عنوان :

مقاله نانوتکنولوژی چیست

تعداد صفحات :۱۲۲

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

ماهیت نانوتکنولوژی، عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از مولکولی، در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها و با استفاده از موا‌د, وسایل و سیستم‌هایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان می‌باشد. همه مواد و سیستم‌ها زیربنای ساختاری خود را در مقیاس نانو ترتیب می‌دهند. در اینجا مثالهایی را ذکر می‌کنیم. یک مولکول آب دارای قطر حدود ۱ نانومتر است. قطر یک نانوتیوب تک لایه ۲/۱ نانومتر می‌باشد. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه ۲ نانومتر می‌باشند. مولکول  DNA ، ۵/۲ نانومتر پهنا دارد و پروتئینها بین ۱ تا ۲۰ نانومتر هستند. قطر  ATP ، ۱۰ نانومتر بوده و یک وسیله مولکولی نیز ممکن است در حدود چند نانومتر باشد.

کنترل مواد در مقیاس نانویی به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که خواص اساسی معین می‌شود. تا آنجایی که ما از طبیعت اطلاعات در دست داریم، این آخرین مقیاس تولید است. نانوتکنولوژی ، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که می‌توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط‌زیست استفاده شوند، شامل می‌شود.بنابراین مقاله حاضر به بررسی نانوتکنولوژی و علم بیوتکنولوژی، بلوکهای ساختمانی نانوتکنولوژی، برخی از کاربردهای نانو، کارکردهای اجتماعی و… می پردازد. نانوتکنولوژی و زندگی مردم:

بسیار مشکل است که مردم را برای پیشرفتی غیر منتظره و تکنولوژیکی آماده کنیم، در حالیکه این موج به آرامی در راه است و هیچ تلاشی تعمداً برای رسیدن به آن صورت نمی‌گیرد.

بیشتر مردم فکر می‌کنند سرعت تغییرات تکنولوژیکی در طول چند قرن اخیر افزایش یافته ، ولی واقعاً اینطور نبوده، فقط مسائل منتشر شده و گسترش یافته‌اند و این باعث شده اینطور به نظر بیاید. ما هرگز پیشرفت غیرمنتظره‌ای نداشته‌ایم. پیشرفتهایی  که ما در سه قرن اخیر مشاهده کرده‌ایم، در مقایسه با پدیده‌های قرن بیستم مانند تلفن، اتومبیل، هواپیما، تلویزیون و آنتی بیوتیکها که مثل یک انفجار پدیدار شده‌اند، کاملاً کمرنگی شده است.

امروزه تغییرات بی‌هدف تکنولوژیکی باعث شده که مردم به صورت کاملاً شخصی تصور کنند که دانشمندان تغییرات را فقط به این دلیل ایجاد می‌کنند که تغییری ایجاد کرده باشند و دلیل درستی ندارد. مردم دیگر به پیشرفتها کمتر توجه می‌کنند، در حالیکه نانوتکنولوژی پتانسیلی برای غافلگیر کردن آنهادارد که هیچ کس آماده‌ی آن نیست . هدف توسعه‌ی نانوتکنولوژی مولکولی، مسئله‌ای است که باید در مسیر مستقیم پیگیری شود تا توجه عمومی را جلب کند. برای تحقیقات نانوتکنولوژی ، مهندسین مکانیک، شیمی، برق و زیست‌شناسی و همچنین فیزیکدانان و شیمیدانان می‌بایست با هم کار کنند.

واژه های کلیدی: نانوتکنولوژی، کاربردها، کالبدشناسی، ساخت نوین سبز

فهرست مطالب

نانوتکنولوژی چیست؟   ۱
پیشگامان نانوتکنولوژی   ۸
نانوتکنولوژی و همگرایی علمی   ۱۰
نانوتکنولوژی مرطوب:   ۱۲
الف) نانوتکنولوژی و فراپزشکی:   ۱۲
ب) نانوتکنولوژی و علم بیوتکنولوژی   ۱۷
مقدمه:   ۱۷
بلوکهای ساختمانی نانوتکنولوژی:   ۱۷
کالبدشناسی اجزاء زیستی:   ۱۹
لایه‌های سطحی باکتریایی به عنوان اجزاء هادی :   ۱۹
بیوسرامیکها:   ۱۹
آهنرباهای میله‌ای زیستی:   ۲۰
گردآورنده‌های یا شکل‌دهی  ( Assemblers or Templating):   ۲۰
نانوتکنولوژی و  DNA (DNA Nanotechnology)   ۲۱
ج) محیط زیست نانوتکنولوژی   ۲۵
ساخت نوین سبز:   ۲۶
انرژی دوستانه ( دوستدار انسان و محیط زیست)   ۲۸
اثر مثبت در کشاورزی   ۲۹
متخصص تشریح محلولها:   ۲۹
انهدام محلهای جمع‌آوری زباله‌های شیمیایی و هسته‌ای   ۳۰
نانوتکنولوژی خشک   ۳۲
الف) یک مثال: نانوتکنولوژی ، مادر شیمی تکاملی تجربی   ۳۲
نانوتکنولوژی محاسباتی   ۳۴
الف- الکترونیک و کامپیوتر   ۳۴
پیشرفتهای اخیر:   ۳۷
برخی از کاربردهای نانو:   ۳۸
ب) شبیه سازی   ۳۹
مدل‌سازی مولکولی:   ۳۹
مدل‌سازی یک مونتاژگر:   ۴۰
ماشینهای نانوتکنولوژی   ۴۳
سیستم عامل  Fractal و خشت‌های روباتی :   ۴۵
مدل هال:   ۴۶
نانوتکنولوژی، مولد محصولاتی با قابلیتهای جدید   ۴۹
مواد   ۵۴
مواد عالی و هوشمند   ۵۴
۱٫مواد عالی:   ۵۴
۲)مواد هوشمند:   ۵۴
کربن : واحد جدید اندازه‌گیری طول   ۵۵
نانوتیوب‌ها : Bucky tubes ،  cntها   ۵۶
Fullerene ها:   ۵۶
نانوفیبرهای کربنی:   ۵۷
نانو قطعات  ( cnp):   ۵۷
نانوساختارهای کربنی (خصوصیات و کاربردها)   ۵۷
معیارهای کنترل:   ۶۱
بازرگانی نانوساختارهای کربنی:   ۶۳
ترکیب، ویژگیها و کاربردهای نانوفیبرهای گرافیتی   ۶۴
نیازهای آینده:   ۷۴
مثالهایی از کاربردهای نانوتکنولوژی   ۷۴
قطعات نانویی پلیمرهای مسلح:   ۷۴
کاتالیزورهایی با ساختار نانویی:   ۷۶
فلزات بی‌شکل با ساختار اتمی کنترل شده:   ۷۷
توسعه و پیشرفت در نانوتکنولوژی   ۷۹
توسعه‌ی نانوتکنولوژی مولکولی چه مدت به طور می‌انجامد؟   ۸۰
اقتصاد نانوتکنولوژی   ۸۱
کارکردهای اجتماعی   ۸۴
تغییـرات کنـونـی :   ۸۴
نانوتکنولوژی و تغییر اجتماع:   ۸۶
نانوتکنولوژی و زندگی مردم:   ۸۸
آمادگی برای دگرگونی و انقلاب :   ۸۹
رسالت دولتها، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی و صنعتی در شکوفایی نانوتکنولوژی   ۹۰
مردم و شبکه‌ها:   ۹۴
تولیـد :   ۹۵
گروه اول:   ۹۵
گروه دوم :   ۹۶
روشهای گسترش:   ۹۶
توصیه به تمامی گروهها:   ۹۸
توصیه به صنعت:   ۹۸
توصیه به دولتها:   ۹۸
توصیه به گروههای آموزشی:   ۹۹
راهکارهای موسسه‌ی  Foresight در ریزفن‌آوری مولکولی   ۹۹
شرح راهکارها:   ۱۰۱
ضوابط طراحی و توسعه‌ی فرآورده‌های  MNT:   ۱۰۴
دعوت همگانی برای ورود به زمینه‌ی فیزیکی جدید   ۱۰۵
چرا ۲۹ جلد دایره‌المعارف بریتانیکا (  Britannica) را بر سر یک سوزن نمی‌توانیم بنویسیم؟   ۱۰۶
اطلاعاتی درباره‌ی مقیاس کوچک:   ۱۱۰
میکروسکوپهای الکترونی پیشرفته‌تر:   ۱۱۱
سیستم‌های حیاتی حیرت‌آور:   ۱۱۳
کامپیوتر مینیاتوری :   ۱۱۴
استفاده از تبخیر در جهت کوچک‌سازی مواد:   ۱۱۶

نانوتکنولوژی چیست؟

نانوتکنولوژی مولکولی ، نامی است که به یک نوع فن‌آوری تولیدی اطلاق می‌شود. همانطور که از نامش پیداست ، نانوتکنولوژی مولکولی، هنگامی محقق می‌شود که ما توانایی ساختن چیزها را از اتمها داشته باشیم و در این صورت ما توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی خواهیم داشت.

هدف نانوتکنولوژی ساختن مولکول به مولکول آینده است . همانطور که وسایل مکانیکی به ما اجازه می‌دهند که چیزی فراتر از نیروی فیزیکی خود به دست آوریم، علم نانویی و تولید در مقیاس نانو هم، سبب می‌شود تا ما بتوانیم پارا بفراتر از محدودیتهای اندازه‌ای که به طور طبیعی موجود است، بگذاریم و درست روی واحدهای ساختاری مواد کار کنیم, جایی که خاصیت مواد مشخص می‌شود و با تغییر در آن واحدها می‌توان تغییرات خواص را ایجادکرد. برای کنترل ساختار مواد، باید یک سیستم کامل و ارزان قیمت در اختیار داشته باشیم. فرض اصلی در نانوتکنولوژی این است که تقریباً همه ساختارهای با ثبات شیمیایی که از نظر قوانین فیزیک رد نمی‌شوند را می‌توان ساخت.

ماهیت نانوتکنولوژی، عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از مولکولی، در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها و با استفاده از موا‌د, وسایل و سیستم‌هایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان می‌باشد. همه مواد و سیستم‌ها زیربنای ساختاری خود را در مقیاس نانو ترتیب می‌دهند. در اینجا مثالهایی را ذکر می‌کنیم. یک مولکول آب دارای قطر حدود ۱ نانومتر است. قطر یک نانوتیوب تک لایه ۲/۱ نانومتر می‌باشد. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه ۲ نانومتر می‌باشند. مولکول  DNA ، ۵/۲ نانومتر پهنا دارد و پروتئینها بین ۱ تا ۲۰ نانومتر هستند. قطر  ATP ، ۱۰ نانومتر بوده و یک وسیله مولکولی نیز ممکن است در حدود چند نانومتر باشد.

کنترل مواد در مقیاس نانویی به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که خواص اساسی معین می‌شود. تا آنجایی که ما از طبیعت اطلاعات در دست داریم، این آخرین مقیاس تولید است. نانوتکنولوژی ، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که می‌توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط‌زیست استفاده شوند، شامل می‌شود.

دانشمندان اخیراً این توانایی را پیدا کرده‌اند که بتوانند اتمها را به طور مستقیم مشاهده کرده و دستکاری کنند ولی این تنها بخش کوچکی از تکنیکهایی است که در علم نانویی و همچنین فن‌آوری، به دست آمده است. هنوز چند دهه به توانایی تولید محصولات تجاری باقی است ولی مدلهای تئوری کامپیوتری و محاسباتی، نشان می‌دهند که دستیابی به سیستم‌های تولید مولکولی امکانپذیر است. چرا که این مدلها، قوانی فیزیکی کنونی را نقض نمی‌کنند. امروزه دانشمندان وسایل و تکنیکهای زیادی را که برای تبدیل نانوتکنولوژی از مدلهای کامپیوتری به  واقعیت لازم است ، اختراع و تدبیر می‌کنند.

دقت به عنوان منفعت ماشینهای مولکولی مدنظر می‌باشد و همچنین یکی از کلیدهای مهم برای درک لزوم پیشرفت در زمینه این فن‌آوری است. دقت در اینجا به این معناست که برای هر اتم جایی وجود دارد و هر اتم در جایگاه خودش است. ما از ماشینهای دقیق برای تولید محصولات با دقت مساوی، استفاده خواهیم کرد. فن‌آوری تا به حال هرگز چنین کنترل دقیقی نداشته است و همه‌ فن‌آوریهای کنونی ما، فن آوریهای بزرگ هستند. امروزه ما تکه یا توده‌ای از چیزی را در مقابل خود قرار می‌دهیم و به آن چیزی اضافه کرده و یا از آن تکه‌هایی را کم می‌کنیم و در نهایت وسیله مورد نظرمان را با این اعمال ایجاد می‌کنیم. در واقع ما وسایلمان را از سر هم کردن قسمتهای مختلف تولید می‌کنیم بدون آنکه نسبت به ساختمان مولکولی آنها توجهی داشته باشیم. در گذشته ساخت با دقت اتمی، تنها در محصولات کریستالها یا در سازمان‌های زنده‌ی زیستی مانند ریبوزومها که پروتئین مورد نیاز موجود زنده را فراهم می‌کنند و یا   DNA که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد موجود زنده را حمل می‌کند، دیده شده است. ما در جریان پیشرفت نانوتکنولوژی روندی به سوی دستیابی به درجه‌ای از کنترل سیستمها که قبلاً تنها در طبیعت موجود بوده، در پیش رو داریم.

منفعتهای دیگر وقتی نمایان می‌شوند که اندازه‌ی وسایل قابل ساخت را مورد توجه قرار می‌دهیم. وقتی ما در مقیاس اتمی کار کنیم، می‌توانیم دستگاههایی بسازیم که می‌توانند به جاهای غیرقابل تصور از نظر کوچکی بروند.

دو وسیله‌ی بسیار حساس که هنوز ساخته نشده‌اند در نانوتکنولوژی عبارتند از :

۱- نانوکامپیوتر             ۲- نانواسمبلر.

نانو کامپیوتر ماشینی مولکولی است که قادر است یک رشته اعمالی را به اجرا در آورد و آنها را اداره کند و در نهایت نتیجه‌ای را تولید نماید. در عمل این وسیله تا حدی با میکروپردازش‌گرهای امروزی متفاوت است، اگر چه شباهتهای نادری با کامپیوترهای قدیمی و مکانیکی که توسط   Charles Babbage در دوره‌ی ویکتوریا طراحی شده بود، دارد. همچنین دارای دستگاه ثبت‌کننده‌ای است که چیزی شبیه ماشینهای جمع‌کننده  ( Adding Machine) به وجود می‌آورد. البته ماشین جمع‌کننده‌ای که میلیون‌ها بار کوچکتر و بیلیونها بار سریعتر از میکروپردازش‌گرهایی که تاکنون طراحی شده است. وقتی یک نانوکامپیوتر وجود داشته باشد در این صورت به وجود آوردن نانواسمبلر نیز امکان‌پذیر خواهد بود. نانواسمبلر وسیله‌ای ساخته شده در تراز اتمی است که می‌تواند اتمها را برای بیشتر شکلهایی که مورد نظر می‌باشد، دقیقاً نظم‌دهی و آرایش کند. امروزه کارکردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی گران قیمت  (AFM) نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتمها به سمت جایگاهشان استفاده می‌کند. ولی نانواسمبلر می‌تواند به سادگی اتمها را از جایگاهشان خارج کرده و آنها را همانند دستگاه بافندگی صنعتی، در محل مورد نظر به یکدیگر پیوند دهد. در سلولهای ما، ریبوزومها کاری شبیه به این را انجام می‌دهند؛  DNA را به صورت  RNA کپی کرده و سپس آمینواسید صحیح را جهت ساخت پروتئینها جمع‌آوری می‌کنند. نانواسمبلری که یک نانو کامپیوتر را در هسته‌ی خود در بردارد ، تقریباً همین کار را انجام می‌دهد . نانواسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانوتکنولوژی است. وقتی یک نانواسمبلر کامل در دسترس باشد، تقریباً همه چیز ممکن می‌شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته‌ی انجمن نانوتکنولوژی است.

شصت سال پیش  John Von Neumann ( کسی که همراه  Alan Turing، زمینه علم کامپیوتر را پایه‌گذاری کرد.) حدس زد که روزی ساختن ماشین‌هایی که بتوانند خودشان را کپی کنند، ممکن خواهد شد. یک نوع تکرارکننده‌ی خودبه خودی که می‌تواند ما را از یک مثال ساده‌ی ذهنی به سمت اجتماعی از کپی‌های کامل هدایت کند. اگر چه ماشین مورد نظر  Von Neumann در تئوری ساده به نظر می‌رد ولی هرگز ساخته نشده است. در مقیاس ماکرومولکولی ساختن یک کپی از ماشین بسیار ساده‌تر از تهیه کردن ماشینی است که بتواند خود را کپی کند ولی در تراز مولکولی ، این موازنه برعکس است یعنی تهیه کردن ماشینی که بتواند خود را کپی کند بارها ساده‌تر از ساختن ماشین دیگری با استفاده از تراشه‌هاست.

این مزیت بزرگی است که وقتی تنها یک اسمبلر داریم، می‌توانیم هر تعداد که بخواهیم ، ایجاد کنیم. همچنین این بدان معناست که نانواسمبلر یک آفت کامل است. اگر به طور عمدی یا تصادفی یک نانواسمبلر در محیط آزاد شود، تنها با راهنمای چگونگی تکثیر شدن ، تمام سطح سیاره یعنی گیاهان، حیوانات و سنگها و صخره‌ها در عرض مدتی کمتر از هفتاد و دوساعت (۷۲) به ماده‌ی لزج و چسبناک خاکستری رنگ  (gray goo) از  naniteها (nano unite) مبدل خواهد شد.  Drexler معتقد است مشکل gray goo تا حد زیادی خیالی است ولی امکان سناریوی غبار خاکستری را تصدیق می‌کند که باعث برگشت یا تکرار naniteها می‌گردد و زمین را در روکشی که مادون میکروسکوپی است، خفه می‌کند و در اینجا ما با یک خطر فن‌آوری که در تاریخ بی‌سابقه است ، مواجهیم. علیرغم این مسائل، کسانی که روی نانوتکنولوژی مولکولی کار می‌کنند، در حال مطالعه برای ساختن دستگاهی در مقیاس اتمی هستند و به نظر می‌رسد به زودی اطلاعات کافی برای ساخت نانوکامپیوتر و نانواسمبلر را به دست می‌آوریم .

این مسائل اجتناب‌ناپذیر و مطرح شده در نانوتکنولوژی باعث شد تا  Drexler، یک زیربنای علمی و آموزشی ایجاد کند و آن انستیو  Foresight است که به عنوان یک محل شناخته شده و یک مرکز تفکر در مورد نانوتکنولوژی عمل می‌کند. در طی ۱۴ سال برپایی Foresight  ، این انستیتو به صورت تحقیقات نانوتکنولوژی درآمده است. در اواسط اکتبر ۲۰۰۰، انستیتو Foresight ، کنفرانس سالانه‌ی خود را در هتلی در  Santa Clara برگزار کرد. در آنجا زمزمه‌ای جدید به گوش می‌رسید؛ پیشرفتهای اخیر در سازه‌های با مقیاس مولکولی که حاصل ابتکار در برخی ترکیبات اصلی و بنیانی که  Drexler در نانوسیستم توصیف کرده است، می‌باشد. همانند ترکیباتی که در ساختمان نانو کامپیوترها و نانواسمبلرها ضروری است. چیز دیگری که در کنفرانس به دست آمدن یک کپی ا ز داروی نانویی   Robert Freitas بود. طب نانویی بیش از پیش در تلاش برای جامه‌ی عمل پوشاندن به وعده‌های  Feynman (دارنده‌ی جایزه نوبل برای طرح فن‌آوری در مقیاس کوچک) در مورد ” دکتر بسیار کوچک” است و قدم به قدم موانع فن‌آوری را از سر راه برمی‌دارد. موانعی که برای رسیدن به وسایل نانوپزشکی باید بر آنها فائق آمد.

 هم‌اکنون کنگره‌ی آمریکا نسبت به سرمایه‌گذاری در هر نوع تحقیق و توسعه  (R & D) بدون سوددهی زودرس در پزشکی و ارتش مخالفت دارد ولی دولت آمریکا سرمایه‌گذاری برای تحقیقات نانوتکنولوژی را دوبرابر کرده است. قسمتی از این سرمایه برای اهداف مرکز تحقیقات ناسا در   Mountain View کالیفرنیا صرف خواهد شد؛ جایی که تیم کوچکی روی طرح نانوکامپیوترها کار می‌کنند. حال این سئوال در ذهن نقش می‌بندد که چرا ناسا توجه خود را معطوف به نانوتکنولوژی کرده است؟ در پاسخ می‌توان گفت که ” اندازه” ، مهمترین دلیل می‌باشد. کامپیوترهای رایج مثل آنجه که در   Mars Pathfinder پایه‌گذاری شده، هم بزرگند و هم به اندازه کافی قدرتمند نیستند و دیگر اینکه مستعد انجام خطا هستند. با استفاده از وسیله‌ی نانویی به اندازه یک حشره‌ که به اصطلاح حشره‌ی نانویی(     nanobat) خوانده می‌شود، ناسا می‌تواند ۱۰۰ میلیون چشم و گوش را در بسته‌ای به وزن چند گرم، به سطح مریخ بفرستد. حتی اگر نیمی از آن حشره‌های نانویی دچار اشکال شوند و یا کار نکنند، باز هم کسی چیزی از دست نمی‌دهد. چرا که هنوز ۵۰ میلیون دیگر باقی مانده است. برای ساختن یک عدد از این حشره‌های نانویی ، محققان باید مشکلات بر سر راه نانوکامپیوترها را حل کنند و این همان نکته‌ای است که گروه تحقیق ناسا بر روی آن متمرکز شده است.

بررسی‌های انجام شده حاکی از آن است که نانوتکنولوژی تمام جنبه‌های زندگی ما را تحت تاثیر قرار خواهد داد. یک سری اتفاقات جالب در علم پزشکی و دارویی مورد انتظار است. نانوتکنولوژی حتی بر روی هوایی که تنفس می‌کنیم و آبی که می‌نوشیم نیز موثر است. با مطالعه بر روی پیامدهای نانوتکنولوژی می‌توان دریافت که این نوع فن‌آوری ما را به سمت پیشرفت در راه رسیدن به سیستمهایی بهتر، سریعتر ، مستحکمتر، کوچکتر و ارزان‌تر سوق می‌دهد.

پیشگامان نانوتکنولوژی

چهل سال پیش  Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظری و دارنده‌ی جایزه‌ی نوبل، درسخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان ” آن پایین فضای بسیاری هست” به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی در آن زمان اظهار داشت، ” اصول فیزیکن تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی‌زنند”. او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فراگرفته‌اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاسهای کوچک، بسازند پس ما خواهیم توانست کا آنها را کوچک و کوچک‌تر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی‌شان در لبه‌های نامعلوم کانتوم نزدیک خواهند شد و فقط هنگامی این کوچک شدن متوقف می‌شود که خود اتمها تا حد زیادی ناپایدار شده و غیر قابل فهم گردند.   Feynman فرض کرد وقتی زبان یا سبک خاص اتمها کشف گردد، طراحی دقیق مولکولها امکان‌پذیر  خواهد بود و به طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم.

با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می‌توانیم ایجاد کنیم؟

.   Feynmanدر ذهن خود یک ” دکتر مولکولی” تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر است و می‌تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد.

در بحبوحه‌ی سالهای صنعتی کلمه‌ی ” بزرگ” از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه‌های مهندسی بزرگ و … حتی کامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال می‌کردند. ولی از وقتی  Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی به سوق کوچک شدن در پیش گرفت.

 Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت که می‌توانست به اندیشه‌های Feynman قوت ببخشد. Minsky – پدر یابنده‌ی هوشهای مصنوعی – دهه ۷۰-۱۹۶۰ جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می‌شد، رهبری می‌کرد. در اواسط دهه‌ی ۷۰،  Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ‌التحصیل بود، Minsky را به عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان نامه‌اش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را برعهده گرفت. Drexler نسبت به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقه‌مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد. Minsky نیز با وی موافقت کرد. Drexler در اوایل دهه ۸۰ ، درجه استادی خود را در رشته‌ی علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با یک سری ایده‌ها که خودش ” نانوتکنولوژی” نامگذاری کرده، مشغول می‌داشت.

Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی  ( MNT) در سال ۱۹۸۱ ارائه داد.

او کتاب  ”  Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology” را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند. Drexler تنها درجه‌ی دکتری در نانوتکنولوژی را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه  MIT دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هم اکنون رئیس انستیتو   Foresight و  Risearch Fellow می‌باشد.

نانوتکنولوژی و همگرایی علمی

نانوتکنولوژی به سه شاخه جدا و در عین حال مرتبط با یکدیگر تقسیم می‌شود که بر اساس ساختارهای زیر تعریف می‌شوند:

۱- نانوتکنولوژی مرطوب: این شاخه به مطالعه سیستم‌های زیست محیطی که اساساً در محیطهای آبی پیرامون وجود دارند، می‌پردازد و چگونگی مقیاس نانومتری ساختمان مواد ژنتیکی، غشاءها و سایر ترکیبات سلولی را مورد مطالعه قرار می‌دهد. موفقیت این رشته بوسیله ساختمانهای حیاتی فراوانی که تشکیل شده‌اند و نحوه عملکرد ساختمانشان در مقیاس نانویی نظارت می‌شود، به اثبات رسیده است. این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی ، دارویی، زیست‌محیطی  و کلاً علوم مرتبط به    Bio می‌باشد.

۲- نانوتکنولوژی خشک: از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می‌شود و به تمرکز روی تشکیل ساختمانهای کربنی، سیلیکون و دیگر مواد غیرآلی می‌پردازد. قابل تامل است که فن‌آوری خشک- مرطوب استفاده از مواد و نیمه هادیها را نیز می‌پذیرد. الکترونهای آزاد و انتقال‌دهنده در این مواد آنها را برای محیط مرطوب سودمند می‌سازد. اما همین الکترونها خصوصیات فیزیک فراهم می‌کنند که ساختارهای خشک از آنها در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری استفاده می‌کنند. اثر دیگر که باعث پیشرفت ساختارهای خشک می‌شود این است که قسمتهای خود تکثیر مشابه ساختارهای مرطوب را دارا هستند.

۳- نانوتکنولوژی تخمینی (محاسبه‌ای): به مطالعه‌ی مدلسازی و ساختن ظاهر ساختمانهای پیچیده در مقیاس نانویی توجه دارد. توانایی پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل محاسبه‌ای در موفقیت نانوتکنولوژی بحرانی است زیرا طبیعت میلیونها سال وقت لازم دارد که نانوتکنولوژی مرطوب را بصورت کاربردی در آورد. شناختی که بوسیله محاسبه بدست می‌آید به ما اجازه می‌دهد که زمان پیشرفت نانوتکنولوژی خشک را به چند دهه کاهش دهیم که این تاثیر مهمی در نانوتکنولوژی مرطوب نیز دارد. نانوتکنولوژی تخمینی، پلی است برای ارتباط بین علوم مهندسی ، محاسباتی ، کامپیوتر و فن‌آوری جدید.

با توجه به ساختارهای عنوان شده برای نانوتکنولوژی، تاثیر متقابل آنها بر یکدیگر و لزوم مشارکت هر سه ساختار برای خلق و توسعه اکثر محصولات نانویی، واضح است که فن‌آوری برتر آینده نقطه تلاقی تفکر و عمل تمامی دانشمندان و محققان علوم مختلف است.

نانوتکنولوژی مرطوب:

الف) نانوتکنولوژی و فراپزشکی:

نانوتکنولوژی به عنوان یک دانش پایه در تولیدات صنعتی بشر، زمینه‌های مختلف دنیای ‌فن‌آوری را تحت تاثیر قرار خواهد داد. پزشکی و درمان یکی از موارد مهم است که انسان در طول تاریخ برای حفظ بقا به عنوان مسئله‌ای اساسی به آن نظر داشته است، تا آنجا که طبیبان همواره جدای از دستمزد اقتصادی ، از اعتبار اجتماعی و گاه از تقدیس هم برخوردار بوده‌اند. در پی تلاشهایی که در تاریخ حیات بشر صورت گرفته، امروزه پیشرفتهای شگرفی در غلبه بر بیماریها و حفظ سلامتی به دست آمده است که مناسب است برای روشن‌تر شدن اوضاع پزشکی عصر خود مواردی را یادآوری کنیم.

متخصان امروزه موفق شده‌اند بسیاری از بیماریهای واگیردار نظیر وبا، طاعون و موارد متعدد دیگر را که در گذشته دسته دسته قربانی می‌گرفتند، درمان کنند. با شناخت سلول ،   DNA و سپس ویروسها امروزه بسیاری از بیماریهایی که ویژگی تکامل دارند هم درمان می‌شوند. بعضی بیماریهای مسری که شاید ساده‌ترین آنها سرماخوردگی باشد قادرند متناسب با دارویی که آنها را از بین می‌برد، تکامل پیدا کنند و برای بار دوم از یک دارو صدمه نبینند؛ اکنون به جایی رسیده‌ایم که چنین بیماریهایی را هم با داروی تکامل یافته از بین می‌بریم!

در کنار شناخت بیماریها و روشهای درمان امروزه چنان آگاهی و دسترسی دقیقی نسبت به اجزای بدن حاصل شده که می‌توانیم اندامهایی را به بدن پیوند بزنیم و یا عضوهای مصنوعی را جایگزین قضوهای از کار افتاده نماییم. این به معنای پایان راه حفظ سلامتی نبوده و نیست. با اندکی تعمق خطارت نه چندان کوچکی را در کنار خود و در حیطه‌ی پزشکی امروز مشاهده خواهیم کرد. داروهایی که برای درمان بیماریها ساخته‌ایم، خود آسیبهای دیگری به سلامت بدن وارد می‌سازد و بدین دلیل که محیط و هدف خود را به طور دقیق نمی‌شناسند و قدرت حرکت به سوی هدف خود _ خلاف حرکت طبیعی مواد در بدن- را ندارند ناگزیر از درمان حدودی می‌باشند و این یعنی نجات به بهای یک ضرر کوچکتر؛ که البته این ضرر کوچکتر می‌تواند مولد زیانهایی حتی بزرگتر از مشکلات اولیه باشد. علاوه بر این ، ظهور بیماریهایی نظیر ایدز با ویروس مرموز  HIV که داروهای کنونی از شناسایی و نابود کردن آن عاجزند به همراه گسترش روزافزون آن در میان مردم جهان ، مشکل بسیار بزرگی محسوب می‌شود. دیگر آنکه اعضای پیوندی و اندامهای مصنوعی هنوز کارایی بافتهای طبیعی و اولیه را پیدا نکرده‌اند. برای مثال باید گفت اگر اکنون دست یک کارگر زیر تیغ دستگاههای صنعتی قطع شود خوشبختانه می‌توانیم دست را به بدن متصل کنیم و به حیات بازگردانیم، اما متاسفانه همه قابلیتهای اولیه را نخواهد داشت، زیرا هنوز دقت لازم برای اتصال اعصاب و بافتهای جدا شده را مطابق حالت طبیعی به دست نیاورده‌ایم.

توجه به موارد فوق احتمالاً شما را برای شیندن یک پیش‌بینی قریب‌الوقوع در دنیای ” فراپزشکی” آینده برانگیخته است.” انقلاب صنعتی آینده” در پزشکی هم دگرگونی عظیمی به همراه خواهد داشت. پژوهش‌های انجام شده ساختاری را ارائه می‌کند که می‌تواند پیشرفت حیرت‌انگیزی را در صنعت دارو و درمان بیماریها و آسیبهای زیستی ایجاد کند. ” ماشینهای مولکولی هوشمند” نمونه‌ی بسیار کوچک یک سیستم شناساگر ، ترمیم کننده و متحرک بسیار دقیقند که می‌توانند تمام مشکلات مذکور در پزشکی امروز را برطرف سازند. این ماشینها با اطلاعات کامل از ساختار بدن و حتی اجزای سلولهای بدن به راحتی قادر به حفاظت جسم در برابر باکتریها، میکروبها و ویروسهای بیماری‌زا خواهند بود. مثلاً با داشتن اطلاعات دقیق از  DNA ، سلولهای بدن می‌توانند مهاجمین را قبل از آسیب زدن به سلولها سالم شناسایی کرده و از بین ببرند.

ماشینهای مولکولی هوشمند ( مجموعه‌ای از مولکولهای متصل و برنامه‌ریزی شده که به وسیله موتورهای مولکولی حرکت می‌کنند و قابلیت انجام اعمال سودمند و دقیق در مقیاس درون سلولی دارند) می‌توانند مواد دارویی لازم برای بیماریهای خاص را دریافت و تا محل سلولهای بیمار حمل کنند و پس از شناسایی تک‌تک آنها دارو در اثر داده و با حداقل ماده مورد نیاز و آسیب جانبی بیماری را درمان نمایند. در عین حال این ماشینها با ابعاد کوچک خود می‌توانند از دیواره‌ی سلولها عبور کرده و حتی اجزای سلولها را هم ترمیم نمایند. با چنین قابلیتهایی نانو ماشینهای مولکولی به راحتی می‌توانند حتی ویروس    HIV را از مقایسه اطلاعات آن با   DNA بدن انسان شناسایی کرده و از بین ببرند.

اضاف بر روشهای درمانی خارق‌العاده ، نانوتکنولوژی امکان ایجاد ساختارهای زیستی عجیبی را فراهم می‌سازد. مثلاً می‌توانیم بافتهای آن چنان مقاومی در بدن بسازیم که با افتادن از یک ساختمان بلند کوچترین خدشه‌ای در عملکردشان وارد نشود و سلامت خود را حفظ کنند و این یعنی ….!

چه زمانی به چنین ابزارهایی دست می‌یابیم؟

زمان آن نزدیک است ؛ اما در جواب این سئوال که شاید از بیم سر آمدن عمر قبل از دستیابی به نانوتکنولوژی در پزشکی به ذهنها خطور می‌کند بهتر است مفهوم جدید ”   Cryonics” یا ” انجماد بدن در هنگام مرگ” را بیان کنیم تا انگیزه این پرسش فروکش کند:

وقتی قلب شخص از تپش می‌ایستد( معنای قدیمی مرگ) ولی قبل از انکه نابودی ساختار مغز آغاز شود، او را به دستگاه قلب مصنوعی متصل کرده و مرحله به مرحله بدن را با یک مایع ضد انجماد و برخی متعادل کننده‌های سلولی پر می‌کنند. سپس دمای بدن فرد را تا دمای نیتروژن مایع پایین می‌آورند. در این نقطه همه‌ی تغییرات مولکولی برای دوره‌ی نامحدودی متوقف می‌شود و بدن شخص را در محیط بسته‌ای نگهداری می‌کنند. در آینده ، وقتی دستگاههای تعمیر سلولی نانوتکنولوژی به بهره‌برداری می‌رسد، بیماریهای مهلکی که سبب مرگ شده‌اند به همراه سموم ماده‌ی ضد انجماد از بین می‌روند و فرد دوباره گرم می‌شود و به صورت زنده و سالم در می‌آید.

ب) نانوتکنولوژی و علم بیوتکنولوژی

مقدمه:

مولکولها و سیستم‌های بیولوژیکی صفاتی دارند که آنها را برای کاربردهای نانوتکنولوژی بسیار مناست می‌سازد. علیرغم و عده‌ها   Nano structureها،  Nano Particleها با اندازه نانوبیولوژیکی توسعه نیافته‌اند.

بلوکهای ساختمانی نانوتکنولوژی:

سنتز: با وجود آنکه در نگاه اول بنظر می‌رسد که در طبیعت، تعداد محدودی بلوکهای سازنده‌ی اصلی (آمینواسیدها، چربیها و نوکلئیک‌اسیدها) وجود دارند، اختلاف شیمیایی این مولکولهای و راههای مختلف پلیمرشدن آنها، گستره وسیعی از ساختمانهای ممکن را ایجاد می‌کند. علاوه بر این، پیشرفتهایی که در سنتز شیمیایی و کلاً بیوتکنولوژی صورت پذیرفته، انسان را قادر می‌کند که این بلوکهای سازنده را در کنار هم قرار دهد و ترکیب کند و از این طریق مواد و ساختارهای جدیدی که تاکنون در طبیعت ساخته نشده‌اند را بسازد. این ساختارها غالباً کاربردهای بی‌نظیر و منحصر بفردی دارند.

بیوپلیمرهای تهیه شده از طریق بیوتکنولوژی ، تک پراکند   ( mono disperse) هستند. آنها طول زنجیر را کنترل می‌کنند و تعریف شده هستند. از طرف دیگر ، تولید یک پلیمر سنتزی تک پراکند عملاً غیر ممکن است. اخیراً نشان داده شده است که پلیمرهایی که طول زنجیر آنها درست تعریف شده باشد، داری قابلیتهای کریستال مایع غیر عادی می‌باشند. بعنوان مثال :   Yu-et-al در سال ۱۹۹۷ نشان داده است که روشهای باکتریایی برای سنتز پلیمر، می‌توانند برای تولید موادی از این دست ، استفاده شوند.

توزیع در طول زنجیری که معمولاً برای پلیمرهای سنتزی وجود دارد، امکان اینکه بتوان آنها را در مرحله‌ی هم شکلی اتمها ( هم شکل شدن اتمها) مشاهده کرد را کم می‌کند. این کار از این جهت مهم است که نشان می‌دهد ما هم‌اکنون راهی داریم برای شکل‌های جدیدی ( در مرحله هم شکل شدن اتمها) که فضا دهی لایه‌هایشان می‌تواند در مقیاس دهها نانومتر کنترل شود. در بیوتکنولوژی می‌توان از کنار هم قرار گرفتن اسیدآمینه‌های مصنوعی مانند  b- alanine یا  Dehydro poline یا  Fluortyrosine یا پروتئین‌های دیگری که در ساختارشان آلکن یا آلکین وجود دارد، استفاده کرد. تحقیقات در این زمینه، راههای جدیدی در مورد پلیمرهای با طول و مشخصات کنترل شده مثل بیوپلیمرهایی که حاوی خواص الکتریکی مانند هدایت هستند را بدست می‌دهد. پدیده‌ی دیگر، همکاری همه‌ی وسایل شیمیایی در ترکیبات پروتئین‌هاست که آنها را قادر می‌سازد که برای مثال، پروتئین‌هایی با تصویر آینه‌ای بسازند. این پروتئین‌ها با استفاده از خاصیت ترکیب  D-Amino Acidها در مقابل کنترل زیستی مقاومت می‌کنند و می‌توانند کاربردهای دارویی مهمی داشته باشند.

کالبدشناسی اجزاء زیستی:

کالبدشناسی پلیمرهای محافظت شده به منظور جداسازی مولکولهای کم وزن آلی از محلول به کار برده می‌شوند. آنها از طریق پر کردن منفذها

   ( Ultra filtration , Micor filtration) عمل می‌کنند. این فرضیه و عملکرد را می‌توان در خصوص مایکروامولسیون و همچنین اجزاء دارای مولکولهای هموگلوبین ، به کاربرد. این اعمال جداسازی سایر مواد معدنی را نوید می‌دهد.

لایه‌های سطحی باکتریایی به عنوان اجزاء هادی :

لایه‌های سطحی باکتریایی که به صورت کریستالی هستند، از واحدهای تکرار شونده‌ پروتئین تشکیل یافته‌اند. این لایه‌ها به صورت خود چیده

   ( Self-Assemble) هستند و قابلیت چسبندگی بالایی دارند. آنها به عنوان اجزاء هادی برای نانوتکنولوژی در نظر گرفته شده‌اند. برای مثال آنها برای شکل دادن سوپرلاتکس سولفید کادمیم استفاده شده‌اند.

بیوسرامیکها:

اثرات مولکولهای زیستی و آلی، بر روی همدیگر می‌تواند در ساختن سرامیک، با افزایش سختی مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات پایه‌ای زیستی-معدنی که در آنها یک ماده معدنی ( معمولاً پروتئین : پپتید یا لیپید) به وسیله‌ یک فاز آلی ( مثل کربنات کلسیم یا هیدروکسی) تحت تاثیر قرار می‌گیرد، منجر به سنتز زیستی مواد مرکب شده‌اند. سنتزهای  Micelle-templated می‌تواند سرامیکهایی با ابعاد nm 100-20 تولید کند. Poreها، این مواد متخلخل می‌توانند به عنوان کاتالیزور یا جذب‌کننده استفاده شوند و برای جداسازی‌های گاز و مایع و همینطور به عنوان عایقهای گرمایی و صدایی به کار روند. خصوصیت جدا کردن انتخابی ، آنها را برای جداسازی بیوشیمیایی و دارویی قابل استفاده می‌کند. یک مثال جالب در مورد ترکیبات معدنی و آلی، مواد بسته‌بندی جدیدی است که برای گرفتن جای پلیداستیرن بعنوان پوشش غذاییِ غذاهای حاضری بکار برده می‌شود.

آهنرباهای میله‌ای زیستی:

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .