نانوتکنولوژی Nanotechnology و کاربرد آن در کشاورزی (بخش اول)
مطابق تعریف اگر یک میلیمتر به یک میلیون قسمت تقسیم شود، به هر جزء حاصل یک نانومتر گویند. برای درک بهتر نسبت میان نانومتر و متر، می‌توان نسبت میان آن دو را مانند نسبت یک تیله به کره زمین دانست. در مقیاس زیستی، نانومتر کوچکترین واحد اندازه گیری است بعنوان مثال فاصله میان دو اتم کربن (درپیوند کربن- کربن) برابر با 12 تا 15 نانومتر، طول کوچکترین باکتری سلول دار یافت شده برابر با 200 نانومتر و قطر مارپیچ دوگانه DNA برابر با 2 نانومتر است.
عبارت "نانوتکنولوژی" برای نخستین بار در مقاله نگاشته شده توسط پروفسور Norio Taniguchi از دانشگاه علوم توکیو در سال 1974بکار برده شد. او این عبارت را بصورت "نانوتکنولوژی عمدتاً شامل فرآیند جداسازی، ادغام و تغییر حالت مواد بصورت اتم به اتم و یا مولکول به مولکول است" تعریف کرد. بعدها این تعریف کامل‌تر شد و هم اکنون نانو فناوری (نانو تکنولوژی) بصورت "طراحی، تعیین ویژگی‌ها، تولید و کاربرد مواد، ابزارآلات و سیستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو" و یا "دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو با هدف تولید مواد، ابزار و سیستم‌هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردی جدید (بدلیل غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک)" تعریف می‌شود.
از اوایل دهه 80 میلادی به سبب توجه مجدد به علوم مرتبط به کلوئیدها و معرفی نسل جدیدی از ابزارهای آنالیز میکروسکوپی، مانند میکروسکوپ نیروی اتمیAtomic Force Microscope (AFM)و میکروسکوپ تونلی روبشی STM) Scanning Tunneling Microscope)، بهره گیری از فناوری نانو مورد توجه قرار گرفت. این ابزارها در ترکیب با فرآیندهای بهبود یافته تعیین پرتوهای منتشره از مولکول‌ها و الکترون‌ها مانند electron beam lithography و molecular beam epitaxy، امکان دست ورزی دقیق نانوساختارها و همچنین امکان مشاهده پدیده‌های بدیع را فراهم می‌کنند.
رویه‌های اصلی مورد استفاده در نانو ذرات:
1- رویه پایین به بالا: براساس این رویه، مواد و وسایل از اجزای مولکولی که بطور شیمیایی و براساس اصول شناخت مولکولی، با یکدیگر اسمبل شده‌اند (سرهم بندی شده‌اند)، بدست می‌آیند. از کاربردهای این رویه که در آن اجزای کوچکتر بصورت کمپلکس های بزرگتر مرتب می‌شوند، می‌توان به DNA نانو تکنولوژی اشاره کرد که در آن اختصاصی بودن جفت بازهای واتسون- کریک برای ایجاد ساختارهای DNA و دیگر اسیدهای نوکلئیک بکار گرفته می‌شود.
تکنیک‌های پایین به بالا، که ساختارهای بزرگتر را بصورت اتم به اتم و یا مولکول به مولکول می‌سازند، شامل سنتز شیمیایی، سرهم بندی خود به خود و سرهم بندی موضعی می‌باشند. نسخه دیگر رویه پایین به بالا، Molecular Beam Epitaxy یا MBE است که از اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70 میلادی بکار گرفته شد. MBE به دانشمندان امکان می‌دهد که بطور اتوماتیک و دقیق لایه‌های اتمها را بر روی یکدیگر قرار داده و ساختارهای پیچیده را بسازند. MBE برای تحقیق در مورد نیمه رساناها مهم است و همچنین بطور گسترده برای تولید نمونه‌ها و وسایل برای رشته نوظهور spintronics بکار می‌رود.
2- رویه بالا به پایین: اشیای نانو از مواد بزرگتر، بدون کنترل سطح اتمی، ساخته می‌شوند. این رویه که در آن وسایل کوچکتر بوسیله سرهم بندی مستقیم وسایل بزرگتر ساخته می‌شوند، از جمله برای تولید ریز پردازنده‌ها بر اساس تکنیک‌های سیلیکون حالت جامد استفاده می‌شود.
در رویه بالا به پایین که نانووسایل باید بصورت قطعه قطعه در طی مراحل مختلف ساخته شوند، Scanning probe microscopy یک تکنیک مهم برای شناسایی خصوصیات و سنتز نانومواد است. میکروسکوپ‌های نیروی اتمی و تونلی روبشی برای نگریستن به ساختارها و به حرکت در آوردن اتمها به اطراف استفاده می‌شود. بوسیله طراحی سرها (Tipهای) مختلف برای این میکروسکوپ‌ها، می‌توان آنها را برای درج ساختارها بر روی سطوح و کمک به سرهم بندی خودبخود ساختارها، مورد استفاده قرار داد. برای مثال با استفاده از روش feature-oriented scanning-positioning، می‌توان اتمها را با تکنیک‌های Scanning probe microscopy، بر اطراف یک سطح بحرکت در آورد. در حال حاضر، این تکنیک برای تولید انبوه، گران و زمانبر است، اما برای مقاصد آزمایشگاهی بسیار مناسب است.
روش‌های ساخت نانو ذرات:
چگالش از یک بخار: شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که بصورت پودر ته نشین می‌شوند.
سنتز شیمیایی: شامل رشد نانو ذرات در یک محیط مایع حاوی انواع واکنشگرهاست.
فرآیندهای حالت جامد: از روش فرآیندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن)، می‌توان برای ایجاد نانو ذرات استفاده کرد.
دلیل عمده توجه به فناوری نانو در سالهای اخیر این است که می‌توان ذرات نانو را با تراکم بالا و قطر مورد نظر (بسیار کم) اسمبل کرد لذا نسبت سطح به حجم افزایش یافته و دقت سنسورهای مورد نظر افزایش می‌یابد. یکی از جدیدترین کاربردهای فناوری نانو، تولید چاقوی با لبه پوشانده شده با نانوذرات است، تراکم اتمها در لبه تیز این چاقو به نحوی است که اتمها پیوندهای مستحکم بین خود را برای همیشه حفظ کرده و بنابراین کندشدن لبه چاقو، بدلیل استفاده زیاد از آن، هیچ گاه رخ نخواهد داد و لبه چاقو برای همیشه تیز خواهد ماند.
شاخه‌های بنیادین نانو فناوری
می‌توان موارد زیر را شاخه‌های بنیادین نانو فناوری دانست:
1- نانوروکش‌ها
2- نانو مواد
2-1 نانو پودرها
2-2 نانولوله‌ها (نانو تیوب‌ها)
2-3 نانوکامپوزیت‌ها
2-4 نانو کریستال‌ها: نانو کریستال‌ها برای تصفیه نفت خام بصورت سوخت دیزل بکار می‌روند. همچنین می‌توان آنها را بصورت لایه مانند در آورد و بعنوان مواد انعطاف پذیر برای تولید پانل‌های خورشیدی بکار برد. در صنایع اپتیکی نیز از پوشش نانو کریستال Nano Crystal Coating استفاده می‌شود، زیرا استفاده از ذرات بسیار ریز در حد نانومتر باعث بهبود عملکرد ضد انعکاس لنز می‌شود. با مشاهده عکس‌های زیر می‌توان به تأثیر فوق‌العاده پوشش نانو کریستال در رفع انعکاس‌های ناخواسته پی برد:
3
3- مهندسی مولکولی
3-1 موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)
4- نانوالکترونیک
4-1 نانو سیم‌ها
4-2 نانوحسگرها (نانو سنسورها)
4-3 نانوترانزیستورها
از شاخه‌های جدید نانو فناوری می‌توان به نانو فناوری سبز Green nanotechnology اشاره کرد که هدف از آن توسعه فن آوری‌های سبز بمنظور به حداقل رساندن خطرات زیست محیطی از طریق تولید و کاربرد محصولات نانو تکنولوژی، که در طول چرخه حیات خود نسبت به سایر محصولات بیشتر دوستدار محیط زیست هستند، بعنوان جایگزین محصولات موجود است. برای مثال، غشاهای در اندازه نانو می‌توانند به جداسازی محصولات مطلوب واکنشهای شیمیایی از مواد زاید کمک کنند. همچنین کاتالیست‌های نانو می‌توانند به انجام واکنشهای شیمیایی سودمند تر و با تولید مواد زاید کمتر کمک کرده و نانو سنسورها می‌توانند بعنوان بخشی از سیستمهای کنترل فرآیند، از آلودگی احتمالی مواد غذایی و آشامیدنی خبر دهند. استفاده از نانوذرات برای تولید پیل‌های سوختی و لامپ‌های LED که انرژی کمی مصرف می‌کنند، نمک زدایی از آب و سایر موارد مشابه نیز مورد توجه قرار دارد.
کاربردهای عمومی نانوذرات:
زمینه‌های کاربرد نانو ذرات عبارتند از: تولید مواد کامپوزیت، کامپوزیت‌های ساختاری، کاتالیزورها، صنایع بسته بندی، روکش‌ها، افزودنی‌های سوخت و مواد منفجره، ساینده‌ها، روان کننده‌ها، پزشکی و داروسازی، دارو رسانی، محافظت کننده‌ها، آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی، لوازم آرایشی و تولید باتری‌ها و پیل‌های سوختی.
