نانو تکنولوژی
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند كه مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسیم كرد تا به ذراتی رسید كه خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشكیل می‌دهند.
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند كه مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسیم كرد تا به ذراتی رسید كه خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشكیل می‌دهند، شاید بتوان دموكریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین كسی بود كه واژة اتم را كه به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به كار برد.
با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند كه اتم‌ها از ذرات كوچكتری مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكیل شده‌اند. با این حال این كشف‌ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت كه اولین نانوتكنولوژیست‌ها شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند كه از قالب‌های قدیمی(Medieal forges) برای شكل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌كرده‌اند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌كند. در آن زمان برای ساخت شیشه‌های كلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می‌‌شده است و با این كار شیشه‌های رنگی بسیار جذابی بدست می‌آمده است. این قبیل شیشه‌ها هم‌اكنون در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در این شیشه‌ها برپایه این حقیقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میكرو نمی‌باشند.
در واقع یافتن مثالهایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست.رنگدانه‌های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه‌ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. نور انعکاس یافته از آن سبز است ولی اگر نوری از درون آن بتابد، به رنگ قرمز دیده می‌شود. آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریز700 (nm) دارد ، که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا 14 به 1 است حضور این نانوبلورها باعث رنگ ویژه جام لیکرگوس گشته است.
در سال1959 ریچارد فاینمن مقاله‌ای را دربارة قابلیت‌های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. باوجود موقعیت‌هایی كه توسط بسیاری تا آن زمان كسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند. فاینمن كه بعدها جایزه نوبل را در فیزیك دریافت كرد درآن سال در یک مهمانی شام كه توسط انجمن فیزیک آمریكا برگزار شده بود، سخنرانی كرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشكار ساخت.
عنوان سخنرانی وی «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» بود.
سخنرانی او شامل این مطلب بود كه می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیكا را بر روی یك سنجاق نگارش كرد.یعنی ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعیش كوچك می شود. او همچنین از دوتایی‌كردن اتم‌ها برای كاهش ابعاد كامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد كنونی بودند اما او احتمال می‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد كامپیوترهای كنونی نیز كوچكتر كرد. او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش‌بینی نمود.
برخی از رویدادهای مهم تاریخی در شکل گیری فناوری و علوم نانو
تاریخ رویدادهای مهم در زمینه فناوری نانو
1857 مایکل فارادی محلول کلوئیدی طلا را کشف کرد
1905 تشریح رفتار محلول‌های کلوئیدی توسط آلبرت انیشتین
1932 ایجاد لایه‌های اتمی به ضخامت یک مولکول توسط لنگمویر (Langmuir)
1959 فاینمن ایده ” فضای زیاد در سطوح پایین ” را برای کار با مواد در مقیاس نانو مطرح کرد
1974 برای اولین بار واژه فناوری نانو توسط نوریو تانیگوچی بر زبانها جاری شد
1981 IBM دستگاهی اختراع کرد که به کمک آن می‌توان اتم‌ها را تک تک جا‌به‌جا کرد.
1985 کشف ساختار جدیدی از کربن C60
1990 شرکت IBM توانایی کنترل نحوه قرارگیری اتم‌ها را نمایش گذاشت
1991 کشف نانو لوله‌های کربنی
1993 تولید اولین نقاط کوانتومی با کیفیت بالا
1997 ساخت اولین نانو ترانزیستور
2000 ساخت اولین موتور DNA
2001 ساخت یک مدل آزمایشگاهی سلول سوخت با استفاده از نانو لوله
2002 شلوارهای ضدلك به بازار آمد
2003 تولید نمونه‌های آزمایشگاهی نانوسلول‌های خورشیدی
2004 تحقیق و توسعه برای پیشرفت در عرصه فناوری‌نانو ادامه دارد
فن آوری نانو چیست؟
فناوری‌نانو واژه‌ای است كلی كه به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه كار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm می‌باشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).
اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یك سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد كه در آینده‌ای نزدیك می‌توانیم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستكاری كنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی كه تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به كار برد. در سال 1986 این واژه توسط كی اریك دركسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شكل عمیق‌تری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولكولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است كه در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلكه زمانی كه اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگی و … تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود “عناصر پایه” را به عنوان یك معیار ذكر كنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند كه خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌كند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می‌باشد. نانوذرات می‌توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، … .
دومین عنصر پایه، نانوكپسول است. همان طوری كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌های هستند كه قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولكول‌های موسوم به فسفولیپیدها كه یك سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود كپسول‌هایی را تشكیل می‌دهند كه قسمت‌های آبگریز مولكول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعكس نیز قابل تصور است.
عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شكل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های كربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشكال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تك دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.
در حقیقت کاربرد فناوری نانو از کاربرد عناصر پایه نشأت می‌گیرد. هر کدام از این عناصر پایه، ویژگی‌های خاصی دارند که استفاده از آنها در زمینه‌های مختلف، موجب ایجاد خواص جالبی می‌گردد. مثلاً از جمله کاربردهای نانوذرات می‌توان به دارورسانی هدفمند و ساده، بانداژهای بی‌نیاز از تجدید، شناسایی زود هنگام و بی‌ضرر سلول‌های سرطانی، و تجزیه آلاینده‌های محیط زیست اشاره کرد. همچنین نانولوله‌های کربنی دارای کاربردهای متنوعی می‌باشند که موارد زیر را می‌توان ذکر کرد:
• تصویر برداری زیستی دقیق
• حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی
• شناسایی و جداسازی كاملاً اختصاصی DNA
• ژن‌درمانی كه از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت می‌پذیرد.
• از بین بردن باكتری‌ها
اینها تنها مواردی از کاربردهای بسیار زیادی هستند که برای عناصر پایه قابل تصور می‌باشند. کاربرد این عناصر پایه در صنایع مختلف، در درخت دیگری به نام «درخت صنعت» آورده شده است که با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده‌اندیشی، بخش درخت صنعت، می‌توانید آن را مشاهده کنید.
در نهایت «درخت فناوری نانو» معرفی می‌گردد که فناوری نانو را به شکل یک زنجیره از رویکرد ساخت عناصر پایه تا کاربرد آنها، در یک درخت چهار سطحی نمایش می‌دهد. با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده‌اندیشی، بخش درخت فناوری، می‌توانید آن را مشاهده کنید.
دكتر ریچارد فیلیپس فاینمن در 11 می سال 1918 در منهتن نیویورك چشم به جهان گشود. فاینمن در طول سال‌های تحصیلش بر روی ریاضیات و علوم بسیار مطالعه می‌كرد زیرا پدرش می‌خواست كه او یك معلم فیزیك شود. وی همچنین برای آزمایش در زمینه الكتریسیته یك آزمایشگاه در خانه‌اش برپا كرد. فاینمن از نمادهای ریاضیاتی خودش برای توابع Sin، Cos، tanو F(x) استفاده می‌كرد.
فاینمن در دبیرستان فار راك اوی (Far Rock away) به تحصیل پرداخت و در سال آخر دبیرستان برنده جایزه ریاضی دانشگاه نیویورك شد. پس از اتمام دبیرستان او تمایل به ادامه تحصیل داشت اما به جز انستیتو تكنولوژی ماساچوست (MIT) بقیه دانشگاه‌ها به خاطر نمراتش و یهودی‌بودنش از پذیرش وی سرباز زدند. فاینمن در سال 1935 وارد MIT شد و در سال 1939 فارغ‌التحصیل لیسانس فیزیك گردید. در سال 1942 وی پس از كاركردن بر روی ساخت بمب اتمی (1942-1941) دكترای خود را از دانشگاه پرینستون دریافت نمود. او پس از دریافت مدرك دكترایش به لوس‌آلاموس (Los Alamos) رفت تا كار بر روی بمب اتمی را ادامه دهد. سپس فاینمن به ریاست بخش تئوری منسوب شد. در سال 1945 فاینمن به عنوان استاد فیزیك تئوری در دانشگاه كرنل (Cornell) به فعالیت پرداخت. در بین سال‌های 1952 تا 1959 به عنوان استاد مهمان (Visiting Professor) درس فیزیك تئوری در انستیتو تكنولوژی كالیفرنیا (Caltech) به نام ریچارد چیس تولمن (Richard chase Tolman) مشغول به كار شد. بعد از آن سال تا زمان مرگش در سمت استاد فیزیك تئوری در آن دانشگاه مشغول کار بود.
جایزه آلبرت انیشتن از دانشگاه پرینستون به سال 1954، جایزه آلبرت انیشتن از كالج پزشكی و جایزه لورنس (Lawrence) در سال 1963 جوایزی بودكه ریچارد فاینمن موفق به اخذ آنها گردید. وی در سال 1965 به خاطر توسعه‌دادن الكترودینامیك كوانتوم که تئوری اثر متقابل ذرات و اتم‌ها را در میدان‌های تشعشعی بیان می‌كند به شهرت رسید. وی در قسمتی از كارهایش آنچه را كه امروزه به نام “دیاگرام فاینمن” نامیده می‌شود، ترسیم نمود. این دیاگرام نمودار مكان- زمان اثر متقابل ذرات را نشان می‌دهد. به خاطر این كار وی جایزه نوبل را درآن سال به همراه جی- اسكوینجر (J-Schwinger) و اس. آی. توموناجا (S.I. Tomonaga) اخذ كرد.
بعدها در طول زندگیش هنگامی كه به گروه تحقیق حادثه انفجار شاتل چنجر پیوست و دو كتاب خاطراتش را كه پرفروش‌ترین كتاب‌ها شدند، منتشر كرد به چهره برجسته‌ای تبدیل شد.
پروفسور فاینمن عضو انجمن فیزیك آمریكا، انجمن آمریكایی علوم پیشرفته و آكادمی ملی علوم بود. او همچنین در سال 1965 به عنوان عضو خارجی انجمن سلطنتی انگلستان انتخاب شد.
در سال1959 ایشان مقاله‌ای را درباره قابلیت‌های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. فاینمن درآن سال در یک مهمانی شام كه توسط انجمن فیزیک آمریكا برگزار شده بود، سخنرانی كرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشكار ساخت.
عنوان سخنرانی وی این بود «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» باوجود موقعیت‌هایی كه توسط بسیاری تا آن زمان كسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند.
سخنرانی او شامل این مطلب بود كه می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیكا را بر روی یك سنجاق نگارش كرد. یعنی ابعاد آن را به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش كوچك كرد. او همچنین از دوتایی‌كردن اتم‌ها برای كاهش ابعاد كامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد كنونی بودند اما او احتمال می‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد كامپیوترهای كنونی نیز كوچكتر كرد) او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش‌بینی نمود. وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الكتروموتوری كه ابعادش حداكثر 64/1اینچ مكعب باشد، پیشنهاد داد. جایزه‌ای كه برای اولین كسی كه بتواند ابعاد یك صفحه كتاب را به اندازه ابعاد اصلیش كوچك كند، تعیین كرد. ابعاد این صفحه كتاب می‌بایست به اندازه‌ای باشد كه بتوان آن را به كمك یك میكروسكوپ الكترونی خواند. این ایده‌ها در سال‌های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه‌های آنها نیز پرداخت شد.
ریچارد فاینمن با گوند هوارد (Gwenth Howarth) ازدواج كرد كه ثمره این ازدواج یك پسر به نام كارل ریچارد (Corl Richard) (متولد 22 آوریل 1961) و یك دختر به نام میشل كاترین (Michell Cathrine) (متولد 13 آگوست سال 1968) بود. متأسفانه فاینمن در سال 1988 به خاطر سرطان شكم در مركز پزشكی لوس‌آنجلس درگذشت. یاد فاینمن همواره به خاطر گشودن دریچه‌ای نو در قلمرو علم فیزیك به سوی ما، در ذهن‌ها باقی می‌ماند.
روبرت ای فریتاس مدیر تحقیقات موسسه ساخت مولکولی (Institute for Molecular Manufacturing) می‌باشد. وی در رشته‌های فیزیك، روانشناسی و حقوق تحصیل كرده است و بیش از 150 مقاله فنی و عمومی با موضوعات مختلف علمی، مهندسی و حقوقی نوشته است. وی همچنین عهده‌دار نوشتن فصل‌هایی از كتاب‌های مختلف می باشد.
او در سال 1980 گزارشی تحلیلی درباره امكان ساخت كارخانه‌های فضایی تكثیر شونده یعنی كارخانه‌هایی كه بتوانند كارخانه‌های مشابه خودشان را به وجود آورند نوشت و سپس اولین تحقیق فنی را كه به جزئیاتی درباره نانوروبات‌های پزشكی پرداخته بود در مجله پزشكی (medical jarmal) منتشر ساخت.
اخیراً فریتاس كتاب نانوپزشكی را منتشر كرده است. این كتاب اولین كتاب فنی می‌باشد كه درباره قابلیت‌های نانوفناوری مولكولی در نانوروبات‌های پزشكی كه كاربردهای پزشكی و دارویی دارند به بحث پرداخته است. جلد اول این كتاب در سال 1999 توسط شركت Lands Bioscience منتشر شد. در این زمان فریتاس محقق موسسه ساخت مولکولی واقع در ایالت كالیفرنیا بود. او در سال 2003 قسمت اول جلد دوم آن كتاب را توسط همان شركت منتشر ساخت. وی در آن زمان در شركت زیوكس zyvex به عنوان یك محقق مشغول به كار بود. زیوكس یك كمپانی در زمینه فناوری نانو می‌باشد كه مركز آن در فاصله سال‌های 2000 تا 2004 در ریچاردسون تگزاس بود. فریتاس هم اكنون مشغول تكمیل كردن قسمت دوم جلد دوم و جلد سوم كتاب نانوپزشكی می‌باشد. همچنین وی به عنوان مشاور در زمینه‌های سنتز نانومكانیكی الماس و طراحی متصل كننده‌های مولكولی به عنوان مدیر تحقیقات موسسه ساخت مولکولی مشغول به كار می‌باشد.
در سال 2004 روبرت فریتاس و رالف مركل با همكاری یكدیگر كتاب”سینماتیك ماشین‌های تكثیر شونده” را منتشر نمودند. این اولین كتابی است كه در زمینه فیزیك ماشین‌های تكثیر شونده تاكنون به چاپ رسیده است.
