فناوری نانو چيست؟

:سخنرانهادی محمدی

متخصص نانو شیمی -نانوپزشکی

مدرس نانوفناوری ستاد نانو

بخش محقق نانوبیوتکنولوژی

انستیتو پاستور ایران

عناوين

درک ابعادتاريخچهتعريف فناوری نانودنيای نانومقياسزيرشاخه های فناوری نانوساخت نانوساختارهاخواص مواد در مقياس نانو

فناوري نانو فناوري نانو

بسيار کوچکبسيار کوچکدقيقدقيقمنظممنظمکنترل پذيرکنترل پذير

مقياس ها

يک نانومتر چقدر است؟

يك ميليونيم

يك ميليمتر

يک نانومتر

متر 10 -9

يک نانومتر چقدر کوچک است؟

نانوذره تيله کره زمين260 nm

=0.00000026 m =2.6 x 10-7 m

26 mm= 0.026 m= 2.6 x 10-2 m

2,600 km= 2,600,000 m= 2.6 x 106 m

ها را مقايسه کنيد: اندازه

مادر طبيعت قبال آنرا برای شما انجام مادر طبيعت قبال آنرا برای شما انجام دادهداده

1 μm

100 nm

2.5 nm

1-20 nm

10 μm

100 μm

نانو دنیای

DNA~2-1/2 nm diameter

Things Natural

Atoms of siliconspacing ~tenths of nm

Human hair~ 10-50 mm wide

Red blood cellswith white cell

~ 2-5 mm

Ant~ 5 mm

ATP synthase

~10 nm diameter

Mic

row

orld

0.1 nm

1 nanometer (nm)

0.01 m10 nm

0.1 m100 nm

1 micrometer (m)

0.01 mm10 m

0.1 mm100 m

1 millimeter (mm)

1 cm10 mm

10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Nan

owor

ld

Things ManmadeMicroElectroMechanical devices

10 -100 mm wide

Head of a pin1-2 mm

Quantum corral on copper surface Corral diameter 14 nm

Nanotube electrode

Carbon nanotube~2 nm diameter

Nanotube transistor

است؟ کوچک چقدر نانومتر يک نانومتر چقدر کوچک است؟يک

نخستين کارشناس فناوری نانو

گوس لیکر مشهور جام

تاريخچه

(Nano )نانو پيشوند از لغت يوناني تحت

نام کوتوله مشتق شده است .

از لغت نانوتکنولوژي استفاده نشده 1974تا سال بود تا اينکه يکي از محققين ژاپني بنام نوريو

تانيگوچي اين لغت را در ارتباط با مهندسي مواد دراندازه هاي نانومتري مورد استفاده قرار داد.

"اصول فيزيكي، تا آنجايي كه من توانايي فهمش را دارم، برخالف ساختن اتم به اتم

حرفي نمي زند". اشياء،

فاينمن هرگز از نام »فناوري نانو« استفاده نكرد.

...آن پايين فضاهای بسياری است

عملکرد نانومقياس طبيعتعملکرد نانومقياس طبيعت

از را ايده اين من بيولوژيکی پديده هاي

جائيکه الهام گرفته ام. به ي شيمياي نيروهای برای تکراری شکلی

و مختلف اثرات د توليالعاده خارق پديده هاي

استفاده می شوند.1959ريچارد فاينمن-

تعريف فناوری نانو

فناوري نانWو، توانمندي توليWد مواد، ابزار و سWيستمهای جديد نانومتWر( اسWت. اين 100 تWا 1در سWطح مولكولWي و اتمWي )

و دسWت کاري در آرايWش اتWم هWا و مولکول هادسWت کاري در آرايWش اتWم هWا و مولکول هاتوانمندي بWا بهره گيري از خواصWي كWه در ايWن مقياس ظاهWر مي شوند،

بدست می آيد.

: به دنبالانونفناوري به بيان ساده تر دستكاري كوچكترين اجزاء ماده

(ها اتمو مولکول هامولکول ها)است.

16

جایگاه نسبت به علوم دیگر

بیولوژی

شیمی فیزیک

مهندسی

ن```انو

17

جایگاه نسبت به علوم دیگر

بیولوژی

شیمی فیزیک

مهندسی

ن```انو

نیست رشته ای جدید در واقع فناوری نانوبه فناوری های میان رشته ای و رویکردی جدید بلکه

.موجود است

آيا می دانيد؟ .رشد متوسط ناخن انسان حدود يک نانومتر در ثانيه است نWن ناخWبلندتري سانتيمتر 76در کتاب ثبWت رکوردهای گينWس

ثبت شده است. ه مدت برای رکورددار آن طولWد چWن بزنيWد تخميWی توانيWا مWآي

کشيده تا ناخن هايش اين مقدار رشد کند؟

آيا می دانيد؟

رانش قاره ای زمين در حدود يک نانومتر

.در ثانيه است

يک تار موي انسان •عرضي حدود هشتاد

هزار نانومتر دارد.

يک گلبول قرمز داراي •عرض تقريبي هفت هزار نانومتر است.

آيا می دانيد؟

داراي قنديك مولكول • نانومتر 1قطري حدود

است. نانومتر DNA ، 2.5مولكول •

پهنا دارند. 20 تا 1ها بين پروتئين•

نانومتر هستند.

دانيد؟ می آيا می دانيد؟آيا

چرا کوچک سازی؟

با کوچک سازی مواد و تجهيزات، به محصوالتی:کوچک تر1.سبک تر2.سريع تر3.با کيفيت تر4.ارزان تر5..6...

دست می يابيم.

تجهيزات الکتريکی کوچک تر، سبک تر

الکترونيکی تجهيزات در )... و موبايل )کامپيوتWWر، در سازی کوچWWک همواره کنار حفظ و افزايWش قابليت

آنها مورد توجه بوده است. در تجهيزات نظامی نيز

کوچک سازی اهيت بسياری دارد.

انحالل سريع تر

استفاده از ذرات کوچک شکر به جای قند در چای.انحالل سريع تر آن را در پی دارد

محصوالت با کيفيت تر

تصوير با وضوح باال تصوير با وضوح پايين

دستيابی به تجهيزاتی با کيفيت باالتر مثل دوربين های عکاسی با وضوح بيشتر

داروهای ارزان تر

مواد کوچکتر اثربخشی بيشتر

مقدار نياز به داروی کمتر

داروی موثرترو ارزان تر

آجرهای اجزای سازنده مواد که از آنها به عنوان مواد نام می بريم؛ و خواص مواد ساختمانی

وابسته به آنهاست، در اندازه نانومتر هستند.

چرا نانو؟

ي را در حوزه هاي مختل`ف از براي نانوتكنولوژ`ي كاربردهايجمله

پزشكي و بهداشت•مواد•داروسازي•الكترونيك و كامپيوتر•محيط زيست•زيست فناوری•دفاع•انرژي•كشاورزي•صنايع بسياري چون نساجي، فوالد، برق، ...•

اند . بر شمرده

حوزه های کاربردی فناوری نانو

.ساخت موادي با وزن بسيار كم و استحكام بيشتر از فوالد.تشخيص سرطان وقتي كه هنوز چند سلول بيشتر نيست لوله کربنی. برابر مس در نانو1000رسانايي برابري ظرفيت حافظه هاي کامپيوتر1000افزايش

)جادادن يك كتابخانه ملي در وسيله اي به اندازه حبه قند(. شيشه هاي خودتميزشونده براي ساختمانهاي بلند با قيمت نه چندان

باال..قطعات پالستيکي رسانا با افزودن نانولوله هاي کربن.پارچه هاي بسيار بادوام که کثيف هم نمي شوند درصدي وزن اتوموبيل با استفاده از نانوکامپوزيت ها در 30کاهش

بدنه و قطعات خودرو....... و

دنيای جديد نانومقياس

علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي »تر« )نرم(– فناورینانو مرطوب

–)علوم و فناوري مرتبط با نانوساختارهاي »خشك« )سختفناوری نانو خشک

مدل سازی و شبيه سازی رفتار مواد در مقياس نانو- فناوری نانومحاسباتی

زيرشاخه های فناوری نانو

ساخت نانوساختارها

چگونه می توان ساختارهای خيلی کوچک را ايجاد نمود؟

از باال به پايين كاهش ابعاد يك ماده بزرگ و شكل دهي آن تا يک

محصول نانومقياس

از پايين به باال چينش اتم ها و مولكول ها با ابعادي كوچكتر از نانومتر

در كنار يكديگر و ساخت يك محصول نانومتري

رويکردهای فناوری نانو در ساخت نانوساختارها

ساخت از باال به پايينها . حکاکی با برداشتن اتم 1

ساخت از پايين به باال. آرايش اتم با اتم1. خودچيدمانی2

ساخت های روش های ساختروش

حکاکی با برداشتن اتمها

مانند يک مجسمهساز که با کنده کاری

و برداشتن مواد از روی يک سطح،

ساختار موردنظر را ايجاد می کند.

آرايش اتم با اتم

که با IBMلوگوی اتمهای تکی زنون آرايش يافته است.

مانند آجرچينی؛ها در يک جابجايی اتم

منطقه در يک زمان با ,AFMابزاری چون

STM.

کدام خواص و چگونه در مقياس نانو

تغيير می کنند؟

خواص وابسته به اندازه مواد

خواص مواد

)... خواص نوری )رنگ، شفافيت و)... خواص الکتريکی )رسانايی و)... خواص فيزيکی )سختی، نقطه ذوب و خواص شيميايی )واکنش پذيری، سرعت واکنش

و ...(

خواص مواد معموال از روی توده ای از اتم ها و مولکول ها

(1023)~اندازه گيری می شود.

تغيير خواص نوری: رنگ طال

توده طال در طبيعت به رنگ زرد ديده می شود اماطال در مقياس نانو به رنگ قرمز است زيرا:

ها در آنها نمی ذرات به قدری کوچکند که الکترون توانندآزادانه حرکت کنند بنابراين در برابر نور

واکنش متفاوتی دارند.

: طال رنگ نوری خواص تغيير

خواص الکتريکی ورسانايی نانولوله های کربنی با تغيير قطر و تعداد ديواره های آن

تغيير می کند. نوع ساختار نانولوله ها نيز

بر نحوه جريان الکتريکی آنها اثرگذار

است.

تغيير خواص الکتريکی: هدايت نانولوله ها

ذوب نقطه دمای دمايWی اسWت کWه در آن مولکولهWا، اتمهWا و يونها الزم انرژی ماده در نيروهای بر غلبه برای را مولکولی درون

بدست می آورند. چون سطحی اتمهای

اتمهای با تماس در انرژی هسWتند کمتری

کمتری نياز دارند.

: هدايت الکتريکی خواص تغييرها تغيير خواص فيزيکی: نقطه ذوبنانولوله

اتم7در تماس با

اتم3در تماس با

1064 C

توده طال

Cدماي ذوبي

ماد

بذو

شعاع ذره )نانومتر(

تغيير نقطه ذوب طWال با تغيير شعاع ذره

تفاوت نقطه ذوب در مقياس ماکرو و نانو

در مقياس ماکرو در مقياس نانوعمده اتمها داخل ماده

هستند.عمده اتمها در سطح ماده

هستند.

تغيير اندازه اثر کمی بر افزايش اتمهای سطحی

دارد.

تغيير اندازه اثر خيلی زيادی بر افزايش اتمهای سطحی دارد.

نقطه ذوب وابسته به اندازه ذره نيست.

نقطه ذوب با کاهش اندازه ذره کاهش می يابد.

خواص وابسته به اندازه

چرا خواص در مقياس نانو تغيير می کنند؟

مقياس همه چيز را تغيير می ...دهد

در دنيای اطراف مامقياس های مختلفی

وجود دارد. در مقياس های مختلف

نيروهای متفاوتی بين مواد موجود است.

به چهار طريق مواد نانومقياس با ماکرومقياسمتفاوتند:

در مقياس نانو نسبت سطح به حجم بيشتر است.1.

نيروهای گرانشی در مقياس نانو قابل صرفنظر 2.بوده و بجای آن نيروهای الکترومغناطيسی غالبند.

مدلهای مکانيک کوانتومی بجای مکانيک کالسيک 3.برای توصيف حرکت و انرژی در مقياس نانو بکار

می روند.در مقياس نانو حرکت مولکولی تصادفی اهميت 4.

بيشتری دارد.

می تغيير را چيز همه مقياس...مقياس همه چيز را تغيير می دهد...دهد

افزايش نسبت سطح به حجم با کوچکتر شدن ذرات

مقدار بيشتری از مواد در تماس با مواد

اطراف آن قرار می گيرد.

با افزايش سطح تماسبه عنوان مثال در

کاتاليستها امکان انجام واکنش را برای مواد

ديگری ايجاد کرده ايم.

افزايش سطح با افزايش تعداد دفعات تقسيم

متر ) خارجی سطحمربع( ) متر ) ابعاد تکه تعداد

دفعات تقسیم

0.0006 0.01 1 0

0.0012 0.005 8 1

0.0024 0.0025 64 2

0.0048 0.00125 512 3

0.0096 0.000625 4096 4

0.0192 0.0003125 32768 5

0.0384 0.00015625 262144 6

0.0768 0.000078125 2097152 7

0.1536 3.90625E-05 16777216 8

0.3072 1.95313E-05 134217728 9

0.6144 9.76563E-06 1073741824 10

1.2288 4.88281E-06 8589934592 11

2.4576 2.44141E-06 68719476736 12

4.9152 1.2207E-06 5.49756E+11 13

9.8304 6.10352E-07 4.39805E+12 14

19.6608 3.05176E-07 3.51844E+13 15

39.3216 1.52588E-07 2.81475E+14 16

78.6432 7.62939E-08 2.2518E+15 17

157.2864 3.8147E-08 1.80144E+16 18

314.5728 1.90735E-08 1.44115E+17 19

629.1456 9.53674E-09 1.15292E+18 20

1258.2912 4.76837E-09 9.22337E+18 212516.5824 2.38419E-09 7.3787E+19 22

5033.1648 1.19209E-09 5.90296E+20 23

سطح يک ميليون بار بيشتر

ميليون بار 8سطح بيشتر

افزايش سطح با افزايش تعداد دفعات تقسيم

افزايش سطح

با کوچک نمودن اندازهذرات با استفاده از حجم کمی از مواد

سطح بيشتری را می توان پوشاند.

غلبه نيروهای الکترومغناطيسی

یWاز جرم نيروهای گرانش Wتابعیو فاصله بينW ذرات نانومتری

اسWت. Wی تابعیWنيروهای الکترومغناطيس

از بار الکتريکی ذرات هسWتند.

جرم ذرات ناومتری قابل صرف نظر است، بنابراين

نيروهای غالب در چنين سيستم هايی نيروهای .الکترومغناطيسی است

مکانيک کوانتوم

برای توصيف پديده هايی در مقياس نانو کهمکWانيک کالسيک قادر به توصWيف آنها نيستند از مکانيک کوانتوم استفاده می شود. مثل:

تغيير رنگ نانوذراتW طال1.

بررسی احتمال )ونه قطعيت( مکWان حضور 2.الکترWون در سيستم

اهميت حرکت تصادفی مولکولی

Wماکرو جابجايی Wدر مقياسها ديده می شWوند اما علت آنW مشاهده نمیW شود. مثل حرکت ذرات گردW و غبار در

هوا اما در مقياس نانو، ذرات

حرکت گسترده ای دارند و Wبرخورد آنها با ذرات کوچکتر

حائز اهميتW می شود.