فناوری نانو

«فناوری نانو»

نانو

مدتی است که در رسانه های اخباری درباره نانو منتشر می شود. معمولاً گفته می شود که این فناوری عبارت است از دستکاری در ساختار مولکولی و اتمی مواد و تولید مواد در مقیاس نانو، یعنی یک میلیاردم متر. شما به علاقه مندان علم درباره نانو چه توضیحی می دهید؟

چه جریان هایی علوم و فنون نانو را به وجود آوردند؟

لازم است نگاهی به تاریخ پیشرفت فناوری و علم بیندازیم. اگر تاریخ علم را از قرن شانزدهم میلادی به بعد در اروپا در نظر بگیریم، دو انقلاب صنعتی و علمی در این مدت به وقوع پیوستاه است. انقلاب اول که انقلاب کلاسیک بود، بر پایه ی فیزیک نیوتونی بنا شده بود که منجر به فناوری های ماکرو یا بزرگ مثل قطار، ماشین بخار و غیره گردید. این انقلاب تا اوایل قرن بیستم ادامه داشت. در ابتدای قرن بیستم، ساختار اتم ها کشف شد و از قبل آن فناوری میکرونی به وجود آمد، یعنی وسایلی ساخته شد که اندازه قطعات تشکیل دهنده آنها به یک میلیونم متر می رسید، مثل ترانزیستورها و پردازشگرهای رایانه ای. از سال 1344/ 1965 به بعد قانون مورد اعلام شد که به موجب ان در هر هجده ماه اندازه پردازشگرهایی که توسط ترانزیستورها ساخته می شوند نصف می شود. یعنی روی یک سطح معین می شود دو برابر بیشتر ترانزیستور جا داد. روند ریز شدن ترانزیستورها بر اساس قانون مور در سال 1399/ 2020 متوقف خواهد شد، زیرا فناوری موجود میکرونی دیگر قادر نخواهد بود اندازه ترانزیستورها را کوچکتر کند. در حال حاضر پردازشگرها از طریق «حکاکی نوری» درست می شوند. یعنی ابتدا یک لایه سیلیکون روی یک سطح می نشانند. سپس با استفاده از نور فرابنفش بر روی لایه خط کشی می کنند و بدین ترتیب مدارهای مورد نظر را به وجود می آورند. هرچه طول موج نور فرابنفش کوچکتر باشد، مدارهایی که به دست می آید هم ریزتر می شوند. اما کوچک شدن طول موج نور فرابنفش هم حدی دارد. پیش بینی می کنند که این طول موج تا سال  1399/ 2020 میلادی به یک دهم میکرون برسد.

یک دهم میکرون، کوچکترین طول موجی است که نور فرابنفش می تواند در آن حدود وجود داشته باشد. بنابراین بعد از سال  1399/ 2020 دیگر نمی توان از نور فرابنفش برای تهیه مدارهای مجتمع استفاده کرد. در این صورت دو راه وجود دارد: یکی استفاده از اشعه ایکس و دیگری استفاده از پرتو الکترونی. هر دو روش مشکلاتی دارند. مثلاً کنترل اشعه ایکس برای حکاکی بسیار مشکل است، و پرتو الکترونی هم به علت اینکه الکترون ها در آن واحد، هم خواص ذره ای دارند و هم خواص موجی، آشفتگی به وجود می آورد. در نتیجه برای گذر از این محدودیت ها مجبوریم از فناوری میکرونی عبور کنیم و به فناوری نانو برسیم. در حال حاضر با استفاده از نانو لوله های کربنی که قطری در حدود 14 آنگستروم (4ر1نانومتر) دارند و طول آنها می تواند در حد یک میکرون باشد، می توان ترانزیستورهایی بسیار بسیار کوچکتر از ترانزیستورهای فعلی ساخت و تعداد بی شماری از آن ها را روی یک سطح معین کنار هم چید.

چه وسایلی به ما امکان می دهند که در مقیاس نانومتری بتوانیم کار کنیم؟

برای ساختن ادوات و قطعات در مقیاس نانو باید وسایل و شرایطی مهیا می شد که مهیا شدن آنها تا دهه هشتاد میلادی طول کشید. ما به لحاظ نظری مولکولها و اتم ها را توصیف کرده بودیم، اما هنوز میکروسکوپی نداشتیم که چنین ساختارهایی را ببینیم در سال  1364/ 1985 در مؤسسه آی بی ام، شعبه زوریخ، دو محقق که در سال 1366/ 1987جایزه نوبل گرفتند، توانستند میکروسکوپ اتمی را بسازند که به نام STM(Scanning Tunneling Microscope ) یا «میکروسکوپ تونلی روبشگر» معروف است.

این میکروسکوپ می توانست از سطوح مواد نقشه برداری اتمی کند و اتم ها را جا به جا نماید. نوع دیگر این میکروسکوپ به نام AFM (Atomic Force Microscope) یا «میکروسکوپ نیروی اتمی»، می تواند این اتم ها را حس کند و مقدار آن را بسنجد یا اختراع پیشرفته ترین میکروسکوپ اتمی، به نام SPM (Scanning Probe Microscope) «میکروسکوپ پیمایشگر روبشی»، انقلاب عملی نانو شکل کامل به خود گرفته است. این میکروسکوپ علاوه بر ویژگی های اتمی هم خانواده خود، قادر است اتم ها و مولکول ها را کنار هم بچیند و آرایش های جدید از مواد به وجود بیاورد. با استفاده از این ابزار است که ما می توانیم بفهمیم یک جسم واقعاً در ابعاد نانو هست یا نه. مثلاً اگر یک لایه بسیار نازک درست کنید و بخواهید بفهمید قطر آن چند نانومتر است، یا بخواهید ساختار مولکولی را با جابه جایی اتمهای آن تغییر بدهید، باید از این میکروسکوپ استفاده کنید. البته فناوری بسیار پیچیده ای پشت این کارهاست. مثلاً برای اینکه اتم ها را جابه جا کنیم باید یک خلأ بسیار قوی و محیط کاملاً تمیزی داشته باشیم، وگرنه هیچ کاری نمی توانیم انجام بدهیم. ایجاد این محیط تمیز و خلأ بسیار زیاد فناوری بسیار پیچیده ای را می طلبد.

در سال 1361/ 1982دو دانشمند آمریکایی و انگلیسی با مطالعه طیف نوری ستارگان توانستند ساختاری از کربن ها را کشف کنند که در طبیعت یافت نمی شود. این مولکولها 60 اتم کربن دارند. طی یک دوره ی طولانی و زجر آور تحقیق، ساختار این مولکول کربنی به دست آمد. کربن 60 همانند یک توپ فوتبال است که از 12 پنج ضلعی و 20 شش ضلعی تشکیل می شود. پس از آن، ساختارهای جدیدی از اتم های کربن یکی از پس از دیگری کشف شدند که با اسامی کربن 70، کربن 80 و کربن 850 شناخته می شوند. کربن 850 به «پیاز کربنی» معروف است، زیرا مثل پیاز ساختاری لایه لایه دارد. دانشمندان نانو پزشکی تلاش می کنند از کربن 60 برای دارورسانی به سلول های سرطانی استفاده کنند. به این شکل که ماده غذایی را در فضای خالی درون این مولکول توپ مانند قرار می دهند و روی سطح آن را با یک لایه ی محافظ می پوشانند، و روی این لایه محافظ ماده ای به نام «آنتی بادی» می نشانند.

آنتی بادی سبب می شود که مولکول کربن 60 تنها به سلول هایی بچسبد که بیماری خاصی دارند. با چسبیدن کربن 60 به غده مورد نظر، لایه محافظ شکافته می شود و ماده دارویی به دورن غده سرطانی تزریق می گردد. این شیوه دارورسانی از آسیب های مربوط به مصرف زیاد و غیر دقیق دارو جلوگیری می کند و سرعت اثر بخشی آن را بالا می برد.

یکی دیگر از وقایع برجسته در زمینه نانو در سال 1370/ 1991 اتفاق افتاد. در این سال آقای «سومی یولیجیما: Sumio Lijima» در مؤسسه NEC زاپن دنبال یک سری از ساختارهای کربنی جدید می گشت که ناگهان به یک ساختار لوله ای از کربن ها برخورد کرد. این ساختار جدید به «نانو لوله کربنی » معروف شد و کاربردهای بسیاری برای آن کشف گردید که یکی از آنها، همان طور که گفتم، ساختن ترانزیستورهای نانویی است.

به هر حال می توان گفت حدود 20 سال از آغاز انقلاب نانو می گذرد. به خصوص در دهه 90 که ساختارهای جدید کربنی پشت سر هم کشف شدند، یک خیزش جدی در نانو به وجود آمد و نانو موضوع اغلب رشته های سنتی شد، به طوری که امروزه نانو پزشکی، نانو مواد، نانو اپتیک، نانو مکانیک، نانوبیولوژی و ده ها رشته دیگر داریم. در واقع همه رشته های علمی و فنی به اشغال نانو در آمده اند. به عبارت دیگر، پارادایم یا الگوی کلانی که به علوم و صنایع در جهان جهت می داد تغییر یافته است. الگوی سابق این بود که طبیعت ساختار ماده را تعیین می کند و ما ناچاریم این الگو را بشناسیم و از آن استفاده کنیم، اما الگوی دوره نانو می گوید این ماییم که ساختار ماده را تعیین می کنیم و آن طور که می خواهیم به کارش می گیریم.

برای پیشبرد فناوری نانو چه شرایطی باید وجود داشته باشد؟

برای پیشبرد فناوری نانو به یک کالسکه دو اسبه احتیاج داریم. یکی از این اسب ها ایجاد دانشهای بنیادی، و آن دیگری استفاده از این دانش های بنیادی در فناوری است. دانش های بنیادی صرفاً مباحث نظری و محاسباتی نانو نیست، بلکه بخش اعظم آن در آزمایشگاه های نانو به وجود می آید و رشد می کند. بنابراین، ما در «پژوهشکده علوم نانو» طرح یک آزمایشگاه ملی نانو را به وزارت علوم، تحقیقات و فناوری داده ایم. این آزمایشگاه مجهز به میکروسکوپ های اتمی پیشرفته خواهد بود و تمامی دانشمندانی که در زمینه های مربوط به علوم نــانو فعــال هستند می توانند به آنجا بروند و کار کنند. در کنار این جریان بباید حلقه ای از پژوهشکده ها و پژوهشگاه­ها و واحدهای دانشگاهی به وجود بیایند و دوره دکتری و فوق دکتری راه بیندازند. به علاوه، واحدهای نانو فناوری باید در صنایع مرتبط مثل خودرو سازی، هوا فضا، پتروشیمی ایجاد شوند تا یافته های نظری و آزمایشگاهی را به فراورده های صنعتی تبدیل کنند.

یک دانش آموز ایرانی چگونه می تواند در آینده وارد عرصه ی نانو شود؟

اگر کسی بخواهد وارد حوزه علوم و فناوری های نانو شود، در چند مسیر می تواند حرکت کند. اگر از طریق فیزیک وارد شود، باید فیزیک ماده چگال بخواند. البته تمام در دوره کارشناسی چنین رشته ای نداریم، اما او می تواند درس هایی را انتخاب کند یا به درس هایی توجه ویژه داشته باشد که مربوط به فیزیک ماده چگال است. از رشته های مهندسی بیش از همه مهندسی مواد به نانو مربوط می شود. البته مهندسی های مختلف در مقیاس نانو کاربرد دارند. مثلاً مهندسی مکانیک در تولید ابزارهایی مثل اره برای بریدن نانو ساختارها یا ابزار جوشکاری یا لحیم کاری نانویی نقش اساسی دارد. مهندسی برق هم در تولید مدارهای مجتمع به علوم و فناوری نانو نیاز دارد. شیمی و علوم بیولوژی و ژنتیک هم که دیگر در دانشگاه های ما جا افتاده اند، از عرصه های درگیر با نانو هستند، به خصوص بیولوژی مولکولی نزدیک ترین مسیری است که یک زیست شناس را به نانو فناوری مرتبط می کند.

نانو لوله های کربنی

نانولوله ها ترکیب جدیدی از اتم های کربن به شکل استوانه ای تو خالی است و دارای خواص ویژه ای است که باعث شده کاربردهای بسیار متنوعی در نانو فناوری، الکترونیک، اپتیک، مکانیک و حوزه های مختلف علوم مواد پیدا کنند این ترکیب به طرز عجیبی مستحکم است و خواص الکترونی منحصر به فردی از خود نشان می دهد.

اسم نانو لوله ها به دلیل اندازه ی آن ها انتخاب شده زیرا قطر آن ها در حد چند نانو متر است و طولشان در نهایت به چندد میلی متر می رسد. (شکل 1).

ساخت نانولوله ها

نانولوله ها در واقع استوانه های خالی از اتم های کربن هستند. (شکل 2) از لحاظ ظاهر، نانوله ها به صورت لایه لایه هایی از گرافیت هستند فاصله بین لایه ها nm 34/0 است. مسیر پیوندهای کربنی به صورت مارپیچی هستند.

روش ساخت

روش های مختلفی برای تولید نانولوله ها وجود دارد.

1. تخلیه ی قوس 2. مونوکسیدکربن فشار بالا (Hipco)3. فرساب لیزری 4.CVD . روش قوس کارآمدترین روش برای مقاصد علمی است، و چون این روش در دماهای بسیار بالا (k 4000) انجام می شود دارای ساختار منظمی است، نانولوله ها به صورت دسته های کوچکی تشکیل می شوند و در کنار هم رشته های mµ50 را تولید می کنند.

ناکاملی ها

اغلب، نانولوله ها دارای ناکاملی هایی هستند که ساختار آن ها را تغییر می دهند (مــانند حلقه های پنج وجهی و هفت وجهی) و در بررسی ویژگیهای آنهــا باید در نظر گرفته شوند. نانولوله های چند جداره ناکاملی های بیشتری نسبت به نانولوله های تک جداره دارند به همین دلیل ساخت نانولوله های تک جداره از اهمیت بیشتری برخوردار است و ساخت آنها نیز به مراتب مشکل تر است. درجه خلوص و کاملی مورد نیاز برای نانولوله ها به ویژگی های مورد اندازه گیری بستگی دارد. به همین دلیل نتیجه هایی که گروه های کاوشگر مختلف به دست می آورند با هم متفاوت است، نانولوله ها در واقع رویه های گرافیتی هستند که مانند طومار لوله شده اند.

شکی نیست که این ساختار وجود دارد. اما این ساختار، ساختار تمام نمونه ها نیست. ثابت شده که نانولوله ها به صورت استوانه های به صورت لایه لایه از رأس شروع به تحلیل رفتن می کنند و به طرف داخل می روند، اگر نانولوله ها درز (یا شکاف) داشتند، محل درز در هر جای لوله که باشد در ابتدای کار اکسیده می شود. ولی تاکنون چنین چیزی مشاهده نشده است. نـاکاملی های نانولوله ها به سه دسته تقسیم می شوند: ناکاملی های مربوط به سطح آنها (توپولوژی آنها)، ناکاملیهای ناشی از دورگه شدن مجدد آنها و پیوندهای ناکامل. ناکاملی های مربوط به توپولوژی  ناشی از حضور حلقه های غیر شش وجهی در ساختار آنها (به جز در سرها که به شش پنج وجهی برای بسته شدن آنها نیاز دارد) است. این ناکاملی ناشی از جفت های پنج وجهی ـ هفت وجهی است. شیمیدان ها این ساختار را به نام ساختار آزولین می شناسند. این جفت 7/5 باعث انحراف در ساختار نانولوله نمی شود. اما بسته به جهت گیری آن نسبت به محور لوله به آرامی قطر، درجه پیچش یا یا کایرالیتی لوله را عوض می کند. بعضی از این جفت های 7/5 به سختی دیده می شوند مگر اینکه همه آنها در یک جهت قرار بگیرند. در این حالت قطر نانولوله به تدریج زیاد می شود، این پهن شدگی گاهی دیده می شود و تناوب هر جفت 7/5 تقریباً nm3 تخمین زده می شود. (شکل 8)

ویژگی ها

سختی

نانولوله های کربنی یکی از مستحکم ترین موادی هستند که تاکنون دیده شده است. هم از کششی و هم از نظر مدول کشسانی. این استحکام به دلیل پیوندهای SP کووالانتی است که بین اتمهای کربن منفرد وجود دارد.

ماهیت نور

واژه ی لیزر از حروف اول کلمات عبارت :

” Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation ”

تشکیل شده است. بنابراین پی بردن به چگونگی عمل لیزر، ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به آگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور است.

جوشکاری با لیزر

اساساً در جوشکاری دو فلز (که ممکن است شبیه به هم و یا غیر هم جنس باشند)، در تماس با یکدیگر قرار می گیرند و ناحیه اطراف تماس گرم می شود تا مواد ذوب شوند و به هم جوش بخورند. گرمای کافی به منظور ذوب کردن مقدار معینی از ماده باید تأمین گردد و نه آن مقدار که باعث تبخیر مقدار قابل توجهی از ماده شود، وگرنه جوش ضعیفی حاصل خواهد شد. برای بیشتر فلزات، انعکاس به طور سریعی وقتی که دما به نقطه ذوب ماده نزدیک شود، کاهش می یابد.

لیزرها در پزشکی

سه حوزه اصلی کاربرد لیزرها در پزشکی وجود دارد. لیزر در جراحی به عنوان یک ابزار برنده ، در چشم پزشکی و در بیماری های پوست به کار می رود. در جراحی لیزر CO₂ معروف ترین است گرچه لیزرهای Nd:YAG را نیز می توان به کار برد. طول موج 6/10 میکرون لیزر CO₂ توسط مولکول های آب موجود در بافت بدن به شدت جذب می شود و نهایتاً موجب تبخیر شدن آب بافت و برداشتن فیزیکی آن می شود. استفاده از لیزر چندین مزیت بر روش برش مکانیکی دارد: باریکه لیزر را با دقت زیادی می توان متمرکز و کنترل نمود، باریکه لیزر به نواحی تقریباً غیر قابل دسترس می رسد، آسیب کمتری به بافت های جانبی می رساند و باریکه لیزر اثرگرمایی بر روی رگ های خونی جانبی دارد که باعث خونریزی کمتر می شود. به طور وضوح احتیاج به یک سیستم تحویل باریکه لیزر با قدرت مانور زیاد قطعی است. حل ایده آل این موضوع توسط نوعی از تارهای نوری ممکن خواهد بود.

فهرست مطالب

نانو 1
نانو لوله های کربنی 12
ساخت نانولوله ها 14
روش ساخت 17
ناکاملی ها 19
ویژگی ها 21
ماهیت نور 24
کاربردهای فرایند کردن مواد 25
جوشکاری با لیزر 28
ماشین کاری با کمک لیزر 31
سوراخکاری، خراش دادن و علامت گذاری 32
لیزرها در پزشکی 35
جوش هسته ای با کمک لیزر 37
منابع و مآخذ 40

مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، تصویر، فهرست مطالب و 40 صفحه متن (در قالب word و ) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله  B Nazanin(15) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.

قیمت این مقاله 4600 تومان می باشد، جهت دریافت کامل متن مقاله (قابل ویرایش) بالای صفحه روی پرداخت و دریافت کلیک کنید

مشاهده فهرست مقالات الکترونیک

نوشته شده در 25 آبان ۱۴۰۰

لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂