فناوری نانو چیست؛ کاربرد های فناوری نانو

نانوتکنولوژی به شاخه‌ای از علم و مهندسی اطلاق می‌شود که به طراحی، تولید و استفاده از ساختارها، دستگاه‌ها و سیستم‌ها ازطریق دستکاری اتم‌ها و مولکول‌ها در مقیاس نانو می‌پردازد (یعنی داشتن یک یا چند بُعد در اندازه ۱۰۰ نانومتر یا ۱۰۰ میلیونیوم میلی‌متر یا کمتر).

در طبیعت نمونه‌های فراوانی از ساختارهای دارای یک یا تعداد بیشتر بعد نانومتری وجود دارد و بسیاری از فناوری‌ها به‌طور اتفاقی سال‌ها است شامل چنین نانوساختارهایی می‌شوند، اما دانشمندان اخیرا به‌طور عمدی کار روی چنین ساختارهایی را آغاز کرده‌اند.

بسیاری از کاربردهای نانوتکنولوژی شامل مواد جدیدی می‌شود که نسبت‌به مواد مشابه ساخته‌شده در اندازه‌های بزرگ‌تر دارای خواص بسیار متفاوت و اثرات جدیدی هستند. علت این مساله نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانوذرات درمقایسه‌با ذرات بزرگ و ناشی از اثراتی است که در مقیاس کوچک ظاهر می‌شوند اما در مقیاس‌های بزرگ‌تر مشاهده نمی‌شوند.

فناوری نانو مدت‌ها است توسط بخش‌های صنعتی ازقبیل بخش‌های اطلاعات و ارتباطات مورد توجه قرار گرفته است، اما در بخش صنایع غذایی، انرژی و همچنین برخی از محصولات پزشکی نیز به کار می‌رود. نانومواد همچنین فرصت‌هایی جدیدی را برای کاهش آلودگی محیطی ارائه می‌کنند.

فناوری نانو امکان ساخت موادی را فراهم می‌کند که می‌توانند بسیاری از حوزه‌های تولید را متحول کنند. به‌عنوان مثال، نانولوله‌ها و نانوذره‌ها (لوله‌ها و ذراتی به عرض فقط چند اتم) و آئروژل‌ها (مواد بسیار سبک و قوی با ویژگی‌های عایق‌کنندگی قابل‌توجه) می‌توانند راه را برای توسعه‌ی تکنیک‌های جدید و محصولات برتر هموار کنند. علاوه‌بر‌این، ربات‌هایی که طول آن‌ها می‌تواند فقط چند نانومتر باشد و نانوربات نامیده می‌شوند و همچنین نانوکارخانه‌ها که می‌توانند به ساخت مواد و اشیاء جدید کمک کنند، از دیگر کاربردهای نانوفناوری هستند. نانوفکتوری یا نانوکارخانه سیستم پیشنهادی است که در آن نانوماشین‌ها (چیزی شبیه مونتاژکننده‌های مولکولی یا بازوهای ربات صنعتی) مولکول‌های واکنش‌پذیر را ازطریق سنتز مکانیکی با هم ترکیب می‌کنند تا قطعات اتمی دقیق بزرگ‌تری را بسازند.

در سال ۲۰۲۱، گروه علوم و مهندسی مواد موسسه فناوری ماساچوست اعلام کرد که کلاس جدیدی از مولکول‌های مصنوعی دو بعدی را ایجاد کرده است که به‌طور خودبه‌خود به شکل نانوارهایی درمی‌آیند که از فولاد محکم‌تر هستند. تلاش‌های گذشته برای ایجاد نانونوار همیشه به فرایندهای زیستی وابسته بود که در طول زمان تخریب می‌شوند. مولکول‌های جدید حتی وقتی بیرون از آب قرار دارند، تجزیه نمی‌شوند.

نانوذراتی مانند نقره مخلوط‌شده با پلیمر برای افزایش کیفیت مواد بسته‌بندی غذاها و درنتیجه افزایش ماندگاری مواد غذایی استفاده می‌شود. این مواد موجب ماندگاری بیشتر و حفظ طعم غذا می‌شوند. علاوه‌براین، بسته‌بندی‌های هوشمند که درجریان آن تغییرات زیستی که در غذا رخ داده است، شناسایی می‌شود، نیز یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو است.

نانوفناوری در کشاورزی و تجارت کشاورزی نیز نقش مهمی دارد. اهمیت فناوری نانو در فرآوری مواد غذایی را می‌توان با توجه به نقش آن در بهبود محصولات غذایی ازنظر موارد زیر ارزیابی کرد:

• بافت غذا
• ظاهر غذا
• طعم غذا
• ارزش تغذیه‌ای غذا
• ماندگاری مواد غذایی

با پیشرفت تکنولوژی، تلویزیون‌ها و گوشی‌های تلفن بزرگ و زمخت جای خود را به تلفن‌ها و تلویزیون‌های شیک داده‌اند. علاوه‌بر‌این، با استفاده از نانوموادی مانند گرافن، صفحات تلویزیون نازک، سبک و با کیفیت‌تری ساخته شده‌اند که انرژی کمتری نیز مصرف می‌کنند.

فناوری نانو می‌تواند موجب پیشرفت‌های بزرگی در حوزه پزشکی شود. نانوربات‌ها را می‌توان به شریان‌های بیمار فرستاد تا انسدادها را برطرف کنند.

درمان‌ها و داروهای مختلف بیماری‌های مزمنی مانند سرطان، تومور مغزی و موارد دیگر عوارض جانبی شدیدی روی بیماران دارند. برای غلبه بر این مساله، از نانوذراتی استفاده می‌شود که به کمک آن‌ها دارو به جای اینکه کل بدن را مورد هدف قرار دهد، فقط سلول‌های آلوده را هدف قرار می‌دهد.

به کمک فناوری نانو، جراحی‌ها می‌توانند بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر انجام شوند. آسیب‌ها را می‌توان سلول به سلول ترمیم کرد. حتی ممکن است با اصلاح ژن‌های آسیب‌دیده بتوان بیماری‌های ژنتیکی را درمان کرد. فناوری نانو همچنین می‌تواند برای اصلاح تولید دارو و افزایش کارآیی و کاهش عوارض جانبی داروها مورد استفاده قرار گیرد. همچنین طیف وسیعی از نانومواد برای افزایش کارآیی دستگاه‌های تصویربرداری استفاده می‌شود.

پژوهشگران دانشگاه رود آیلند آمریکا در سال ۲۰۲۱ بانداژ هوشمندی را ساختند که می‌تواند با استفاده از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره عفونت زخم‌ها را تشخیص دهد. نانولوله‌ها می‌توانند با تشخیص غلظت هیدروژن پراکسید عفونت را تشخیص دهند. دستگاه پوشیدنی مینیاتوری به صورت بی‌سیم باند را تحت نظارت دارد و داده‌ها به گوشی هوشمند منتقل می‌شود و درصورت تشخیص عفونت به بیمار یا ارائه‌دهنده مراقبت‌های بهداشتی هشدار داده می‌شود.

برای اینکه پارچه‌ای در تمام فصول پوشیدنی، عاری از چروک و عاری از بو باشد، از پارچه‌های با ذرات نقره و تیتانیوم به اندازه نانو استفاده می‌شود. این امر منجر به تولید پارچه‌های سبک، نازک و تنفس‌پذیر شده است. کاربردهای دیگر نانوفناوری در این صنعت شامل تولید پارچه‌های ضدلک و افزایش دوام آن‌ها است.

صنعت خودروسازی یکی دیگر از صنایعی است که در آن کاربردهای فناوری نانو مشهود است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری در لاستیک‌ها استفاده شده است تا دربرابر سایش مقاوم‌تر شوند. علاوه‌براین، افزودن نانوذراتی نظیر نانوکره‌های تنگستن به مایعات خودرو ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها را تقویت کرده است.

با استفاده از نانومواد راکت‌ها و توپ‌های با کیفیت و به‌طورکلی لوازم ورزشی بادوام و سبک ساخته می‌شود.

افزایش کیفیت آب یکی از بهترین کاربردهای فناوری نانو است که در آن از نانوذرات خاص روی فیلترهای غشایی برای بهبود کیفیت آب و حذف مواد شیمیایی و ضایعات صنعتی مانند تری‌کلرواتیلن از آب رودخانه‌ها و آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شود. استفاده از فناوری نانو برای تصفیه آب رویکردی بسیار کارآمد و مقرون‌به‌صرفه است.

حوزه دیگری که کاربردهای فناوری نانو در آن قابل مشاهده است، حوزه‌ی علوم و تحقیقات فضایی است. جدا از این مساله که به کمک این مواد می‌توان ساختار بیرونی ماهواره‌ها را سبک‌تر و بادوام‌تر ساخت، گروه‌هایی از پژوهشگران درحال استفاده از نانولوله‌های کربنی برای کاهش سوخت فضاپیما هستند.

کاهش کیفیت هوا به مشکلی جهانی تبدیل شده است و به این منظور، از نانومواد به‌طور گسترده استفاده می‌شود. از یک سو غشاهای پوشیده با نانوموادی نظیر اکسید گرافن برای جدا کردن آلاینده‌ها از هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، پژوهش‌هایی برای افزایش کارآیی کاتالیزورها درحال انجام است که می‌تواند به کاهش اثر آلاینده‌های موجود در هوای ناشی از کارخانه‌های صنعتی گرفته تا خودروها، تهویه مطبوع و موارد دیگر کمک کند. چنین کانالیزورهایی که از نانوذرات ساخته شده‌اند، سطح بزرگی را برای واکنش مواد شیمیایی فراهم می‌کنند.

با استفاده از نانوموادی مانند نانوسیم‌های اکسید روی، نانولوله‌های کربنی و همچنین نانوذرات پالادیوم حسگرهای مختلفی طراحی شده‌اند که می‌توانند حتی کوچک‌ترین مقادیر مواد شیمیایی خطرناک را شناسایی کنند. این امر با بهبود خواص الکتریکی این مواد در سطح نانو ممکن شده است.

فناوری نانو نقش مهمی در پیشرفت الکترونیک و کامپیوترهایی ایفا کرده است که منجر به سیستم‌های قابل حمل سریع‌تر با توانایی ذخیره‌سازی حجم زیادی از اطلاعات شده است. در این حوزه، به کمک نانوفناوری پیشرفت‌های زیر حاصل شده است:

• ترانزیستورها ازنظر اندازه کوچکتر شده‌اند
• حافظه با دسترسی تصادفی مقاومتی مغناطیسی (MRAM) تولید شده است که می‌تواند به راحتی راه اندازی یا بوت شود.
• مواد خطرناک مورد استفاده در فیوزهای الکترونیکی با سوسپانسیون‌های نانوذرات مس جایگزین شده‌اند.

قدرت نانوتکنولوژی رویکردهای انرژی جایگزین را برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد جهان برای انرژی افزایش داده است. دانشمندان به دنبال ایده‌ها و ابزارهایی برای کاهش مصرف انرژی و کاهش بار سمی آن بر محیط زیست هستند.

• فناوری نانو به کمک کاتالیزورهای بهتر راندمان تولید سوخت از مواد خام نفتی را افزایش داده است.
• پژوهشگران درحال استفاده از از تصفیه‌کننده‌های مبتنی بر نانولوله کربنی برای جداسازی کربن‌دی‌اکسید از اگزوز نیروگاه‌ها هستند.
• باتری‌هایی با استفاده از فناوری نانو با هدف شارژ و کارآیی بهتر درحال توسعه هستند.
• تیغه‌های توربین بادی با استفاده از نانولوله‌های کربنی حاوی اپوکسی ساخته می‌شود تا میزان برق تولید‌شده توسط توربین های بادی افزایش یابد.

از فناوری نانو برای کمک به پاکسازی محیط زیست و تشخیص آلاینده‌ها استفاده می‌شود.

• از نانوتکنولوژی برای تشخیص و تصفیه ناخالصی‌های موجود در آب استفاده می‌شود.
• مهندسان غشای نازک دارای نانوحفره را برای نمک‌زایی کارآمد از نظر انرژی توسعه داده‌اند.
• از نانوذرات همچنین برای پاکسازی آلاینده‌های صنعتی آب که در آب‌های زیرزمینی تجمع پیدا می‌کنند، استفاده می‌شود.
• حوله‌های نانویی توسط پژوهشگران ساخته شده است که می‌توانند ۲۰ برابر وزن خود روغن جذب کنند و درزمینه‌ی پاکسازی کاربرد دارند.

از مهمترین مزایای فناوری نانو می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دوام
• سبکی
• استحکام
• قیمت مناسب
• دقت بالا
• کارآیی بالا
• کوچک بودن اندازه دستگاه‌ها
• سرعت بالاتر
• استفاده از باتری‌های کوچک‌تر

برخی از سناریوهای منفی عجیب مربوط به آینده توسط متحصصان نانوتکنولوژی رد شده است. برای مثال سنارویی موسوم به گری گو (gray goo) که در آن نانوربات‌های خودتکثیرشونده هر چیز اطراف خود را مصرف می‌کنند تا نسخه‌هایی از خود را بسازند، زمانی به‌طور گسترده مورد بحث قرار گرفت اما دیگر تهدید واقعی محسوب نمی‌شود. با‌این‌حال، ممکن است اثرات زیست‌محیطی منفی وجود داشته باشد، زیرا این احتمال وجود دارد که آلاینده‌ها و سمومی جدید توسط فناوری نانو تولید شود. نانوذرات ممکن است در محیط پراکنده شده و در آن باقی بمانند و روی محیط زیست تاثیر نامطلوب داشته باشند.

مواد نانو ممکن است خطرات جدیدی برای سلامتی انسان به همراه داشته باشند. انسان مکانیسم‌هایی برای محافظت دربرابر عوامل محیطی با اندازه‌های مختلف ایجاد کرده است. اگرچه، تا این اواخر هرگز درمعرض نانوذرات مصنوعی و ویژگی‌های خاص آن‌ها قرار نگرفته بود. بنابراین، مکانیسم‌های دفاعی طبیعی انسان که برای مثال با سیستم ایمنی و سیستم التهابی بدن مرتبط است، ممکن است نتواند به‌خوبی دربرابر این نانوذرات واکنش نشان دهد.

این احتمال وجود دارد که فناوری نانو مانند سایر فناوری‌های پیش از آن تغییرات عمده‌ای را در بسیاری از حوزه‌های اقتصادی ایجاد کند. اگرچه محصولات ساخته‌شده توسط فناوری نانو در ابتدا کالاهای لوکس یا گران‌قیمت و تخصصی خواهند بود، وقتی دسترس‌پذیری آن‌ها افزایش پیدا کند، تاثیر آن‌ها بر بازارها بیشتر احساس خواهد شد. برخی از فناوری‌ها و مواد ممکن است منسوخ شوند و تعطیلی شرکت‌هایی را به دنبال داشته باشند که درزمینه‌ی موارد مذکور تخصص دارند. تغییر در فرایند تولید درنتیجه‌ی فناوری نانو، ممکن است به از دست دادن شغل برخی افراد منجر شود.

نانوتکنولوژی امکان استفاده از دستگاه‌های ضبط میکروسکوپی را افزایش می‌دهد که عملاً غیرقابل شناسایی هستند. به‌طور جدی‌تر، این امکان وجود دارد که فناوری نانو بتواند به سلاح تبدیل شود. ساخت سلاح‌های اتمی ساده‌تر خواهد شد و ممکن است سلاح‌های جدیدی نیز ساخته شوند. یکی از احتمالات به «گلوله هوشمند» معروف است که گلوله‌ای کامپیوتری است که می‌تواند با دقت بالایی کنترل و به سمت هدف هدایت شود. این تحولات ممکن است برای ارتش مفید باشد، اما اگر به دست افراد نامناسب بیفتد، پیامدهای فاجعه‌باری خواهد داشت.