کانی مگ، محمد قهرمانی کوشان- از هفتاد سال پیش که اختراع وسایل بسیار ریز و کوچک با قابلیتهای بالا مدنظر دانشمندان و محققان قرار گرفت دو مورد از اهمیت خاصی برخوردار بودند؛ ۱- ترانزیستورهای الکترونیکی ۲- میکروچیپها.
ساخت این وسایل و ابزار امکان ساخت وسایل الکترونیکی مدرن را فراهم میکرد. روند ساخت و مینیاتوری شدن این ابزارها از ۱۹۴۰ میلادی آغاز شد. در حال حاضر نیز این روند ادامه دارد. به عنوان مثال امروزه یک چیپ دارای پنج میلیارد ترانزیستور الکترونیکی است. این روند کوچکسازی از دو جنبه میتواند حایز اهمیت باشد؛ قیمت تمام شده که بسیار پایین است و دوم کارایی بسیار بالا. مثلا همین روندی که امروزه در تولید خودرو وجود دارد، میتواند در آینده خودروهایی با قیمت حدود یک صدم قیمت خودروهای امروزی و با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت تولید شود.
همه مواردی که گفته شد در گرو کوچکسازی وسایل و ابزارها و استفاده از علم نانو است. در فرآیند استفاده از علم نانو باید ابزارهایی در ابعاد نانومتری ساخته شوند که این کار هم نیازمند طراحیهای بسیار دقیق است. روشهای مختلف و بسیار دقیقی برای ساخت ابزارهای نانویی وجود دارند که مورد استفاده قرار میگیرند. از جمله میتوان به لایه نشانی اتمی بر روی یک ماده اشاره کرد.
وقتی مواد به ابعاد نانویی میرسند ویژگیهای آنها مانند رسانش الکتریکی، واکنشپذیری شیمیایی و … تغییر میکنند و نمیتوانیم این ویژگیها را با ابعاد ماکروسکوپی مقایسه کنیم. در نتیجه کارکرد ابزارهای نانویی متفاوت از ابزارهای عادی میشود. با وجود این تفاوتهای آشکار در کارکرد ابزارها، دنیای نانو و ماکرو توسعه نانو ابزارها بنابر دلایلی ضروری به نظر میرسد. در واقع، ابزارهای نانویی فرصتی برای انسان هستند تا زندگی خودش را مدرنتر کند.
با توسعه ابزارهای نانویی پیشبینیهای واقع بینانهای از آینده میتوان کرد.
۱-ساخت سنسورهای نانویی برای رفع نواقص وسایل و ابزارها
نانوسنسورها میتوانند با قرار گرفتن در محلهای خاص تحت تنش در وسایل مختلف امکان ترمیم آن محل را به وجود آورند. این سنسورهای نانویی میتوانند در بدنه خودرو، راکتورهای کارخانهها، نیروگاهها، موتور ماشینها و هر مکانی که امکان مشکل و ایراد وجود دارد قرار گیرند.
۲-حل مشکلات مربوط به انرژی و بحران آینده زمین
تامین انرژی مساله روز همه کشورها اعم از قدرتمند و ضعیف است. استفاده از سوختهای فسیلی و منابع تجدیدناپذیر باعث شده است که این منابع رو به پایان باشند؛ اما وجود منابع انرژی تجدید پذیر باز هم راه حل درستی نمیتواند باشد. منابع سوختهای فسیلی باعث تولید کربن دی اکسید میشوند و به تبع آن گرمایش زمین زندگی را در همه نقاط کره زمین با مخاطره روبرو کرده است. خشکسالی و وقوع سیل و طوفانهای سهمگین نتیجه تغییرات اقلیمی است که با گرمایش زمین ارتباط مستقیمی دارند. به عنوان مثال تولید سرانه کربن دی اکسید در بسیاری از کشورها بالای ۲۰ تن در سال است.
در کنار منابع تجدید ناپذیر، منابعی تجدید پذیر وجود دارند که میتوان به انرژی خورشیدی، باد، زمین گرمایی اشاره کرد. امروزه امکان تبدیل انرژیهای مذکور به انرژی الکتریکی وجود دارد. برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی صفحات خورشیدی با مواد نانویی لازم است که با طراحی دقیق و استفاده از عناصر با کارایی بالا این مساله امکانپذیر است. نسل سلولهای خورشیدی از سیلیکونی به پروسکایتی درحال تغییر است. سلولهای پروسکایتی ترکیباتی از اکسید تیتانیوم به همراه عناصر فلزی دیگر مانند کلسیم و … هستند که در آینده میتوانند در ساخت سلولهای خورشیدی با بهره تبدیل بالا و قیمت کم مورد استفاده قرار گیرند. نانویی شدن مواد مورد استفاده در ساخت سلولهای خورشیدی میزان تبدیل انرژی خورشی به انرژی الکتریکی را بسیار بالا میبرد.
ذخیرهسازی انرژی الکتریکی نیازمند ساخت خازنهای با ظرفیت بسیار بالا است که در عین حال این خازنها از نظر اندازه ظاهری هم تغییر چندانی نکنند. برای این منظور مواد نانویی این قابلیت را دارند که در ساخت ابر خازنها مورد استفاده قرار گیرند. ساخت خازن و باتری قابل شارژ باعث میشود که به میزان بسیار زیادی انرژی الکتریکی ذخیره شود و در عین حال پس از تخلیه خازن و یا باتری امکان شارژ مجدد آنها وجود دارد.
۳-فراهم کردن دیتاهایی با حجم بسیار زیاد
وجود چیپها و ترانزیستورهای پیشرفته میتواند اطلاعات بسیار زیادی از محلهای زندگی افراد در جوامع شهری را ذخیره و پردازش کند. از طرف دیگر میتواند الگوهای پیچیده موجود در کلان شهرها را شناسایی کند.ساخت رایانههایی مثلا با ۱۰۰ میلیارد CPU با استفاده از ابزارهای دقیق نانویی امکانپذیر است. قدرت پردازش رایانههای آینده غیر قابل مقایسه با رایانههای امروزی خواهد بود. به طور کلی علم نانو ابزاری برای ساخت است.
۴-نانوذرات در صنایع معدنی
آلودگی حاصل از مواد محیط آسیابکننده هم میتواند مشکلساز باشد. نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته میشوند. معمولیترین آنها نانو ذرات سرامیکی بوده که به بخش سرامیکهای اکسید فلزی مانند اکسیدهای تیتانیوم، روی، آلومینیوم، آهن و نانو ذرات سیلیکاتی (بیشتر به شکل ذرات نانو مقیاسی رس) تقسیم میشود. حداقل باید یکی از ابعاد نانوذرات سرامیکی براساس تعریف آن کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی معمولا اندازه یکسانی از ۲ یا ۳ نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر در هر ۳ بعد دارند. شاید چنین به نظر برسد که این ذرات کوچک در هوا معلق بمانند؛ اما در واقع آنها به وسیله نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر چسبیدهاند و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب میکنند.
کاربردهای بازارپسند این نانومواد بسیار زیاد است. خردایش یک فرآیند منحصربهفردی است که در محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی برای تولید ذرات ریز استفاده دارد؛ اما بسیار مشکل است بهوسیله خردایش، ذرات را به اندازه بسیار ریز تبدیل کنیم و علاوه بر این، خردایش بسیار ریز به علت ظرفیت پایین آسیاب و مصرف بالای انرژی، بسیار گران است.
افزایش در کارآیی خردایش، تاثیر مفید و اساسی روی مصرف انرژی خردایش و هزینههای آن خواهد داشت. برای رسیدن به این هدف، انتخاب آسیاب مناسب و عملیات در شرایط بهینه آسیاب کردن لازم و ضروری به نظر میرسد.در اینباره از آسیاب سانتریفیوژ استفاده میشود که، یک آسیاب با قدرت بالا بوده و میتواند برای خردایش بسیار ریز مواد مورد استفاده قرار گیرد.