فناوری نانو چيست؟

فناوری نانو چيست؟

عناوين

درک ابعادتعريف فناوری نانوتاريخچهدنيای نانومقياسزيرشاخه های فناوری نانوساخت نانوساختارهاخواص مواد در مقياس نانو

مقياس ها

يک نانومتر چقدر است؟

يك ميليونيم

يك ميليمتر

يک نانومتر

متر 10 -9

يک نانومتر چقدر کوچک است؟

نانوذره تيله کره زمين260 nm

=0.00000026 m

=2.6 x 10-7 m

26 mm= 0.026 m= 2.6 x 10-2 m

2,600 km= 2,600,000 m= 2.6 x 106 m

ها را مقايسه کنيد: اندازه

است؟ کوچک چقدر نانومتر يک نانومتر چقدر کوچک است؟يک

آيا می دانيد؟ .رشد متوسط ناخن انسان حدود يک نانومتر در ثانيه است بلندتري4ن ناخ4ن سانتيمتر 76در کتاب ثب4ت رکوردهای گين4س

ثبت شده است. آي4ا م4ی تواني4د تخمي4ن بزني4د چ4ه مدت برای رکورددار آن طول

کشيده تا ناخن هايش اين مقدار رشد کند؟

آيا می دانيد؟

رانش قاره ای زمين در حدود يک نانومتر

.در ثانيه است

يک تار موي انسان •عرضي حدود هشتاد

هزار نانومتر دارد.

يک گلبول قرمز داراي •عرض تقريبي هفت هزار نانومتر است.

آيا می دانيد؟

داراي قنديك مولكول • نانومتر 1قطري حدود

است. نانومتر DNA ، 2.5مولكول •

پهنا دارند. 20 تا 1ها بين پروتئين•

نانومتر هستند.

دانيد؟ می آيا می دانيد؟آيا

چرا کوچک سازی؟

با کوچک سازی مواد و تجهيزات، به محصوالتی:کوچک تر1.سبک تر2.سريع تر3.با کيفيت تر4.ارزان تر5..6...

دست می يابيم.

تجهيزات الکتريکی کوچک تر، سبک تر

الکترونيکی تجهيزات در )... و موبايل )کامپيوت44ر، در سازی کوچ44ک همواره کنار حفظ و افزاي4ش قابليت

آنها مورد توجه بوده است. در تجهيزات نظامی نيز

کوچک سازی اهيت بسياری دارد.

انحالل سريع تر

استفاده از ذرات کوچک شکر به جای قند در چای.انحالل سريع تر آن را در پی دارد

محصوالت با کيفيت تر

تصوير با وضوح باال تصوير با وضوح پايين

دستيابی به تجهيزاتی با کيفيت باالتر مثل دوربين های عکاسی با وضوح بيشتر

داروهای ارزان تر

مواد کوچکتر اثربخشی بيشتر

مقدار نياز به داروی کمتر

داروی موثرترو ارزان تر

آجرهای اجزای سازنده مواد که از آنها به عنوان مواد نام می بريم؛ و خواص مواد ساختمانی

وابسته به آنهاست، در اندازه نانومتر هستند.

چرا نانو؟

تعريف فناوری نانو

فناوري نان4و، توانمندي تولي4د مواد، ابزار و س4يستمهای جديد نانومت4ر( اس4ت. اين 100 ت4ا 1در س4طح مولكول4ي و اتم4ي )

و دس4ت کاري در آراي4ش ات4م ه4ا و مولکول هادس4ت کاري در آراي4ش ات4م ه4ا و مولکول هاتوانمندي ب4ا بهره گيري از خواص4ي ك4ه در اي4ن مقياس ظاه4ر مي شوند،

بدست می آيد.

: به دنبالانونفناوري به بيان ساده تر دستكاري كوچكترين اجزاء ماده

(ها اتمو مولکول هامولکول ها)است.

نخستين کارشناس فناوری نانو

برخي از رويدادهاي مهم تاريخي در شکل گيري

فناوري و علوم نانو .مايکل فارادي محلول کلوئيدي طال را کشف کرد 1857. هاي کلوئيدي توسط آلبرت انيشتين تشريح رفتار محلول 1905.هاي اتمي به ضخامت يک مولکول توسط لنگموير ايجاد اليه 1932" را براي کار با مواد در مقياس نانو فضاي زياد در سطوح پايين "فاينمن ايده 1959

. مطرح کرد. براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد 19741981 IBM د.جا کر به ها را تک تک جا توان اتم دستگاهي اختراع کرد که به کمک آن مي . C60 کشف ساختار جديدي از کربن 1985. ها را نمايش گذاشت توانايي کنترل نحوه قرارگيري4 اتم IBM شرکت 1990. هاي کربني کشف نانو لوله 1991. توليد اولين نقاط کوانتومي با کيفيت باال 1993. ساخت اولين نانو ترانزيستور 1997. DNA ساخت اولين موتور 2000.ساخت يک مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله 2001. شلوارهاي ضدلك به بازار آمد 2002. هاي خورشيدي هاي آزمايشگاهي  نانوسلول توليد نمونه 2003.نانو ادامه دارد تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري 2004

تاريخچه

(Nano )نانوU پيشوند از لغت يوناني تحت

نام کوتوله مشتق شده است .

از لغت نانوتکنوUلوژي استفاده نشده 1974تا سال بود تا اينکه يکي از محققين ژاپني بنام نوريو

تانيگوچي اين لغت را در ارتباط با مهندسي مواد دراندازه هاي نانومتري مورد استفاده قرار داد.

"اصول فيزيكي، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، برخالف ساختن اتم به اتم

حرفي نمي زند". اشياء،

فاينمن هرگز از نام »فناوري نانو« استفاده نكرد.

آن پايين فضاهای بسياری ...است

براي نانوتكنولوژUي كاربردهايUي را در حوزه هاي مختلUف از جمله

پزشكي و بهداشت•مواد•داروسازي•الكترونيك و كامپيوتر•محيط زيست•زيست فناوری•دفاع•انرژي•كشاورزي•صنايع بسياري چون نساجي، فوالد، برق، ...•

اند . بر شمرده

حوزه های کاربردی فناوری نانو

.ساخت موادي با وزن بسيار كم و استحكام بيشتر از فوالد.تشخيص سرطان وقتي كه هنوز چند سلول بيشتر نيست لوله کربنی. برابر مس در نانو1000رسانايي برابري ظرفيت حافظه هاي کامپيوتر1000افزايش

)جادادن يك كتابخانه ملي در وسيله اي به اندازه حبه قند(. شيشه هاي خودتميزشونده براي ساختمانهاي بلند با قيمت نه چندان

باال..قطعات پالستيکي رسانا با افزودن نانولوله هاي کربن.پارچه هاي بسيار بادوام که کثيف هم نمي شوند درصدي وزن اتوموبيل با استفاده از نانوکامپوزيت ها در 30کاهش

بدنه و قطعات خودرو....... و

دنيای جديد نانومقياس

علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي »تر« )نرم(– فناورینانو مرطوب

–)علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي »خشك« )سختفناوری نانو خشک

مدل سازی و شبيه سازی رفتار مواد در مقياس نانو- فناوری نانومحاسباتی

زيرشاخه های فناوری نانو

ساخت نانوساختارها

چگونه می توان ساختارهای خيلی کوچک را ايجاد نمود؟

از باال به پايين كاهش ابعاد يك ماده بزرگ و شكل دهي آن تا يک

محصول نانومقياس

از پايين به باال چينش اتم ها و مولكول ها با ابعادي كوچكتر از نانومتر

در كنار يكديگر و ساخت يك محصول نانومتري

رويکردهای فناوری نانو در ساخت نانوساختارها

ساخت از باال به پايينها . حکاکی با برداشتن اتم 1

ساخت از پايين به باال. آرايش اتم با اتم1. خودچيدمانی2

ساخت های روش های ساختروش

حکاکی با برداشتن اتمها

مانند يک مجسمهساز که با کنده کاری

و برداشتن مواد از روی يک سطح،

ساختار موردنظر را ايجاد می کند.

ليتوگرافی

آرايش اتم با اتم

که با IBMلوگوی اتمهای تکی زنون آرايش يافته است.

مانند آجرچينی؛ها در يک جابجايی اتم

منطقه در يک زمان با ,AFMابزاری چون

STM.

ايجاد محيطی که در آن اتمها بطور خودکار آرايش

يابند. در طبيعت هم نمونه هايی از خودچيدمانی ديده

می شود )مثل غشاهای سلولی(.

خودچيدمانی

خودچيدمانی کره های پلی استايرن

خودچيدمانی هدفمند

خودچيدمانی مولکولی: نانواسمبلر

خودچيدمانی موتورهای زيستی

نمونه ای از خودچيدمانی

ايجاد ساختار متراکم نانولولههای کربنی از طريق:

قرار دادن نانوپودرهای آهن بر 1.روی سطح سيليکونی در يک

مخزنعبور گاز طبيعی از مخزن2.واکنش کربن با آهن و رشد3.

نانولوله های کربنی بر روی آناز آنجا که با روش خودچيدمانی مي

توان نانوساختارها را در مقياس بااليی توليد نمود اين روش مورد

.توجه است

خودچيدمانی

کدام خواص و چگونه در مقياس نانو

تغيير می کنند؟

خواص وابسته به اندازه مواد

خواص مواد

)... خواص نوری )رنگ، شفافيت و)... خواص الکتريکی )رسانايی و)... خواص فيزيکی )سختی، نقطه ذوب و خواص شيميايی )واکنش پذيری، سرعت واکنش

و ...(

خواص مواد معموالً از روی توده ای از اتم ها و مولکول ها

(1023U)~اندازه گيری می شود.

تغيير خواص نوری: رنگ طال

توده طال در طبيعت به رنگ زرد ديده می شود اماطال در مقياس نانو به رنگ قرمز است زيرا:

ها در آنها نمی ذرات به قدری کوچکند که الکترون توانندآزادانه حرکت کنند بنابراين در برابر نور

واکنش متفاوتی دارند.

: طال رنگ نوری خواص تغيير

خواص الکتريکی ورسانايی نانولوله های کربنی با تغيير قطر و تعداد ديواره های آن

تغيير می کند. نوع ساختار نانولوله ها نيز

بر نحوه جريان الکتريکی آنها اثرگذار

است.

تغيير خواص الکتريکی: هدايت نانولوله ها

ذوب نقطه دمای دماي4ی اس4ت ک4ه در آن مولکوله4ا، اتمه4ا و يونها الزم انرژی ماده در نيروهای بر غلبه برای را مولکولی درون

بدست می آورند. چون سطحی اتمهای

اتمهای با تماس در انرژی هس4تند کمتری

کمتری نياز دارند.

: هدايت الکتريکی خواص تغييرها تغيير خواص فيزيکی: نقطه ذوبنانولوله

اتم7در تماس با

اتم3در تماس با

1064 C

توده طال

Cدماي ذوبي

ماد

بذو

شعاع ذره )نانومتر(

تغيير نقطه ذوب طال با تغيير شعاع ذره

تفاوت نقطه ذوب در مقياس ماکرو و نانو

در مقياس ماکرو در مقياس نانوعمده اتمها داخل ماده

هستند.عمده اتمها در سطح ماده

هستند.

تغيير اندازه اثر کمی بر افزايش اتمهای سطحی

دارد.

تغيير اندازه اثر خيلی زيادی بر افزايش اتمهای سطحی دارد.

نقطه ذوب وابسته به اندازه ذره نيست.

نقطه ذوب با کاهش اندازه ذره کاهش می يابد.

خواص وابسته به اندازه

چرا خواص در مقياس نانو تغيير می کنند؟

مقياس همه چيز را تغيير می ...دهد

در دنيای اطراف مامقياس های مختلفی

وجود دارد. در مقياس های مختلف

نيروهای متفاوتی بين مواد موجود است.

به چهار طريق مواد نانومقياس با ماکرومقياسمتفاوتند:

در مقياس نانو نسبت سطح به حجم بيشتر است.1.

نيروهای گرانشی در مقياس نانو قابل صرفنظر 2.بوده و بجای آن نيروهای الکترومغناطيسی غالبند.

مدلهای مکانيک کوانتومی بجای مکانيک کالسيک 3.برای توصيف حرکت و انرژی در مقياس نانو بکار

می روند.در مقياس نانو حرکت مولکولی تصادفی اهميت 4.

بيشتری دارد.

می تغيير را چيز همه مقياس...دهد

مقياس همه چيز را تغيير می ...دهد

افزايش نسبت سطح به حجم با کوچکتر شدن ذرات

مقدار بيشتری از مواد در تماس با مواد

اطراف آن قرار می گيرد.

با افزايش سطح تماسبه عنوان مثال در

کاتاليستها امکان انجام واکنش را برای مواد

ديگری ايجاد کرده ايم.

يك مكعب چند وجه دارد؟ سانتي متر 1اگه هر ضلعش

باشد مساحت وجوه چقدر ميشود؟

اگه مكعب در سه جهت برش داده شود، چند مكعب بدست

مياد؟ 0.5حاال كه هر ضلع مكعب

سانتي متر شده مساحت وجوه تمام مكعب هاي جديد چقدر

ميشود؟

تمرين

8

8

افزايش سطح با افزايش تعداد دفعات تقسيم

متر ) خارجی سطحمربع( ) متر ) ابعاد تکه تعداد

دفعات تقسیم

0.0006 0.01 1 0

0.0012 0.005 8 1

0.0024 0.0025 64 2

0.0048 0.00125 512 3

0.0096 0.000625 4096 4

0.0192 0.0003125 32768 5

0.0384 0.00015625 262144 6

0.0768 0.000078125 2097152 7

0.1536 3.90625E-05 16777216 8

0.3072 1.95313E-05 134217728 9

0.6144 9.76563E-06 1073741824 10

1.2288 4.88281E-06 8589934592 11

2.4576 2.44141E-06 68719476736 12

4.9152 1.2207E-06 5.49756E+11 13

9.8304 6.10352E-07 4.39805E+12 14

19.6608 3.05176E-07 3.51844E+13 15

39.3216 1.52588E-07 2.81475E+14 16

78.6432 7.62939E-08 2.2518E+15 17

157.2864 3.8147E-08 1.80144E+16 18

314.5728 1.90735E-08 1.44115E+17 19

629.1456 9.53674E-09 1.15292E+18 20

1258.2912 4.76837E-09 9.22337E+18 212516.5824 2.38419E-09 7.3787E+19 22

5033.1648 1.19209E-09 5.90296E+20 23

سطح يک ميليون بار بيشتر

ميليون بار 8سطح بيشتر

افزايش سطح

با کوچک نمودن اندازهذرات با استفاده از حجم کمی از مواد

سطح بيشتری را می توان پوشاند.

غلبه نيروهای الکترومغناطيسی

تابعی نيروهای گرانشیاز جرم و فاصله بين ذرات نانومتری است.

نيروهایالکترومغناطيسی تابعی

از بار الکتريکی ذرات هستند.

جرم ذرات ناومتری قابل صرف نظر است، بنابراين

نيروهای غالب در چنين سيستم هايی نيروهای .الکترومغناطيسی است

مکانيک کوانتوم

برای توصيف پديدههايی در مقياس نانو که مکانيک کالسيک قادر به توصيف آنها

نيستند از مکانيک کوانتوم استفاده می

شود. مثل:تغيير رنگ نانوذرات 1.

طالبررسی احتمال )ونه 2.

قطعيت( مکان حضور الکترون در سيستم

اهميت حرکت تصادفی مولکولی

4در مقياس4 ماکرو جابجايیها ديده می ش4وند اما علت آن4 مشاهده نمی4 شود. مثل حرکت ذرات گرد4 و غبار در

هوا اما در مقياس نانو، ذرات

حرکت گسترده ای دارند و برخورد آنها با ذرات کوچکتر4

حائز اهميت4 می شود.

خطرهاي بالقوه ي فناوری نانو مشكالت سالمتي

ممكن است ذرات نانو استنشاق ، بلعيده شده يا از طريقپوست جذب شوند يا حتي عمداً تزريق گردند.

آيا ممكن است موجب التهاب يا تضعيف سيستم ايمني شوند؟آيا ممكن است با ساز و كار آن4زيم ها و پروتئين ها تداخل كنند؟

مشكالت زيست محيطي امكان دارد نان4وذرات در خاك ، آب ، گياهان تجمع يابند؛ فيلترهاي

قديمي براي بدام انداختن آنها بسيار بزرگند..روش هاي جديد تشخيص خطر نياز است

آژانس هاي ملي و بين المللي درصدد مطالعه ي خطراتاحتمالي هستند ، نتايج به ارائه ي نظام هاي جديدي منتهي

خواهد شد.

منبع

1. www.nano.ir

2. www.nanoclub.ir

3. www.nanosense.org

4. www.accessnano.org