أريد أن أعرف كل شيء

تكنولوجيا النانو

Pin
Send
Share
Send


التاريخ

أصبح علم النانو والتكنولوجيا النانوية ممكنًا فقط في العشرينيات من القرن الماضي من خلال تطوير الأدوات الأولى لقياس البنى النانوية وصنعها. لكن التطور الفعلي بدأ باكتشاف الإلكترونات والنيوترونات التي أظهرت للعلماء أن المادة يمكن أن توجد فعليًا على نطاق أصغر بكثير مما نعتقد عادة أنه صغير و / أو ما اعتقدوا أنه كان ممكنًا في ذلك الوقت. كان في هذا الوقت عندما نشأت فضول للهياكل النانوية.

مجهر القوة الذرية (AFM) و مجهر المسح النفقي (STM) هما نسختان مبكرتان من مجسات المسح التي أطلقت تقنية النانو. هناك أنواع أخرى من الفحص المجهري للمسح الضوئي ، وكلها تتدفق من أفكار المجهر البؤري المسح الذي طوره مارفن مينسكي في عام 1961 والمجهر الصوتي المسح (SAM) الذي طورته كالفن كيت وزملاء العمل في سبعينيات القرن الماضي ، مما أتاح رؤية الهياكل في النانو. غيض من مسبار المسح يمكن أن تستخدم أيضا لمعالجة الهياكل النانوية (عملية تسمى التجميع الموضعي). يبدو أن منهجية تحديد موضع المنحى التي تعتمد على الميزة والتي اقترحها روستيسلاف لابشين هي طريقة واعدة لتنفيذ هذه المعالجات النانوية في الوضع التلقائي. ومع ذلك ، لا تزال هذه عملية بطيئة بسبب سرعة المسح الضوئي المنخفضة للمجهر. كما تم تطوير تقنيات مختلفة من الطباعة النانوية مثل الطباعة النانومترية بالقلم الجاف أو الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون أو الطباعة الحجرية ذات الطباعة النانوية. الطباعة الحجرية هي تقنية تصنيع من أعلى إلى أسفل حيث يتم تقليل حجم المادة السائبة إلى نمط النانو.

كانت أول مفاهيم مميزة في تقنية النانو (لكن الاستخدام السابق لهذا الاسم) هي "هناك الكثير من الغرفة في القاع" ، وهو حديث ألقاه الفيزيائي ريتشارد فاينمان في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية في كالتك في 29 ديسمبر 1959 1. وصف فاينمان عملية يمكن من خلالها تطوير القدرة على التعامل مع الذرات والجزيئات الفردية ، باستخدام مجموعة من الأدوات الدقيقة لبناء وتشغيل مجموعة أصغر نسبيا ، وهكذا وصولا إلى النطاق المطلوب. وأشار إلى أنه في أثناء ذلك ، ستنشأ قضايا التوسع من الحجم المتغير للظواهر الفيزيائية المختلفة: ستصبح الجاذبية أقل أهمية ، والتوتر السطحي وجاذبية Van der Waals ستصبح أكثر أهمية. تبدو هذه الفكرة الأساسية ممكنة ، والتجمع الأسي يعززها بالتوازي لإنتاج كمية مفيدة من المنتجات النهائية.

ثمانية allotropes من الكربون

تم تعريف مصطلح "تكنولوجيا النانو" من قبل أستاذ العلوم بجامعة طوكيو نوريو تانيجوتشي في ورقة عام 1974 2 على النحو التالي: "تقنية النانو" تتكون أساسًا من معالجة المواد وفصلها وتوحيدها وتشوهها بواسطة ذرة واحدة أو بواسطة جزيء واحد. " في الثمانينيات تم استكشاف الفكرة الأساسية لهذا التعريف بعمق أكبر من قبل الدكتور ك. إريك دريكسلر ، الذي عزز الأهمية التكنولوجية لظواهر النانو والأجهزة من خلال الخطب والكتاب محركات الخلق: عصر تكنولوجيا النانو3، وهكذا اكتسب المصطلح حاسة الحال.

بدأت تكنولوجيا النانو وعلم النانو في أوائل الثمانينيات من القرن الماضي مع تطورين رئيسيين ؛ ولادة علم الكتلة واختراع مجهر المسح النفقي (STM). أدى هذا التطور إلى اكتشاف الفوليرين في عام 1986 وأنابيب الكربون النانوية بعد بضع سنوات. في تطور آخر ، تمت دراسة توليف وخصائص البلورات النانوية شبه الموصلة. وأدى ذلك إلى زيادة سريعة في عدد الجسيمات النانوية لأكسيد المعادن في النقاط الكمومية. تم اختراع مجهر القوة الذرية بعد خمس سنوات من اختراع STM. يستخدم AFM القوة الذرية "لرؤية" الذرات.

مفاهيم اساسية

نانومتر واحد (نانومتر) هو المليار ، أو 10-9 من متر. للمقارنة ، فإن أطوال رابطة الكربون - الكربون النموذجية ، أو التباعد بين هذه الذرات في جزيء ما ، يتراوح في حدود 0،12-0.15 نانومتر ، ويبلغ قطر حلزون الدنا المزدوج الحلزوني حوالي 2 نانومتر. من ناحية أخرى ، فإن أصغر أشكال الحياة الخلوية ، وهي بكتيريا جنس الميكوبلازما ، يبلغ طولها حوالي 200 نانومتر.

أكبر إلى أصغر: منظور المواد

صورة لإعادة الإعمار على سطح نظيف من نوع Au (100) ، كما هو موضح باستخدام المسح المجهري للنفق. الذرات الفردية التي تشكل السطح مرئية.

يتمثل الجانب الفريد لتقنية النانو في زيادة نسبة مساحة السطح إلى حد كبير الموجودة في العديد من المواد النانوية التي تفتح إمكانيات جديدة في العلوم المستندة إلى السطح ، مثل الحفز الكيميائي. يظهر عدد من الظواهر الفيزيائية بشكل ملحوظ مع تناقص حجم النظام. وتشمل هذه الآثار الميكانيكية الميكانيكية ، وكذلك الآثار الميكانيكية الكم ، على سبيل المثال "تأثير حجم الكم" حيث يتم تغيير الخصائص الإلكترونية للمواد الصلبة مع تخفيضات كبيرة في حجم الجسيمات. هذا التأثير لا يدخل حيز التنفيذ من خلال الانتقال من الأبعاد الكلية إلى الأبعاد الصغيرة. ومع ذلك ، يصبح هو المهيمن عند الوصول إلى نطاق حجم نانومتر. بالإضافة إلى ذلك ، يتغير عدد من الخصائص الفيزيائية عند مقارنتها بالأنظمة العيانية. مثال على ذلك الزيادة في مساحة السطح لحجم المواد.

يمكن للمواد التي تم اختزالها إلى المقياس النانوي أن تُظهر فجأة خصائص مختلفة تمامًا مقارنة بما تعرضه على مقياس ماكرو ، مما يتيح تطبيقات فريدة. على سبيل المثال ، تصبح المواد غير الشفافة شفافة (النحاس) ؛ تصبح المواد الخاملة محفزات (البلاتين) ؛ مواد مستقرة بدورها قابلة للاحتراق (الألومنيوم) ؛ تتحول المواد الصلبة إلى سوائل في درجة حرارة الغرفة (الذهب) ؛ عوازل تصبح الموصلات (السيليكون). يمكن أن تعمل مادة مثل الذهب ، وهي مادة كيميائية خاملة في المقاييس العادية ، كمحفز كيميائي قوي في المقاييس النانوية. ينبع الكثير من الانبهار بالتكنولوجيا النانوية من هذه الظواهر الكمومية والسطحية الفريدة التي تهم المقاييس في النانو.

بسيطة إلى معقدة: منظور الجزيئي

وصلت الكيمياء الاصطناعية الحديثة إلى النقطة التي يمكن فيها تحضير جزيئات صغيرة لأي هيكل تقريبًا. تستخدم هذه الطرق اليوم لإنتاج مجموعة واسعة من المواد الكيميائية المفيدة مثل الأدوية أو البوليمرات التجارية. تثير هذه القدرة مسألة تمديد هذا النوع من التحكم إلى المستوى الأكبر التالي ، والبحث عن طرق لتجميع هذه الجزيئات المنفردة في مجموعات فوق الجزيئية تتكون من العديد من الجزيئات مرتبة بطريقة محددة.

تستخدم هذه الأساليب مفاهيم التجميع الذاتي الجزيئي و / أو الكيمياء فوق الجزيئية لترتيب نفسها تلقائيًا في بعض التشوهات المفيدة من خلال نهج تصاعدي. مفهوم الاعتراف الجزيئي مهم بشكل خاص: يمكن تصميم الجزيئات بحيث يتم تفضيل التشكل أو الترتيب المحدد. تعتبر القواعد الأساسية لتسيير Watson-Crick نتيجة مباشرة لذلك ، وكذلك خصوصية الإنزيم الذي يستهدف ركيزة واحدة ، أو الطي المحدد للبروتين نفسه. وبالتالي ، يمكن تصميم مكونين أو أكثر ليكون متكاملًا وجذابًا بشكل متبادل ، بحيث يصنع كليًا أكثر تعقيدًا وفائدة.

يجب أن تكون مثل هذه الأساليب من القاعدة إلى القمة قادرة على إنتاج الأجهزة بشكل متوازٍ وأرخص بكثير من الأساليب من أعلى إلى أسفل ، ولكن من المحتمل أن تطغى مع زيادة حجم وتعقد التجميع المطلوب. معظم الهياكل المفيدة تتطلب ترتيبات معقدة وذات ديناميكية غير مرجحة للذرات. ومع ذلك ، هناك العديد من الأمثلة على التجميع الذاتي على أساس الاعتراف الجزيئي في علم الأحياء ، وعلى الأخص Watson-Crick basepairing وتفاعلات الركيزة الإنزيمية. إن التحدي الذي يواجه التكنولوجيا النانوية هو ما إذا كان يمكن استخدام هذه المبادئ في تصميم بنيات جديدة بالإضافة إلى تلك الطبيعية.

تقنية النانو الجزيئية

التكنولوجيا النانوية الجزيئية ، التي تسمى أحيانًا التصنيع الجزيئي ، هي مصطلح يُعطى لمفهوم النظم النانوية الهندسية (آلات النانو) التي تعمل على النطاق الجزيئي. يرتبط بشكل خاص بمفهوم المجمّع الجزيئي ، وهي آلة يمكنها إنتاج بنية أو ذرة مرغوبة حسب الرغبة باستخدام مبادئ التخليق الكيميائي. لا يرتبط التصنيع في سياق النظم النانوية المنتجة ، ويجب تمييزه بوضوح ، بالتقنيات التقليدية المستخدمة في تصنيع المواد النانوية مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجسيمات النانوية.

عندما صاغ مصطلح "تكنولوجيا النانو" بشكل مستقل وشائع من قبل إريك دريكسلر (الذي كان في ذلك الوقت غير مدرك للاستخدام السابق من قبل نوريو تانيجوتشي) فإنه يشير إلى تكنولوجيا تصنيع مستقبلية تعتمد على أنظمة الماكينات الجزيئية. كان الافتراض هو أن التشابهات البيولوجية على المستوى الجزيئي لمكونات الماكينة التقليدية أثبتت أن الآلات الجزيئية كانت ممكنة: من خلال الأمثلة التي لا حصر لها الموجودة في علم الأحياء ، من المعروف أن مليارات السنين من ردود الفعل التطورية يمكن أن تنتج آلات بيولوجية متطورة ومُحسَّنة بطريقة عشوائية. ومن المأمول أن التطورات في تكنولوجيا النانو سوف تجعل البناء ممكنًا بوسائل أخرى ، ربما باستخدام مبادئ المحاكاة الحيوية. ومع ذلك ، اقترح Drexler وغيره من الباحثين أن التكنولوجيا النانوية المتقدمة ، على الرغم من أنها ربما تكون قد تم تنفيذها مبدئيًا بوسائل تقليدية ، يمكن أن تستند في نهاية المطاف إلى مبادئ الهندسة الميكانيكية ، وهي تقنية تصنيع تعتمد على الوظيفة الميكانيكية لهذه المكونات (مثل التروس والمحامل والمحركات ، والأعضاء الهيكلية) التي من شأنها تمكين التجميع ، برمجة الموضعية للمواصفات الذرية PNAS-1981. تم تحليل الأداء الفيزيائي والهندسي لتصاميم نموذجية في كتاب دريكسلر 4. لكن تحليل Drexler هو نوعي للغاية ولا يعالج القضايا الملحة للغاية ، مثل مشاكل "الأصابع السنية" و "الأصابع اللاصقة" ، وهي مشاكل تتعلق بصعوبة التعامل مع النانو وتجميعها. بشكل عام ، من الصعب جدًا تجميع الأجهزة على النطاق الذري ، حيث يتعين على كل واحد وضع الذرات على أنها ذرات أخرى ذات حجم ولزوجة قابلة للمقارنة.

وجهة نظر أخرى ، طرحها كارلو مونتيمانيو 5 هو أن النظم النانوية في المستقبل سوف تكون الهجينة لتكنولوجيا السيليكون والآلات الجزيئية البيولوجية. هناك رأي آخر ، طرحه الراحل ريتشارد سماللي ، وهو أن التخليق الكيميائي أمر مستحيل بسبب الصعوبات في معالجة الجزيئات الفردية ميكانيكياً. هذا أدى إلى تبادل الرسائل 6 في نشرة ACS الكيميائية والهندسية في عام 2003.

على الرغم من أن البيولوجيا توضح بوضوح أن أنظمة الماكينات الجزيئية ممكنة ، إلا أن الآلات الجزيئية غير البيولوجية هي اليوم في بدايتها. القادة في الأبحاث حول الآلات الجزيئية غير البيولوجية هم الدكتور أليكس زيتل وزملاؤه في مختبرات لورنس بيركيلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي. لقد بنوا على الأقل ثلاثة أجهزة جزيئية متميزة يتم التحكم في حركتها من سطح المكتب مع تغيير الجهد: محرك nanotube nanotube ، مشغل جزيئي 7، ومذبذب الاسترخاء nanoelectromechanical 8 أجريت تجربة تشير إلى أن التجميع الجزيئي الموضعي ممكن من قبل Ho و Lee في جامعة كورنيل في عام 1999. واستخدموا مجهر المسح النفقي لتحريك جزيء أول أكسيد الكربون الفردي (CO) إلى ذرة حديد فردية (Fe) تجلس على فضية مسطحة الكريستال ، وربط كيميائيا CO إلى Fe من خلال تطبيق الجهد.

البحوث الحالية

تمثيل رسومي لروتاكساني ، مفيد كمفتاح جزيئي.يقوم هذا الجهاز بنقل الطاقة من طبقات رقيقة من الآبار الكمومية إلى البلورات النانوية فوقها ، مما يتسبب في إطلاق البلورات النانوية للضوء المرئي 9

تعد تقنية النانو مصطلحًا واسعًا جدًا ، فهناك العديد من الحقول الفرعية المختلفة ولكن المتداخلة في بعض الأحيان والتي قد تقع تحت مظلتها. يمكن اعتبار السبل التالية للبحث مجالات فرعية لتكنولوجيا النانو. لاحظ أن هذه الفئات ليست ملموسة وأن حقلًا فرعيًا واحدًا قد يتداخل مع العديد منها ، خاصة وأن مجال تكنولوجيا النانو مستمر في النضج.

المواد متناهية الصغر

ويشمل ذلك الحقول الفرعية التي تقوم بتطوير أو دراسة المواد ذات الخصائص الفريدة الناشئة عن أبعادها النانومترية.

  • لقد أدى العلم الغرواني إلى ظهور العديد من المواد التي قد تكون مفيدة في التكنولوجيا النانوية ، مثل الأنابيب النانوية الكربونية وغيرها من الفوليرين ، والعديد من الجسيمات النانوية والجزيئات النانوية.
  • المواد النانومترية يمكن أن تستخدم أيضا للتطبيقات بالجملة ؛ معظم التطبيقات التجارية الحالية للتكنولوجيا النانوية هي من هذه النكهة.
  • تم إحراز تقدم في استخدام هذه المواد للتطبيقات الطبية.

النهج من أسفل إلى أعلى

هذه تسعى لترتيب مكونات أصغر في المجالس أكثر تعقيدا.

  • تستخدم تقنية تقنية النانو للحمض النووي (DNA DNA) خصوصية تطبيق نظام Watson-Crick في بناء هياكل محددة جيدًا من الحمض النووي والأحماض النووية الأخرى.
  • بشكل أعم ، يسعى التجميع الذاتي الجزيئي إلى استخدام مفاهيم الكيمياء فوق الجزيئية ، والتعرف الجزيئي على وجه الخصوص ، لتسبب مكونات الجزيء المفرد لترتيب نفسها تلقائيًا في بعض التشوهات المفيدة.

من أعلى إلى أسفل النهج

تسعى هذه الأجهزة إلى إنشاء أجهزة أصغر باستخدام أجهزة أكبر لتوجيه تجميعها.

  • إن العديد من التقنيات المنحدرة من طرق السيليكون التقليدية للحالة الصلبة لتصنيع المعالجات الدقيقة أصبحت الآن قادرة على إنشاء ميزات أصغر من 100 نانومتر ، وتندرج تحت تعريف تكنولوجيا النانو. محركات الأقراص الصلبة العملاقة القائمة على المقاومة المغناطيسية الموجودة بالفعل في السوق تتوافق مع هذا الوصف ، وكذلك تقنيات ترسب الطبقة الذرية (ALD).
  • يمكن أيضًا استخدام تقنيات الحالة الصلبة لإنشاء أجهزة تُعرف بالأنظمة الكهروميكانيكية النانوية أو NEMS ، والتي تتعلق بالأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS).
  • يمكن استخدام نصائح مجهر القوة الذرية "رأس كتابة" نانويًا لإيداع مادة كيميائية على سطح في نمط مرغوب فيه في عملية تُعرف باسم الطباعة النانومترية بالقلم الجاف. يناسب هذا الحقل الفرعي الأكبر لعلم الطباعة النانوية.

النهج الوظيفية

تسعى هذه إلى تطوير مكونات الوظيفة المطلوبة دون النظر إلى كيفية تجميعها.

  • تسعى الإلكترونيات الجزيئية إلى تطوير الجزيئات ذات الخصائص الإلكترونية المفيدة. ويمكن بعد ذلك استخدامها كمكونات جزيء واحد في جهاز الكتروني متناهي الصغر.
  • يمكن أيضًا استخدام طرق كيميائية اصطناعية لإنشاء محركات جزيئية تركيبية ، كما في nanocar المزعوم.

تأملي

تسعى هذه الحقول الفرعية إلى توقع ماهية الاختراعات التي قد تنتج عنها تقنية النانو ، أو محاولة اقتراح جدول أعمال قد يتقدم فيه التحقيق. وغالبًا ما تأخذ هذه الصور صورة كبيرة لتقنية النانو ، مع التركيز بشكل أكبر على آثارها المجتمعية أكثر من تفاصيل كيفية إنشاء هذه الاختراعات فعليًا.

  • تقنية النانو الجزيئية هي مقترح مقترح يتضمن معالجة الجزيئات المفردة بطرق حتمية محكومة بدقة. هذا نظري أكثر من الحقول الفرعية الأخرى ويتجاوز القدرات الحالية.
  • تتمحور المسالك النانوية في الأجهزة ذات الاكتفاء الذاتي لبعض الوظائف التي تعمل في مقياس النانو. هناك آمال في تطبيق الروبوتات النانوية في الطب 10 11 12، في حين أنه قد لا يكون من السهل القيام بمثل هذا الشيء بسبب عيوب عدة من هذه الأجهزة

13 ومع ذلك ، فقد تم إثبات التقدم المحرز في المواد والمنهجيات المبتكرة من خلال بعض براءات الاختراع الممنوحة حول أجهزة التصنيع النانوية الجديدة للتطبيقات التجارية المستقبلية ، والتي تساعد أيضًا بشكل تدريجي في التطور نحو الروبوتات النانوية باستخدام مفهوم الإلكترونيات النانوية المدمجة.

  • تسعى المادة القابلة للبرمجة القائمة على ذرات اصطناعية إلى تصميم مواد يمكن التحكم في خصائصها بسهولة وعكسها من الخارج.
  • بسبب الشعبية والتعرض الإعلامي لمصطلح "تكنولوجيا النانو" ، تمت صياغة كلمات "التقنية الحيوية" و "تقنية الفيمت" شبيهة بها ، على الرغم من أنها لا تستخدم إلا نادراً وغير رسمي.

الأدوات والتقنيات

الإعداد AFM نموذجي. إنحرف ناتئ مصغر ذو طرف حاد بميزات على سطح عينة ، يشبه إلى حد كبير في الفونوغراف ولكن على نطاق أصغر بكثير. تنعكس شعاع الليزر على الجانب الخلفي من الكابولي في مجموعة من أجهزة الكشف الضوئي ، مما يسمح بقياس الانحراف وتجميعه في صورة من السطح.

هناك تقنية أخرى تستخدم SPT ™ (أداة الزخرفة السطحية) باعتبارها "خرطوشة حبر" جزيئية. كل SPT عبارة عن جهاز معالجة متناهية الصغر يعتمد على microcantilever. تحتوي SPTs إما على رأس طباعة microcantilever واحد أو متعددة microcantilevers للطباعة المتزامنة لأنواع جزيئية متعددة. تقوم شبكة ميكروفلويديك المتكاملة بنقل عينات السوائل من الخزانات الموجودة في SPT من خلال القنوات الصغيرة إلى النهاية البعيدة من الكابولي. وبالتالي ، يمكن استخدام SPTs لطباعة المواد التي تتضمن عينات بيولوجية مثل البروتينات ، والحمض النووي ، والحمض النووي الريبي ، والفيروسات بأكملها ، وكذلك العينات غير البيولوجية مثل المحاليل الكيميائية والغرويات وتعليق الجسيمات. يتم استخدام SPTs الأكثر شيوعًا مع الطابعات الجزيئية.

تشمل التقنيات النانوية تلك المستخدمة في تصنيع الأسلاك النانوية ، تلك المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات مثل الطباعة الحجرية فوق البنفسجية العميقة ، الطباعة الحجرية بحزم الإلكترون ، تشكيل شعاع الأيونات المركزة ، الطباعة الحجرية النانوية ، ترسب الطبقة الذرية ، وترسيب البخار الجزيئي ، وكذلك تشمل تقنيات التجميع الذاتي الجزيئي مثل تلك التي تستخدم البوليمرات المشتركة دي بلوك. ومع ذلك ، فإن كل هذه التقنيات سبقت عصر التكنولوجيا النانوية ، وهي امتدادات في تطوير التطورات العلمية بدلاً من التقنيات التي ابتكرت بهدف وحيد هو خلق تقنية النانو والتي كانت نتائج أبحاث تقنية النانو.

يتوقع النهج من أعلى إلى أسفل الأجهزة النانوية التي يجب أن تبنى قطعة على مراحل على مراحل ، بقدر صنع الأشياء المصنعة حاليًا. يعد الفحص المجهري للمسح تقنية مهمة لتوصيف المواد النانوية وتوليفها. يمكن استخدام مجاهر القوة الذرية ومجاهر المسح النفقي للنظر في الأسطح وتحريك الذرات حولها. من خلال تصميم نصائح مختلفة لهذه المجاهر ، يمكن استخدامها لنحت الهياكل على الأسطح وللمساعدة في توجيه هياكل التجميع الذاتي. باستخدام ، على سبيل المثال ، نهج تحديد المواقع الموجه للميزات ، يمكن تحريك الذرات على السطح باستخدام تقنيات الفحص المجهري للمسح. في الوقت الحاضر ، يعد مكلفًا ويستهلك وقتًا كبيرًا للانتاج بالجملة ولكنه مناسب جدًا للتجارب المعملية.

في المقابل ، تبني التقنيات من أسفل إلى أعلى أو تنمو هياكل ذرة أكبر من ذرة أو جزيء بواسطة جزيء. وتشمل هذه التقنيات التوليف الكيميائي ، التجميع الذاتي والتجمع الموضعي. وهناك تباين آخر في النهج من القاعدة إلى القمة وهو حزمة الشعاع الجزيئي أو MBE. قام باحثون في معامل Bell Telephone مثل John R. Arthur و Alfred Y. Cho و Art C. Gossard بتطوير وتطبيق MBE كأداة بحث في أواخر الستينيات والسبعينيات. كانت العينات التي قدمتها MBE عاملا رئيسيا في اكتشاف التأثير المكسور لهول هول الذي تم منحه جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1998. تسمح MBE للعلماء بوضع طبقات ذرية دقيقة من الذرات ، وبناءً على ذلك ، بناء هياكل معقدة. مهم للبحث في أشباه الموصلات ، يستخدم أيضًا MBE على نطاق واسع لعمل عينات وأجهزة لمجال الإلكترونيات الحديثة الناشئة.

التقنيات الحديثة مثل التداخل المزدوج للاستقطاب تمكن العلماء من قياس كمية التفاعلات الجزيئية التي تحدث على نطاق النانو.

تطبيقات

على الرغم من وجود الكثير من الضجيج حول التطبيقات المحتملة للتكنولوجيا النانوية ، فإن معظم التطبيقات التجارية الحالية تقتصر على استخدام المواد النانوية السلبية "للجيل الأول". وتشمل هذه الجسيمات النانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم في واقي الشمس ومستحضرات التجميل وبعض المنتجات الغذائية ؛ الجسيمات النانوية الفضية في تغليف المواد الغذائية والملابس والمطهرات والأجهزة المنزلية ؛ جزيئات أكسيد الزنك في واقيات الشمس ومستحضرات التجميل والطلاء السطحي والدهانات وورنيش الأثاث الخارجي ؛ وجزيئات أكسيد السيريوم كعامل محفز للوقود. يستضيف مشروع مركز وودرو ويلسون للباحثين الدوليين حول التقنيات النانوية الناشئة قائمة جرد للمنتجات الاستهلاكية التي تحتوي الآن على مواد متناهية الصغر14

ومع ذلك ، فإن التطبيقات الإضافية التي تتطلب معالجة فعلية أو ترتيب مكونات النانو تنتظر المزيد من البحث. على الرغم من أن التقنيات التي تحمل علامة "نانو" حاليًا لا ترتبط في بعض الأحيان بالأهداف التكنولوجية الأكثر طموحًا وتحولًا من هذا النوع في مقترحات التصنيع الجزيئي ، فهي لا تزال تدل على هذه الأفكار. وبالتالي ، قد يكون هناك خطر من أن تشكل "فقاعة نانوية" ، أو تتشكل بالفعل ، من استخدام المصطلح من قبل العلماء ورجال الأعمال إلى حشد التمويل ، بغض النظر عن الاهتمام بالإمكانيات التحويلية لعمل أكثر طموحًا وبعيد النظر.

موّلت المؤسسة الوطنية للعلوم (مصدر رئيسي لتمويل تكنولوجيا النانو في الولايات المتحدة) الباحث ديفيد بيروبي لدراسة مجال تقنية النانو. يتم نشر النتائج التي توصل إليها في دراسة بعنوان "Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz.15"تخلص هذه الدراسة المنشورة إلى أن الكثير من ما يتم بيعه على أنه" تكنولوجيا النانو "هو في الواقع إعادة صياغة لعلوم المواد الواضحة ، والتي تؤدي إلى" صناعة لتقنية النانو مبنية فقط على بيع الأنابيب النانوية ، والأسلاك النانوية ، وما شابه ذلك "والتي ستنتهي مع عدد قليل من الموردين الذين يبيعون منتجات منخفضة الهامش بأحجام ضخمة. "

آثار

نظرًا للادعاءات البعيدة المدى التي قُدمت بشأن التطبيقات المحتملة للتكنولوجيا النانوية ، فقد أثير عدد من المخاوف بشأن الآثار التي ستحدثها على مجتمعنا إذا تحققت ، وما هو الإجراء المناسب ، إن وجد ، للتخفيف من هذه المخاطر. تشمل القضايا قصيرة المدى الآثار التي قد تترتب على الاستخدام الواسع للمواد النانوية على صحة الإنسان والبيئة. تركز المخاوف طويلة الأجل على الآثار التي ستترتب على التقنيات الجديدة بالنسبة للمجتمع ككل ، وما إذا كانت هذه يمكن أن تؤدي إلى اقتصاد ما بعد الندرة ، أو بدلاً من ذلك تفاقم فجوة الثروة بين الدول المتقدمة والدول النامية.

القضايا الصحية والبيئية

هناك مجموعة متزايدة من الأدلة العلمية التي توضح إمكانية أن تكون بعض المواد النانوية سامة للإنسان أو البيئة 161718.

كلما صغر حجم الجسيم ، زادت مساحة السطح إلى نسبة الحجم وزيادة تفاعله الكيميائي ونشاطه البيولوجي. يؤدي التفاعل الكيميائي الأكبر للمواد النانوية إلى زيادة إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية ، بما في ذلك الجذور الحرة. تم العثور على إنتاج ROS في مجموعة متنوعة من المواد متناهية الصغر بما في ذلك الفوليرين الكربون وأنابيب الكربون النانوية وأكاسيد الجسيمات النانوية. ROS والإنتاج الجذور الحرة هي واحدة من الآليات الرئيسية لسمية الجسيمات النانوية. قد يؤدي إلى الإجهاد التأكسدي ، التهاب ، والأضرار الناتجة عن البروتينات والأغشية والحمض النووي 19.

إن الحجم الصغير للغاية للمواد النانوية يعني أيضًا أن الجسم البشري يتم تناولها بسهولة أكبر من الجسيمات الكبيرة الحجم. المواد النانوية قادرة على عبور الأغشية البيولوجية والوصول إلى الخلايا والأنسجة والأعضاء التي لا يمكن للجزيئات الكبيرة الحجم عادة. يمكن للمواد النانوية الوصول إلى مجرى الدم بعد الاستنشاق أو الابتلاع. على الأقل بعض المواد النانوية يمكنها اختراق الجلد ؛ حتى الجزيئات الكبيرة قد تخترق الجلد عندما تنثني. الجلد المكسور هو حاجز غير فعال للجسيمات ، مما يوحي بأن حب الشباب أو الأكزيما أو الجروح أو حروق الشمس الشديدة قد يمكّن امتصاص الجلد للمواد النانوية بسهولة أكبر. بمجرد دخول مجرى الدم ، يمكن نقل المواد النانوية في جميع أنحاء الجسم وتتناولها الأعضاء والأنسجة بما في ذلك المخ والقلب والكبد والكلى والطحال ونخاع العظام والجهاز العصبي. أثبتت المواد النانوية أنها سامة للأنسجة البشرية وثقافات الخلايا ، مما أدى إلى زيادة الضغط التأكسدي وإنتاج السيتوكينات الالتهابي وموت الخلايا. على عكس الجزيئات الكبيرة ، يمكن تناول المواد النانوية بواسطة الميتوكوندريا الخلوية ونواة الخلية. تُظهر الدراسات أن المواد النانوية تسبب طفرة في الحمض النووي وتحرض أضرارًا هيكلية كبيرة على الميتوكوندريا ، مما يؤدي إلى موت الخلايا.

لذلك فإن الحجم عامل رئيسي في تحديد السمية المحتملة للجسيم. ومع ذلك ، فإنه ليس هو العامل الوحيد المهم. تشمل الخصائص الأخرى للمواد النانوية التي تؤثر على السمية: التركيب الكيميائي والشكل والبنية السطحية والشحن السطحي والتجميع والذوبان ووجود أو عدم وجود مجموعات وظيفية من المواد الكيميائية الأخرى. يعني العدد الكبير للمتغيرات التي تؤثر على السمية أنه من الصعب التعميم حول المخاطر الصحية المرتبطة بالتعرض للمواد النانوية - يجب تقييم كل مادة نانوية جديدة بشكل فردي ويجب أن تؤخذ جميع خصائص المواد في الاعتبار.

في تقريرها المنوي 200420أوصت الجمعية الملكية في المملكة المتحدة بتنظيم المواد متناهية الصغر كمواد كيميائية جديدة ، وأن مختبرات ومصانع البحوث تعالج المواد متناهية الصغر "كما لو كانت خطرة" ، وأن يتم تجنب إطلاق المواد النانوية في البيئة قدر الإمكان ، وأن يتم تجنب المنتجات المحتوية على مواد متناهية الصغر يخضع لمتطلبات اختبار السلامة الجديدة قبل إصدارها التجاري. ومع ذلك ، لا تزال اللوائح في جميع أنحاء العالم تفشل في التمييز بين المواد في شكلها النانوي والشكل الأكبر. هذا يعني أن المواد النانوية تظل غير منظمة بشكل فعال ؛ لا يوجد أي متطلبات تنظيمية للمواد النانوية لمواجهة اختبارات الصحة والسلامة الجديدة أو تقييم الأثر البيئي قبل استخدامها في المنتجات التجارية ، إذا كانت هذه المواد قد تمت الموافقة عليها بالفعل بشكل جماعي.

تشكل المخاطر الصحية للمواد النانوية مصدر قلق خاص للعمال الذين قد يواجهون التعرض المهني للمواد النانوية في مستويات أعلى ، وبشكل روتيني أكثر من عامة الناس.

آثار اجتماعية أوسع وتحديات

بالإضافة إلى مخاطر السمية على صحة الإنسان والبيئة المرتبطة بالمواد النانوية من الجيل الأول ، فإن للتكنولوجيا النانوية آثار اجتماعية أوسع وتشكل تحديات اجتماعية أوسع. اقترح علماء الاجتماع أن القضايا الاجتماعية لتكنولوجيا النانو ينبغي فهمها وتقييمها ليس فقط كمخاطر أو تأثيرات "مصب" ، ولكن كتحديات يجب أخذها في الاعتبار في البحوث وصنع القرار "المنبع" ، من أجل ضمان تطوير التكنولوجيا التي تلبي الأهداف الاجتماعية. ويشير العديد من علماء الاجتماع ومنظمات المجتمع المدني كذلك إلى أن تقييم التكنولوجيا والحوكمة ينبغي أن يشملان أيضًا مشاركة الجمهور 21.

يقترح بعض المراقبين أن التكنولوجيا النانوية ستبني تدريجياً ، كما فعلت الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر والتاسع عشر ، إلى أن تتسارع وتيرة قيادة ثورة تكنولوجية متناهية الصغر من شأنها إعادة تشكيل اقتصاداتنا بشكل جذري ، وأسواق العمل ، والتجارة الدولية ، والعلاقات الدولية ، والهياكل الاجتماعية ، والحريات المدنية ، علاقتنا بالعالم الطبيعي وحتى ما نفهمه ليكون إنسانًا. يشير آخرون إلى أنه قد يكون أكثر دقة لوصف التغييرات التي تعتمد على تكنولوجيا النانو بأنها "تسونامي تكنولوجي".

الآثار المترتبة على تحليل هذه التكنولوجيا الجديدة قوية لا تزال مقسمة بشكل حاد. يرى المتفائلون ، بما في ذلك العديد من الحكومات ، التكنولوجيا النانوية التي توفر وفرة من المواد الضارة بيئياً للجميع من خلال توفير إمدادات المياه النظيفة الشاملة ؛ الأغذية والمحاصيل المهندسة ذريا مما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية الزراعية مع متطلبات أقل من العمل ؛ الأطعمة التفاعلية الذكية المحسّنة تغذوياً ؛ توليد الطاقة الرخيصة والقوية. تصنيع نظيفة وفعالة للغاية ؛ صياغة محسنة جذريا للأدوية والتشخيص واستبدال الأعضاء ؛ قدرات تخزين واتصالات أكبر بكثير ؛ الأجهزة "الذكية" التفاعلية ؛ وزيادة الأداء البشري من خلال التقنيات المتقاربة 22.

يشير المتشككون في النانو إلى أن التكنولوجيا النانوية ستؤدي ببساطة إلى تفاقم المشكلات الناجمة عن عدم المساواة الاجتماعية والاقتصادية الحالية والتوزيع غير المتكافئ للسلطة من خلال خلق تفاوتات أكبر بين الأغنياء والفقراء من خلال الفجوة النانوية التي لا مفر منها (الفجوة بين أولئك الذين يتحكمون في التكنولوجيات النانوية الجديدة وتلك التي تنتج منتجاتها أو الخدمات أو العمالة التي شردتهم). زعزعة الاستقرار في العلاقات الدولية من خلال سباق تسلح متنامي النانو وزيادة إمكانيات الأسلحة البيولوجية ؛ توفير الأدوات للمراقبة في كل مكان ، مع آثار كبيرة على الحرية المدنية ؛ تحطيم الحواجز بين الحياة وعدم الحياة من خلال التكنولوجيا النانوية ، وإعادة تعريف حتى معنى أن تكون إنسانًا.

أنظر أيضا

ملاحظات

  1. an آلان تشودوس ، (محرر) جمعية الفيزياء الأمريكية"29 ديسمبر 1959: محاضرة فاينمان الكلاسيكية للتكنولوجيا." تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  2. ↑ ن. تانيجوتشي. "حول المفهوم الأساسي لتكنولوجيا النانو". بروك. تي. أسيوط. همز. المهندس الجزء الثاني ، (1974) (طوكيو: الجمعية اليابانية للهندسة الدقيقة)
  3. Eric ك. إريك دريكسلر. عام 1992. النظم النانوية: الآلات الجزيئية والتصنيع والحساب. (New York: Wiley. ISBN 0471575186) النظم النانوية: الآلات الجزيئية ، التصنيع ، والحساب تم استرجاعها في 30 نوفمبر 2007.
  4. ↑ المرجع نفسه. النانو: الآلات الجزيئية والتصنيع والحساب
  5. ↑ كارلو مونتيمانيو ، UCLA People: "Carlo Montemagno." استرجاع 30 نوفمبر 2007.
  6. أخبار الهندسة الكيميائية الأمريكية تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  7. C. B. C. Regan، et al. رسائل نانو 5(9)(2005):1730-1733.نانو كريستال بالطاقة للسيارات تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  8. ب. ريغان ، وآخرون "الاسترخاء الكهروميكانيكية النانوية مدفوعة السطحية" رسائل الفيزياء التطبيقية 86 (2005): 123119 (UC Berkeley) تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  9. rad تشع بلورات النانو اللاسلكية بكفاءة الضوء المرئي Sandina National Labs. تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  10. Z. Ghalanbor ، S.A Marashi ، و B. Ranjbar. 2005. "التكنولوجيا النانوية تساعد الطب: السباحون النانويون وتطبيقاتها المستقبلية." الفرضيات الطبية 65 (1): 198-199.
  11. T. Kubik ، K. Bogunia-Kubik ، و M. Sugisaka. 2005. "تقنية النانو في الخدمة في التطبيقات الطبية." التكنولوجيا الحيوية الدوائية الحالية 6 (1): 17-33.
  12. Cav A. Cavalcanti و R.A. فريتاس جونيور 2005. "تصميم التحكم في المواد النانوية: نهج السلوك الجماعي للطب". المعاملات IEEE على Nanobioscience 4 (2): 133-140.
  13. ↑ R.C. شيتي. 2005. "مطبات المحتملة للتكنولوجيا النانوية في تطبيقاتها على الطب: عدم التوافق المناعي للأجهزة النانوية." الفرضيات الطبية 65 (5): 998-999.
  14. جرد المنتجات الاستهلاكية تكنولوجيا النانو استرجاع مركز وودرو ويلسون الدولي للعلماء في 29 يونيو 2007.
  15. M. David M. Berube. 2006. نانو الضجيج: الحقيقة وراء الطنانة تكنولوجيا النانو. (أمهيرست ، نيويورك: كتب بروميثيوس. ردمك 1591023513)
  16. H Peter HM Hoet et al. "الجسيمات النانوية - المخاطر الصحية المعروفة وغير المعروفة." مجلة تقنية النانو 2 (2004): 12 جسيمات نانوية - مخاطر صحية معروفة وغير معروفة. تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  17. ↑ غونتر Oberdorster. "السموم النانوية: انضباط ناشئ يتطور من دراسات الجسيمات متناهية الصغر." آفاق الصحة البيئية 113 (7) (يوليو 2005) مراجعة وملخص. تم استرجاعه في 28 يونيو 2007.
  18. ün Günter Oberdörster، et al. علم سموم الجسيمات والألياف علم سموم الجسيمات والألياف استرجاع يونيو

    شاهد الفيديو: تقنية النانو تطبيقات nano technologie (أبريل 2020).

    Pin
    Send
    Share
    Send