۱- تعریف علم و فناوری نانو (نانوتکنولوژی)
احتمالا تا به امروز نام نانو یا فناوری نانو را شنیده‌اید و همچنین با برخی از کاربردهای آن در صنایع مختلف آشنا شده‌اید. در نتیجه حتما این سوالات برای شما پیش آمده است که نانو چیست؟ آیا علم نانو، علم جدیدی است؟ فناوری نانو به چه فناوری‌ای گفته می‌شود؟ به چه دردمان می‌خورد؟
در قدم اول اجازه دهید شما را با تعریف علم نانو آشنا کنیم. تا به امروز تعریف‌های مختلفی از علم نانو (nanoscience) ارائه شده است. یکی از بهترین تعریف‌های علم نانو که به صورت بسیار مختصر شما را با جهان نانو آشنا می‌کند بدین گونه است: علم نانو مطالعه پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس‌هایی در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است که منجر به تغییر شدید خواص مواد (نسبت به مواد در ابعاد بزرگ) می‌شود.
همان‌گونه که متوجه شده‌اید، علم نانو به پدیده‌هایی اشاره می‌کند که در مقیاس‌های مشخص و احتمالا بسیار کوچک رخ می‌دهد. مواد توده‌ای (تکه‌ای بزرگ از مواد؛ همانند آنچه که اطراف ماست) خواص فیزیکی مشخص و پیوسته‌ای دارند. به عبارت دیگر خواص فیزیکی آنها جدای از ابعادشان برای ما شناخته شده بوده و تغییر نمی‌کند. حال اگر یک ماده را کوچک کنیم، خواص آن ماده در ابعاد کوچکتر و میکرومتری (به عنوان مثال به اندازه یک ذره شن) نیز تقریبا مشابه همان تکه توده‌ای اولیه است ولی هنگامی که آن ماده به ابعاد بسیار کوچکتر و به اندازه ابعاد نانومتری برسد، خواص ماده به گونه‌ای تغییر می‌کند که دیگر قوانین فیزیک معمول و کلاسیک توانایی توضیح دادن آن را ندارد. آن ماده (به عنوان مثال طلا) در ابعاد نانومتری ممکن است خواص (به عنوان مثال خواص الکتریکی، نوری یا مکانیکی) بسیار متفاوتی نسبت به اندازه توده‌ای خود داشته باشد.
حال با درک اولیه از تعریف علم نانو می‌توانیم فناوری نانو (nanotechnology) را نیز این گونه تعریف نماییم:
فناوری نانو طراحی، مطالعه، تولید و کاربرد ساختارها، ابزارها و سیستم ها از طریق کنترل شکل و اندازه آنها در مقیاس نانومتری است.
سوالی که مطمئنا برایتان پیش آمده است این است که کلماتی همچون میکرومتری، نانومتری یا ابعاد نانو دقیقا به چه معنا است و به چه ابعادی اشاره می‌کند. پس بهتر است نگاهی دقیق‌تر به کمیت‌های اندازه‌گیری بیاندازیم.
۲- یک نانومتر چقدر کوچک است؟
هیچکس نمی‌داند که اولین انسان‌ها چه زمانی فهمیدند که نیازمند اندازه‌گیری بعضی چیزها هستند، اما گویا از اولین کمیت‌هایی که توانستند اندازه بگیرند، فاصله یا طول بوده است. انسان‌ها در ابتدا با استفاده از اعضای بدن خود این کمیت را اندازه‌گیری میکردند. طول ساعد، طول پا و طول دست‌های بازشده از هم، اولین مبناهای اندازه‌گیری بودند. اندک اندک با پیشرفت زندگی انسان و افزایش شناخت او از طبیعت و محیط اطرافش، واحدهای اندازه‌گیری نیز دقیق‌تر شدند. امروز دستگاه‌های اندازه‌گیری معینی تعریف شده‌اند و همه از واحدهای مشخصی استفاده می‌کنند.
متر، یکی از شناخته شده‌ترین واحدهای اندازه‌گیری طول است. این اندازه به حدی شناخته شده است که به راحتی می‌توان با طول یک گام بلند آن را نشان داد. بیشتر آنچه که انسان‌ها به طور روزمره با آن مواجه هستند، اندازه‌ای بین صد متر تا یک صدم متر (سانتیمتر) دارند. در حقیقت زندگی معمول انسان‌ها در اندازه‌ای به بزرگی متر (مقیاس ماکرو) می‌گذرد. اما این محدوده، بخش بسیار بسیار کوچکی از اندازه‌های موجود در طبیعت پیرامون زندگی انسان است. او بر روی کره زمین زندگی می‌کند که قطری معادل ۱۲،۷۶۰،۰۰۰ متر (۱۲/۷۶میلیون متر) دارد و موجودات کوچکی (مانند باکتری) به اندازه ۰/۰۰۰۰۰۱ متر (یک میلیونیم متر) می‌توانند به آسانی سلامت و حتی حیات و بقای او را تحت تاثیر قرار دهند. به نظر می‌رسد تصور کردن این اندازه‌ها کار مشکلی است.
ریاضیدانان سعی نموده‌اند که این مشکل را حل کنند. آنها با استفاده از نمادگذاری و ارائه یک روش مقایسه‌ای، تصور اندازه‌های بسیار کوچک و بسیار بزرگ را آسان‌تر نموده‌اند. روش پیشنهادی آنها را می‌توان با یک آزمایش ساده ارزیابی کرد. اگر پشت یک میز و روبروی نمایشگر یک رایانه نشسته‌اید، احتمالا میزی که رایانه شما بر روی آن قرار دارد طولی حدود یک متر دارد. اگر طول این میز را ۱۰ بار کوچک کنید، برابر قطر یک CD (لوح فشرده) می‌شود. اگر قطر لوح فشرده را ۱۰ بار کوچک کنید، برابر قطر یک تیله می‌شود و اگر تیله را ۱۰ بار کوچک کنید، به اندازه یک دانه نمک درمی‌آید (شکل ۱). حالا اگر دانه نمک را سه مرتبه و هر مرتبه ۱۰ بار بزرگ کنید، می‌توانید از آن به عنوان میز استفاده نمایید. ریاضیدانان برای نمایش این نسبت میان دانه نمک و میز از نماد ۳-۱۰ (سه مرتبه و هر مرتبه ۱۰ بار کوچک‌سازی) استفاده کرده‌اند. البته آنها از این روش برای توصیف اندازه‌های بزرگ نیز بهره برده‌اند. به طور مثال می‌توان منظومه شمسی با اندازه ۱۳+۱۰ متر (۱۳ مرتبه و هر مرتبه ۱۰ بار بزرگنمایی) و کهکشان راه شیری با اندازه ۲۱+۱۰ متر (۲۱ مرتبه و هر مرتبه ۱۰ بار بزرگنمایی) را نیز با این روش توصیف کرد.
لازم به ذکر است دانشمندان برای بعضی اندازه‌ها نام مشخصی تعیین کرده‌اند. به طور مثال اندازه‌هایی را که ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از متر هستند، کیلومتر نامیده‌اند و اندازه‌هایی را که هزار برابر کوچکتر از متر هستند، میلی‌متر می‌خوانند. جدول زیر برخی از این نام‌ها را مشخص کرده است.
در میان اندازه‌های کوچک، نانومتر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است که بعدها بیشتر در مورد علت آن صحبت خواهد شد. اما پیش از آن لازم است که درک صحیحی از این اندازه داشته باشید. برای این منظور می‌توان آزمایش بالا را ادامه داد. تا آنجا پیش رفتید که دانه‌های نمک را به اندازه یک میز بزرگ کردید. با این بزرگنمایی (۱۰۰۰ برابر)، تار موی شما قطری معادل یک طناب بسیار کلفت خواهد داشت، می‌توانید از گلبول‌های قرمز برای تیله‌بازی استفاده کنید و باکتری‌ها نیز همچون دانه‌های نمک قابل رویت می‌شوند (شکل ۲).
اما هنوز هم یک نانومتر نشان داده نشده است. این بار باکتری‌های کوچک نمکین را دوباره ۱۰۰۰برابر بزرگتر در نظر بگیرید. باکتری‌ها دیگر آنقدر بزرگ شده‌اند که می‌توانید به عنوان یک مبل راحت به آنها تکیه دهید. در این دنیای جدید می‌توانید با ویروس‌ها تنیس بازی کنید، پروتئین‌ها را به دور انگشتتان بپیچید و اتم‌ها و مولکول‌های کوچک را لمس کنید (شکل ۳). به مقیاس نانو خوش آمدید.
پیشوند نانو از واژه یونانی «نانوس» به معنای کوتاه قد یا کوتوله استخراج شده است. نانو هم اکنون واژه‌ای شناخته شده برای بیشتر علوم پیشرفته است و بسیاری از نانوواژه‌ها (واژه‌های مربوط به نانو) اخیرا در فرهنگ لغات وارد شده‌اند. واژه‌هایی مانند نانومتر، نانومقیاس، نانوفناوری، نانوساختار، نانولوله، نانوسیم و نانوروبات از این قبیل هستند.
به طور خلاصه در این بخش با تعریف علم و فناوری نانو آشنا شدید و دریافتید که منظور از نانو اشاره به یک مقیاس بسیار کوچک و در ابعاد یک میلیاردم یک متر است. همچنین به صورت اولیه دریافتید که خواص مواد در این مقیاس تغییر خواهد کرد. در بخش آینده به این سوال پاسخ می‌دهیم که به چه موادی نانومواد گویند. آیا تنها به موادی که قطرشان یک نانومتر است، نانومواد می‌گویند؟ مفاهیمی همچون نانوساختار، نانولوله یا نانولایه به چه معنا هستند؟
پیشوند نانو از واژه یونانی «نانوس» به معنای کوتاه قد یا کوتوله استخراج شده است. نانو هم اکنون واژه‌ای شناخته شده برای بیشتر علوم پیشرفته است و بسیاری از نانوواژه‌ها (واژه‌های مربوط به نانو) اخیرا در فرهنگ لغات وارد شده‌اند. واژه‌هایی مانند نانومتر، نانومقیاس، نانوفناوری، نانوساختار، نانولوله، نانوسیم و نانوروبات از این قبیل هستند.
به طور خلاصه در این بخش با تعریف علم و فناوری نانو آشنا شدید و دریافتید که منظور از نانو اشاره به یک مقیاس بسیار کوچک و در ابعاد یک میلیاردم یک متر است. همچنین به صورت اولیه دریافتید که خواص مواد در این مقیاس تغییر خواهد کرد. در بخش آینده به این سوال پاسخ می‌دهیم که به چه موادی نانومواد گویند. آیا تنها به موادی که قطرشان یک نانومتر است، نانومواد می‌گویند؟ مفاهیمی همچون نانوساختار، نانولوله یا نانولایه به چه معنا هستند؟
منبع مطالب ارائه شده پایگاه اینترنتی آموزش فناوری نانو و کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو است.
