دانلود مقاله در مورد نانوتکنولوژی چیست فایل ورد (word) دارای 120 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد دانلود مقاله در مورد نانوتکنولوژی چیست فایل ورد (word) کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
این پروژه توسط مرکز مرکز پروژه های دانشجویی آماده و تنظیم شده است
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی دانلود مقاله در مورد نانوتکنولوژی چیست فایل ورد (word) ،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
بخشی از متن دانلود مقاله در مورد نانوتکنولوژی چیست فایل ورد (word) :
نانوتکنولوژی چیست
نانوتکنولوژی مولکولی ، نامی است که به یک نوع فن‌آوری تولیدی اطلاق میشود. همانطور که از نامش پیداست ، نانوتکنولوژی مولکولی، هنگامی محقق میشود که ما توانایی ساختن چیزها را از اتمها داشته باشیم و در این صورت ما توانایی آرایش دوباره مواد را با دقت اتمی خواهیم داشت.
هدف نانوتکنولوژی ساختن مولکول به مولکول آینده است . همانطور که وسایل مکانیکی به ما اجازه می‌دهند که چیزی فراتر از نیروی فیزیکی خود به دست آوریم، علم نانویی و تولید در مقیاس نانو
هم، سبب میشود تا ما بتوانیم پارا بفراتر از محدودیتهای اندازه‌ای که به طور طبیعی موجود است، بگذاریم و درست روی واحدهای ساختاری مواد کار کنیم, جایی که خاصیت مواد مشخص میشود و با تغییر در آن واحدها میتوان تغییرات خواص را ایجادکرد. برای کنترل ساختار مواد، باید یک سیستم کامل و ارزان قیمت در اختیار داشته باشیم. فرض اصلی در نانوتکنولوژی این است که
تقریباً همه ساختارهای با ثبات شیمیایی که از نظر قوانین فیزیک رد نمی‌شوند را میتوان ساخت.
ماهیت نانوتکنولوژی، عبارت است از توانایی کار کردن در تراز اتمی، مولکولی و فراتر از مولکولی، در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگی آرایش اتمها یا مولکولها و با استفاده از مواد, وسایل و سیستمهایی با تواناییهای جدید و اعمال تازه که ناشی از ابعاد کوچک ساختارشان میباشد. همه مواد و سیستمها زیربنای ساختاری خود را در مقیاس نانو ترتیب می‌دهند. در اینجا مثالهایی را ذکر میکنیم. یک مولکول آب دارای قطر حدود 1 نانومتر است. قطر یک نانوتیوب تک لایه 2/1 نانومتر میباشد. کوچکترین ترانزیستورها به اندازه 2 نانومتر میباشند. مولکول DNA ، 5/2 نانومتر پهنا دارد و پروتئینها بین 1 تا 20 نانومتر هستند. قطر ATP ، 10 نانومتر بوده و یک وسیله مولکولی نیز ممکن است در حدود چند نانومتر باشد.
کنترل مواد در مقیاس نانویی به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که خواص اساسی معین میشود. تا آنجایی که ما از طبیعت اطلاعات در دست داریم، این آخرین مقیاس تولید است. نانوتکنولوژی ، اتحاد ساختارهای نانویی در جهت ایجاد ساختارهای بزرگتر را که می‌توانند در صنعت، پزشکی و حفاظت محیط‌زیست استفاده شوند، شامل میشود.
دانشمندان اخیراً این توانایی را پیدا کردهاند که بتوانند اتمها را به طور مستقیم مشاهده کرده و دستکاری کنند ولی این تنها بخش کوچکی از تکنیکهایی است که در علم نانویی و همچنین
فن‌آوری، به دست آمده است. هنوز چند دهه به توانایی تولید محصولات تجاری باقی است ولی مدلهای تئوری کامپیوتری و محاسباتی، نشان می‌دهند که دستیابی به سیستم‌های تولید مولکولی امکانپذیر است. چرا که این مدلها، قوانی فیزیکی کنونی را نقض نمی‌کنند. امروزه دانشمندان وسایل و تکنیکهای زیادی را که برای تبدیل نانوتکنولوژی از مدلهای کامپیوتری به واقعیت لازم است ، اختراع و تدبیر میکنند.
دقت به عنوان منفعت ماشینهای مولکولی مدنظر میباشد و همچنین یکی از کلیدهای مهم برای درک لزوم پیشرفت در زمینه این فن‌آوری است. دقت در اینجا به این معناست که برای هر اتم جایی وجود دارد و هر اتم در جایگاه خودش است. ما از ماشینهای دقیق برای تولید محصولات با دقت مساوی، استفاده خواهیم کرد. فن‌آوری تا به حال هرگز چنین کنترل دقیقی نداشته است و هم
ه فنآوریهای کنونی ما، فن آوریهای بزرگ هستند. امروزه ما تکه یا توده‌ای از چیزی را در مقابل خود قرار می‌دهیم و به آن چیزی اضافه کرده و یا از آن تکه‌هایی را کم میکنیم و در نهایت وسیله مورد نظرمان را با این اعمال ایجاد میکنیم. در واقع ما وسایلمان را از سر هم کردن قسمتهای مختلف تولید میکنیم بدون آنکه نسبت به ساختمان مولکولی آنها توجهی داشته باشیم. در گذشته ساخت با دقت اتمی، تنها در محصولات کریستالها یا در سازمان‌های زنده‌ی زیستی مانند ریبوزومها که پروتئین مورد نیاز موجود زنده را فراهم میکنند و یا DNA که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد موجود زنده را حمل میکند، دیده شده است. ما در جریان پیشرفت نانوتکنولوژی روندی به سوی دستیابی به درجه‌ای از کنترل سیستمها که قبلاً تنها در طبیعت موجود بوده، در پیش رو داریم.
منفعتهای دیگر وقتی نمایان می‌شوند که اندازه‌ی وسایل قابل ساخت را مورد توجه قرار می‌دهیم. وقتی ما در مقیاس اتمی کار کنیم، می‌توانیم دستگاههایی بسازیم که می‌توانند به جاهای غیرقابل تصور از نظر کوچکی بروند.
دو وسیلهی بسیار حساس که هنوز ساخته نشده‌اند در نانوتکنولوژی عبارتند از :
1- نانوکامپیوتر 2- نانواسمبلر.
نانو کامپیوتر ماشینی مولکولی است که قادر است یک رشته اعمالی را به اجرا در آورد و آنها را اداره کند و در نهایت نتیجه‌ای را تولید نماید. در عمل این وسیله تا حدی با میکروپردازش‌گرهای امروزی متفاوت است، اگر چه شباهتهای نادری با کامپیوترهای قدیمی و مکانیکی که توسط Charles Babbage در دوره‌ی ویکتوریا طراحی شده بود، دارد. همچنین دارای دستگاه ثبت‌کننده‌ای است که چیزی شبیه ماشینهای جمع‌کننده ( Adding Machine) به وجود می‌آورد. البته
ماشین جمع‌کننده‌ای که میلیونها بار کوچکتر و بیلیونها بار سریعتر از میکروپردازش‌گرهایی که تاکنون طراحی شده است. وقتی یک نانوکامپیوتر وجود داشته باشد در این صورت به وجود آوردن نانواسمبلر نیز امکانپذیر خواهد بود. نانواسمبلر وسیله‌ای ساخته شده در تراز اتمی است که میتواند اتمها را برای بیشتر شکلهایی که مورد نظر میباشد، دقیقاً نظم‌دهی و آرایش کند. امروزه کارکردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی گران قیمت (AFM) نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتمها به سمت جایگاهشان استفاده میکند. ولی نانواسمبلر میتواند به سادگی اتمها را از جایگاهشان خارج کرده و آنها را همانند دستگاه بافندگی صنعتی، در محل مورد نظر به یکدیگر پیوند دهد. در سلولهای ما، ریبوزومها کاری شبیه به این را انجام می‌دهند؛ DNA را به صورت RNA کپی کرده و سپس آمینواسید صحیح را جهت ساخت پروتئینها جمع‌آوری میکنند. نانواسمبلری که یک نانو کامپیوتر را در هسته‌ی خود در بردارد ، تقریباً همین کار را انجام میدهد . نانواسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانوتکنولوژی است. وقتی یک نانواسمبلر کامل در دسترس باشد، تقریباً همه چیز ممکن میشود و این مهمترین و بزرگترین خواسته‌ی انجمن نانوتکنولوژی است.
شصت سال پیش John Von Neumann ( کسی که همراه Alan Turing، زمینه علم کامپیوتر را پایه‌گذاری کرد.) حدس زد که روزی ساختن ماشین‌هایی که بتوانند خودشان را کپی کنند، ممکن خواهد شد. یک نوع تکرارکننده‌ی خودبه خودی که میتواند ما را از یک مثال ساده‌ی ذهنی به سمت اجتماعی از کپی‌های کامل هدایت کند. اگر چه ماشین مورد نظر Von Neumann در تئوری ساده به نظر می‌رد ولی هرگز ساخته نشده است. در مقیاس ماکرومولکولی ساختن یک کپی از ماشین بسیار ساده‌تر از تهیه کردن ماشینی است که بتواند خود را کپی کند ولی در تراز مولکول
ی ، این موازنه برعکس است یعنی تهیه کردن ماشینی که بتواند خود را کپی کند بارها ساده‌تر از ساختن ماشین دیگری با استفاده از تراشه‌هاست.
این مزیت بزرگی است که وقتی تنها یک اسمبلر داریم، می‌توانیم هر تعداد که بخواهیم ، ایجاد کنیم. همچنین این بدان معناست که نانواسمبلر یک آفت کامل است. اگر به طور عمدی یا تصادفی یک نانواسمبلر در محیط آزاد شود، تنها با راهنمای چگونگی تکثیر شدن ، تمام سطح سیاره یعنی گیاهان، حیوانات و سنگها و صخره‌ها در عرض مدتی کمتر از هفتاد و دوساعت (72) به ماده‌ی لزج و چسبناک خاکستری رنگ (gray goo) از naniteها (nano unite) مبدل خواهد شد. Drexler معتقد است مشکل gray goo تا حد زیادی خیالی است ولی امکان سناریوی غبار خاکستری را تصدیق میکند که باعث برگشت یا تکرار naniteها میگردد و زمین را در روکشی که مادون میکروسکوپی است، خفه میکند و در اینجا ما با یک خطر فن‌آوری که در تاریخ بی‌سابقه است ، مواجهیم. علیرغم این مسائل، کسانی که روی نانوتکنولوژی مولکولی کار میکنند، در حال مطالعه برای ساختن دستگاهی در مقیاس اتمی هستند و به نظر می‌رسد به زودی اطلاعات کافی برای ساخت نانوکامپیوتر و نانواسمبلر را به دست می‌آوریم .
این مسائل اجتناب‌ناپذیر و مطرح شده در نانوتکنولوژی باعث شد تا Drexler، یک زیربنای علمی و آموزشی ایجاد کند و آن انستیو Foresight است که به عنوان یک محل شناخته شده و یک مرکز تفکر در مورد نانوتکنولوژی عمل میکند. در طی 14 سال برپایی Foresight ، این انستیتو به صورت تحقیقات نانوتکنولوژی درآمده است. در اواسط اکتبر 2000، انستیتو Foresight ، کنفرانس سالانه‌ی خود را در هتلی در Santa Clara برگزار کرد. در آنجا زمزمه‌ای جدید به گوش می‌رسید؛ پیشرفتهای اخیر در سازه‌های با مقیاس مولکولی که حاصل ابتکار در برخی ترکیبات اصلی و بنیانی که Drexler در نانوسیستم توصیف کرده است، میباشد. همانند ترکیباتی که در ساختمان نانو کامپیوترها و نانواسمبلرها ضروری است. چیز دیگری که در کنفرانس به دست آمدن یک کپی ا ز داروی نانویی
Robert Freitas بود. طب نانویی بیش از پیش در تلاش برای جامه‌ی عمل پوشاندن به وعده‌های Feynman (دارنده‌ی جایزه نوبل برای طرح فن‌آوری در مقیاس کوچک) در مورد ” دکتر بسیار کوچک” است و قدم به قدم موانع فن‌آوری را از سر راه برمی‌دارد. موانعی که برای رسیدن به وسایل نانوپزشکی باید بر آنها فائق آمد.
هم‌اکنون کنگره‌ی آمریکا نسبت به سرمایه‌گذاری در هر نوع تحقیق و توسعه (R & D) بدون سوددهی زودرس در پزشکی و ارتش مخالفت دارد ولی دولت آمریکا سرمایه‌گذاری برای تحقیقات نانوتکنولوژی را دوبرابر کرده است. قسمتی از این سرمایه برای اهداف مرکز تحقیقات ناسا در Mountain View کالیفرنیا صرف خواهد شد؛ جایی که تیم کوچکی روی طرح نانوکامپیوترها کار
میکنند. حال این سئوال در ذهن نقش می‌بندد که چرا ناسا توجه خود را معطوف به نانوتکنولوژی کرده است؟ در پاسخ میتوان گفت که ” اندازه” ، مهمترین دلیل میباشد. کامپیوترهای رایج مثل آنجه که در Mars Pathfinder پایه‌گذاری شده، هم بزرگند و هم به اندازه کافی قدرتمند نیستند و دیگر اینکه مستعد انجام خطا هستند. با استفاده از وسیلهی نانویی به اندازه یک حشره که به اصطلاح حشره‌ی نانویی( nanobat) خوانده میشود، ناسا میتواند 100 میلیون چشم و گوش را در بسته‌ای به وزن چند گرم، به سطح مریخ بفرستد. حتی اگر نیمی از آن حشره‌های نانویی دچار اشکال شوند و یا کار نکنند، باز هم کسی چیزی از دست نمی‌دهد. چرا که هنوز 50 میلیون دیگر باقی مانده است. برای ساختن یک عدد از این حشره‌های نانویی ، محققان باید مشکلات بر سر راه نانوکامپیوترها را حل کنند و این همان نکته‌ای است که گروه تحقیق ناسا بر روی آن متمرکز شده است.
بررسی‌های انجام شده حاکی از آن است که نانوتکنولوژی تمام جنبه‌های زندگی ما را تحت تاثیر قرار خواهد داد. یک سری اتفاقات جالب در علم پزشکی و دارویی مورد انتظار است. نانوتکنولوژی حتی بر روی هوایی که تنفس میکنیم و آبی که می‌نوشیم نیز موثر است. با مطالعه بر روی پیامدهای نانوتکنولوژی میتوان دریافت که این نوع فن‌آوری ما را به سمت پیشرفت در راه رسیدن به سیستمهایی بهتر، سریعتر ، مستحکمتر، کوچکتر و ارزان‌تر سوق میدهد.
Foresight FAQ Nanotechnology Information
MECHANICAL ENGINEERING: Janrary 2001
Nano Technology magazine : Institute of Molcular Manrfacturing.
پیشگامان نانوتکنولوژی
چهل سال پیش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظری و دارنده‌ی جایزه‌ی نوبل، درسخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان ” آن پایین فضای بسیاری هست” به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی در آن زمان اظهار داشت، ” اصول فیزیکن تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی‌زنند”. او فرض را بر این قرار داد که اگر
دانشمندان فراگرفته‌اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاسهای کوچک، بسازند پس ما خواهیم توانست کا آنها را کوچک و کوچکتر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی‌شان در لبه‌های نامعلوم کانتوم نزدیک خواهند شد و فقط هنگامی این کوچک شدن متوقف میشود که خود اتمها تا حد زیادی ناپایدار شده و غیر قابل فهم گردند. Feynman فرض کرد وقتی زبان یا سبک خاص اتمها کشف گردد، طراحی دقیق مولکولها امکانپذیر خواهد بود و به طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم.
با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می‌توانیم ایجاد کنیم؟
. Feynmanدر ذهن خود یک ” دکتر مولکولی” تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد
کوچکتر است و میتواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد.
در بحبوحه‌ی سالهای صنعتی کلمه‌ی ” بزرگ” از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه‌های مهندسی بزرگ و … حتی کامپیوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال می‌کردند. ولی از وقتی Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی به سوق کوچک شدن در پیش گرفت.
Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت که می‌توانست به اندیشه‌های Feynman قوت ببخشد. Minsky – پدر یابنده‌ی هوشهای مصنوعی – دهه 70-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می‌شد، رهبری می‌کرد. در اواسط دهه‌ی 70، Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ‌التحصیل بود، Minsky را به عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان نامه‌اش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را برعهده گرفت. Drexler نسبت به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقه‌مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد. Minsky نیز با وی موافقت کرد. Drexler در اوایل دهه 80 ، درجه استادی خود را در رشته‌ی علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با یک سری ایده‌ها که خودش ” نانوتکنولوژی” نامگذاری کرده، مشغول می‌داشت.
Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی ( MNT) در سال 1981 ارائه داد.
او کتاب ” Engines of Creation : The Coming Era of Nanotechnology” را در سال 1986 به چاپ رساند. Drexler تنها درجه‌ی دکتری در نانوتکنولوژی را در سال 1991 از دانشگاه MIT دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هم اکنون رئیس انستیتو Foresight و Risearch Fellow میباشد.
Nano Technology magazine : Institute of Molecrlar Manufacturing
نانوتکنولوژی و همگرایی علمی
نانوتکنولوژی به سه شاخه جدا و در عین حال مرتبط با یکدیگر تقسیم میشود که بر اساس ساختارهای زیر تعریف می‌شوند:
1- نانوتکنولوژی مرطوب: این شاخه به مطالعه سیستم‌های زیست محیطی که اساساً در محیطهای آبی پیرامون وجود دارند، میپردازد و چگونگی مقیاس نانومتری ساختمان مواد ژنتیکی
، غشاءها و سایر ترکیبات سلولی را مورد مطالعه قرار میدهد. موفقیت این رشته بوسیله ساختمانهای حیاتی فراوانی که تشکیل شده‌اند و نحوه عملکرد ساختمانشان در مقیاس نانویی نظارت میشود، به اثبات رسیده است. این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی ، دارویی، زیست‌محیطی و کلاً علوم مرتبط به Bio میباشد.
2- نانوتکنولوژی خشک: از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق میشود و به تمرکز روی تشکیل ساختمانهای کربنی، سیلیکون و دیگر مواد غیرآلی میپردازد. قابل تامل است که فن‌آوری خشک- مرطوب استفاده از مواد و نیمه هادیها را نیز می‌پذیرد. الکترونهای آزاد و انتقال‌دهنده در این مواد آنها را برای محیط مرطوب سودمند می‌سازد. اما همین الکترونها خصوصیات فیزیک فراهم میکنند که ساختارهای خشک از آنها در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری استفاده میکنند. اثر دیگر که باعث پیشرفت ساختارهای خشک میشود این است که قسمتهای خود تکثیر مشابه ساختارهای مرطوب را دارا هستند.
3- نانوتکنولوژی تخمینی (محاسبه‌ای): به مطالعهی مدلسازی و ساختن ظاهر ساختمانهای پیچیده در مقیاس نانویی توجه دارد. توانایی پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل محاسبه‌ای در موفقیت نانوتکنولوژی بحرانی است زیرا طبیعت میلیونها سال وقت لازم دارد که نانوتکنولوژی مرطوب را بصورت کاربردی در آورد. شناختی که بوسیله محاسبه بدست می‌آید به ما اجازه میدهد که زمان پیشرفت نانوتکنولوژی خشک را به چند دهه کاهش دهیم که این تاثیر مهمی در نانوتکنولوژی مرطوب نیز دارد. نانوتکنولوژی تخمینی، پلی است برای ارتباط بین علوم مهندسی ، محاسباتی ، کامپیوتر و فن‌آوری جدید.
با توجه به ساختارهای عنوان شده برای نانوتکنولوژی، تاثیر متقابل آنها بر یکدیگر و لزوم مشارکت هر سه ساختار برای خلق و توسعه اکثر محصولات نانویی، واضح است که فن‌آوری برتر آینده نقطه تلاقی تفکر و عمل تمامی دانشمندان و محققان علوم مختلف است.
Interview: Nano Technology Magazine
نانوتکنولوژی مرطوب:
الف) نانوتکنولوژی و فراپزشکی:
نانوتکنولوژی به عنوان یک دانش پایه در تولیدات صنعتی بشر، زمینه‌های مختلف دنیای فن‌آوری را تحت تاثیر قرار خواهد داد. پزشکی و درمان یکی از موارد مهم است که انسان در طول تاریخ برای حفظ بقا به عنوان مسئله‌ای اساسی به آن نظر داشته است، تا آنجا که طبیبان همواره جدای از دستمزد اقتصادی ، از اعتبار اجتماعی و گاه از تقدیس هم برخوردار بوده‌اند. در پی تلاشهایی که در تاریخ حیات بشر صورت گرفته، امروزه پیشرفتهای شگرفی در غلبه بر ب
یماریها و حفظ سلامتی به دست آمده است که مناسب است برای روشن‌تر شدن اوضاع پزشکی عصر خود مواردی را یادآوری کنیم.
متخصان امروزه موفق شده‌اند بسیاری از بیماریهای واگیردار نظیر وبا، طاعون و موارد متعدد دیگر را که در گذشته دسته دسته قربانی می‌گرفتند، درمان کنند. با شناخت سلول ، DNA و سپس ویروسها امروزه بسیاری از بیماریهایی که ویژگی تکامل دارند هم درمان می‌شوند. بعضی بیماریهای مسری که شاید ساده‌ترین آنها سرماخوردگی باشد قادرند متناسب با دارویی که آنها را از بین می‌برد، تکامل پیدا کنند و برای بار دوم از یک دارو صدمه نبینند؛ اکنون به جایی رسیده‌ایم که چنین بیماریهایی را هم با داروی تکامل یافته از بین می‌بریم!
در کنار شناخت بیماریها و روشهای درمان امروزه چنان آگاهی و دسترسی دقیقی نسبت به اجزای بدن حاصل شده که می‌توانیم اندامهایی را به بدن پیوند بزنیم و یا عضوهای مصنوعی را جایگزین قضوهای از کار افتاده نماییم. این به معنای پایان راه حفظ سلامتی نبوده و نیست. با اندکی تعمق خطارت نه چندان کوچکی را در کنار خود و در حیطه‌ی پزشکی امروز مشاهده خواهیم کرد. داروهایی که برای درمان بیماریها ساخته‌ایم، خود آسیبهای دیگری به سلامت بدن وارد می‌سازد و بدین دلیل که محیط و هدف خود را به طور دقیق نمی‌شناسند و قدرت حرکت به سوی هدف خود _ خلاف حرکت طبیعی مواد در بدن- را ندارند ناگزیر از درمان حدودی میباشند و این یعنی نجات به بهای یک ضرر کوچکتر؛ که البته این ضرر کوچکتر میتواند مولد زیانهایی حتی بزرگتر از مشکلات اولیه باشد. علاوه بر این ، ظهور بیماریهایی نظیر ایدز با ویروس مرموز HIV که داروهای کنونی از شناسایی و نابود کردن آن عاجزند به همراه گسترش روزافزون آن در میان مردم جهان ، مشکل بسیار بزرگی محسوب میشود. دیگر آنکه اعضای پیوندی و اندامهای مصنوعی هنوز کارایی بافتهای طبیعی و اولیه را پیدا نکرده‌اند. برای مثال باید گفت اگر اکنون دست یک کارگر زیر تیغ دستگاههای صنعتی قطع شود خوشبختانه می‌توانیم دست را به بدن متصل کنیم و به حیات بازگردانیم، اما متاسفانه همه قابلیتهای اولیه را نخواهد داشت، زیرا هنوز دقت لازم برای اتصال اعصاب و بافتهای جدا شده را مطابق حالت طبیعی به دست نیاورده‌ایم.
توجه به موارد فوق احتمالاً شما را برای شیندن یک پیش‌بینی قریب‌الوقوع در دنیای ” فراپزشکی” آینده برانگیخته است.” انقلاب صنعتی آینده” در پزشکی هم دگرگونی عظیمی به همراه خواهد داشت. پژوهش‌های انجام شده ساختاری را ارائه میکند که میتواند پیشرفت حیرت‌انگیزی را در صنعت دارو و درمان بیماریها و آسیبهای زیستی ایجاد کند. ” ماشینهای مولکولی هوشمند” نمونه‌ی بسیار کوچک یک سیستم شناساگر ، ترمیم کننده و متحرک بسیار دقیقند که می‌توانند تمام مشکلات مذکور در پزشکی امروز را برطرف سازند. این ماشینها با اطلاعات کامل از ساختار بدن و حتی اجزای سلولهای بدن به راحتی قادر به حفاظت جسم در برابر باکتریها، میکروبها و ویروسهای بیماری‌زا خواهند بود. مثلاً با داشتن اطلاعات دقیق از DNA ، سلولهای بدن می‌توانند مهاجمین را قبل از آسیب زدن به سلولها سالم شناسایی کرده و از بین ببرند.
ماشینهای مولکولی هوشمند ( مجموعه‌ای از مولکولهای متصل و برنامه‌ریزی شده که به وسیله موتورهای مولکولی حرکت میکنند و قابلیت انجام اعمال سودمند و دقیق در مقیاس درون سلولی دارند) می‌توانند مواد دارویی لازم برای بیماریهای خاص را دریافت و تا محل سلولهای بیمار حمل کنند و پس از شناسایی تک‌تک آنها دارو در اثر داده و با حداقل ماده مورد نیاز و آسیب جانبی بیماری را درمان نمایند. در عین حال این ماشینها با ابعاد کوچک خود می‌توانند از دیواره‌ی سلولها عبور کرده و حتی اجزای سلولها را هم ترمیم نمایند. با چنین قابلیتهایی نانو ماشینهای مولکولی به راحتی می‌توانند حتی ویروس HIV را از مقایسه اطلاعات آن با DNA بدن انسان شناسایی کرده و از بین ببرند.
اضاف بر روشهای درمانی خارق‌العاده ، نانوتکنولوژی امکان ایجاد ساختارهای زیستی عجیبی را فراهم می‌سازد. مثلاً می‌توانیم بافتهای آن چنان مقاومی در بدن بسازیم که با افتادن از یک ساختمان بلند کوچترین خدشه‌ای در عملکردشان وارد نشود و سلامت خود را حفظ کنند و این یعنی ….!
چه زمانی به چنین ابزارهایی دست می‌یابیم؟
زمان آن نزدیک است ؛ اما در جواب این سئوال که شاید از بیم سر آمدن عمر قبل از دستیابی به نانوتکنولوژی در پزشکی به ذهنها خطور میکند بهتر است مفهوم جدید ” Cryonics” یا ” انجماد بدن در هنگام مرگ” را بیان کنیم تا انگیزه این پرسش فروکش کند:
وقتی قلب شخص از تپش می‌ایستد( معنای قدیمی مرگ) ولی قبل از انکه نابودی ساختار مغز آغاز شود، او را به دستگاه قلب مصنوعی متصل کرده و مرحله به مرحله بدن را با یک مایع ضد انجماد و برخی متعادل کننده‌های سلولی پر میکنند. سپس دمای بدن فرد را تا دمای نیتروژن مایع پایین می‌آورند. در این نقطه همه‌ی تغییرات مولکولی برای دوره‌ی نامحدودی متوقف میشود و بدن شخص را در محیط بسته‌ای نگهداری میکنند. در آینده ، وقتی دستگاههای تعمیر سلولی نانوتکنولوژی به بهره‌برداری می‌رسد، بیماریهای مهلکی که سبب مرگ شده‌اند به همرا
ه سموم ماده‌ی ضد انجماد از بین می‌روند و فرد دوباره گرم میشود و به صورت زنده و سالم در می‌آید.
Engines of Creation : Dr.K.Eric Dlexler
Engines of Healing
Nanotechnology Magazine
ب) نانوتکنولوژی و علم بیوتکنولوژی
مقدمه:
مولکولها و سیستم‌های بیولوژیکی صفاتی دارند که آنها را برای کاربردهای نانوتکنولوژی بسیار مناست می‌سازد. علیرغم و عده‌ها Nano structureها، Nano Particleها با اندازه نانوبیولوژیکی توسعه نیافته‌اند.
بلوکهای ساختمانی نانوتکنولوژی:
سنتز: با وجود آنکه در نگاه اول بنظر می‌رسد که در طبیعت، تعداد محدودی بلوکهای سازندهی اصلی (آمینواسیدها، چربیها و نوکلئیک‌اسیدها) وجود دارند، اختلاف شیمیایی این مولکولهای و راههای مختلف پلیمرشدن آنها، گستره وسیعی از ساختمانهای ممکن را ایجاد میکند. علاوه بر این، پیشرفتهایی که در سنتز شیمیایی و کلاً بیوتکنولوژی صورت پذیرفته، انسان را قادر میکند که این بلوکهای سازنده را در کنار هم قرار دهد و ترکیب کند و از این طریق مواد و ساختارهای جدیدی که تاکنون در طبیعت
ساخته نشده‌اند را بسازد. این ساختارها غالباً کاربردهای بی‌نظیر و منحصر بفردی دارند.
بیوپلیمرهای تهیه شده از طریق بیوتکنولوژی ، تک پراکند ( mono disperse) هستند. آنها طول زنجیر را کنترل میکنند و تعریف شده هستند. از طرف دیگر ، تولید یک پلیمر سنتزی تک پراکند عملاً غیر ممکن است. اخیراً نشان داده شده است که پلیمرهایی که طول زنجیر آنها درست تعریف شده باشد، داری قابلیتهای کریستال مایع غیر عادی میباشند. بعنوان مثال : Yu-et-al در سال 1997 نشان داده است که روشهای باکتریایی برای سنتز پلیمر، می‌توانند برای تولید موادی از این دست ، استفاده شوند.
توزیع در طول زنجیری که معمولاً برای پلیمرهای سنتزی وجود دارد، امکان اینکه بتوان آنها را در مرحله‌ی هم شکلی اتمها ( هم شکل شدن اتمها) مشاهده کرد را کم میکند. این کار از این جهت مهم است که نشان میدهد ما هم‌اکنون راهی داریم برای شکل‌های جدیدی ( در مرحله هم شکل شدن اتمها) که فضا دهی لایه‌هایشان میتواند در مقیاس دهها نانومتر کنترل شود. در بیوتکنولوژی میتوان از کنار هم قرار گرفتن اسیدآمینه‌های مصنوعی مانند - alanine یا Dehydro poline یا Fluortyrosine یا پروتئین‌های دیگری که در ساختارشان آلکن یا آلکین وجود دارد، استفاده کرد. تحقیقات در این زمینه، راههای جدیدی در مورد پلیمرهای با طول و مشخصات کنترل شده مثل بیوپلیمرهایی که حاوی خواص الکتریکی مانند هدایت هستند را بدست میدهد. پدیده‌ی دیگر، همکاری همه‌ی وسایل شیمیایی در ترکیبات پروتئین‌هاست که آنها را قادر می‌سازد که برای مثال، پروتئین‌هایی با تصویر آینه‌ای بسازند. این پروتئینها با استفاده از خاصیت ترکیب D-Amino Acidها در مقابل کنترل زیستی مقاومت میکنند و می‌توانند کاربردهای دارویی مهمی داشته باشند.
کالبدشناسی اجزاء زیستی:
کالبدشناسی پلیمرهای محافظت شده به منظور جداسازی مولکولهای کم وزن آلی از محلول به کار برده می‌شوند. آنها از طریق پر کردن منفذها
( Ultra filtration , Micor filtration) عمل میکنند. این فرضیه و عملکرد را میتوان در خصوص مایکروامولسیون و همچنین اجزاء دارای مولکولهای هموگلوبین ، به کاربرد. این اعمال جداسازی سایر مواد معدنی را نوید میدهد.
لایه‌های سطحی باکتریایی به عنوان اجزاء هادی :
لایه‌های سطحی باکتریایی که به صورت کریستالی هستند، از واحدهای تکرار شونده پروتئین تشکیل یافته‌اند. این لایه‌ها به صورت خود چیده
( Self-Assemble) هستند و قابلیت چسبندگی بالایی دارند. آنها به عنوان اجزاء هادی برای نانوتکنولوژی در نظر گرفته شده‌اند. برای مثال آنها برای شکل دادن سوپرلاتکس سولفید کادمیم استفاده شده‌اند.
بیوسرامیکها:
اثرات مولکولهای زیستی و آلی، بر روی همدیگر میتواند در س
اختن سرامیک، با افزایش سختی مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات پایه‌ای زیستی-معدنی که در آنها یک ماده معدنی ( معمولاً پروتئین : پپتید یا لیپید) به وسیله یک فاز آلی ( مثل کربنات کلسیم یا هیدروکسی) تحت تاثیر قرار میگیرد، منجر به سنتز زیستی مواد مرکب شده‌اند. سنتزهای Micelle-templated میتواند سرامیکهایی با ابعاد nm 100-20 تولید کند. Poreها، این مواد متخلخل می‌توانند به عنوان کاتالیزور یا جذب‌کننده استفاده شوند و برای جداسازی‌های گاز و مایع و همینطور به عنوان عایقهای گرمایی و صدایی به کار روند. خصوصیت جدا کردن انتخابی ، آنها را برای جداسازی بیوشیمیایی و دارویی قابل استفاده میکند. یک مثال جالب در مورد ترکیبات معدنی و آلی، مواد بسته‌بندی جدیدی است که برای گرفتن جای پلیداستیرن بعنوان پوشش غذاییِ غذاهای حاضری بکار برده میشود.
آهنرباهای میله‌ای زیستی:
دقیقاً نشان داده شده است که بسیاری از ترکیبات آلی قادر به ته‌نشین کردن مواد مغناطیسی مانند fe3o4 و یا fe3s4 هستند. بعلاوه در ترکیبات آلی میکربی در بدن ماهیها زنجیره‌های خطی از کریستالهای غشاءدار مغناطیسی که به Magnetosome معروفند، یافت شده است( کرشفنیک و سایرین در سال 1992).
گردآورنده‌های یا شکل‌دهی ( Assemblers or Templating):
خودسازی متوالی زیست مولکولها معمولاً بعنوان یکی از کلیدهای حیاتی کاربردهای نانوتکنولوژی شناخته میشود. اما آنچه باید بیشتر مورد تحقیق قرار گیرد، چگونه ساختن آرایه‌های متناوب، گردهم‌آوریهای زیست‌مولکولی ، چگونگی استفاده از شکل‌دهیهای زیست مولکولی به طریق موثر، چگونگی تقلید خاصیت خودسازی زیست مولکولها برای استفاده در مولکولهای غیرزیستی و بالاخره چگونگی بهره‌گیری از اختلافات بین خود سازی زیستی و غیرزیستی است.
نانوتکنولوژی و DNA (DNA Nanotechnology)
بادرنظر گرفتن مطالب گفته شده ، DNA یک ساختار بسیار مناس
ب برای کاربردهای نانوتکنولوژی است. رشته‌های مارپیچی دوتایی DNA که ساختارشان بسیار مشهور است در نتیجه‌ی اتصال سخت مولکولهای DNA در شرایط ویژه حادث شده اند استفاده از مولکول های ANA شاخه دار پایدار سبب ایجاد اشکال پیوندی میشود. در شکل A چهار مولکول با اتمهای پیوندی که در یک چهار ضلعی گرد آمده‌اند، نشان داده شده است. ما این روش را برای ساختن یک مولکول DNA بسته‌ی کووالانسی که یالهای مارپیچی آن یک اتصال مکعبی دارند, استفاده کرده‌ایم. این مکعبها در محلولی ساخته شده‌اند که بی‌اثر است.
بنابراین ما روش ترکیبی Solid-support را که موثرتر است بکار می‌گیریم و از آن برای ایجاد مولکولی که در آن محورهای مارپیچی ، اتصالات هشت‌وجهی ناقص باشند، استفاده میکنیم. به هر حال ساخت یک جسم بسته از قبیل یک چند وجهی، حالت خاصی از ساختار نانوذره‌ای است زیرا همه یالها می‌توانند بوسیله لیگاندپوشی یک رشته‌ی متناهی از پایانه‌های پیوندی ایجاد شوند. بنابراین برنامه‌پذیری پایانه‌های پیوندی و پیش‌بینی محصول لیگاند پوشیده، برای تعیین پیوند جسم کافی میباشد. اجتماع چهار ترکیب پیوندی در یک ساختار چهار ضلعی باعث ایجاد توانایی در حفظ ساختار صلبی آنها میشود. اگر زوایای بین رشته‌های مارپیچی دوتایی متغیر باشد، ساختار
هشت وجهی یکی از ساختارهایی خواهد بود که این مولکولها می‌توانند تشکیل دهند و در حقیقت پیوندهای شاخه‌دار، انعطاف‌پذیر میباشند. در صورتیکه شکل Periodicmatter بگونه‌ای باشد که اتصالات سلول به سلول یکسانی را ایجاد کند انعطاف‌پذیری میتواند مجموعه‌ای از حجم‌های متغیر به وجود آورد.
شکل A
واحدهایی از DNA که استحکام بیشتری نسبت به ترکیبات شاخه‌دار دارند با ترکیب مجدد Intermediates بوجود می‌آیند که اجزاء سختی را ایجاد میکنند. این ساختار، مولکولOVER Double cross است. پنج ساختار ایزومری برای این سیستم در نظر گرفته میشود اما فقط دو ساختار نشان داده شده در شکل B در سیستم‌های کوچک ثابتند.
شکـل B
معیار سنجش ما برای استحکام این است که وقتی یک مولکول را که دارای دو انتهای پیوندی و مکمل است Oligomerize کنیم تمایل کمتری به حلقه‌ای شدن داشته باشد ( ترکیبات شاخه‌دار بصورت دیمر و یاتریمر حلقه‌ای می‌شوند). بعنوان مثال مولکول DAE را در نظر می‌گیریم. این مولکولهای به اطراف مثلث‌های DNAو Deltahedra متصل می‌شوند و بنابراین ما می‌توانیم از استحکام این اشکال استفاده کنیم. شکل C نشان میدهد که یک 2-Dlattil از این مثلثها و هشت‌وجهی که سه لبه‌ی آن را سه مولکول Double cross over اشغال کردهاند، تشکیل شده است. یکی از ویژگیهای جالب محصولاتی که شامل DNA میباشند این است که تولید مولکولها با دستگاههای بیولوژیکی با cloning و با دستگاه PCR ( Ploymer chain reaction) ممکن است.
متاسفانه ایجاد فضاهای شاخه‌دار بدین طریق امکانپذیر نیست. با این حال روش دیگری که ممکن است در این زمینه استفاده شود وجود دارد. شکل D یک دوازده وجهی که هر وجه آن 5 ضلعی میباشد را بطور نمونه نشان میدهد که بعنوان Schlegel diagram شناخته شده است. هر لبه کاملاً با دو رشته DNA پوشانده شده و یک رشته exocyclic به هر پنج ضلعی اضافه شده است. رشته‌های exocyclic برای ایجاد یک رشته گره‌دار طولانی به هم متصل می‌شوند. بنابراین ما سعی میکنیم که ببینیم چگونه به طور موثر با ادامه دادن پیچاندن رشته‌ها به DNA می‌رسیم. به این ترتیب گره‌های سه برگی با رشته‌های منفی DNA و RNA و نیز گره‌هایی 3 برگی با رشته‌های مثبت ایجاد کرده‌ایم.
شکـل D
ج) محیط زیست نانوتکنولوژی
از آغاز قرن 19 با پیشرفت جهشی و سریع علم و در پی آن رشد عظیم صنایع دست‌ساز بشر و پس از آن با وبوجود آمدن انقلاب صنعتی (Industrial Revolution) جهان ما وارد عرصه‌ی جدیدی از زندگی خود شد.
فن‌آوری با گامهای بلند به پیش آمد و در محیط زندگی انسان اثرات و تبعات غیرقابل انکاری بجای گذاشت. این آثار تا بدان جایی رسید که امروز در قرن 21 برخی متفکرین زیست‌محیطی واژه ” فن‌آوری” ( Technology) را با ” دشمن محیط‌زیست” ( environment’s enemy) همسان و همسنگ می‌دانند.
بواقع سوراخ شدن لایه‌ی اوزون ، پدیده‌ی گلخانه‌ای ، ایجاد بیماریهای جدید تنفسی و پوستی، ذوب شدن یخهای قطبی و انقراض نسل بسیاری از جانداران آبزی و هوازی همه و همه مشکلاتی هستند که فن‌آوری دو قرن اخیر برای ما بوجود آورده‌اند و ثمره‌ی فعالیت تصفیه خانه‌ها، کارخانه‌ها، کمپانیهای هسته‌ای و شرکتهای چند ملیتی هستند.
در ابتدای بحث به آثار فن‌آوری اشاره کردیم. اما آیا آثار فن‌آوری فقط محدود به مشکلات زیستی آن میشود؟ مسلماً خیر. هیچ انسان منصفی نمی‌تواند منکر رفاه باورنکردنی حال حاضر خود در مقایسه با انسان قرون وسطی شود. به عبارت بهتر صحبت کردن راجع به منافع و مزایای نیکوی فن‌آوری نوین کاری غیرضروری بحساب می‌آید واثرات مثبت آن بر همگان بدیهی و روشن است. پس چه باید کرد؟ آیا فن‌آوری واقعاً دشمن محیط زیست است؟ آیا تصور دنیای پیشرفتهای که به محیط زیست صدمه‌ای نرساند تصور جمع نقیضین است؟ شاید پاسخ همه‌ی این سئوالات در دست
محققان و پیشروندگان نانوتکنولوژی باشد. نانوتکنولوژی بارقه‌های امیدی را برای دنیای صنعتی دور از آلودگی و تخریب محیط ریست در دل دانشمندان بوجود آورده است. برای در نظر گرفتن تفاوتهای نانوتکنولوژی با فنآوریهای دیگر در برخورد با محیط زیست میتوان پارامترهای متعددی را منظور کرد که در ادامه به بررسی محورهای اساسی آن می‌پردازیم.
ساخت نوین سبز:
با پیشرفت صنعت ساخت در جهان و ایجاد حجم عظیم محصولات مصنوعی، محصولات جانبی بسیاری در کنار محصول اصلی تولید بوجود آمدند. این محصولات جانبی ( By-products) بی‌فایده و اجتناب‌ناپذیر، معمولاً به زندگی ما صدمه می‌زنند و برای خنثی کردن ضرر آنها هزینه زیادی مصرف میشود. این محصولات جنبی تولید، گاهی در هوای اطراف ما بصورت گاز پراکنده شدند. سپس در دریا ها و رودخانه‌ها ریخته شدند و گاه در زیرزمین مدفون گردیدند و در نتیجه همه‌ی اینها نهایتاً در مسیرشان به محیط زندگی ما بازگشتند. متاسفانه با رشد جمعیت نوع زندگی ما به اندوختن و انباشتن همه چیز ( اعم از وسایل، کالاها و محصولات و شبه محصولات ) و آنگاه تدفین خودمان در پسماندههای سمی، محدود شده است.
تصور سبز کدامست؟ با این همه، تخیلی که در جهت حمایت از محیط‌زیست به بازیافت ارزان پس‌مانده‌ها منتهی شود چه میتواند شد؟ این مهم به سادگی و با فن‌آوری سمتی امکانپذیر نیست. به عقیده ما ایده‌آل آنست که بتوان پروسه‌ی تولید را در دنیا طوری مجهز کرد که شبه محصولات (اقلام جانبی) و تمام مواد اضافی تولید، خودشان بازیافت شوند بدون اینکه عملاً انرژی انسان در کار باشد.
اگر شما نیز با ما هم‌عقیده‌اید، وارد شوید. صنعت ساخت نانوتکنولوژی، بدون اتلاف، بدون محصول جانبی، بدون تفاله ؛ بواقع هیچ چیز اعم از پس‌مانده و آلوده کننده برای دفن کردن وجود ندارد. در فن‌آوری سنتی واکنش‌دهنده‌ها به ندرت ، 100% به محصول تبدیل می‌شوند و باقی مانده چیزی کثیف ولی معمولاً قابل بازیافت است که گران‌قیمت نیز میباشد. بعنوان مثال برای ساختن یک قطعه پلاستیک واکنش‌دهنده‌های شیمیایی در جزءهای واکنش بصورت کمپلکسهای مختلف و در شرایط خاص برای بوجود آمدن محصول مطلوب ترکیب می‌شوند. پس از طی مراحل میانی واکنش و بوجود آمدن محصول اولیه باید آنرا دوباره به عمل آورد و در نهایت تزریق و قالبگیری کرد. در مقایسه اگر شما بخواهید پلاستیکی را با نانوتکنولوژی تولید کنید میتوانید از موجودیهای غنی شده عناصر خالص مثل C ، H،O و نیروی ذاتی اتمها برای بوجود آوردن پیوندهای شیمیایی بدون طی مراحل
گذار ( میانی Intermediate) استفاده کنید. همچنین میتوانید پلاستیکی در فرم نهایی آن بدون تزریق و قالبگیری با همان طرحی که میل دارید بسازید. یا اگر بخواهید چیزی از فولاد بسازید، میتوانید نانو ماشینها را در یک محل بدنمای ماشینهای اوراقی و اسقاطی رها کنید تا آهن‌های را تمیز کنند و با ساختاری مطلوب شما اتم به اتم ، آن را به فرم نهایی بدون سوزاندن زغال سنگ برای ذوب کردن و باقی گذاشتن یک توده آشغال پر از فلزات سنگین دوباره سازی نمایید. و از ه
مه اینها شگفت‌انگیزتر اینکه در آینده‌ی ذهنی ما دستگاههای Feed stokeای وجود دارند که با فعال کردن نرم‌افزار نانو و فشار کلید Go می‌توانند مشغول ساختن اتم‌به اتم ماده‌ای مثل چوب شوند.
انرژی دوستانه ( دوستدار انسان و محیط زیست)
ما می‌خواهیم بیش از این با سوزاندن سوختهای فسیلی و پسماندههای آنها زندگی نکنیم. نانوتکنولوژی برنامه‌ی جالبی را برای تامین منابع انرژی سیاره‌ی ما با منشاء الکتریکی و بدون آلودگی ، فراروی ما قرار میدهد. این تامین انرژی دو مزیت دارد: 1- فوق‌العاده پاکیزه‌تر از آن چیزی است که هم‌اکنون مورد استفاده قرار می‌دهیم. 2- محدودیتی برای جمعیت عظیم دنیای امروز و حتی
افزایش بی‌رویه آن در آینده ندارد.
برای درک بهتر انرژی دوستانه به یک مثال اکتفا میکنیم. در آینده نه چندان دور واکنش دهنده‌های نانو سایز برای روکش کردن جاده‌ها با لایه‌ای از سلولهای مخروطی شکل خورشیدی ( که بازده فوق‌العاده بالایی دارند) بوسیله یک روکش سخت الماسی با اندازه‌گیریهای دقیق معرفی خواهند شد. با 300 وات انرژی خورشیدی تابشی به صورت خام هر متر مربع از زمین، روزانه فقط یک قسمت کوچک از روکش موجود جاده برای مجموعه انرژی نیاز خواهد داشت و فقط سنگفرش مجدد خیابانهای افزایش انرژی الکتریکی ( بدست آمده از فتوسلولهای خورشیدی) را می‌طلبد. به این ترتیب دیگر نیازی به سوزاندن سوختهای فسیلی و ایجاد مونوکسیدکربن، دی‌اکسیدکربن، اکسیدنیتروژن و اکسیدگوگرد نخواهد بود و ما بسیار ارزان به انرژی گرانبهای الکتریکی دسترسی پیدا خواهیم کرد.
اثر مثبت در کشاورزی
دکتر Eric Drexler طرحی جامع در رابطه با کشاورزی به کمک ساختارهای نانویی دارد. در این برنامه کشتزارهای کنونی به حالت اولیه آن – جای که گاومیشهای وحشی ( بوفالوها که اکنون در حال انقراضند) در ان سکنی گزیده بودند- بازخواهند گشت. وی پیشنهاد میکند که ساختهای نانویی با اجرایی عالی می‌توانند گلخانه‌هایی در حجم کم اما انبوه پدید آورند که تقریباً به اندزه 10% از مزارع زیر کشت فعلی دنیا میباشند و می‌توانند جمعیت کنونی جهان را تغذیه نمایند. در اینصورت میلیونها مایل مربع از سرزمین ما می‌توانند به محلهای مسکونی طبیعی در سراسر جهان بازگردانده شوند و قسمت بزرگی از استعداها و مکانهای متوقف شده و بلااستفاده به کارگرفته شوند.
متخصص تشریح محلولها:
گروهی از دانشمندان علوم زیستی وجود دارند که معتقد به اخلاق در روند کاری خود هستند و به ضد تشریحها ( Antivivisection) معروفند. آنها معمولاً گیاهخوار هستند و استفاده از جانداران را در آزمایشهای پزشکی ، تغذیه کردن به حالتهای مختلف از دامها، ساختن کتهای چرمی از پوست حیوانات و مسایل دیگر شبیه به این را محکوم میکنند. حتی خود ما هم مثلاً از اینکه ببینیم خوشبو کننده‌ای در چشم یک میمون اسپری میشود تا مقدار حساسیت‌زدایی خاصیتهای آن چک شودن احسای ناراحتی میکنیم. نانوتکنولوژی برای ما و همه ضدتشریحها مژده‌ای زیبا دارد و آن مژده این است که دیگر نیازی به آزار هیچ موجود زنده برای کار تحقیقاتی نیست. نانوداروها، سلولهای نانوسایز، مدلهای کامپیوتری متابولیک و قدرت جسورانه نانوکامپیوترها همگی دست به دست هم خواهند داد تا موقعیت عدم استفاده از حیوانات را برای آزمایشهای منسوخ پزشکی و آرایشی فراهم آورند، کتهای چرمی با یک دانه اتم پایه و با روش اتم به اتم ( one atom at a time) در زمانی کوتاه ساخته می‌شوند و حتی استیک جوجه و یا بره‌ی نیم‌پخته را خود ما به کمک مولکولها و اتمها بوجود می‌آوریم بدون آنکه حیوانی را ذبح کنیم. همه اینها قابل اجراست و ضد تشریحها در طول زمان به طرفداران نانو تبدیل خواهند شد.
انهدام محلهای جمع‌آوری زباله‌های شیمیایی و هسته‌ای
همانطور که می‌دانیم کانالهای ارتباطی آبهای زیرزمینی در سراسر جهان بخاطر مدلهای مختلف تخلیه زباله، آلوده شده‌اند. هدف نانوتکنولوژی آن است که این آلودگی‌ها را متوقف کند و در جهت پاکیزه‌سازی آبهای سطحی و زیرزمینی گامهایی بردارد. امروزه نمونه‌های بسیاری از خاکهای آلوده شده و سرطانزا در دنیا وجود دارد. عناصر شیمیایی به خودی خود مضر نیستند، لیکن در متن زندگی انسانی این عناصر بی‌خطر و بعضاً مفید به خاطر عملکرد بد ما کشنده و مهلک شده‌اند. این تفاوت به سادگی قابل تشخیص است، زیرا که ترکیبات روزمره و مورد استفاده ما بصورت شیمیایی چیده شده‌اند. راه‌حل، شکستن پیوندهای شیمیایی و ایجاد تولیدات نهایی بی‌خطر و کم‌اثر است.
اما در مورد پسماندههای هسته‌ای همانطور که مشخص است این زباله‌ها می‌توانند امنیت پایدار جهانی را مخدوش کنند و از این جهت فوق‌العاده مورد توجه هستند. یک راه که در حیطه
نانوتکنولوژی پیشنهاد میشود آن است که یک نانیت را مامور درو کردن همه مواد رادیواکتیو در یک منطقه بکنیم. اما این راه، خشن و غیرعاقلانه به نظر می‌رسد. راه بهتر، ارزان‌تر و مطمئن‌تر آن است که با کمک نانو فضاپیماهای در حال ساخت، حداکثر بهره‌برداری از عملیات هسته‌ای خورشید را مد نظر قرار دهیم. البته توضیح نحوه‌ی عملکرد و ذخیره انرژی نانو فضاپیماها و طبقه‌بندی جرمی اتمهای باقی‌مانده از عملیات شکافت هسته‌ای درون خورشید از حوصله این بحث خارج است اما میتوان به بزرگترین مزیت این طرح اشاره کرد و آن یک مرحله‌ای بودن تبدیل انرژی به انرژی است.
یک هسته بصورت بالقوه رادیواکتیو است زیرا مقدار زیادی نوترون دارد. برای اینکه بتواند مقدا
ر زیادی پروتون در خود جای دهد و یا برای داشتن ثبات لازم، باید مقدار کمی نوترون داشته باشد. برای حل مشکل هستههای نافرم تنها این مهم است که هسته‌ها را همراه مقدار کافی انرژی برای شکستن آنها به عناصر کوچکتر و سبکتر شتاب دهیم و در آخر بشکافیم. بعد این عناصر سبکتر می‌توانند عناصر با ثباتی شوند و یا اگر این طور نباشد فرآیند ادامه پیدا میکند تا هنگامی که ثبات کامل بدست آید. به این ترتیب نانوتکنولوژی مشکل زباله هسته‌ای را تماماً مرتفع میکند، یعنی باقی مانده‌های واکنش‌های شکافت هسته‌ای، خود موادی عادی، کاربردی و از همه مهمتر غیررادیواکتیو هستند.
Nano Technology Magazine
نانوتکنولوژی خشک
الف) یک مثال: نانوتکنولوژی ، مادر شیمی تکاملی تجربی
علم شیمی شامل مراحلی است که در طول روزها و ماهها انجام میگیرد و شامل تجزیه و تقطیر و … ترکیبات است که بوسیله یک شیمی‌دان معمولی و تجربی انجام میشود.
شیمیدانان ترکیبات موجود را گرفته و به آن گروههای دیگری اضافه میکنند و به بررسی ویژگیهای آن می‌پردازند. این ترکیبات با روشهای متفاوت و با توجه به گروه جدیدی که در برابر آنها قرار گرفته، ترکیب جدیدی را بوجود می‌آورند که زمان بسیاری برای انجام این کار لازم است.
در حال حاضر برای رسیدن به نتایج مطلوب و بهینه‌سازی زمان، بحث شیمی تکاملی تجربی مطرح میشود که عبارت است از توانایی کنترل مکانی شیمی بوسیله نانو عملگرها و بازوهای مکانیکی کوچک و ساختن ترکیبات جدید و واکنش آنها با سرعت میلیونها عمل در ثانیه . نانوتکنولوژی از جمله اصولی میباشد که درشیمی تکاملی مطرح بوده و میتواند موجب انجام میلیونها آزمایش همزمان در مدت کوتاهی باشد. برای توضیح بیشتر، اگر روباتی را در نظر بگیریم که با
سرعت یک متر در ثانیه حرکت میکند، برای انتقال 10 نانومتری یک ترکیب به منظور واکنش دادن با ترکیب دیگر، فقط 10 نانو ثانیه در زمان نیاز دارد. پس یک واکنش شیمیایی با سرعت یک متر در ثانیه فقط 10 نانوثانیه زمان می‌برد تا انجام گیرد بنابراین هزار آزمایش مختلف در یک لحظه انجام میشود و بر این اساس هر یک از روباتها باید قادر باشند در یک هزارم ثانیه ترکیبات جدیدی را بوجود آورند.
یه طور کلی ما بدنبال فعالیتهای زیستی یا فعالیتهای کاتالیزوری می‌باشیم. ب
ه منظور دستیابی به برخی ویژگیهای نوین، ما به این ترکیب جدید نیاز داریم و باید آن را از میان یک میلیون ترکیب تازه بوجود آمده، گزینش کنیم. بهتر است بگوییم این کار یک واکنش کاتالیزوری است. برای انجام بهتر این واکنش توسط ترکیب مورد نظر بعد از انتخاب این ترکیب که بر اساس میزان عملکرد آن انتخاب میشود ، اطلاعات را به نرم‌افزاری که بازوهای مکانیکی را کنترل میکند، می‌دهیم.
این نرم‌افزار کنترلی، کنترل هر قسمت و همچنین کنترل خود نرم‌افزار را برعهده دارد زیرا هر بخش باید سیستم‌های کنترلی‌ای داشته باشد تا جای هر قسمت را تعیین کدره و تغییرات ایجاد شده در آن را بداند. بعبارت دیگر نرم‌افزار، شرح ترکیبات شیمیایی است که ما آنها را تولید میکنیم و چون نرم‌افزار روبات را کنترل میکند با تغییر آن ، ترکیبات تولیدی را تغییر می‌دهیم و واضح است که این عمل مزیت فراوانی در برابر مدلسازی مولکولی دارد زیرا مراحل زیادی را مختصر می‌نماید.
بنابراین نظریه شیمی تکاملی از یک نرم‌افزار بسیار قوی برای تغذیه سیستمها و شکل دادن چگونگی تکمیل ترکبیات شیمی جدید استفاده میکند و در آن نیازی به مدلسازی مولکولی نیست. این نظریه در حال حاضر بصورت مقدماتی مورد بررسی است که ویژگی آن ، توسعه ترکیبات با پارامترهای مورد نظر است.
Nano Technology Magazine
نانوتکنولوژی محاسباتی
الف- الکترونیک و کامپیوتر
هر 18 ماه یک بار یا چیزی در این حدود ، اندازه سیمها و ترانزیستورها نصف میشود. د رحالی که سرعت چیپها دو برابر میشود. سیمها در حال حاضر ضخامتی در حدود کسری از میکرون دارند. با توجه به اینکه پیچیدگیهای مدارات مجتمع هنگامی افزایش می یابد که بخواهیم به وسیله فشرده و کوچک کردن اندازه‌ها قدرت و سرعت را حفظ نماییم، انتظار می‌رود در سال 2002 به ابعاد بسیار کوچک ( nm 50) نیازمند باشیم.
تا چه زمانی میشود اندازه اجزا را نصف کرد و انتظار داشت که درست عمل کنند؟ بزودی سیمها آنقدر نازک شدره و تا حدی به هم محکم پیچیده می‌شوند که اثر مکانیک کوانتومی در مورد آنها
ظاهر خواهد شد ( این اتفاق( tunneling) تونل زدن نامیده میشود). به این معنی که الکترونها به سمت دیواره‌های عایقی تونل می‌زنند که بسیار نازک‌تر از آن هستند که به الکترون ها اجازه انتشار بدهند. اگر کسی یک chip با سیمهای بسیار نازک و عایقهای خیلی باریک بسازد، الکتورنها به طور یکجا شروع به تونل زدن یا اتصال کوتاه میکنند و دستگاه را به صورت کاملاً غیرقابل استفاده‌ای در می‌آورند. بزودی طراحان چیپها مجبور می‌شوند که مسیر خود را به سمت مفهوم ماشین حساب مکانیکی قدیمی تعویض کنند.
