ده کاربرد شگفت انگیز فناوری نانو (بخش اول)

تصور دنیای آینده فناوری بدون حضور فناوری نانو، تقریبا غیر ممکن است. ایجاد تغییراتی در مواد در سطح اتمی و ریز مولکولی می تواند راه را برای ایجاد تحولاتی عظیم در علوم زیست شناسی، شیمی و حتی پزشکی هموار کند. با وجود پیشرفت های زیادی که در زمینه فناوری نانو صورت گرفته است، هنوز هم دانشمندان به بیشتر توانایی های این فناوری شگفت انگیز پی نبرده اند و می توان گفت تنوع کاربردهای این فناوری انقلابی، بسیار فراتر از تصور ما است.

تهیه فیلم

شاید اگر میکروسکوپ تونلی روبشی در دهه اختراع نمی شد، دستیابی به فناوری نانو هرگز ممکن نبود و فقط در فیلم های علمی تخیلی شاهد آن بودیم. میکروسکوپ تونلی روبشی با دقت اتمی خود امکان بررسی فوق العاده دقیق ساختار مواد را که با میکروسکوپ های متداول ممکن نیست، برای فیزیکدانان فراهم می کند.

توانایی فوق العاده این میکروسکوپ زمانی ثابت شد که گروه تحقیقاتی IBM توانسته اند به وسیله آن کوتاه ترین فیلم انیمیشن جهان یعنی A Boy and His Atom را تهیه کنند که در آن چندین اتم بر روی یک صفحه مسی حرکت داده می شدند.

این فیلم ۹۰ ثانیه ای، پسری ساخته شده از مولکول های کربن مونوکسید را به تصویر می کشید که با یک توپ بازی می کرد، می رقصید و روی یک ترامپولین می پرید. این انیمیشن از ۲۰۲ فریم تشکیل شده است و داستان آن در فضایی به اندازه یک هزارم یک تار موی انسان رخ می دهد.

محققان برای تهیه این فیلم از ویژگی منحصر به فردی استفاده کردند که تنها میکروسکوپ تونلی روبشی می توانست استفاده از آن را میسر کند. آن ها برای ساخت این فیلم از یک قلم دیجیتالی استفاده کردند که با برق شارژ شده بود و از نوک بسیار تیزی برخوردار بود که تنها از یک اتم تشکیل شده است.

این قلم دیجیتالی قادر بود که مکان مولکول های کربن را بر روی سطح مسی تشخیص دهد. فیلم سازان می توانستند با این قلم، تصویری از مولوکول ها تشکیل دهند و آن ها در مکان های مختلف حرکت دهند.

تصویری از فیلم A Boy and His Atom

استخراج نفت

هزینه کشف و استخراج نفت در دهه اخیر در سراسر جهان افزایش پیدا کرده است. به همین دلیل کارآمدی روش های مورد استفاده برای استخراج نفت از اهمیت زیادی برخوردار است. در حال حاضر میزان استخراج نفت از چاه های نفتی، تقریبا کمتر از نیمی از ذخایر آن ها است؛ زیرا بخش زیادی از نفت در میان منافذ صخره ها محبوس می شود و استخراج این میزان بسیار پر هزینه است.

خوشبختانه دانشمندان چینی به لطف بهره گیری از فناوری نانو، موفق شده اند راه حلی برای این مشکل پیدا کنند.

آن ها توانسته اند با تقویت روش حفر چاه های نفتی، این مشکل را برطرف کنند. روش متداول برای حفر چاه و خروج نفت از آن به این صورت است که آب با فشار به داخل منافذ حاوی نفت پمپاژ می شود و به این صورت نفت از محل خود خارج می شود.

عیب این روش این است که زمانی که نفت از محل خود خارج می شود، به بیرون از چاه هدایت نمی شود و آب به جای آن از چاه خارج می شود.

دو تن از دانشمندان برای مقابله با این مشکل راه حل جدیدی پیدا کرده اند. آن ها در این روش جدید آب را همراه با ذرات نانو به داخل چاه تزریق می کنند که می توانند مسیرهای بین منافذ صخره ها را پر کنند.

این کار با این هدف انجام شد که آب در مسیرهای باریک تری بین منافذ حاوی نفت حرکت کند و نفت را با قدرت به بیرون هدایت کند. مطالعات میدانی در مورد این روش در چین، نتایج موفقیت آمیزی دربر داشته است و کارآمد بودن آن در برداشت ۵۰ درصد از نفت باقی مانده در منافذ صخره ها که دسترسی به آن واقعاً دشوار است، ثابت شده است.

ساخت نمایشگرهایی با وضوح بالا

همانطور که همه ما می دانیم در نمایشگرهای امروزی، تعدادی زیادی از پیکسل ها تصویر را تشکیل می دهند و این موضوع در مورد تمام نمایشگرها با اندازه و اشکال متفاوت صادق است و هر چه تعداد پیکسل های تشکیل دهنده نمایشگر بالاتر باشد، کیفیت و وضوح تصویر آن نیز بیشتر می شود.

افزایش تعداد پیکسل ها در نمایشگرهای قدیمی، باعث حجیم تر و بزرگ تر آن ها می شود که مشکل بزرگی است.

با وجود اینکه شرکت های سازنده نمایشگر، هنوز در حال عرضه نمایشگرهای بزرگ خود هستند، محققان دانشگاه آکسفورد، روشی را ابداع کرده اند که به وسیله  آن می توان پیکسل هایی را تولید کرد که ضخامت آن ها تنها چند صد نانومتر است. آن ها با بهره گیری از خصوصیات یک ماده به نام GST با قابلیت تغییر فاز (ماده ای که در ساخت ها محصولات مدیریت کننده حرارت به کار گرفته می شود) توانسته اند به این موفقیت دست پیدا کنند.

این محققان در یک آزمایش لایه هایی از GST را که ضخامت آن ها تنها ۷ نانومتر بود، در فضای بسیار کم بین الکترودهای شفاف قرار دادند که اندازه آن ها تنها ۳۰۰ نانومتر در ۳۰۰ نانومتر بود و این الکترودها می توانند به عنوان یک پیکسل که می تواند خاموش و روشن شود، عمل کنند.

دانشمندان موفق شدند با عبور دادن جریان الکتریسیته از میان لایه های GST، تصاویری با وضوح و کیفیت بالا تولید کنند.

این نانوپیکسل ها برای اهدافی به کار گرفته خواهند شد که محقق شدن آن ها با پیکسل های قدیمی تقریبا غیر ممکن است. به عنوان مثال ضخامت بسیار کم و اندازه کوچک این پیکسل ها، امکان به کارگیری آن ها در صفحه نمایش های انعطاف پذیر، عینک های هوشمند و شبکیه های مصنوعی را فراهم می کند. یکی دیگر از مزایای این نانوپیکسل ها، مصرف بسیار کم آن ها است.

تلویزیون هایی که در حال حاضر تولید می شوند، برای ایجاد یک تصویر جدید رنگ تمام پیکسل ها را تغییر می دهند؛ اما در تلویزیون هایی که با استفاده از نانو پیکسل ها ساخته می شوند، پیکسل ها تنها در بخش هایی که تصویر تغییر می کند، تغییر رنگ می دهند که باعث می شود مصرف انرژی تا حد قابل توجهی کاهش پیدا کند.

ساخت رشته هایی متشکل از نانوذرات ساخته شده از طلا با قابلیت تغییر رنگ

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در حالی که در حال آزمایش رشته های تشکیل شده از نانوذرات ساخته شده از طلا بودند، متوجه پدیده جالبی شدند. آن ها متوجه شدند زمانی که رشته های نانوذرات طلایی کشیده یا جمع می شوند، نانوذرات تغییر رنگ می دهد.

طبق گفته دانشمندان، رنگی که با کشیدن و جمع کردن رشته های طلایی ایجاد می شد، آبی روشن زیبایی است که کمی به رنگ بنفش تمایل دارد و با فشار بیشتر نیز به رنگ قرمز تمایل پیدا می کند. این یافته ها باعث ایجاد ایده ساخت حسگرهایی از نانوذرات طلایی در ذهن دانشمندان شد که با وارد کردن فشار بر روی آن ها، می توان رنگ ها آن ها را تغییر داد.

برای تولید این حسگرها، نانو ذرات طلایی باید بر روی یک لایه انعطاف پذیر پلیمری قرار بگیرند و زمانی که فشار بر روی این لایه وارد می شود، کشیده می شود که باعث می شود نانوذرات طلایی از هم جدا شوند و تغییر رنگ دهند. چنانچه میزان فشار وارد شده بر روی این لایه پلیمری کم باشد، رنگ نانوذرات بنفش می شود و فشار زیاد موجب تغییر رنگ آن ها به رنگ قرمز می شود.

دانشمندان متوجه شدند که این ویژگی شگفت انگیز تنها مختص نانوذرات طلایی نیست و رشته های متشکل از نانوذرات ساخته شده از نقره نیز از این خاصیت برخوردار هستند و زمانی که کشیده می شوند، رنگ آن ها زرد می شود.

این حسگرها می توانند کاربردهای زیادی داشته باشند؛ برای مثال آن ها می توانند در وسایلی همچون تخت و مبل به کار گرفته شوند و برای ارزیابی نحوه نشستن یا خوابیدن افراد بر روی آن ها، مورد استفاده قرار بگیرند.

شاید تصور کنید استفاده از طلا و نقره در این حسگرها، هزینه ساخت آن ها را افزایش می دهد؛ اما به دلیل اینکه آن ها در مقیاس نانو تهیه می شوند، میزان بسیار کمی از این فلزات برای ساخت آن ها مورد نیاز است.

ساخت باتری گوشی با قابلیت شارژ فوق العاده سریع

عمر نسبتا کم باتری گوشی ها و همچنین مدت زمان زیاد لازم برای شارژ آن ها، مشکلی است که تقریبا شامل همه گوشی ها از جمله گوشی های شرکت سامسونگ، اپل و سایر شرکت ها می شود. محققان توانسته اند با ساخت باتری جدیدی که تنها در عرض ۳۰ ثانیه کاملا شارژ می شود، مشکل دوم را برطرف کنند. دانشمندان دریافته اند که مولکول های پپتید که باعث کوتاه شدن عصب های مغز و ایجاد بیماری می شوند، از ظرفیت فوق العاده بالایی در حفظ جریان الکتریسیته برخوردار هستند. این یافته ها به شرکت StoreDot نسبت داده شده است که در زمینه استفاده از فناوری نانو در تولید محصولات مورد استفاده توسط عموم مردم، فعالیت می کند. این شرکت موفق شده است با بهره گیری از شاخه ای از فناوری نانو به نام NanoDot، از ظرفیت بالای مولکول های پیتید، برای افزایش عمر باتری گوشی های هوشمند استفاده کنند. این شرکت از نمونه اولیه باتری خود در رویداد ThinkNext مایکروسافت رونمایی کرد و آن را در یک گوشی گلکسی اس ۳ سامسونگ مورد آزمایش قرار داد. این باتری در این آزمایش واقعاً خوش درخشید و در کمتر از یک دقیقه کاملا شارژ شد.