1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

نانو 2020؛ مواد کارآمد و حوزه های نوظهور در فناوری نانو

افراد مقاله : ‌ مترجم - محمد هادی مقیم

موضوع : سیاستگذاری و ارزیابی تاریخ مقاله : 1393/09/12 تعداد بازدید : 2387

گزارش سمت وسوی تحقیقات فناوری نانو برای نیاز‌های جامعه در 2020 که به‌وسیله‌ی مرکز ارزیابی فناوری جهانی و با حمایت بنیاد ملی علوم تهیه شده است، دومین گزارش در مورد سمت و سوی تحقیقات فناوری نانو است که بعد از اولین گزارش به‌نام "نانو1"که در سال 1999 منتشر شد در سال 2011 منتشر شده است. این گزارش که به گزارش "نانو2" موسوم است به بررسی پیشرفت‌های علم وفناوری نانو در دهه گذشته می‌پردازد و فرصت‌های پیش رو برای توسعه فناوری نانو در 10 سال آینده را نشان می‌دهد. در این گزارش دستاورد‌های فناوری نانو از سال 2000 خلاصه شده است. از آن مهم‌ترهدف‌های مورد انتظار برای تحقیقات فناوری نانو در 10 سال آینده و چگونگی رسیدن به آنها در قالب نیاز‌های اجتماعی توضیح داده شده است. گزارش"نانو2" در برگیرنده دیدگاه‌های متخصصین برجسته دانشگاهی، صنعتی و دولتی است که در مجامع تخصصی برگزار شده در ایالات متحده و دیگر نقاط جهان بین مارس و جولای 2010 شرکت کرده‌اند. مخاطبین این گزارش جامعه دانشگاهی، بخش خصوصی، سیاستگذاران و کارگزاران دولتی و به طور عمومی تمام افراد مرتبط با فناوری نانوهستند. مقاله حاضر ترجمه و خلاصه بخشی از این گزارش در حوزه کاربرد فناوری نانو در حوزه نانومواد با عنوان " مواد کارآمد و حوزه‌های نوظهور در فناوری نانو" است که به دستاوردهای 10 سال گذشته فناوری نانو در این حوزه و دورنمای تحقیقات آن در 10 سال آینده می‌پردازد.

 

1- نگرشی در مورد دهه آینده

در حوزه‌ای از علم که به‌وسیله‌ی واژه "نانومواد" تعریف می‌شود در طی ده سال گذشته تغییرات گسترده‌ای روی داده است. در حالی که در سال 2000 میلادی این واژه معمولا به صورت محدود "توانایی شناخت و کنترل مواد در ابعاد نانومتری، هنگامی که ماده خواصی وابسته به اندازه را از خود نشان می‌دهد" تعریف می‌گردید، اکنون گستردگی در تعاریف موجود و حوزه‌های مرتبط، نشان‌دهنده پیشرفت این حوزه از علم است. امروزه تحقیقات گسترده روی مواد کامپوزیتی آلی- غیرآلی، مواد چندمنظوره، مواد خود تمیز شونده و حسگرهای مقیاس نانو، استفاده از اینگونه مواد را به واقعیت تبدیل کرده است.

دهه گذشته شاهد انقلاب گسترده‌ای در نگرش علمی و کاربردی به نانومواد از کار با نانوذرات، نانولوله‌ها و نانوسیم‌ها؛ تا کار با نانوکامپوزیت‌های هیبریدی بوده است، که در گروه جدید علاوه‌بر وابستگی خواص به اندازه فاز نانو؛ مورفولوژی، ناهمسانگردی فضایی[4]، و انطباق کریستالی نیز تأثیرگزار خواهد بود. علاوه‌بر این، توجه جهانی بر روی نانوساختارهای هیبریدی، که بر اساس ترکیب پلیمرهای طبیعی و مصنوعی؛ با مواد فلزی، سرامیکی و کربنی بنانهاده شده است، نیز باعث تغییر در نگرش و توانایی محققان در تولید مواد نانوساختار گردیده است.

بر این اساس و در طی ده سال آینده برنامه‌های تحقیقاتی در حیطه موضوعاتی خواهد بود که کارایی، چندمنظوره بودن، قابلیت ادغام و پایداری نانومواد را در محدوده فناوری‌های همگرا و نوظهور ارتقا بخشد. در این راستا باید طراحی روش‌های تولید صنعتی نانومواد با کیفیت مناسب و خواص در محدوده باریک؛ مشخصه‌یابی خواص مورد نیاز و تکرارپذیری آن؛ و همچنین تولید نانوساختارها به شکل‌های مختلف حجیم، پوشش و دستگاهی مورد بررسی قرار گیرد. علاوه‌بر این از طریق کنار هم قرار دادن ذرات نانویی، که خود دارای خواص منحصربه‌فرد و متفاوتیهستند، نانوکامپوزیت‌های نسل جدید با خواص ویژه و مستقل قابل تولید است.

 

2- پیشرفت‌های ده سال گذشته و وضعیت فعلی

پیشرفت‌های اصلی در زمینه مواد و پوشش‌های نانوساختار در طی ده سال گذشته بر روی نانوساختارهای هیبریدی متمرکز شده است، که این سیستم‌ها شامل محدوده گسترده‌ای از مواد بیولوژیکی و غیربیولوژیکی، و فصول مشترک‌ نانوساختارها و قابلیت تولید آن‌ها، با اجزاءمختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکیهستند. در ادامه به ارائه مثال‌هایی در این حیطه پرداخته می‌شود.

 

2-1- نانوالیاف
با پیشرفت فناوری نانو این قابلیت فراهم شده است که محصولات صنعتی بیشتری با استفاده از نانوالیاف تولید گردد. به عنوان نمونه امروزه تجارت‌های میلیون دلاری در زمینه غشاهای ساخته شده از نانوالیاف در حال انجام است و بر اساس تخمین صورت گرفته در آینده این تجارت از میزان 200 میلیون دلار به میزان 500 میلیون دلار رشد پیدا خواهد کرد. در ابتدا این دسته از غشاها جهت تصفیه هوا، به دلیل راندمان بالا در فشار کم، مورد استفاده قرار می‌گرفت. اما اخیراً این نانوساختارها جهت استفاده در سیستم‌های تصویه پیچیده‌تری با کارایی و حساسیت بالاتر، مانند تصویه باکتری‌ها به کار برده می‌شود. این دسته از سیستم‌های تصفیه به دلیل قابلیت‌های ویژه، اخیرا در صنایع نظامی و اتومبیل‌سازی نیز کاربرد یافته است.

به دلیل خواص ویژه آب‌گریزی در بسیاری از این دسته نانوساختارها، علاوه‌بر صنایع تصفیه در کاربردهای دیگری از تجهیزات جراحی گرفته تا تولید البسه نیز از نانوالیاف استفاده می‌گردد. شکل 1 تصویر میکروسکوپی نانو الیاف اکسیدتیتانیوم را نشان می‌دهد.

 

2-2- فلزات نانوبلور
در گذشته کاربرد مواد نانوساختار در سازه‌ها با وجود استحکام بالا، به دلیل ترد بودن ساختار محدود تصور می‌گردید. اما در طی دهه گذشته با پیشرفت‌هایی که در زمینه تولید مواد نانوبلور بدون عیب، با استفاده روش‌های آبکاری و شکل‌دهی ویژه، انجام گردید، این موضوع به اثبات رسیده است که فلزات نانوبلور به خودی خود ترد نبوده و با کنترل فرآیند تولید و در نتیجه کنترل عیوب کریستالی می‌توان چقرمگی مناسبی در آن‌ها ایجاد نمود. چقرمگی بالا در مواد نانوبلور باعث شده است که از این دسته از مواد به عنوان مواد چند منظوره استفاده گردد و بر این اساس، خواص دیگر فلزات نانوساختار مانند مقاومت خوردگی، خواص الکتریکی و مغناطیسی، و خواص نوری نیز مورد توجه قرار گیرد.

مطالعات شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با کوچکتر شدن اندازه دانه از یک مقدار بحرانی بر اساس نوع فلز، مکانیزم تغییر شکل از حرکت نابجایی‌ها به تغییر شکل مرزدانه‌ای تغییر می‌کند. به دلیل غالب بودن تغییرشکل مرزدانه‌ای در مواد نانوبلوری، ساختار مرزدانه در میزان تغییر شکل نقش اساسی ایفا می‌کند. به عنوان نمونه فرایند آنیل دمای پایین باعث رها شدن مرزدانه‌ها در نانومواد تولید شده می‌گردد که در نتیجه، فرایند جوانه‌زنی و لغزش مرزدانه‌ای را دشوار می‌کند. شکل 2 این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد به گونه‌ای که آنیل دمای پایین باعث افزایش استحکام و کاهش مؤثر داکتیلیته گردیده است.

نتایج شبیه‌سازی همچنین ساختاری را پیشنهاد می‌کند که در آن اندازه دانه‌ها به دو صورت بزرگتر و کوچکتر در کنار هم قرار گرفته باشد، که در این صورت این دسته از مواد می‌توانند به صورت کامپوزیت‌هایی فرض شوند که هر دو رفتار الاستیک و پلاستیک را از خود نشان می‌دهند و در نتیجه فلزات با توزیع اندازه دانه دوگانه دارای ترکیب بهینه‌ای از استحکام و داکتیلیته خواهند بود.

 

2-3- نانومواد پایه سلولوزی
در طی ده سال گذشته صنایع چوب، فناوری نانو را به عنوان راهی جهت بهره‌برداری از ظرفیت عظیم درختان به عنوان یک کارخانه فوتوشیمیایی طبیعی که منابع عظیمی از مواد خام را با استفاده از آب و نور خورشید تولید می‌کند،‌شناسایی کرده است. اکنون منابع زنده و عظیم جنگلی به عنوان مسیری کلیدی جهت تولید موادی تجدیدپذیر و تطبیق‌پذیر با صنعت و طبیعت جهت تأمین نیازهای جامعه جهانی در قرن 21 مطرح است. مواد لیگنوسلولزی[5]که در چوب حضور دارد، به عنوان یک ماده فراوان در نقاط مختلف جهان توزیع گردیده است و این موضوع این امکان را فراهم می‌آورد تا در آینده بسیاری از لوازم زندگی بشر از چوب ساخته شده و این صنعت تبدیل به بازاری جدید و رو به رشد گردد.

از لحاظ ساختاری چوب از فیبریل‌های اولیه (ویسکرها) تشکیل شده است که دارای سطح‌مقطعی با قطر 3 تا 5 نانومترهستند. همچنین زنجیرهای پلیمری سلولزی نیز وجود دارند که به صورت منظم (کریستالی) یا غیرمنظم (آمرف) آرایش یافته است. به‌ طور کلی چوب دارای30 تا 40% وزنی سلولز است که از این مقدار نیمی به صورت کریستالی و نیمی به صورت آمورف موجود است. به‌صورت تئوری مدول مولکول‌های سلولزی حدود 250 گیگاپاسکال بوده و این در حالی است که میزان سفتی در دیواره سلول‌ها حدود 130 گیگاپاسکال گزارش شده است. این مقادیر نشان‌دهنده این است که سلولز به عنوان یک ماده با قابلیت بالا مطرح بوده که با بهترین الیاف‌های دنیا قابل مقایسه است.

به دلیل وجود میلیون‌ها تن در سرتاسر جهان، این محصولات می‌توانند به عنوان منابع موثری جهت تولیدات صنعتی به کار روند. کامپوزیت‌های تجدیدپذیر با خواص متناسب با شرایط، یکی از محصولات مهمی است که می‌توان با بررسی روش‌های‌شناسایی، پایدار کردن و آمیختن مواد سلولزی با دیگر مواد مورد توجه قرار گیرد. شکل 3 ساختار کلی چوب را نشان می‌دهد.

 

3- اهداف، موانع و راه‌حل‌های موجود در 5 تا 10 سال آینده

در طی 10 سال آینده، محققان بر روی موضوعاتی متمرکز می‌شوند که باعث گسترش عملکرد، افزایش کارآمدی، قابلیت ادغام و پایداری نانومواد و نانوسیستم‌ها در تعداد کثیری از فناوری‌ها می‌گردد. دسته مهمی از اهداف به طور خلاصه در این بخش آورده شده است.

 

3-1- جداسازی و خالص‌سازی
ویژگی‌های تعریف شده نانوکامپوزیت‌ها نه تنها به ترکیب شیمیایی بلکه به اندازه، شکل و توزیع فازهای آن‌ها نیز وابسته است. هرگونه توزیع چندگانه در اندازه وشکل باعث ایجاد خواص غیرهمگن می‌گردد و بنابراین محققان به دنبال راهبردهای اقتصادی جهت جداسازی و خالص‌سازی نانوموادهستند. اینگونه فرایند‌ها باعث تولید نانومواد با توزیعی باریک از اندازه، شکل و ترکیب شیمیایی گردیده و خواص یکنواخت ایجاد شده باعث عملکرد قابل قبول و تکرارپذیر در تجهیزات و مواد مختلف خواهد شد. علاوه‌بر این با کنترل مناسب در توزیع چندگانه مواد می‌توان محدوده‌ای از خواص را ایجاد نمود.

 

3-2- متامواد سلسله‌مراتبی[6]
با تولید نانومواد با توزیع باریک، این امکان وجود دارد که این مواد به صورت منظمی در یک ساختار بلوری کنار هم قرار بگیرند و در این صورت نانوذرات، نقش اتم‌های مصنوعی را ایفا خواهد کرد. با وجود اینکه در دهه گذشته پیشرفت‌های زیادی در این زمینه در موضوع نقاط کوانتومی انجام پذیرفته است، اما در آینده شاهد پیشرفت‌های بیشتری به خصوص در زمینه کنترل ساختاری آن خواهیم بود. از طریق روش‌های خودآرایی و آراستن هدفدار اجزاء نانومتری با خواص مجزا، نسل جدید نانوکامپوزیت‌ها با خواص بی‌نظیر و مستقل قابل تولید خواهد بود.

 

3-3- روش‌های ساخت نانومواد
جهت رسانیدن نانومواد به بازارهای اصلی، پیشرفت‌های اساسی در روش‌های ساخت ضروری به نظر می‌رسد. در این بین باید به مسائلی از جمله افزایش حجم تولید، هزینه ساخت، بهینه‌سازی مصرف انرژی، کنترل فرایند و کنترل کیفیت محصولات توجه ویژه داشت. در این صورت است که می‌توان اطمینان تولیدکنندگان را در ورود به این بازار بزرگ فراهم آورد. بهینه‌سازی روش‌های ساخت نانومواد نیازمند پیشرفت تکنیک‌های چون خودآرایی و اصلاح سطوح هستند. در نهایت نیز باید به این نکته توجه داشت که با استفاده از روش‌های محاسباتی پیشرفته می‌توان باعث تکمیل و ارتقا اصول طراحی در روش‌های تولید گردید.

 

3-4- الهام از بیولوژی
مواددر سیستم‌های بیولوژیکی دارای مشخصه‌های ویژه‌ای هستند که این ویژگی‌ها معمولاً در مواد مهندسی یافت نمی‌شود. از این جمله می‌توان به ساختارهای غیرتعادلی، ساختارهای خود بهبود یافته و ساختارهایی با قدرت تحمل عیوب اشاره کرد. از سوی دیگر سیستم‌های بیولوژیکی دارای واکنش‌های بهینه‌شده‌ای بین محیط‌های آلی و غیر آلی هستند. تحقیقات در دهه آینده نیازمند توجه به این ترکیبات قدرتمند خواهد بود و جهت دستیابی به این مهم، کنترل مناسب‌تر، مشخصه‌یابی دقیق‌تر و تحلیل فصول مشترک نانومواد ضروری به نظر می‌رسد.

 

3-5- رویکردهای ترکیبی و محاسباتی
مواد نانوکامپوزیتی با تغییر اندازه، شکل و ترکیب اجزاء نانو؛ نحوه اصلاح سطوح؛ و نوع فاز زمینه دارای حالت‌های متفاوتی خواهد بود. بررسی این حالت‌های گسترده با استفاده از روش‌های تجربی منطقی به نظر نمی‌رسد. در این میان استفاده از روش‌های موازی و ترکیبی راهبرد جایگزین خواهد بود. بنابراین طراحی ابتکاری آزمایش‌های تجربی و مشخصه‌یابی خواص ماده، و در کنار آن استفاده از روش‌های محاسباتی، مدل‌سازی و بهینه‌سازی الگوریتم‌ها بهترین راه حل ممکن به نظر می‌رسد. بر این اساس محققان باید به توسعه توانمندی طراحی‌های قابل اعتماد جهت انتقال از تخمین‌های آغازین تا کارکرد صحیح سیستم‌های مهندسی بپردازند.

 

3-6- فناوری‌های نوظهور و همگرا
تشخیص اهداف فوق‌الذکر باعث ایجاد نانومواد جدید با ترکیب بی‌نظیری از خواص می‌شود، و این مهم این نوید را می‌دهد که فناوری‌هایی که در گذشته تحقیقات مستقلی از هم داشته‌اند، به یک نقطه مشترک رسیده و قدم در تولید مواد مهندسی با چند کارایی مختلف گذارند تا این دسته مواد بتواند نیازمندی‌های اکثر فناوری‌ها را برآورده سازد.

 

4- نیازمندی‌های زیربنایی علم و فناوری نانو

جهت دستیابی به اهدافی که در بخش قبلی ترسیم گردید، توسعه زیربنایی علم و فناوری نانو از اهمیت خاصی برخوردار است. به عنوان نمونه تجهیزات جدیدی جهت بررسی طبیعت موضعی فصول مشترک‌ و خواص اصلی مواد؛ خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، شیمیایی، بیولوژیکی، نوری و مغناطیسی؛ مورد نیاز است. تکنیک‌های طراحی چندبعدی و قابل اعتماد نیز یکی از مسائل بسیار مهم و بحرانی در مورد نانوکامپوزیت‌ها است. تنها با دسترسی گسترده به این تجهیزات، این قابلیت وجود دارد تا بتوان در آینده به پیشرفت‌های اساسی در این علم دست یافت.

علاوه‌بر این، داشتن نیروی کار تعلیم داده شده و منضبط ضروری به نظر می‌رسد. دانشمندان و مهندسین بامهارت، و دانشجویان؛ باید به طور پیوسته تشویق شده و امکانات در اختیارشان قرار گیرد. سیستم‌های آموزشی نیازمند ارتقا بوده و توسعه تجهیزات آموزشی مانند کتاب‌های مرجع؛ و همچنین ارائه دوره‌های جدید بورسیه در راه تدریس و آموزش علوم نانو مفید خواهد بود.

راهبری‌ها و تشویق‌های مداوم جهت دستیابی به این زیربنا باید با تشکیل یک هیئت متخصص انجام پذیرد و این هیئت باید از افرادی متخصص در زمینه علوم و فناوری نانو، و مدیران موفق تشکیل شده باشد.

 

5- سرمایه‌گذاری و راهبردهای اجرایی

با وجود سرمایه‌گذاری‌های انجام گرفته به‌وسیله‌ی دولت‌ها و مؤسسات بزرگ، ادامه سرمایه‌گذاری در ابعاد بزرگتر جهت تضمین موفقیت و بازگشت سرمایه ضروری به نظر می‌رسد. همچنین باید به‌شناسایی مسیرهایی از تحقیقات و توسعه پرداخت که شایستگی بیشترین حمایت‌های مالی را دارند. در این میان بکارگیری مکانیزم‌های رقابتی و دید تجاری جهت دستیابی به این دو هدف و قرارگیری سرمایه‌گذاری در یک روند منطقی، باید مورد توجه قرار گیرد. علاوه‌براین گروه‌های کوچک خصوصی نیز حضور دارند که حمایت‌هایی را جهت جذب ابتکارهای جدید انجام می‌دهند. این گروه‌های کوچک نیز باید در غالب شبکه‌ای پیوسته قرار داده شوند تا از انجام تحقیقات تکراری و اضافی جلوگیری شود. همچنین همکاری‌های بین‌المللی و میان رشته‌ای نیز باعث پیشرفت‌های گسترده‌ای خواهد شد.

 

6- نتیجه‌گیری و تعیین اولویت‌ها

دهه گذشته شاهد انقلابی در فناوری نانو از توجه محدود به نانوذرات منفرد، نانولوله‌ها و نانوسیم‌ها به گسترش تحقیقات تا نانوکامپوزیت‌های هیبریدی بوده است. در اینگونه مواد، خواص نه تنها به ترکیب شیمیایی اجزاء بلکه به پارامترهای دیگری مانند مورفولوژی، ناهمسانگردی فضایی و انطباق کریستالی وابسته است. دنیا بر روی مواد نانوساختار هیبریدی تمرکز کرده است که این موضوع نشاندهنده تغییر الگوی صحیح فکری و توانایی ایجاد مواد و پوشش‌های نانوساختار جهت حل مشکلات جامعه بوده است. در طی ده سال آینده تمرکز تحقیقات در مواردی است که باعث توسعه کارایی، پایداری و راندمان در فناوری‌های همگرا و نوظهور گردد. در این میان اولویت‌هایی وجود دارد که به صورت زیر معرفی می‌گردد.

v    جدایش و تصویه نانومواد جهت تهیه مواد با توزیع باریک در شکل، اندازه و ترکیب شیمیایی

v    توسعه روش‌های ساخت با حل مسائل مربوط به هزینه تولید، راندمان انرژی، تولید انبوه و کنترل کیفیت

v    طراحی ساخت نانومواد با الهام از مواد بیولوژیک

v    تهیه متامواد سلسله‌مراتبی با خواص مستقل قابل تغییر

v     بکارگیری رویکردهای تکمیلی و محاسباتی

v    استفاده از مواد نانوکامپوزیتی چندمنظوره با ترکیبی از خواص در فناوری‌های همگرا

 

مراجع

Nanotechnology ResearchDirections for Societal Needsin 2020, Mihail C. Roco, Chad A. Mirkin, Mark C. Hersam, Springer, 2011.