چگونه نانو مواد را بسازیم؟؟؟

آزمایش اول: نانوپوشش بر روی سطح مایع
مواد و وسایل مورد نیاز
1. یک عدد سینی فلزی ترجیحاً بزرگ
(هر چه بزرگ‌تر باشد، آزمایش بهتر انجام می‌شود)
2. مقداری آب
3. مقدار کمی روغن مایع
4. مقدار کمی زردچوبه
5. یک قاشق غذاخوری
6. قطره‌چکان
7. خط‌کش
8. ماشین‌حساب
9. ترازوی آشپزخانه

شرح آزمایش
سینی را بر روی یک سطح صاف قرار دهید و مقداری آب، تقریباً به عمق 2 سانتی‌متر، درون آن بریزید. اندکی صبر کنید تا سطح آب کاملاً ساکن شود. با استفاده از قطره‌چکان یک قطره روغن مایع را از ارتفاع نزدیک به سطح آب، بر روی سطح آب بچکانید. برای آن که قطره روغن بتواند تا حداکثر جای ممکن بر روی سطح آب پخش شود، بهتر است آن را در نقطه‌ای در وسط سطح آب رها کنید. قطره‌ی روغن به سرعت بر روی آب پخش می‌شود، اما چون رنگ آن تمایز چندانی با آب ندارد، مرز لایه‌ی روغن روی سطح آب مشخص نیست. برای آن که ببینیم روغن تا چه اندازه‌ای روی سطح آب گسترده شده است، از زردچوبه استفاده می‌کنیم. مقدار کمی زردچوبه را به آرامی و با استفاده از یک قاشق غذاخوری در محلی که قطره‌ی روغن را رها کرده‌اید، بریزید. با گسترش این کار به اطراف، مرز لایه‌ی روغن بر روی سطح آب کاملاً مشخص خواهد شد.
اکنون برای آن که ضخامت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید، ابتدا باید مساحت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید. برای این کار می‌توانید از خط‌کش و روابط محاسبه‌ی مساحت در ریاضی استفاده کنید. سپس با دانستن چگالی روغن و جرم قطره‌ی روغن، حجم آن را نیز تعیین کنید. از حاصل تقسیم حجم روغن بر مساحت لایه‌ی روغن، ضخامت قطره‌ی روغن محاسبه می‌شود.
برای محاسبه‌ی جرم قطره‌ی روغن می‌توانید جرم تعداد مشخصی قطره‌ی روغن را با استفاده از ترازوی آشپزخانه اندازه‌گیری کنید و سپس با تقسیم کل جرم بر تعداد قطره‌ها، جرم تقریبی یک قطره را برآورد کنید. جرم یک قطره روغن را بر چگالی روغن تقسیم کنید تا حجم آن به دست آید. چگالی روغن مایع را تقریبا 0/9 گرم بر سانتی‌مترمکعب در نظر بگیرید.

پرسش‌های آزمایش
1. ضخامت لایه‌ی روغن بر روی سطح آب تقریباً چند نانومتر است؟
2. اگر سطح سینی بسیار بزرگ باشد و روغن بدون هیچ محدودیتی بتواند روی سطح آب گسترش یابد، ضخامت لایه‌ی روغن تقریباً به اندازه‌ی قطر یک مولکول روغن می‌شود. قطر مولکول روغن را چند نانومتر برآورد می‌کنید؟
3. چند مایع دیگر نام ببرید که بتوان قطر مولکول آن‌ها را به این روش محاسبه کرد؟

آزمایش دوم: نانوپوشش بر روی سطح جامد
با توجه به این آزمایش ملاحظه کردیم که با انجام آزمایش‌های ساده هم می‌توان به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها دسترسی پیدا کرد. ما در این آزمایش با انجام چند کار ساده توانستیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را بر روی سطح آب تشکیل دهیم.
اکنون می‌خواهیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را روی یک سطح جامد مثلاً یک فلز تشکیل دهیم. چه روشی پیشنهاد می‌کنید؟ ابتدا اندکی فکر کنید و سپس آزمایش زیر را انجام دهید.

مواد و وسایل مورد نیاز
مواد و وسایل آزمایش قبلی به علاوه‌ی یک هیتر (گرم‌کن الکتریکی)

شرح آزمایش
سینی آزمایش قبلی را که حاوی یک لایه‌ی روغن بر روی سطح آب است به آرامی بر روی یک گرم‌کن الکتریکی قرار دهید. صبر کنید تا آب درون سینی کاملاً تبخیر شود. (هر چه آب درون سینی کم‌تر باشد، آب سریع‌تر تبخیر می‌شود.) پس از تبخیر آب، یک لایه‌ی چند نانومتری روغن بر روی سطح سینی تشکیل می‌شود.
پوشش دادن یک سطح توسط ماده‌ی دیگر، از کارهایی است که در فناوری نانو بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار موجب تغییر بعضی خواص سطوح می‌شود. به عنوان مثال، در صنعت نساجی پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات نقره (nanosilver) موجب می‌شود تا پارچه‌ها و لباس‌ها خواص ضد عفونی کننده (آنتی باکتریال) پیدا کنند. و یا پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2)که موجب می‌شود پارچه‌ها و لباس‌ها خواص آب‌گریزی پیدا کنند و آب و بسیاری مایعات دیگر موجب تر شدن و بنابراین، لک شدن آن‌ها نشوند. یا مثلاً در صنعت خودروسازی، پوشش دادن بدنه‌ی خودروها با برخی نانوذرات موجب افزایش سختی آن‌ها می‌شود. بنابراین، بدنه‌ی این خودروها در برابر خَش و خوردگی مقاوم می‌شوند. و یا در صنعت لوازم بهداشتی، پوشش دادن سرامیک‌ها و رنگ‌های بیمارستانی با استفاده از نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضدعفونی‌کننده (آنتی‌باکتریال) در دیوارها و کف بیمارستان‌ها و آزمایش‌گاه‌ها می‌شود و هم‌چنین بسیاری موارد دیگر.
پوشش دادن سطح یک ماده توسط ماده‌ی دیگر را اصطلاحا پوشش دادن یا کُت کردن (coat) می‌گوییم.

پرسش‌های آزمایش
1. علاوه بر آن چه بیان شد، چند مثال واقعی دیگر از کاربرد پوشش دادن سطح توسط یک ماده‌ی دیگر بیان کنید. در هر مورد بگویید که این کار چه خواص جدیدی را برای آن سطح ایجاد می‌کند.
2. یک آزمایش ساده طراحی کنید که بتوان سطح یک فلز را با یک لایه‌ی چند نانومتری از نمک طعام پوشش دهیم. سعی کنید این آزمایش را انجام دهید.

فناوری نانو و شیمی

با استفاده از فناوری نانو می‌توان کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالا تولید کرده و راندمان را در واحدهای شیمیایی به میزان بسیار زیادی افزایش داد. سلولهای خورشیدی کوانتومی با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز ، نسل جدید باتریها ، پوششهای بسیار مقاوم ، رنگهای بی‌نیاز از شستشو و تحولات خارق‌العاده دیگر در دنیای شیمی و تولید ، از دیگر کاربردهای فناوری نانو ، می‌باشند که قابلیت ایجاد تحول در نحوه زندگی انسان خواهد داشت. به همین ترتیب ، می‌توان کاربردهای بسیاری را در سایر شاخه‌های علوم و فناوری برای فناوری نانو نام برد.

فناوری نانو و پزشکی

همانگونه که می‌دانید روش معمولی درمان دارویی ، بدین صورت است که ماده موثر را وارد بدن می‌کنند و این ماده علاوه بر سلولهای مریض به سلولها و بافتهای سالم بدن نیز سرایت می‌کند. این امر ، باعث مصرف بسیار بالای دارو شده و مهمتر اینکه موجب آسیب رساندن به بافتهای سالم بدن نیز می‌گردد. محققان با استفاده از فناوری نانو ، در حال ساخت کپسولهایی با ابعاد نانومتری هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصورشان قدرت تشخیص بافتهای مریض را داشته ، دقیقا روی این بافتها قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها می‌رسانند.

این پدیده را دارو رسانی (drug delivery) گویند. فناوری نانو همچنین راه را برای ساخت اندامکهای سازگار با بدن بسیار هموارتر ساخته و بسیاری از امراض غیر قابل علاج را درمان پذیر خواهد کرد. در مورد درمان سرطان نیز محققان در حال ساخت نانو ذراتی هستند که به محض ورود به بدن ، بافتهایسرطانی را حتی اگر به اندازه چند سلول باشند، شناسایی کرده و از بین می‌برند. این امر موجب خواهد شد که بافتهای سرطانی در همان روزهای ابتدای شکل گیری ، شناسایی شده و از بین بروند. بطور کلی در سالهای آینده پیشگیری ، تشخیص و درمان بیماریها نسبت به آنچه امروزه به عنوان پزشکی خوانده می‌شود، بسیار متفاوت خواهد شد.

 آغاز نانوتكنولوژي 

نانو تكنولوژي از يك رشته علمي خاص مشتق نمي شود. با وجودي كه نانو تكنولوژي بيشترين وجه مشترك را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملكول شالوده بسياري از علوم است و در نتيجه دانشمندان حوزه هاي علمي به آن جذب مي شوند. برآورد مي شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تكنولوژي كار مي كنند. تحقيقات در مقياس بسيار ريز در رشته هاي الكترونيك، نوروبيوتكنولوژي به ترتيب نانوالكترونيك، نانو اپتيكس و نانو بيوتكنولوژي نيز ناميده مي شود. 

پيشوند نانو از كلمه يوناني به معناي كوتوله مشتق مي شود. براساس برآورد شركت لاكس ريسرچ در نيوريورك، بودجه كل تحقيق و توسعه نانو تكنولوژي دولت ها و شركت ها در سراسر جهان در سال 2004 بيش از 6/8ميليارد دلار بود. نيمي از اين بودجه از جانب دولت ها تأمين مي شد. اما به پيش بيني لاكس ريسرچ در سال هاي آينده، شركت ها احتمالاً بودجه بيشتري از دولت ها صرف اين علم خواهند كرد. 

در آمريكا، پس از طرح فرستادن انسان به كره ماه، نانو تكنولوژي بيشترين بودجه را از دولت فدرال دريافت كرده است. در سال ،2004 دولت آمريكا 6/1ميليارد دلار صرف نانو تكنولوژي كرد، يعني دو برابر بودجه طرح ژنوم انسان در اوج انجام آن. در سال 2005 قرار است 982ميليون دلار ديگر صرف آن شود. در مكان دوم بودجه نانو تكنولوژي ژاپن قرار دارد. بسياري از كشورهاي در حال توسعه مانند هند، چين، آفريقاي جنوبي و برزيل جزو كشورهايي هستند كه بيشترين بودجه را در اين زمينه صرف مي كنند. 

در خلال شش سال پيش از ،2003 سرمايه گذاري در نانو تكنولوژي توسط سازمان هاي دولتي هفت برابر شده است. اين حجم سرمايه گذاري انتظارات را به اندازه اي افزايش داده است كه شايد قابل تحقق نباشد. برخي معتقدند شركت هاي نانو تكنولوژي مانند حباب شركت هاي اينترنت در سال هاي اخير از بين خواهند رفت. اما دلايلي وجود دارد كه نشان مي دهد درباره مخاطرات آن گزافه گويي شده است. سرمايه گذاران خصوصي اكنون بسيار محتاط تر از دوره رونق شركت هاي اينترنت هستند و بيشتر پولي كه دولت ها در اين زمينه اختصاص مي دهند، صرف علوم پايه و فناوري هايي مي شود كه تا سال ها در اختيار همگان قرار نخواهد گرفت. 

با اين حال كيفيت برخي محصولات موجود با كاربرد نانو تكنولوژي بهبود يافته است و در چند سال آينده بر تعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ريز نقره، بانداژ ضد سوختگي خاصيت ضد ميكروبي پيدا كرده است. با اتصال ملكول هاي ايجاد كننده مانع به فيبر پنبه، پارچه هايي توليد شده است كه ضد لكه و بو است. راكت هاي تنيس با افزودن ذرات ريز تقويت شده است. در درازمدت نانو تكنولوژي به نوآوري هاي بزرگتري خواهد انجاميد، از جمله انواع جديد حافظه كامپيوتر، فناوري پزشكي و روش هاي توليد انرژي بهتر مانند سلول هاي خورشيدي. 

طرفداران اين فناوري مي گويند نانو تكنولوژي به توليد انرژي پاك و توليد بدون مواد زائد و غيره خواهد انجاميد. مخالفان آن معتقدند نانوتكنولوژي باعث ايجاد نوعي نظام شناسايي بين المللي و آسيب به فقرا، محيط زيست و سلامت انسان خواهد شد. به نظر مي رسد هر دو گروه در مورد استدلال هاي خود گزافه گويي مي كنند، اما به هرحال بايد از نانو تكنولوژي استقبال كرد. 

 باطري‌ها و ابرخازن‌ها

پيشرفت‌هاي اخير در فناوري باطري استفاده از وسايل نقليه الكتريكي را عملي‌تر كرده است. هنوز مشكل در اين زمينه، زمان شارژ مي‌باشد. فناوري‌نانو مي‌تواند راه حلي براي اين مشكل پيدا كند به طور كه وسايل نقليه بتوانند كمتر از 10 دقيقه شارژ شوند، كه اين زمان با زمان سوخت‌گيري ماشين‌هاي كنوني قابل مقايسه است.

همچنين فناوري‌نانو مي‌تواند باعث افزايش ذخيره بار در باطري‌ها و بهبود عمر آنها شود. استفاده از وسايل نقليه الكتريكي، منجر به كاهش انتشار گاز گلخانه‌اي Co2 مي‌شود.