‌ها برای واکنش شیمیایی بسیار افزایش می‌یابد. نتیجه حیرت‌انگیز اثر کوانتومی بر نانوذره‌ها نیز «تنظیم‌پذیری» خواص ماده است. یعنی، دانشمندان با کاهش دادن اندازه ذرات به مقیاس نانو می‌توانند بعضی از خواص ماده مثل دمای ذوب، نورافشانی، رسانایی، استحکام، واکنش‌پذیری شیمیایی و نفوذپذیری مغناطیسی آن را تغییر دهند.

برای مثال رنگ طلا در حالت عادی زرد و زرین است اما اگر ذره‌ ریزی از طلا به اندازه ۱۰۰ نانومتر را جدا کنید، رنگش نارنجی خواهدشد و اگر اندازه آن به ۵۰ نانومتر کاهش یابد، رنگش به سبز تغییر خواهدیافت. به عبارت دیگر، نانوذره‌های طلا تحت تاثیر اثر سطحی و کوانتومی در مواجهه با نور، رنگ‌های متفاوتی از خود منعکس می‌کنند.

چگونه در مقیاس نانو نسبت سطح به حجم افزایش می‌یابد؟

هرچه ابعاد ماده کوچکتر شود، نسبت مساحت به حجم آن افزایش می‌یابد و وقتی به مقیاس نانو می‌رسیم، نرخ افزایش مساحت به حجم بیشتر و بیشتر می‌شود. بیایید مثالی بزنیم. تصویر ۷ را ببینید:

فناوری نانو چیست: اثر سطحی در مقیاس نانومتر

تصویر ۷. اثر سطحی در مقیاس نانومتر: هرچه ماده ریزتر شود، نسبت مساحت به حجم آن افزایش می‌یابد (برای دیدن تصویر در اندازه اصلی، روی آن کلیک کنید.)


شکل الف

شکل الف در تصویر ۷، جسم جامدی به شکل مکعب مربع و اندازه هر ضلعش ۱ سانتی‌متر است. حجم چنین جسمی ۱ سانتی‌متر مکعب و مساحتش ۶ سانتی‌متر مربع است، چون:

فرمول محاسبه حجم مکعب: اندازه یک ‌ضلع ضربدر خودش ضربدر ۶

حجم (سانتی‌متر مکعب) V = 1cm x 1cm x 1cm = ۱ cm۳

فرمول مساحت مکعب = طول ضربدر عرض ضربدر ارتفاع

مساحت (سانتی‌متر مربع) A = 1cm x 1cm x 6 = ۶ cm۲

 

شکل ب

حالا تصور کنید مثل شکل ب (در وسط تصویر)، این‌بار بجای مکعب یکپارچه، ۱۰۰۰ مکعب کوچکتر هر یک به ضلع ۱ میلی‌متر داشته باشیم. در آن صورت، حجمی که اشغال می‌کنند مثل مکعب اول است، اما مجموع مساحت تک‌تک ذره‌ها معادل ۶۰ سانتی‌مربع یعنی بیشتر از مساحت مکعب اول خواهدبود.

V = 1000 x (1mm x 1mm x 1mm) = ۱۰۰۰ mm۳ حجم (میلیمتر مکعب)

۱۰۰۰mm۳ / ۱۰۰۰ = ۱ cm۳ تبدیل حجم از میلیمتر مکعب به سانتیمتر مکعب

 

A = 1000 x (1mm x 1mm x 6) = 1000 x 6 = 6000 mm۲ (مساحت (میلیمتر مربع

۶۰۰۰ mm۲ / ۱۰۰ = ۶۰ cm۲ تبدیل مساحت از میلیمتر مربع به سانتیمتر مربع

شکل ج

اکنون به قسمت عجیب ماجرا رسیدیم! به شکل سوم دقت کنید. این‌بار، همان حجم از فضا را با مکعب‌های بسیار ریز که طول هر ضلع‌شان ۱ نانومتر است، پر می‌کنیم. در فضایی به حجم یک سانتیمتر مکعب، «۱۰ به توان ۲۱» مکعب نانو با ابعاد ۱ نانومتر مکعب جا میشود که تعداد بسیار زیادی (معادل یک میلیارد تریلیون) است! حجم کل این تعداد مکعب نانو، همچنان ۱ سانتی‌متر مکعب خواهدبود اما مجموع مساحت‌تک‌تک آن‌ها ۶۰۰۰ متر مربع (یعنی از زمین فوتبال هم بزرگتر) خواهد شد!

V = 10^21 x (1nm x 1nm x 1nm) = ۱۰^۲۱ nm۳ حجم (نانومتر مکعب)

۱۰^۲۱ nm۳ / ۱۰^۲۱ = ۱ cm۳ تبدیل حجم از نانومتر مکعب به سانتیمتر مکعب

A = 10^21 x (1 x 1 x 6) = 60^21 nm۲ (مساحت (نانومتر مربع

۶۰^۲۱ nm۲ / ۱۰^۱۴ = ۶۰,۰۰۰,۰۰۰ cm۲ تبدیل مساحت از نانومتر مربع به سانتیمتر مربع

در هر سه حالت فوق، حجم تغییر نکرد، اما هرچه مقیاس ذره‌ها کوچکتر شد، مساحت افزایش یافت. خب، در دنیای نانو ماجرا چنین است. یعنی، چون با نانوذرات بسیار ریز سروکار داریم، تعداد ذرات در واحد حجم افزایش می‌یابد و هر چه تعداد ذره‌ها در واحد حجم افزایش یابد، مساحت کل ذرات نسبت به حجم بیشتر می‌شود.

یکی از مزایای کاربردی افزایش نسبت سطح به حجم و افزایش واکنش‌پذیری در نانوساختار کمک به ساخت کاتالیست‌های بهتر است. کاتالیست ماده‌ای است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد. یکی از عمومی‌ترین کاربردهای کاتالیست در اگزوز خودرو است که گازهای آلاینده خودرو را سریع فیلتر می‌کند و می‌سوزاند تا پس از خروج از اگزوز، هوا را کمتر آلوده کنند. با کمک نانوذره‌ها می‌توان کاتالیست‌های کم‌هزینه‌تر و حتی کارآمدتری طراحی کرد.


نقش میکروسکوپ‌های الکترونی در پا گرفتن دانش و فناوری نانو چیست؟

مواد نانو یا ذرات نانو از ابتدای خلقت جهان وجود داشته‌اند اما بشر، تازه چند دهه پیش توانست ابزارهایی بسازد که بشود با آن‌ها ذره‌هایی در مقیاس نانومتر را مشاهده، مهندسی یا تولید کرد.

میکروسکوپ در قرن ۱۷ میلادی اختراع شد و بشر با کمک آن توانست ارگانیسم‌های زنده زیستی را که قبلا هرگز با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شدند، ببیند. اما بزرگنمایی میکروسکوپ‌های نوری به طول‌موج نور مرئی محدود است و ذرات کوچکتر از ۴۰۰ تا ۷۵۰ نانومتر را نشان نمی‌دهد.

در سال ۱۹۳۱ میلادی اولین میکروسوپ الکترونی ساخته شد که نشان می‌داد انسان می‌تواند به‌جای نور مرئی از الکترون‌ها برای مشاهده‌ ذرات ریز استفاده کند. طی چند دهه بعدی، میکروسکوپ‌های الکترونی پیوسته بهبود یافتند. آنگاه در سال ۱۹۸۱ اولین میکروسکوپ تونلی روبشی۱ اختراع شد که دانشمندان به کمک آن نه فقط نانوذرات را می‌دیدند بلکه می‌توانستند شکل، ساختار یا کیفیت نانوذره‌ها را مطابق با اهداف موردنظرشان تغییر دهند.

امروزه میکروسکوپ‌های الکترونی و میکروسکوپ‌های تونلی روبشی پای ثابت آزمایشگاه‌های تحقیقات علوم نانو هستند و دانشمندان به‌وسیله آن‌ها می‌توانند ذراتی به ریزی ۰.۰۵ نانومتر را نیز ببینند و ذره‌ها، اتم‌ها و مولکول‌های کوچک را مهندسی کنند. وجود این‌نوع ابزارهای پیشرفته سبب شد فناوری نانو پا بگیرد.


جمع‌بندی: فناوری نانو چیست و چرا مهم است و چه کاربردهایی دارد؟

رشته فناوری نانو با تمرکز بر خواص منحصربه‌فرد و متغیر ماده در مقیاس نانو، ویژگی‌های مواد مختلف را طوری تغییر یا بهبود می‌دهد که با اهداف موردنظر مطابقت داشته باشد. برای مثال، می‌توانید در پارچه‌های لباس کارکنان بیمارستان از نانو ذره‌های ضدباکتری استفاده کنید تا در برابر آلودگی‌ها مقاوم‌تر باشند.

فناوری نانو برای مطالعه و تولید مواد و ابزارهای جدید، مسیر جدیدی به روی‌مان می‌گشاید. «فناوری نانو» محصول یا دستگاه خاصی نیست، بلکه دانش و فنی است که با کمک آن از خواص منحصربه‌فرد مواد در مقیاس ۱ تا ۱۰۰ نانومتر برای بهبود مواد فعلی یا تولید مواد و ابزارهای جدید بهره می‌بریم. بعضی از صاحب‌نظران، فناوری نانو را انقلاب صنعتی بعدی می‌دانند.


پانویس:

  1. STM مخفف Scanning Tunelling Microscope