تبلور‌ علم ‌در‌ ذرات‌ نانو

در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود 5 فناوری عمده بودیم، که باعث پیشرفت‌های عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه‌گذار و ایجاد فاصله شدید بین کشورهای جهان شد. در این میان علم و فناوری نانو توانایی به دست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (مولکولی) و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم‌های نوین است.

از فناوری نانو به عنوان رنسانس فناوری و روان‌کننده جریان سرمایه‌گذاری یاد می‌شود. ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانایی‌های دفاعی و زیست‌محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابه‌جایی‌های بزرگ اقتصادی خواهد شد.

هم‌اکنون بخش‌های دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن، آمریکا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، کره‌جنوبی، استرالیا و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر می‌برند و روی هم رفته حدود 30 کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای برنامه ملی یا در حال تدوین آن هستند و طی 5 سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به 5/3 برابر افزایش داده‌اند.
کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده‌اند.

نانوتکنولوژی در واقع مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتکنولوژی در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی به کار برده می‌شود. به طورکلی بیشترین کار علمی روی ایجاد تغییراتی در مواد شیمیایی یا نقشه‌برداری از ترکیبات زیستی، مانندDNA  و سلول‌های سرطانی است. بعضی از اولین محصولات تجاری، بهبود تولیدات شیمیایی کنونی یا روش‌های پزشکی است.

تحول در عرصه ورود به فضا

از سرآغاز عصر فضا در نیم قرن گذشته، موضوع حمل بار سوخت موشک‌ها به مدار یا خارج از مدار زمین، در پرواز‌های فضایی مساله بزرگی بوده است. اما در حال حاضر پژوهش پیرامون دو تکنیک که استفاده از نانوتکنولوژی را متحول می‌کند، هرچند به کارگیری آن موکول به آینده شده، نویدبخش حل این مشکل است.

در نگاه اول، مفهوم یک آسانسور فضایی بیشتر از علم، به علم تخیلی شباهت دارد؛ وسیله‌ای که قادر است عملا بار سوخت فضاپیما را از طریق کابلی که از سطح زمین تا ماهواره‌ای در جو امتداد دارد، بالا ببرد. موانع فنی در ساخت چنین آسانسور فضایی‌ای موانع کوچکی نیستند و مهم‌ترین آنها ساختن یک کابل بسیار قوی با چنین طول و استحکام است.

امکان دارد نانوتکنولوژی راه‌حل عملی ساختن این طرح باشد. برای ساختن این کابل، پژوهشگران مشغول تحقیق در مورد امکان استفاده از لوله‌های نانو از جنس کربن هستند، یعنی ساختار‌هایی با چند نانومتر قطر و چندهزار نانو متر طول. از آنجا که اتم‌های کربن که در ساخت این لوله نانو به کار می‌رود، قدرت اتصال سختی به یکدیگر دارند، استحکام این لوله نانو 100 برابر استحکام فولاد است. طبیعتا در ساخت چنین کابلی، چالش‌های مهندسی و علمی کم نیستند، اما پیشرفت ادامه دارد.

رویکردی جدید به تشخیص و درمان بیماری‌ها

کاربرد‌های نانوتکنولوژی در زیست‌پزشکی، هم‌اکنون در حال گسترش است و رویکردی تازه به تشخیص و درمان بیماری‌ها را نوید می‌دهد. راه‌حل، در کوچک بودن ذرات نانو خلاصه می‌شود. این ذرات تا حدی ریز هستند که می‌توانند به درون باکتری‌ها و ویروس‌ها نفوذ کرده و این موجودات ریز را از درون، مورد حمله قرار دهند.

در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در نزدیکی سانفرانسیسکو، دانشمندان در حال مطالعه به منظور ساختن مولکول‌هایی در مقیاس نانو موسوم به شال (گروه مولکول‌های مصنوعی با شباهت زیاد) هستند. این مولکول‌ها، مخصوص اتصال به مکانی معین در روی سطح سلول‌های انسانی ساخته می‌شوند. هرچند شال در آغاز به عنوان وسیله مبارزه با تروریسم بیولوژیکی و جهت ردیابی و خنثی کردن پاتوژن‌هایی مانند سیاه‌زخم ساخته شد، اما دانشمندان بیوشیمی در مرکز سرطان‌شناسی لارنس لیورمور و دانشگاه دیویس کالیفرنیا، استفاده‌های پزشکی گسترده‌تری برای آن پیش‌بینی کرده‌اند.

با ساخت شال‌هایی که مخصوص اتصال به محل گیرنده سطح یک سلول سرطانی ساخته شده، دانشمندان امیدوارند به سلاح تازه‌ای برای مبارزه با سرطان دست یافته باشند. شال‌ها در هنگام ترکیب با ایزوتوپ‌های رادیواکتیو یا دارو‌های ضدسرطان، به دنبال سلول‌های سرطانی گشته و با آزاد کردن دارو به طور مستقیم درون این سلول‌ها، آنها را از بین می‌برند. تجربیات آزمایشگاهی برای استفاده از شال به عنوان راه معالجه سرطان پروستات و سرطان غدد لنفاوی، در جریان است.

علوم زیست‌محیطی و امکانات منحصر به فرد

سودمندی نانوتکنولوژی معمولا از اینجا ناشی می‌شود که مواد، در مقیاس نانو، خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به مقیاس عادی خود دارند. نانوتکنولوژی که در ابعادی برابر با ابعاد اتم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، امکانات منحصر به فردی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. دانشمندان مشغول مطالعه بر امکان بهره‌گیری از این مزایا در ایجاد محیط زیستی سالم‌تر هستند.

در بسیاری از نقاط جهان، آب آشامیدنی، آلوده به مواد سمی، مانند فلزات، و منجمله آرسنیک است. تصفیه کردن آب از این سموم، علاوه بر نیاز به دستگاه‌های پیچیده، برای راه‌اندازی و استفاده از این دستگاه‌ها، محتاج به انرژی زیادی هم هست و کشور‌های رو به توسعه، درست با کمبود تجهیزات و انرژی مواجه هستند. محققان دانشگاه رایس درصدد ایجاد تکنولوژی کم‌هزینه‌ای برای حل این مشکل هستند؛ آنها با استفاده از نانوکریستال‌های مغناطیس، یعنی ترکیبی از آهن و اکسیژن، می‌توانند ذرات آرسنیک موجود در آب را جذب کنند.

هنگامی که این نانوکریستال‌های مغناطیسی به آبی که آلوده به آرسنیک است اضافه می‌شود، آنها با آرسنیک موجود در آب ترکیب شده و با استفاده از یک آهن‌ربای ساده، می‌توان نانوکریستال‌های پوشیده از آرسنیک را که در ته محلول جمع شده، از آن جدا کرد. یکی از محاسن این تکنیک، امکان استفاده از آهن‌ربا‌های معمولی است، اما در صورت به‌کارگیری مغناطیس عادی باید از آهن‌ربا‌های قوی استفاده کرد. این پژوهش، رهیافت ساده‌ای برای تصفیه آب آشامیدنی مردمانی است که در مناطق دورافتاده زندگی می‌کنند.

تامین انرژی از منابعی نوین‌

توام شدن چند فاکتور با یکدیگر، ایجاد انرژی جایگزین را با مشکل روبه‌رو می‌کند، مانند کمبود منابع سنتی سوخت فسیلی به دلیل ازدیاد جمعیت و وضع اقتصادی، گرم شدن کره زمین و افزایش ناگهانی قیمت نفت. تحقیقات فعلی در زمینه نانوتکنولوژی، راه‌حل‌های جالب توجهی برای استخراج انرژی از منابع پاکیزه و قابل جایگزین، مانند انرژی خورشیدی، ارائه می‌دهد.

برای مثال، دانشمندان در دانشگاه هاروارد موفق به تولید سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانوسیم‌هایی شده‌اند که قطر آن برابر فقط 300 نانومتر است. همان طور که در نشریه تکنولوژی MIT توضیح داده شده، این سلول‌های خورشیدی دارای مرکزی از سیلیکون متبلور و چندین لایه سیلیکون متحدالمرکز با خواص الکترونیک متفاوت هستند. عملکرد هر لایه مشابه لایه‌های نیمه‌هادی در سلول‌های خورشیدی سنتی است که با جذب نور و ربایش الکترون‌ها، برق ایجاد می‌کنند.

استفاده اصلی از این سلول‌های میکروسکوپیک، تامین انرژی برای دستگاه‌های نانو است، اما با روی هم انباشتن تعداد زیادی از آنها می‌توان آن را جایگزینی برای صفحات خورشیدی که امروزه متداول هستند، به حساب آورد. با این حال، هنوز موانعی در راه تجاری کردن این تکنولوژی وجود دارد؛ محققان می‌بایست راه‌هایی برای آرایش متراکم‌تر این نانوسیم‌ها یافته و برای تبدیل نور خورشید به نیروی برق، سطح نازل کارایی آنها را (کمتر از یک‌پنجم صفحات خورشیدی فعلی) ارتقا دهند.