تاریخچه و کاربرد نانو یا نانو تکنولوژی

نانو چیست؟

تاریخچه و کاربرد نانو یا نانو تکنولوژی

فناوری نانو، نانو فناوری یا نانو تکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به‌کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند.

فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم است که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته و از فناوریهای نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه می‌باشد. از ابتدای دهه ۱۹۸۰ میلادی طراحی و ساخت ساختمان‌ها هر روزه شاهد نوآوری‌های جدیدی در زمینه مصالح کارآمد تر و پربازده تر در مقاومت، شکل پذیری، دوام و توانایی بیشتری نسبت به مصالح سنتی دارد .

نانو فناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست‌شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی شیمی و مهندسی کشاورزی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو، زیست فناوری(Biotechnology) و فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند. نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد و فراگیرتر باشد.

ایران در زمینه تعداد پتنت‌های منتشر شده در رابطه با فناوری نانو، مقام ۲۹ را در سال ۲۰۱۲ در دنیا کسب کرد.

تاریخچه نانو

در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست.

نانو ریشه یونانی «نانس» به معنی کوتوله می‌باشد. فناوری نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته‌است تا جایی که در یک دههٔ آینده برتری فراینده‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود. ماهیت فناوری نانو توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از آن در ابعاد بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتم‌ها یا مولکول‌ها با استفاده از مواد، وسایل و سیستم‌هایی با توانایی‌های جدید و با تغییر این ساختارها و رسیدن به بازدهی بیشتر مواد می‌باشد. فناوری نانو فرایند دستکاری مواد در مقیاس اتمی و تولید مواد و ابزار، به وسیله کنترل آن‌ها در سطح اتم‌ها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سیستم‌ها ساختار زیربنایی خود را در مقیاس نانو ترتیب دهند؛ آنگاه تمام واکنش‌ها سریع‌تر و بهینه‌تر صورت می‌گیرد و توسعه پایدار پیش گرفته می‌شود.

از جمله دستاوردهای فراوان نانو فناوری کاربرد آن در تولید، انتقال، مصرف و ذخیره‌سازی انرژی با کارایی بالاست که تحول شگرف را در این زمینه ایجاد می‌کند. از اینرو دست‌اندرکاران و محققان علوم نانو در تلاش اند تا با استفاده از نانو فناوری به آسایش و رفاه بیشتر در درون و برون ساختمان با یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و صرفه‌جویی در هزینه‌ها بخصوص در مصرف منابع انرژی و در نهایت به توسعه پایدار دست یابند. فناوری نانو منجر به تغییرات شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد.

نانو در پزشکی

کاربرد نانو در صنعت

 صفحات خورشیدی و کیهانی:

دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در اندازه های نانو در صفحات خورشیدی برای جذب و یا انکسار پرتوهای ماورای بنفش که شفافیت لازم را برای عبور نور قابل رویت دارند، کاربرد بسیاری پیدا کرده است.

 ترکیبات پیچیده:

یکی از موارد مهم کاربرد نانو تکنولوژی ساخت ترکیبات پیچیده از چند ماده مختلف است. برای مثال با استفاده از لوله، سیم و ذرات نانو محصولات چند منظوره ای تولید می شود که هم دارای خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده است و هم ساختار جدیدی با کاربردهای پیشرفته دارد. این مواد در علوم پزشکی، در وسایل بصری، الکترونیک و مغناطیسی به کار می روند. همچنین کربن سیاه که اندازه آن به چند ده نانو می رسد برای تقویت لاستیک وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد. از یک نوع خاک رس در ابعاد نانو نیز برای ساختن سپرهای مقاوم وسایط نقلیه استفاده می شود.

ابزار برشکاری بسیار سخت:

ابزار ساخته شده از کریستال های تنگستن، تانتانیم و تیتانیم در اندازه های نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسیار سخت تر در مقایسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگ تر شده است. کاربرد این ابزار در سوراخ کاری، برش فلزات در ماشین تراش، قالب سازی، سنگ بری و نظایر آن بسیار وسیع است.

کاربرد نانو در میان مدت شامل موارد زیر می شود:

▪ رنگ ها و محلول ها:

استفاده از رنگ ها در اندازه نانو می تواند قابلیت ها و توانایی های بسیار خوبی را به رنگ بدهد. برای مثال ساختن رنگ های سبک می تواند وزن هواپیماها را کاهش داده و باعث صرفه جویی در سوخت آنها شود. کاهش حلال ها مورد دیگری است که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می کند. محلول های ضد باکتری موارد استفاده بسیاری در تاسیسات تصفیه آب دارد و دیگر نیازی به استفاده از ضد باکتری مانند کلر نخواهد بود. نانو تکنولوژی در مبدل های حرارتی با جذب امواج قرمز باعث صرفه جویی در انرژی شده و با تغییرات دما و یا محیط شیمیایی اطراف آن، موجب تغییر رنگ می شود. عمده ترین هدف از اجرای این پژوهش ها در مورد رنگ ها اهداف زیست محیطی است.

▪ محیط زیست:

مطالعه و بررسی بر روی تاثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده کننده خاک و آب های زیرزمینی و خنثی کردن تاثیرات مخرب آنها، نمونه ای از پژوهش های میان مدت است. هم چنین تلاش برای ساخت موادی که سرب و جیوه موجود در محیط زیست را به صورت غیرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر این تحقیقات به صورت کامل انجام شود، می توان از آلودگی سرب هوا که از سوخت ماشین های درون سوز به وجود می آید جلوگیری کرد.

▪ سلول های سوختی:

سطح سلولی سوخت ها از نظر مهندسی تاثیر مستقیمی بر عملکرد درونی آن دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت میانی ممکن است با تغییرات بنیادی هیدروکربورها در کاتالیست های یک راکتور به دست آید. استفاده از علوم نانو برای شدت بخشیدن به عملکرد کاتالیزورها می تواند به بازدهی بیشتر و تولید سوخت هایی با ذرات کوچک تر کمک کند. این عامل می تواند در افزایش تولید انرژی برق موثر باشد و در نتیجه برای تولید هیدروژن به جای استفاده از هیدروکربورها از مواد فراوان تر و سازگارتر با محیط زیست استفاده کرد. امروزه هیدروژن به عنوان جانشین سوخت هیدروکربورها در جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

▪ نمایشگرها:

درخواست بسیاری برای تولید نمایشگرهای بزرگ، شفاف و تخت در تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن وجود دارد. نانو کریستال های سلنیوم روی، سولفات روی و سولفور کادمیم با روش ژل به صورت تنها (تبدیل ژل مایع به جامد) از موادی است که برای ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از CNTs نیز در ساخت این وسایل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژی و تشعشعات زیانبار کمتر و طول عمر بیشتر، نسل آینده نمایشگرهای پیشرفته را بوجود خواهد آورد.

▪ باطری ها:

توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه، دستگاه های ناوبری، کامپیوترهای کوچک و قابل حمل، سنسورهای کنترل از راه دور و نظایر آنها، نیاز به داشتن باطری های سبک تر با انرژی و دوام بیشتر را دو چندان ساخته است. مواد کریستالی نانو با استفاده از روش کاربرد ژل ها در صفحات جداکننده باطری ها می تواند انرژی بیشتری در مقایسه با باطری های متداول امروزی ذخیره کند. باطری های ساخته شده از نانو کریستال های نیکل نیاز به شارژ مجدد را کاهش و ذخیره انرژی در باطری ها را در حد قابل توجهی افزایش داده است.

▪ مواد افزودنی سوخت ها:

هم اکنون تحقیقات برای افزودن ذرات نانوی اکسید سدیم به سوخت های دیزل در دست اقدام است که باعث بالا رفتن بازدهی، صرفه جویی اقتصادی و کاهش میزان مصرف آنها در بلند مدت خواهد شد.

کاربردهای بلند مدت فناوری نانو شامل موارد زیر می باشد:

▪ مواد مغناطیسی:

ساخت ابزارهای مغناطیسی از نانوکریستال های یوتریوم، ساماریوم و کبالت خواص بسیار منحصر بفردی را با توجه به کوچک بودن ذرات کریستال ها به وجود می آورد. این مواد در ساخت موتورها، ماشین های تحلیلی مانند MRI و همچنین در علوم پزشکی کاربرد وسیعی دارند. میکروپروسس ها، حافظه های کامپیوتر، دیسک های سخت، با استفاده از فناوری نانو می تواند اطلاعات بسیار زیادی را در خود جای دهند.

▪ وسایل پزشکی:

به طور معمول اعضا قابل کاشت در بدن، مانند دریچه های قلب، ساخت اندام های مورد نیاز در ترمیم های ارتوپدی ساخته شده از تیتانیوم و فولادهای ضد زنگ با سایر اعضای بدن سازگاری دارند ولی متاسفانه ممکن است در طول عمر بیماران دچار خوردگی شده و کارآیی خود را از دست بدهند. استفاده از نانو کریستال های اکسید زیرکانیوم، به عنوان یک عنصر بسیار سخت، غیرخورنده و مقاوم در مقابل واکنش های بدن و سازگاری با آن جایگزین بسیار خوبی برای روش های متداول است. نانو کریستال های «سیلیکون کربید» به علت وزن کم، مقاومت بسیار عالی و سازگاری با اعضای بدن برای ساخت دریچه های مصنوعی قلب در آینده به کار خواهد رفت. ساخت رباط هایی با کاربردهای بسیار متفاوت در بدن در اندازه های کوچک بخش مهمی از کاربردهای وسیع اینگونه مواد را شامل می شود.

▪ سرامیک های ماشین آلات:

سرامیک ها بسیار سخت، شکننده و غیرقابل ماشین کاری بوده و کوچک شدن ذرات آنها در حد نانو کریستال ها باعث شکنندگی بیشتر آن می شوند. امروزه نانوکریستال های نیترات و یا «کربید سیلیکون» در ساخت قطعات ماشین آلات مختلف مانند فنرهای بسیار مقاوم، بلبرینگ ها، سوپاپ های موتور، اجزای کوره ها و نظایر آن به علت آنکه به آسانی قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واکنش های شیمیایی مقاوم هستند کاربرد وسیعی دارند. درصورتی که این مواد توسط پرس فشرده شوند، مقاومت حرارتی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر سرامیک ها به دست می آورند.

▪ تصفیه آب:

فناوری نانو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برای تصفیه آب در سیستم های تقطیر می شود. همچنین نانو فناوری منجر به بالا بردن تکنولوژی مورد استفاده کنونی خواهد شد.

▪ لباس های جنگی:

به تازگی استفاده از فناوری نانو برای ساخت لباس های ویژه میدان های جنگ توسط گروه تحقیقات دانشگاه MIT انجام شده است. هم اکنون برنامه ای برای ساخت موادی که بتواند در کوتاه مدت جاذب انرژی شوک های امواج انفجاری و موادی که در بلند مدت بتواند در برابر مواد شیمیایی و بیولوژیکی از خود مقاومت نشان دهند به صورتی که در مقابل این مواد حساس بوده و پس از شناسایی مواد روزنه های لباس مسدود شوند درحال بررسی است. گونه ای دیگر از این مواد برای کشف آسیب های وارده به بدن به صورت خودکار عمل خواهد کرد. برای مثال به کمک این مواد شکستگی استخوان ها را به سرعت شناخته و گچ گیری متداول امروزه را انجام می دهند.

محصولات فناوری نانو

کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت ساختمان

در مورد کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان به‌طور خلاصه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

بهبود خواص سیمان و بتن

بهبود خواص مکانیکی

افزایش کیفیت سیمان و بتن

جلوگیری از نفوذ عوامل مخرب خارجی به داخل بتن

نانو پوشش‌ها

ایجاد پوشش عایق مناسب

عدم نفوذ عوامل خوردگی

افزایش مقاومت در برابر انتقال حرارت

افزایش مقاومت در برابر خوردگی، سایش و پوسیدگی

خاصیت خود تمیز شوندگی سطوح

رنگ‌های تصفیه‌کننده هوا

نانو ضد آب‌کننده‌ها

نانو شیشه‌ها

شیشه‌های خود تمیز شونده

شیشه‌های محافظ در برابر آتش

شیشه‌های کنترل‌کننده انرژی

نانو آسفالت‌ها

نانوکامپوزیت‌ها

تصفیه‌کننده‌های آب و فاضلاب

محصولات نانو در ایران

شرکت های ایرانی با طراحی و ساخت محصولات مبتنی بر فناوری نانو، در حال ورود به بازارهای داخلی و بین المللی هستند که تعدادی از آنها از این قرار است.

• ساخت چندین نوع از تجهیزات آزمایشگاهی ازجمله میکروسکپ STM، مغناظیس سنج و دستگاه کروماتوگرافی گازی.

میکروسکپ STM علاوه بر مراکز تحقیقاتی داخلی، به کشور مالزی نیز صادر می شود.

• تصفیه آب با نانوفیلتراسیون.

این سیستم ابتدا به صورت آزمایشی بر روی رودخانه کارون نصب و راه اندازی شد و هم اکنون در سطح وسیع تر در یکی از شهرهای خوزستان در حال پیاده شدن است.

• تولید انواع نانو مواد از جمله فلزات و اکسیدهای فلزی.

• تولید نانولوله های کربنی در مقیاس بالا. روش تولید این ماده به صورت چندین پتنت بین المللی ثبت شده است.

این ساختار کربنی در مصارفی همچون پایه ی کاتالیست های نفتی، ذخیره و هیدروژن و تولید کامپوزیت ها به کار می رود. 

• تولید انواع محصولات ضد باکتری با استفاده از نانو مواد.

• ساخت دستگاه های تولید کننده ی الیاف نانومتری در انواع آزمایشگاهی، صنعتی و قابل حمل.

• تولید بتن مقاوم در برابر خوردگی با استفاده از افزودنی های نانومتری.

• تولید نانوفیلترهای تصفیه کننده هوا، در چندین نوع خانگی، صنعتی و قابل استفاده در خودرو.

• تولید لوله های پلیمری بدون صدا برای آب و فاضلاب

• تولید بسته بندی های مواد غذایی و میوه با هدف افزایش عمر محصولات

• تولید قطعات نانوکامپوزیتی برای استفاده در خودرو.

• تولید انواع لباس های ضد آب و ضد لک.

• تولید کاشی و سرامیک های ضد لک.

• تولید مواد تثبیت کننده شن و خاک 

• شیشه های کنترل کننده انرژی برای استفاده در ساختمان.

• روانکارهای مبتنی بر نانو ذرات برای کاهش مصرف سوخت خودرو.

گردآوری: بخش علمی سرپوش