نانو تکنولوژی

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژة اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد.
با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند. با این حال این کشف‌ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوتکنولوژیست‌ها شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند که از قالب‌های قدیمی(Medieal forges) برای شکل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌کرده‌اند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند که چرا با اضافه‌کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌کند. در آن زمان برای ساخت شیشه‌های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می‌‌شده است و با این کار شیشه‌های رنگی بسیار جذابی بدست می‌آمده است. این قبیل شیشه‌ها هم‌اکنون در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در این شیشه‌ها برپایه این حقیقت استوار است که مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میکرو 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 که توسط بسیاری تا آن زمان کسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند. فاینمن که بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» بود.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد.یعنی ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعیش کوچک می شود. او همچنین از دوتایی‌کردن اتم‌ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می‌داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد. 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 ضدلک 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 کلی که به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه کار 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 یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده‌ای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، 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 یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌کند.
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، نانوکپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول‌های هستند که قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال‌هاست که نانوکپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولکول‌های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود کپسول‌هایی را تشکیل می‌دهند که قسمت‌های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.

عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های کربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تک 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 کاملاً اختصاصی DNA
• ژن‌درمانی که از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت می‌پذیرد.
• از بین بردن باکتری‌ها
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.
دکتر ریچارد فیلیپس فاینمن در 11 می سال 1918 در منهتن نیویورک چشم به جهان گشود. فاینمن در طول سال‌های تحصیلش بر روی ریاضیات و علوم بسیار مطالعه می‌کرد زیرا پدرش می‌خواست که او یک معلم فیزیک شود. وی همچنین برای آزمایش در زمینه الکتریسیته یک آزمایشگاه در خانه‌اش برپا کرد. فاینمن از نمادهای ریاضیاتی خودش برای توابع Sin، Cos، tanو F(x) استفاده می‌کرد.
فاینمن در دبیرستان فار راک اوی (Far Rock away) به تحصیل پرداخت و در سال آخر دبیرستان برنده جایزه ریاضی دانشگاه نیویورک شد. پس از اتمام دبیرستان او تمایل به ادامه تحصیل داشت اما به جز انستیتو تکنولوژی 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 فیزیک گردید. در سال 1942 وی پس از کارکردن بر روی ساخت بمب اتمی (1942-1941) دکترای خود را از دانشگاه پرینستون دریافت نمود. او پس از دریافت مدرک دکترایش به لوس‌آلاموس (Los Alamos) رفت تا کار بر روی بمب اتمی را ادامه دهد. سپس فاینمن به ریاست بخش تئوری منسوب شد. در سال 1945 فاینمن به عنوان استاد فیزیک تئوری در دانشگاه کرنل (Cornell) به فعالیت پرداخت. در بین سال‌های 1952 تا 1959 به عنوان استاد مهمان (Visiting Professor) درس فیزیک تئوری در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا (Caltech) به نام ریچارد چیس تولمن (Richard chase Tolman) مشغول به کار شد. بعد از آن سال تا زمان مرگش در سمت استاد فیزیک تئوری در آن دانشگاه مشغول کار بود.
جایزه آلبرت انیشتن از دانشگاه پرینستون به سال 1954، جایزه آلبرت انیشتن از کالج پزشکی و جایزه لورنس (Lawrence) در سال 1963 جوایزی بودکه ریچارد فاینمن موفق به اخذ آنها گردید. وی در سال 1965 به خاطر توسعه‌دادن الکترودینامیک کوانتوم که تئوری اثر متقابل ذرات و اتم‌ها را در میدان‌های تشعشعی بیان می‌کند به شهرت رسید. وی در قسمتی از کارهایش آنچه را که امروزه به نام "دیاگرام فاینمن" نامیده می‌شود، ترسیم نمود. این دیاگرام نمودار مکان- زمان اثر متقابل ذرات را نشان می‌دهد. به خاطر این کار وی جایزه نوبل را درآن سال به همراه جی- اسکوینجر (J-Schwinger) و اس. آی. توموناجا (S.I. Tomonaga) اخذ کرد.
بعدها در طول زندگیش هنگامی که به گروه تحقیق حادثه انفجار شاتل چنجر پیوست و دو کتاب خاطراتش را که پرفروش‌ترین کتاب‌ها شدند، منتشر کرد به چهره برجسته‌ای تبدیل شد.
پروفسور فاینمن عضو انجمن فیزیک آمریکا، انجمن آمریکایی علوم پیشرفته و آکادمی 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 که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی این بود «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» باوجود موقعیت‌هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن را به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش کوچک کرد. او همچنین از دوتایی‌کردن اتم‌ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می‌داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد) او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش‌بینی نمود. وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الکتروموتوری که ابعادش حداکثر 64/1اینچ مکعب باشد، پیشنهاد داد. جایزه‌ای که برای اولین کسی که بتواند ابعاد یک صفحه کتاب را به اندازه ابعاد اصلیش کوچک کند، تعیین کرد. ابعاد این صفحه کتاب می‌بایست به اندازه‌ای باشد که بتوان آن را به کمک یک میکروسکوپ الکترونی خواند. این ایده‌ها در سال‌های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه‌های آنها نیز پرداخت شد.
ریچارد فاینمن با گوند هوارد (Gwenth Howarth) ازدواج کرد که ثمره این ازدواج یک پسر به نام کارل ریچارد (Corl Richard) (متولد 22 آوریل 1961) و یک دختر به نام میشل کاترین (Michell Cathrine) (متولد 13 آگوست سال 1968) بود. متأسفانه فاینمن در سال 1988 به خاطر سرطان شکم در مرکز پزشکی لوس‌آنجلس درگذشت. یاد فاینمن همواره به خاطر گشودن دریچه‌ای نو در قلمرو علم فیزیک به سوی ما، در ذهن‌ها باقی می‌ماند.
روبرت ای فریتاس مدیر تحقیقات موسسه ساخت مولکولی (Institute for Molecular Manufacturing) می‌باشد. وی در رشته‌های فیزیک، روانشناسی و حقوق تحصیل کرده است و بیش از 150 مقاله‌ فنی و عمومی با موضوعات مختلف علمی، مهندسی و حقوقی نوشته است. وی همچنین عهده‌دار نوشتن فصل‌هایی از کتاب‌های مختلف می باشد.
او در سال 1980 گزارشی تحلیلی درباره امکان ساخت کارخانه‌های فضایی تکثیر شونده یعنی کارخانه‌هایی که بتوانند کارخانه‌های مشابه خودشان را به وجود آورند نوشت و سپس اولین تحقیق فنی را که به جزئیاتی درباره نانوروبات‌های پزشکی پرداخته بود در مجله پزشکی (medical jarmal) منتشر ساخت.
اخیراً فریتاس کتاب نانوپزشکی را منتشر کرده است. این کتاب اولین کتاب فنی می‌باشد که درباره قابلیت‌های نانوفناوری مولکولی در نانوروبات‌های پزشکی که کاربردهای پزشکی و دارویی دارند به بحث پرداخته است. جلد اول این کتاب در سال 1999 توسط شرکت Lands Bioscience منتشر شد. در این زمان فریتاس محقق موسسه ساخت مولکولی واقع در ایالت کالیفرنیا بود. او در سال 2003 قسمت اول جلد دوم آن کتاب را توسط همان شرکت منتشر ساخت. وی در آن زمان در شرکت زیوکس zyvex به عنوان یک محقق مشغول به کار بود. زیوکس یک کمپانی در زمینه فناوری نانو می‌باشد که مرکز آن در فاصله سال‌های 2000 تا 2004 در ریچاردسون تگزاس بود. فریتاس هم اکنون مشغول تکمیل کردن قسمت دوم جلد دوم و جلد سوم کتاب نانوپزشکی می‌باشد. همچنین وی به عنوان مشاور در زمینه‌های سنتز نانومکانیکی الماس و طراحی متصل کننده‌های مولکولی به عنوان مدیر تحقیقات موسسه ساخت مولکولی مشغول به کار می‌باشد.
در سال 2004 روبرت فریتاس و رالف مرکل با همکاری یکدیگر کتاب"سینماتیک ماشین‌های تکثیر شونده" را منتشر نمودند. این اولین کتابی است که در زمینه فیزیک ماشین‌های تکثیر شونده تاکنون به چاپ رسیده است.