مقدمه کاربردهای نانو
نانو موج چهارم انقلاب صنعتی
نانوفناوری دانش میان‌رشته‌ای
تاریخچه فناوری نانو
نانو فرایند دستکاری مواد
معرفی فن‌آوری نانو
معرفی گرافن
گرافن ماده‌ای است که به دلیل هدایت الکتریکی بالا می‌تواند رفتاری مانند فلز داشته باشد. به همین دلیل محققان به دنبال استفاده از آن در تولید محصولاتی نظیر آنتن هستند.
اخیراً محققان مؤسسه ملی CNR-ISOF در ایتالیا که عضو برنامه پرچم‌داری گرافن هستند، موفق به ساخت آنتن مخابراتی میدان نزدیک (NFC) مبتنی بر گرافن شدند. این آنتن جدید برخلاف آنتن‌های NFC رایج، انعطاف‌پذیر بوده و از دوام بالایی برخوردار است.
این آنتن‌های NFS ابزار مناسبی برای انتقال اطلاعات هستند. هر کجا که شما نیاز به یک مسیر ساده برای انتقال اطلاعات میان دو دستگاه که در فاصله کمی از هم قرار گرفته‌اند داشته باشید، این آنتن‌ها می‌توانند کارگشا باشند. این آنتن‌ها در کارت‌های امنیتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همکاری شرکت های بزرگ
نکته جالب توجه در این فناوری آن است شرکت‌های بزرگ صنعت الکترونیک نظیر STMicroelectronics و نوکیا برای توسعه این فناوری همکاری داشته‌اند. به نظر می‌رسد که گرافن به عنوان ماده مورد علاقه شرکت نوکیا باشد و این شرکت به دنبال استفاده از آن در ساخت نمایشگرهای انعطاف‌پذیر و تلفن‌های ضدآب است.
این که آیا تمام شرکت‌ها و مراکز دخیل در توسعه این فناوری به دنبال ساخت محصولی با این دستاورد هستند یا نه، هنوز مشخص نیست.
اخبار کاربردهای نانو
خبرهایی منتشر شده که نشان می‌دهد این شرکت‌ها به دنبال شرکای صنعتی بیشتری برای توسعه این فناوری هستند. پالرمو می‌گوید: «ما در نمایشگاه کامپوزیت اروپا ۲۰۱۶ به دنبال یافتن شریک صنعتی جدید برای توسعه آنتن‌های NFC مبتنی بر گرافن در مقیاس انبوه بودیم.»
هرچند هنوز اظهار نظری درباره هزینه تولید این آنتن‌ها نشده است، اما به نظر می‌رسد که تولید آنتن‌های گرافنی از همتایان فلزی خود بیشتر است. این که تولید انبوه این آنتن‌ها می‌تواند موجب کاهش قیمت و رقابت‌پذیرتر شدن آنها شود، می‌تواند نقطه عطفی در توسعه این فناوری باشد.
مفهوم نانو
دستاوردهای نانو
کاربردهای نانو
کرم ضدآفتاب
کاربردهای نانو در پوشاک
کاربردهای نانو در مبلمان
کاربردهای نانو در چسب
کاربردهای نانوپوشش رنگ خودرو
توپ تنیس
کامپیوتر
کاربردهای نانو آنتن
نانو آنتن به آنتن‌هایی گفته می‌شود که در مقیاس نانومتری ( ۱-۱۰۰ نانومتر) قرار دارند. فرکانس کاری این نوع آنتن به فرکانس تراهرتز مشهور است که بازه‌ی بین مایکروویو و مادون قرمز را پوشش می‌دهد. امروزه تکنولوژی تراهرتز توجه بسیاری از محققان را با توجه به ویژگی‌های منحصربفردی که دارد، به خود جلب کرده است.
ما نمی‌توانیم موج تراهرتز را ببینیم اما می‌توان بصورت گرما آن را احساس کرد. پس بنابراین می‌توان به این نتیجه رسید که موج تراهرتز دارای خطر خیلی کمتری برای بدن نسبت به موج نوری و مایکروویو است که یک مزیت بسیار خوبی محسوب می‌شود.
تکنولوژی تراهرتز
امروزه تکنولوژی تراهرتز در کاربردهای فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم‌های طیف‌نگاری تراهرتز، تصویربرداری تراهرتز و تولید تراهرتز توان بالا که امکان بررسی و آنالیز طیف گسترده‌ای از مواد را به ما می‌دهند، از جمله کاربردهای مهم تکنولوژی تراهرتز به‌شمار می‌آیند.
برای تولید پالس تراهرتز و همچنین آشکارسازی موج تراهرتز از آنتن‌ها و ساختارهای مختلفی استفاده می‌شود که مهم‌ترین آنها نانو آنتن‌ها (آنتن نوررسانا) هستند که بصورت‌های مختلف ساخته شده‌اند و همچنان محققان در حال بررسی ساختارهای مختلف برای ساخت آنها هستند تا بتوانند به بهترین نتیجه‌ی ممکن برسند.
ویژگی تکنولوژی نانو
مواد نانو با توجه به اندازه‌ی خیلی کمی که دارند از خود ویژگی‌های متفاوتی نشان می‌دهند. این مواد توانایی کنترل ساختار مواد در ابعاد بزرگتر را دارد. یعنی با توجه به این خاصیت بگونه‌ای مواد را در کنار هم در اندازه‌های میکرو و نانو قرار داد.
هر چقدر بتوانیم این نوع مواد را تحت کنترل بیشتر و در ابعاد ریزتر تولید کنیم خواهیم توانست موادی با قابلیت و کاربردهای مختلفی تولید کرد. یک تعریف اساسی در تعریف مواد نانو می‌توان به این اشاره کرد که ماده‌ی ما اگر فقط در یکی از ابعاد طول، عرض و ارتفاع در مقیاس نانومتر (کمتر از ۱۰۰ نانومتر) باشد، در گروه مواد نانو قرار می‌گیرد.
نانو مواد تک‌بعدی
نانو لایه ها در این دسته از مواد نانو قرار می‌گیرند مانند نانو پوشش‌ها و نانو فیلم‌ها که به آن‌هانانو مواد تک‌بعدی می‌گویند اجزای برد موجود در قطعات کامپیوتر از این نوع هستند. گروه دیگر نانو مواد دو بعدی هستند که در دو جهت ابعاد نانومتری دارند و شامل نانو سیم ها و نانو لوله‌ها می‌شوند. نوع دیگر نانو مواد سه‌بعدی هستند که شامل نقطه‌های کوانتومی و ذرات می‌شوند.
زمینه‌های نانو تکنولوژی
تاکنون نانو تکنولوژی در زمینه‌های زیادی ورود پیدا کرده و پژوهشگرانی که در عرصه نانو تکنولوژی فعالیت می‌کنند توانسته‌اند با استفاده از این فناوری به ساخت الیاف نفوذناپذیر، انواع یونیفورم‌های ضد‌گلوله و مقاوم در برابر مواد شیمیایی و روکش‌های مختلف دست پیدا کنند. حتی محققان موفق شده‌اند از سلیکون، نانو حسگر نیز بسازند. یکی از بخش‌های نانوفناوری که کمتر به آن پرداخته شده و دانشمندان توانسته‌اند در این عرصه به موفقیت‌های قابل توجهی برسند، بخش ساخت نانو آنتن است. البته نانوآنتنها خود برای کاربردهای متفاوتی ابداع و ساخته شده‌اند. در یکی از آخرین پژوهش‌هایی که در این زمینه انجام گرفته دانشمندان توانسته‌اند با الهام از فرایند فتوسنتز یک نوع نانو آنتن جدید ابداع کنند.
ویژگی های مهم مواد نانو
یکی از ویژگی‌های مهم نانو موادها افزایش مساحت سطح ماده و تاثیرات کوانتومی است. این عوامل باعث ایجاد خواص ویژه‌ای در مواد می‌شود که در مقاومت مکانیکی، نحوه‌ی واکنش‌ها و مشخصه‌های ویژه الکتریکی در نانومواد تاثیر می‌گذارد. وقتی اندازه‌ی نانومواد کاهش پیدا می‌کند، تعداد بیشتری از اتم‌ها در سطح ماده قرار می‌گیرند و در نتیجه نانو مواد کوچک‌تر دارای سطح بیشتری در واحد جرم نسبت به نانومواد با ذرات بزرگتر هستند.
این عامل باعث افزایش سطح تماس نانوماده با سایر عناصر می‌شود و در نتیجه موجب افزایش واکنش با آنها می‌شود. همچنین اندازه‌ی کوچک نانو مواد ها باعث می‌شود بازتاب نور تابشی بر سطح آنها نیز به گونه‌ای متفاوت باشد که باعث تغییر رنگ مواد در مقیاس نانومتر نسبت به ابعاد بزرگتر می‌شود.
اجزای تشکیل دهنده‌ی یک نانو آنتن و نحوه‌ی عملکرد آن
نانو آنتن دارای سه عنصر اصلی می‌باشند: الکترودها ( معمولا از جنس طلا)، زیرلایه‌ی نیمه هادی و پرتو لیزر.الکترودها معمولا بصورت نوارهایی خیلی کوچک در کنار یکدیگر با فاصله‌ی نانومتر قرار می‌گیرند و به یک ولتاژ معین بایاس شده‌اند. جنس الکترودها در اکثر مواقع طلا انتخاب می‌شود.
فاصله‌ی کم بین الکترودها باعث ایجاد حامل‌های نور در مجاورت زیرلایه‌ی نیمه‌هادی می‌شود، وقتی آنتن توسط لیزر تحریک می‌شود. با توجه به خاصیت حرکت‌پذیری الکترون و حفره، جریان نوری ایجاد شده و در نهایت از یک سمت میدان الکتریکی و از سمت دیگر موج تراهرتز تولید می‌شود.
زیرلایه‌ی نمیه‌هادی
زیرلایه‌ی نمیه‌هادی از جنس گالیوم آرسنید (GaAs) انتخاب می‌شود که دلیل آن تولید مقدار زیادی حامل نوری در فاصله‌ی زمانی خیلی کم است که در این شرایط می‌توان پالس تراهرتز با توان بیشتری تولید کرد. بنابراین آنتن نوررسانا همانند یک سوئیچ الکتریکی که در اثر افزایش رسانندگی الکتریکی نیمه‌هادی و ایزولاتورها وقتی که نور بر روی آنها ساطع می‌شود، عمل می‌کند.
نتایج نوررسانندگی در اثر افزایش در تعداد حامل‌های آزاد و الکترون-حفره تولید شده توسط فوتون‌ها حاصل می‌شود. انرژی فوتون‌ها باید به اندازه‌ای بالا باشد تا بتواند بر باند توقف مواد غلبه کند و در نهایت موج تراهرتز تولید شود.
تفاوت نانو آنتن‌ها با آنتن مایکروویو
یکی از اصلی‌ترین تفاوت‌ها می‌توان به نوع تحریک آنها اشاره کرد. در آنتن مایکروویو از یک خط انتقال مانند کابل کواکسیل برای تحریک استفاده می‌شود در حالیکه در نانو آنتن از یک لیزر استفاده می‌شود. جنس الکترود در آنتن مایکروویو از مس است در حالیکه در نانو آنتن از الکترودهای طلا استفاده می‌کنند. جنس زیرلایه در آنتن‌های مایکروویو از مواد دی‌الکتریک با تلفات کم است در حالیکه در نانو آنتن از زیرلایه با جنس نیمه‌هادی استفاده می‌شود.
در آنتن مایکروویو به ولتاژ نیاز نداریم اما در نانو آنتن باید از ولتاژ استفاده کنیم. یکی دیگر از تفاوت‌های نانو آنتن و آنتن مایکروویو در ساخت آسان و ارزان آنتن مایکروویو نسبت به نانو آنتن می‌توان اشاره کرد.
کاربردهای نانو آنتن
نانو آنتن‌ها با توجه به ویژگی‌های منحصر بفردی که دارند دارای کاربردهای فراوانی در صنعت شده‌اند. به عنوان مثال صنعت داروسازی، بدین صورت که در درون قرص‌ها یک نانو آنتن قرار می‌دهند تا بتواند محل اصلی هدف را تشخیص داده تا کمتر از دارو استفاده شود و روند بهبود سریع‌تر باشد.
در صنعت پزشکی بخصوص در مورد بیماری‌های سرطانی، نانو آنتن ها به سلول تومور تزریق می‌شوند و با توجه به خاصیت تولید گرما در نانو آنتن باعث ایجاد حرارت بالا و از بین بردن سلول سرطانی می‌شود. نانو آنتن‌ها در صنعت امنیت برای شناسایی و بازرسی بار در گیت‌های فرودگاه‌ها نیز استفاده می‌شود.
تشخیص و شناسایی مواد
یکی از مهم‌ترین کاربردهای نانو آنتن تشخیص و شناسایی مواد و استخراج ویژگی آنها است. این عمل از یک دستگاه به نام دستگاه طیف‌بینی تراهرتز استفاده می‌شود. بدین صورت که از دو نانو آنتن یکی برای تولید موج تراهرتز و دیگری برای آشکارسازی موج تراهرتز عبوری از ساختار نمونه استفاده می‌شود.
وقتی موج تراهرتز به نمونه برخورد می‌کند باعث ایجاد تغییر در شکل موج آن می‌شود و از سوی دیگر با آشکارسازی موج تراهرتز تغییر یافته و با مقایسه‌ی آن با موج تراهرتز اولیه می‌توان ویژگی‌های ماده‌ی جدید را استخراج کرد. کاربرد اصلی این سیستم برای شناسایی مواد ناشناخته در فضا است.
کاربردهای نانو در آنتن‌ها
آنتن‌هایی برای هدایت نور خورشید
شانا کلی و تد سارگنت، سرپرستان این تیم تحقیقاتی از دانشگاه تورنتو در این باره می‌گویند: ما گونه‌های مختلفی از نانوذرات را توسعه داده‌ایم که دارای برخی از مواد موجود داخل دی‌ان‌ای هستند. ساختارهای پیچیده ما(نانوآنتن‌های ابداعی) می‌توانند مانند آنتن‌های واقعی، انرژی را جمع‌آوری و در یک نقطه متمرکز کنند. ساختارهای ما همچنین همانند آنتن‌هایی که نور را در برگ‌های درختان ذخیره می‌کنند می‌توانند طول موج‌های نور خورشید را دریافت کنند.پیش‌تر نیز دانشمندان در زمینه ساخت نانوآنتنها دستاوردهای مهمی کسب کرده بودند.
نانوآنتن‌های امنیتی
چندی قبل یک تیم بین‌المللی از محققان موفق به ابداع نوع جدیدی از نانوآنتنها شده بودند که این امید را به‌وجود آورد که روزی بتوان از این نانوآنتنها در کاربردهای امنیتی برای تشخیص داروها و مواد تشعشع‌زا استفاده شود. چگونگی عملکرد این نانوآنتنها همانند آنتن‌های متداول و معمولی است با این تفاوت که به جای جمع‌آوری امواج رادیویی نور را جمع‌آوری می‌کنند و میلیون‌ها بار کوچک‌تر از آنتن‌های معمولی هستند. این نانوآنتنها به این دلیل ممتاز و بی‌نظیر هستند که از یک الگوی تکرار‌شونده تشکیل شده‌اند که از کنار هم قرار گرفتن این الگوها ساختارهای بزرگتر شکل می‌گیرند.
این روش نوین به این معنی است که نانوآنتن‌های ساخته‌شده با این روش را می‌توان در ابعاد بسیار کوچک یا در ابعاد بزرگتر تا اندازه یک تار موی انسان به کار برد.
فناوری نانوآنتن لیزری
این فناوری که تحت عنوان آنتن لیزری پلاسمونیک نیز نامیده می‌شود می‌تواند ۵ترابایت داده را روی یک دیسک نوری در ابعاد مشابه یک سی‌دی یا دی‌وی‌دی ذخیره کند. در فناوری آنتن نانو یک اشعه لیزر برای ایجاد یک نقطه بسیار کوچک نور، متمرکز می‌شود و همین مسئله سبب می‌شود که هر بیت داده، روی یک دیسک نوری فضای کوچکی را اشغال کند. علاوه بر این می‌توان از این فناوری در ابزارهای دیگری مانند ذره‌بین‌ها و طیــف‌نماهای اسپگتروسکوپی لیزری استفاده کرد. محققان دانشگاه هاروارد اعلام کرده‌اند که این فناوری در ابتدای کار، به‌جای استفاده در حافظه‌های نوری بیشتر در این نوع دستگاه‌ها (ذره‌بین‌ها و طیــف‌نماهای اسپگتروسکوپی لیزری) مورد استفاده قرار بگیرد.
دانش فناوری نانو
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود یک تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به‌کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی – عمدتا متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک – از خود نشان می‌دهند. نانو تکنولوژی می‌تواند به‌عنوان ادامهٔ دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
مواد مورد استفاده در نانو
مواد نانو قابلیت کنترل ساختار تشکیل‌دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد کوچک و کوچک‌تر، در اندازه‌های میکرو و نانو را دارند. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و کنترل شده‌ای تولید کنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملکردهای بسیار عالی به دست آوریم.
کاربردهای نانو در لایه‌ها
تاکنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یک تعریف جامع می‌توان گفت که موادی در این گروه قرار می‌گیرند که یکی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر کوچک‌تر باشد. یکی از این گروه‌ها، لایه‌هاست. لایه‌ها یک بعدی هستند که در ۲ بُعد دیگر توسعه می‌یابند؛ مانند فیلم‌های نازک و پوشش‌ها. برخی از قطعات کامپیوتر جزو این گروه هستند.
لوله‌ها و سیم‌ها
گروه بعدی شامل موادی است که دارای ۲بعد هستند و در یک بعد دیگر گسترش می‌یابند و شامل لوله‌ها و سیم‌ها می‌شوند. گروه مواد سه‌بعدی در نانو، شامل ذرات، نقطه‌های کوانتومی (ذرات کوچک) و نظایر آنها می‌شوند. ۲ ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروه‌ها متمایز می‌سازد که عبارت است از افزایش سطح مواد و تأثیرات کوانتومی. این عوامل می‌توانند باعث ایجاد تغییرات یا به‌وجود آمدن خواص ویژه‌ای مانند تأثیر در واکنش‌ها، مقاومت مکانیکی و مشخصه‌های ویژه الکتریکی در مواد نانو شوند. همانگونه که اندازه این مواد کاهش می‌یابد، تعداد بیشتری از اتم‌ها در سطح قرار خواهند گرفت.
مقایسه نانو باذرات کوچک‌تر با مواد نانو با ذرات بزرگتر
مواد نانو با ذرات کوچک‌تر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واکنش با آنها می‌شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مکانیکی و الکترونیکی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات کریستال‌ها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مکانیکی بر آن می‌شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین کریستال‌ها، مقاومت مکانیکی آن به‌شدت افزایش می‌یابد. برای مثال فلز نیکل در مقیاس نانو، مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تأثیرات ازدیاد سطح، اثرات کوانتومی با کاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می‌شود؛ تغییر در خواص بصری، الکتریکی و جاذبه.
مواد نانوی یک بعدی
این مواد شامل فیلم‌های بسیار نازک و سطوح مهندسی هستند و در ساخت ابزار الکتریکی و شیمیایی و مدارهای الکترونیکی ساده و مرکب کاربرد وسیعی دارند. امروزه کنترل ضخامت لایه‌ها تا اندازه یک اتم صورت می‌پذیرد و ساختار این لایه‌ها حتی در مواد پیچیده‌ای مانند روانکارها شناخته شده است. لایه‌های نانو که قطر آنها به اندازه یک مولکول یا یک اتم است، در علوم شیمی کاربرد وسیعی دارند. یکی از کاربردهای این لایه‌ها ساخت سطوحی است که خود را بازسازی کنند.کاربردهای نانو دوبعدی: به‌تازگی کاربرد مواد نانوی دوبعدی در تولید سیم و لوله‌ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به‌دلیل وجود خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی به‌خود جلب کرده است.
