یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (10^-9 m) است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman) ، برنده جایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را رد نمی‌کند. وی اظهار داشت که می‌توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتب کوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.

همین عبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه‌های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانو ماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند، هر دانشمندی را به وجد می‌آورد. در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روباتها یا ماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می‌آیند. شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تخت خوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود.

نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده‌اند، شیشه‌هایی که خودبه خود تمیز می‌شوند، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده‌اند، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان سازها ، هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و ... .

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

1. محصولات خود_اسمبل
2. کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3. اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)
4. سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5. نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها ، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6. دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا
7. احیاء و سازماندهی اراضی

برخی کاربردها

مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

در سازمان ­دهی و دستکاری مواد در مقیاس نانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ، شیمی تحلیلی ، خصوصا مدل ‌سازی مولکولی و شبیه ‌سازی است. امروزه ابزار تحقیقاتی فراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America می‌گوید:"روشهای تجربی مستلزم بهره‌گیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلی این امکان را برای هر فرد مهیا می‌سازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانه‌ای را در 24 ساعت شبانه ‌روز انجام دهد. شیمیدانها می‌توانند با انجام آزمایشها توسط رایانه ‌، احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی را وسعت دهند.

نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینه‌های آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایه‌ گذاری اولیه جهت تهیه نرم‌افزار و هزینه‌های وابسته از جمله سخت‌افزار جدید ، آموزش و تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزار می‌توان هریک از هزینه‌های اولیه را نه تنها از طریق صرفه‌جویی در هزینه آزمایشگاه بلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه ‌سازی فرآیندها و عملکردها می‌شود، جبران ساخت.

این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهای شبیه‌سازی چطور می‌توانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهای آزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار می‌شود که شگفتی جهان دانشمندان نظری وارد عمل می‌شود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانین کوانتوم وارد صحنه می‌شود. پیش‌بینی رفتار و خواص در محدوده­ای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتی است.

مدل‌سازی رایانه‌ای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یا شبیه‌سازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیش‌بینی رفتار در مقیاس نانو و یا حدود آن قادر می‌سازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر از مدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازها می­پردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت به شبیه­سازی مولکولی عمل می‌کنند. می‌توان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ، مخلوطهای پلیمر و مواد ساخته‌شده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

مدل ‌سازی خاک‌ رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیه‌سازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاک ‌رس–پلیمر بکار برده‌اند. امروزه این ترکیبات یکی از موفق‌ترین مواد نانوتکنولوژی هستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل‌پذیری از خود نشان می‌دهند؛ خواصی که معمولاً در یکجا جمع نمی‌شوند. نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس می‌توانند با پلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی با مونومر مورد نیاز است. بنابراین مونومر در لایه درونی جای‌گذاری می‌شود (خودش را در لایه‌های درون ورقه‌های سفال جای می‌دهد) و تورق کل ساختار را افزایش می‌دهد. پلیمریزاسیون ادامه می‌یابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.







دانشمندان با بکارگیری Castep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار می‌گیرد) تحول کشف شده در این روش را که پلیمریزاسیون میان ‌گذار خود کاتالیست نامیده می‌شود مطالعه کردند. این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود. ضروری است که دانش حاصل از شبیه‌سازیها ، جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندان آید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه‌ سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم و رفتار ریزواره‌ها بکاربردند. ریزواره‌ها ذراتی کروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجاد می‌شوند و در زمینه‌هایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه ‌سازی برای پیش‌بینی ساختارهای مقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ ‌شده کوپلیمرهای آمفی‌فیلیک را بررسی کردند.

شبیه‌سازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکل‌گیری "ریزواره‌های معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی‌ می­شود. چنین نتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند. به کمک روشهایی مانند پرتاب محلول در آزمایشگاه می‌توان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به این نتایج ماهها به طول می‌انجامد، درحالی که آزمایشهای شبیه‌سازی شده تنها طی چند روز نتیجه می‌دهند.

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی و مقیاس میانی به خوبی توسعه یافته‌اند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد. برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیک کوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر می‌باشد که بیش از توان عملیاتی منابع محاسبه‌گر فعلی است. همچنین مدلسازی کل وسایل امکان‌پذیر نیست، بویژه عملکردها و خواص آنها.

تاریخچه

در حدود سال 1950 میلادی ، فیزیکدان معروف آمریکایی ، پروفسور ریچارد فاینمن پیشنهاد ساخت یک موتور الکتریکی با ابعاد کمتر از 1.64 اینج را داد و برای اولین بار کسی که موفق به ساخت آن شود جایزه 1000 دلاری تعیین نمود. سرانجام ویلیام مک لیلان با زحمت فراوان توانست بوسیله یک انبرک دستی و یک میکروسکوپ این کار را به انجام برساند. در واقع هدف فاینمن از این کار ایجاد انگیزه در موسسات آموزشی و تحقیقاتی بود تا توجه آنها را به دنیای میکروها و نانوها جلب کند.

فاینمن برای اولین بار و بطور جدی این بحث را در سال 1960 و در تکنولوژی کالیفرنیا (Caltech) طی یک سخنرانی با عنوان (There is plenty of 200m at the Bottom) مطرح کرد. در طی این سخنرانی فاینمن طریقه نگارش 24 جلد دایره المعارف Britanica را به صورت تئوری بر نوک یک سوزن توضیح داد و بدین ترتیب شاخه جدیدی از دانش پا به عرصه ظهور گذاشت.

چقدر کوچک؟

تا به اینجا متوجه شدیم که علم فناوری نانو که مورد بحث ما می‌باشد، در مورد بسیار کوچکها صحبت می‌کند. اما می‌خواهیم بدانیم چقدر کوچک؟ یک نانو عبارتست از ^9-10 متر ، اگر بخواهیم این اندازه را در ذهن خود مجسم کنیم باید بدانیم که اگر تعداد یک میلیون ذره یک نانومتری را در کنار هم قرار دهیم تنها طولی برابر با یک میلیمتر بدست می‌آید. به صورت کاملا دقیق هنگامی که ما از ابعاد نانومتری صحبت می‌کنیم. منظور ما ابعادی در اندازه اتمها و مولکولها می‌باشد.

نانو تکنولوژی یک علم هست؟

قبل از اینکه به توانمندیهای علم نانو تکنولوژی بپردازیم بهتر است که تعریف جامع و دقیقی از این علم ارائه دهیم تا چهارچوپ بحثمان مشخص گردد.

نانو تکنولوژی عبارتست از توانمندی تولید مواد ، ابزارها و سیستمهای جدید در اندازه‌های مولکولی و اتمی و در دست گرفتن کنترل این ساخته‌ها و استفاده از ویژگیهایی که در این ابعاد ظاهر می‌شود.

با استفاده از همین تعریف ساده مشخص می‌شود که نانو تکنولوژی کاربردهای متعددی را در زمینه‌های مواد غذایی ، دارو ، تشخیص پزشکی ، بیوتکنولوژی تا الکترونیک و کامپیوتر در ارتباطات ، حمل و نقل ، انرژی ، محیط زیست ، مواد ، هوافضا و امنیت ملی می‌توان برشمرد. خواننده به وضوح مشاهده می‌کند که بشر با یک انقلاب دیگری در تکنولوژی روبرو است. انقلابی که بسیار وسیعتر و گسترده‌تر از دو انقلاب دیگر (کشاورزی و صنعتی) است. البته گفتنی است که نانو تکنولوژی در کنار دو تحول عظیم دیگری یعنی ژنتیک و فناوری اطلاعات گام بسوی این انقلاب بر می‌دارد.

پیشرفت بشر با نانو تکنولوژی

حال مفید به نظر می‌رسد که به گوشه‌ای از تحولاتی که پیش رو خواهیم داشت بپردازیم:

فناوری نانو الکترونیک

سازندگان تجهیزات الکترونیکی ، علاقه بسیاری به کوچک کردن ابعاد و بالا بردن قدرت محاسبات این تجهیزات دارند. ولی این امر با استفاده از فناوریهای معمولی تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک شده است. اما فناوری نانو ، راه دیگری را پیش پا گذاشته و می‌توان گفت دنیای الکترونیک را دگرگون ساخته است. با استفاده از این فناوری ، نسل جدیدی از رایانه‌ها به نام رایانه کوانتومی به بازار خواهد آمد، که تقریبا 1000 برابر رایانه‌های امروزی قدرت خواهد داشت! با استفاده از این رایانه‌ها ، سرعت دستیابی به اطلاعات صدها برابر شده و طبعا برتری اطلاعاتی با دارندگان این تجهیزات خواهد بود.

فناوری نانو و شیمی

با استفاده از فناوری نانو می‌توان کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالا تولید کرده و راندمان را در واحدهای شیمیایی به میزان بسیار زیادی افزایش داد. سلولهای خورشیدی کوانتومی با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز ، نسل جدید باتریها ، پوششهای بسیار مقاوم ، رنگهای بی‌نیاز از شستشو و تحولات خارق‌العاده دیگر در دنیای شیمی و تولید ، از دیگر کاربردهای فناوری نانو ، می‌باشند که قابلیت ایجاد تحول در نحوه زندگی انسان خواهد داشت. به همین ترتیب ، می‌توان کاربردهای بسیاری را در سایر شاخه‌های علوم و فناوری برای فناوری نانو نام برد.

فناوری نانو و پزشکی

همانگونه که می‌دانید روش معمولی درمان دارویی ، بدین صورت است که ماده موثر را وارد بدن می‌کنند و این ماده علاوه بر سلولهای مریض به سلولها و بافتهای سالم بدن نیز سرایت می‌کند. این امر ، باعث مصرف بسیار بالای دارو شده و مهمتر اینکه موجب آسیب رساندن به بافتهای سالم بدن نیز می‌گردد. محققان با استفاده از فناوری نانو ، در حال ساخت کپسولهایی با ابعاد نانومتری هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصورشان قدرت تشخیص بافتهای مریض را داشته ، دقیقا روی این بافتها قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها می‌رسانند.

این پدیده را دارو رسانی (drug delivery) گویند. فناوری نانو همچنین راه را برای ساخت اندامکهای سازگار با بدن بسیار هموارتر ساخته و بسیاری از امراض غیر قابل علاج را درمان پذیر خواهد کرد. در مورد درمان سرطان نیز محققان در حال ساخت نانو ذراتی هستند که به محض ورود به بدن ، بافتهای سرطانی را حتی اگر به اندازه چند سلول باشند، شناسایی کرده و از بین می‌برند. این امر موجب خواهد شد که بافتهای سرطانی در همان روزهای ابتدای شکل گیری ، شناسایی شده و از بین بروند. بطور کلی در سالهای آینده پیشگیری ، تشخیص و درمان بیماریها نسبت به آنچه امروزه به عنوان پزشکی خوانده می‌شود، بسیار متفاوت خواهد شد.

فناوری نانو و حمل و نقل

مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شده‌اند، به میزان چشم گیری موجب کاهش وزن وسایل نقلیه خواهند شد. در خودروهای نسل آینده ، بجای فولاد ، از مواد مرکب یا نانو کامپوزیتهایی استفاده می‌شود که وزنی بسیار ناچیز و استحکام حیرت انگیز دارند (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با فولاد چند صد برابر بیشتر است).

کاهش وزن در وسایل نقلیه یعنی دستیابی به سرعتهای بالاتر ، کاهش مصرف سوخت ، کاهش تولید آلاینده‌ها و هزاران منفعت دیگر که به یمن کاهش آلودگی ، عاید بشر خواهد شد. هم‌اکنون با استفاده از این فناوری ، لاستیکهایی ساخته می‌شود که با دارا بودن درصدی از خاک رس ، مقاومت به سایش بسیار بالایی داشته و عمری چند برابر لاستیکهای معمولی دارند.

مقدمه

علم نانو (Nano - science) و فناوری متکی بر آن یا به اختصار ، فناوری نانو (Nano - technology) در کنار علوم و فناوریهای مرتبط با زیست شناسی و ژنتیک مولکولی ، علوم و فناوری اطلاعات ، مولفه‌های انقلاب سوم علمی - صنعتی عصر جدید را تشکیل می‌دهند. این انقلاب ادامه منطقی انقلابهای علمی اول و دوم است که منجر به پیدایش علوم و فناوریهای مقیاسهای ماکرو و میکرو گشتند.

انقلاب سوم و بویژه مولفه‌های علوم و فناوری مقیاس نانو در آن برای اولین بار در تاریخ جوامع بشری امکان دستکاری و دخالت عمدی و اختیاری در خواص و سازماندهی ماده فیزیکی و اساسی‌ترین سطوح آن ، یعنی مقیاسهای زیر اتمی و مولکولی را فراهم خواهد آورد.

نقش نانو ساختارها در فناوری نانو

علم نانو ایجاد دانشهای بنیادی برای اعمال کنترل کامل بر ساختار و عملکرد ماده فیزیکی در مقاسهای اتمی و مولکولی را هدف خود برای اعمال کنترل کامل بر ساختار و عملکرد ماده فیزیکی در مقیاسهای اتمی و مولکولی را قرار داده است و فناوری نانو نوید می‌دهد که این دانشها در آینده‌ای نه چندان دور در قالب مهندسی در آیند.

از طریق فناوری نانو خواهیم توانست با جایگذاری تک اتمها و تک مولکولها در کنار یکدیگر از پایین به بالا ساختارهای نوینی را که به نانو ساختارها (nano - structures) موسوم‌اند. و دارای خواص و عملکردهای کاملا نوین می‌باشند بوجود آوریم. با استفاده از این ساختارها دستگاهها ، ادوات و قطعات فوق ریزی که در مقیاسهای طولی و زمانی بسیار تقلیل یافته فعالیت می‌کنند، تولید نماییم. نانو ساختارها سنگ بنای فناوری نانو هستند.

از نظر اندازه در فاصله بین ساختارهای مولکولی و ساختارهای میکرونی قرار دارند. از تعداد قابل شمارشی از اتمها تشکیل می‌شوند و نسبت سطح به حجم آنها بسیار بالاست. شکل جدیدی از ماده فیزیکی‌اند که برای درک خواص آنها بویژه خواص الکترونی و مقیاسی آنها باید به مفاهیم بسیار پیشرفته مکانیک کوانتومی دستگاههای بس ذره‌ای متوسل شد. از آنجایی که خواص مواد قویا به اندازه اجزا تشکیل دهنده آنها یا ریز دانه‌های آنها وابسته است. موادی که ریز دانه‌های آنها در مقیاس نانو طراحی می‌شوند از کیفیتهای نوینی برخورد دارند که در مواد معمولی موجود نیستند.

نانو ساختارها در همه زمینه‌ها به چشم می‌خورند. چه در دستگاههای زنده و چه غیر زنده. وجود نانو ساختارهای زیستی از قبیل آنزیمها ، گواه بر این واقعیت است که طبیعت خود بهترین شکل فناوری مقیاس نانو را بوجود آورده است. علوم سنتی یعنی فیزیک ، شیمی ، ریاضیات ، ژنتیک ، علم مواد ، مهندسی پزشکی ، که در مقیاسهای ماکرو و میکرو حوزه‌های فعالیت مجزا و مستقلی هستند، در مقیاس نانو به سمت اصول ، ساختارها و ابزارهای واحدی گرایش می‌یابند.

انواع رویکردهای نانو تکنولوژِی

در نتیجه ، علوم فناوری نانو عمیقا میان رشته‌ای بوده و دستاوردهای بس شگرفی برای بشریت خواهند داشت و افقهای کاملا جدیدی را برای پیشرفت و بهروزی جوامع و مبارزه موثر با بیماریها و گرسنگی خواهند گشود. رسیدن به مقیاس نانو از طریق رویکرد از پایین به بالا یکی از گزینه‌های علم و فناوری نانو است. رویکرد دیگر در علم فناوری نانو ، رویکرد از بالا یه پایین ، یا بیرون کشیدن نانو ساختارها از درون ساختارهای بزرگتر است. این رویکرد به نام برنامه کوچک سازی (miniaturization program) مشهور گشته است و همراه با رویکرد اول ، بسترهای اساسی برای پیشرفت برنامه عظیم جهانی علوم فناوری نانو هستند.

علوم فناوری نانو ، همراه با فناوری زیسی متکی بر ژنتیک مولکولی که در برنامه بزرگ ژنوم انسانی متجلی گشته است. و فناوری اطلاعات که با پیشرفت عظیم قدرت محاسباتی رایانه‌ها ، در شکل ابر رایانه‌ها سکوهای گرافیک محاسباتی و رایانه‌های فردی ، جهش‌وار به پیش می‌رود. مبانی علم و فناوری قرن بیست و یکم را تشکیل می‌دهند و سیمای پیشرفت جوامع بشری را تا حداقل پنجاه سال آینده ترسیم می‌کنند.

فناوری نانو در آینده نه چندان دور

واقعیت این است که بشر در آستانه بزرگترین تحول و دگرگونی تاریخ خود قرار دارد و این تحول همه چیز را در همه عرصه‌های زندگی بشر ، بطور انقلابی دگرگون خواهد ساخت. فناوری نانو ، جهان را در آستانه بزرگترین انقلاب تاریخ قرار داده است. در سایه انقلاب فناوری نانو توانمندیهای تازه‌ای در تولید و کاربرد ابزار میکرو الکترونیک یکی پس از دیگری پدیدار خواهد شد. با استفاده از این فناوری ابزار و وسایل لازم با بهره گیری از روشهای ساخت مولکولی مشابه با آنچه در اندام انسانی روی می‌دهد تولید می‌شوند.

پیامدهای فناوری نانو با توجه به این نکته که این فناوری می‌تواند در نقطه تلاقی دانش اطلاعات و دانش زیستی عمل نماید کاملا حیرت انگیز خواهد بود. رایانه‌های مولکولی با اجزا ارگانیک و زنده در تماس و ارتباط خواهند بود. انسانها در 25 سال آینده وسایل اطلاع رسانی شخص خود را در حالی با خود حمل خواهند کرد که آن را به نوعی پوشیده‌اند و نیروی لازم برای آن را از انرژی جنبشی ناشی از راه رفتن خود تامین می‌کنند.

محط کار ما بطور مجازی و مطابق نیاز و سلیقه ما همه جا همراه خواهد بود و مردم همه دنیا با حجم زیادی از اطلاعات در هر زمان و مکان قابل دسترسی خواهند بود. هنگام سفر نیز خودروهای رایانه‌ای و هوشمند خود راننده در ارتباط شبکه‌ای با پایگاههای مرکزی بوده و دسترسی دائمی به آخرین اطلاعات مورد نیاز امکان پذیر خواهند نمود و قبل از رسیدن به خانه و لوازم منزل و محیط خانه را با برنامه ریزی و ارتباط با یکدیگر مطابق دلخواه ما آماده خواهند کرد.

در زمینه فناوری میکرو الکترومکانیکها (MEMS) ما به وسایلی دست پیدا خواهیم کرد که در آنها حسگرها و فرستنده‌ها و گیرنده‌ها در حداقل اندازه خود بوده و با چنین وسایلی زندگی ما به شدت متحول خواهد شد. به عنوان نمونه هنگام بیماری پزشکان همزمان با ما و یا حتی زودتر از ما از آن آگاه خواهند شد. در زمینه فناوری زیستی امکان همانند سازی انسان و سایر موجودات زنده گزینش جنسیت و حتی صفات خاص در نوزادان فراهم شده و امکان درمان بسیاری از بیماریهای حاد و مزمن حسی عصبی با فناوری کشت سلولی مقدور خواهد شد.

نانو تکنولوژی در ایران

برای کشور در حال توسعه ایستایی نظیر کشور ما نیز گزینش استراتژی فرا صنعتی علاوه بر حیاتی و اجتناب ناپذیر بودن آن ، این حسن را نیز دارد که توجه جامعه را از مسائلی انحرافی و مشکلات کاذبی نظیر منازعه کهنه و نخ نما شده 250 ساله طرفداران سنتگرایی و مدرنیسم ، آن هم از نوع سطحی و عوامانه و کپی برداری شده‌اش که مربوط به مناسبات سپری شده سرمایه داری تا جز (نه تجاری) و صنعتی هستند.

به یک هدف مشترک سرنوشت ساز و حیاتی ملی معطوف خواهد کرد که می‌تواند و باید همه مردم را در داخل و خارج کشور حول یک محور مشترک گرد آورد و عزم ملی برای پیشرفت و توسعه پایدار را شکل دهد، زیرا در دنیای امروزی بویژه در کشور با سابقه‌ای مثل ایران با پشتوانه یک تمدن ده هزار ساله و با آن سوبق درخشان علمی هیچکس حداقل در حرف ، مخالف علم و فناوری و ترقی و پیشرفت نیست و یا جرات ابراز آن را ندارد.

کمتر کشوری در جهان است که نیروی انسانی مستعد و شرایط و امکانات مناسب برای پیشرفت و توسعه را همانند کشور ما به یکجا داشته باشد. شاید با قرار دادن هدف شفاف و روشنی در برابر جامعه ، مردم انگیزه کافی برای جنبش و حرکت پیدا کند و اقتصاد بیمار مبتنی بر دلالی جای خود را به یک اقتصاد دانش‌ محور بدهد، مردمی که در پیدایش تمدن کشاورزی نقش برجسته‌ای داشتند و دستاوردهای آن را در سیاهترین دوره تاریخی غرب (قرون وسطی) در زیر سم ستوران قبایل وحشی مهاجم حفظ کردند و آنرا به تمدن صنعتی تحویل دادند.

اینکه این شایستگی را دارند که در ایجاد و پی ریزی یک دوره تاریخی جدید نقش برجسته‌ای ایفا کنند و از مردم هوشمند ایران غیر از این نیز انتظار نمی‌رود و تنها در اینصورت است که می‌توان انتظار داشت. نه فقط در عرصه علم بلکه در همه جنبه‌های تمدن و فرهنگ همانند دوره میترائیسم تا قرنهای اول تمدن اسلامی که سراسر مناطق شناخته شده زمین از ژاپن و چین تا انگلستان و از زنگبار تا اسکاندیناوی از تمدن ما تاثیر پذیرفتند و این بار نیز به جای انفعال و تاثیر پذیری در سراسر جهان تاثیر گذار باشیم و مهر خود را بر پای تمدن فراصنعتی بکوبیم.

چشم انداز علم نانو تکنولوژی

انقلاب جهانی تکونولوژی با تغییرات اجتماعی ، اقتصادی ، سیاسی و فردی در سراسر جهان همراه است. همچون انقلابهای کشاورزی و صنعتی در گذشته ، این انقلاب تکنولوژی نیز از پتانسیل دگرگون سازی کیفیت زندگی و طول عمر ، متحول سازی کار و صنعت ، تغییر و تبدیل ثروت ، جابجایی قدرت در سطح ملتها و در درون ملتها و افزایش تنش و تعارض برخوردار است.

پیامدهای انقلاب یاد شده بر سلامی بشر شاید شگفت آورترین آنها باشد. چرا که خط شکنیهای علمی کیفیت و طول زندگی انسان را به مراتب بهتر خواهند کرد. بیوتکنولوژی نیز ما را قادر خواهد ساخت ارگانیزمهای زنده از جمله خودمان را شناسایی نموده ، چگونگی فعالیتشان را درک کنیم، آنها را دستکاری کرده ، بهبود بخشیده و تحت کنترل در آوریم. تکنولوژی اطلاعات امروزه بویژه در کشورهای توسعه یافته تحولات انقلابی برای زندگی ما به ارمغان آورده و خود عامل توان آفرین عمده‌ای برای سایر روندها به شمار می‌رود.

تکنولوژی مواد ، تولید محصولات ، قطعات و سیستمهای ارزانتر ، هوشمندتر ، چند منظوره سازگار با محیط زیست ، ماندگارتر و سفارشی‌تر از مسیر خواهد ساخت. علاوه بر این مواد هوشمند ، ساخت و تولید چالاک و نانو تکنولوژی ، تولید وسایل را متحول ساخته و توانمندیهای آنها را بهبود بخشید. انقلاب تکنولوژی از حیث اثرات جهانی یکسان عمل نخواهد کرد و بسته به میزان استقبال از آن سرمایه گذاری و مسائل متعددی همچون بیواخلاق ، حریم خصوصی ، نابرابری اقتصادی ، تهاجم فرهنگی و واکنشهای اجتماعی تنشهای متفاوتی ایفا خواهد نمود.

اما راه بازگشتی وجود ندارد، چون برخی جوامع فرصت را غنیمت شمرده ، از انقلاب یاد شده سود برده و محیط زندگی همه جوامع را دستخوش تغییر خواهد کرد

دید کلی

نانو تکنولوژی نظیر هر فناوری دیگری همچون یک تیغ دولبه است که می‌توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره‌گیری از این فناوری شناخت دقیق‌تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت‌‌های آن است که می‌توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاکید قرار داد. این فناوری جدید هنوز ، حتی برای متخصصان ، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهام آن را ضخیمتر می‌کند و راه را برای گمانزنی‌های متنوع هموار می‌سازد.

تاریخچه

تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید بشر گردید. از جمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی.بی.ام موفق شدند 35 اتم گزنون را بر روی یک صفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر روی صفحه نیکلی درج کنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوت‌ها و رشته‌های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازک‌تر و مقاوم‌تر تولید کنند.

عقاید مختلف درباره نانو تکنولوژی

افرادی بر این باورند که این فناوری نظیر هیولای فرانکشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره‌های یونان باستان ، مرگ و نابودی برای ابنای بشر در پی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند که به مدد توانایی‌های حاصل از این فناوری می‌توان عالم را گلستان کرد. در حال حاضر 450 شرکت تحقیقاتی تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا ، آمریکا و ژاپن با بودجه‌ای که در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می‌شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تکنولوژی هستند.

اهمیت نانو تکنولوژی

در قلمرو نانو تکنولوژی اتمها و ذرات رفتاری غیر متعارف از خود به نمایش می‌گذارند و از آنجا که کل طبیعت از همین ذرات تشکیل شده است، شناخت نحوه عمل آنها ، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی که در این قلمرو به کاوش مشغولند، به یک اعتبار با خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می‌کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی به همراه می‌آورد، شناسایی رازهای هستی می‌تواند توان فوق‌العاده‌ای را در اختیار کاشفان این رازها قرار دهد.

مواد بنیادی نانو تکنولوژی

ساخت یک نوع مولکول جدید کربن موسوم به باکمینستر فولرین یا کربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی است، لوله‌های موئینه‌ای در مقیاس نانو ساخته‌اند که می‌تواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یک میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی‌هایی که در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه‌ای را آشکار کرده است.

سخن آخر

به عنوان مثال ذرات سیلیکن در ابعاد نانو از خود نور ساتع می‌کنند و لایه‌های فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلز برخوردار هستند. برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته‌های نانو تکنولوژی را آغاز کرده‌اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو در محصولات آرایشی خود استفاده می‌کند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید.

تصور کنيد يک پازل دستتان باشد و آن را به‌شدت تکان دهيد و پس از به‌هم‌ريختن پازل ببينيد که پازل خودبه‌خود در حال درست شدن است. مي‌بينيد چه تصور عجيبي است؟! اما چنين مسئله‌اي در طبيعت خيلي عجيب نيست! خيلي از سيستم‌هاي بيولوژيک و سيستم‌هاي فيزيکي غيرآلي، رفتارهاي خودآرايي را به‌خوبي به نمايش مي‌گذارند. دانشمندان مختلف در زمينه‌هاي شيمي، فيزيک، بيولوژي، مهندسي و رياضي جذب چنين سيستم‌هايي شدند و با اميدِ دستيابي به روش‌هاي طراحي و کنترل رفتار سيستم‌هاي خودآرا شروع به تحقيق کردند. با پيشرفت‌هاي اخير در زمينة دانشِ ميکرو و نانو، انگيزه‌ها هم افزايش يافت. از طرف ديگر، روش‌هاي ساخت در مقياس ميکرو و نانو به ما اجازة «پردازش دسته‌اي» را مي‌دهد. يعني ما توانايي ساخت نمونه‌هاي مختلف از يک جسم در آن واحد را خواهيم داشت. سؤالي که مطرح مي‌شود اين است که ما چطور چنين ابزارهايي را طراحي ‌کنيم تا بتوانند طوري خود را بيارايند که يک سازة مفيد و کارا ايجاد شود؟ به عبارت ديگر، روش‌هاي سنتي ساخت دقت محدودي داشتند و ساخت سازه‌هاي کوچک‌تر (در ابعاد نانو) نيازمند توسعة روش‌هاي جديد بودند. خودآرايي يکي از آن روش‌هاي جديد است که در طبيعت بسيار مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دانشمندان بسياري در حال حاضر بر روي آن مطالعه مي‌کنند و درک عميق آن ممکن است به درک بهتر طبيعت زندگي نيز منجر شود.

خودآرايي در آشپزخانه (يا هرجاي ديگر خانه)
سيستم‌هاي مختلف و بسيار ساده‌اي وجود دارند که رفتار خودآرايي را به نمايش مي‌گذارند. علاوه بر اينکه بازي با آنها جالب است، اين سيستم‌ها به ما کمک مي‌کنند که خودآرايي را به‌سادگي مورد بررسي قرار دهيم. اين سيستم‌ها را مي‌توان بر اساس نيروهايي که موجب خودآرايي مي‌شوند به چند دسته تقسيم کرد. بياييد به مثال‌هايي که حتي در آشپزخانة منزل هم مي‌توانيد انجامشان دهيد نگاهي بيندازيم:

خودآرايي به وسيلة نيروهاي مويينگي
گروهي از محققان دانشگاه هاروارد، چند سيستم خودآرا را طراحي و بررسي کرده‌اند. بسياري از اين سيستم‌ها بر پاية اتصالات مويين عمل مي‌کنند. اين اتصالات از دو ويژگي مربوط به آب بهره مي‌برند:
1. اشياي کوچک روي آب يکديگر را جذب مي‌کنند. در اين حالت، ذرات نيروي جاذبه‌اي را در بين خود احساس مي‌کنند. منشأ اين نيرو کجاست؟ بله، منشأ اين جاذبه نيرويي است به نام «کشش سطحي» مولکول‌هاي آب. اگر يادتان باشد، يکي از اثرات کشش سطحي آب اين بود که حشرات سبک مي‌توانستند روي آب راه بروند. اين جاذبه‌اي هم که ذکر شد يکي ديگر از اثرات کشش سطحي آب است که به خاطر جاذبة بين مولکول‌هاي آب و جسم و همچنين جاذبة بين خود مولکول‌هاي آب ايجاد مي‌شود.
2. وقتي دو سطحِ آب‌گريز با يکديگر برخورد مي‌کنند، تماس خود را حفظ مي‌نمايند. علت اين پديده با نيروي بين دو سطح آب‌گريز و همچنين اثر کشش سطحي آب مرتبط است.
يک مثال خوب براي اين روش، هات‌‌داگ‌هاي دکتر کمپبل است که در شکل زير نشان داده شده‌اند.

مثال ديگر نيز استفاده از لِگوهاي شناور بر روي آب است که در شکل زير مي‌بينيد.

خودآرايي به وسيلة نيروي الکترواستاتيک (الکتريسيتة ساکن)
آرايش توسط نيروهايي مويين، مرتبط با اثر متقابل بين ذرات و همچنين نيروي بين ذرات و محيط آنهاست. ذرات داراي خصوصيات سطحي ــ آب‌گريزي و آب‌دوستي ــ هستند و محيط آنها آب است و اگر محيط آنها را به روغن يا الکل تغيير دهيم آرايش متوقف مي‌شود. سؤالي که با بررسي نيروهاي مويين مطرح مي‌شود اين است که آيا انواع ديگري از اثر متقابل ذرات ـ ذرات و ذرات ـ محيط وجود دارند که منجر به خودآرايي شوند يا خير؟
يک جايگزين طبيعي، استفاده از نيروهاي الکترواستاتيک براي تحريک به خودآرايي است. تقريباً همة ما با آزمايش شانه و خُرده‌کاغذ آشناييم و تشکيل زنجيره‌هايي کاغذي را در زير شانه ديده‌ايم. يک مثال ديگر، استفاده از دانه‌هاي برنج و روغن نباتي در ميدان الکتريکي است.

اين فرايند در پويانمايي بالا نشان داده شده است. در اين پويانمايي، مرزهاي بالا و پايينْ الکترود هستند. يك اختلاف ولتاژ بين دو الکترود برقرار مي‌شود و ذرات با حرکت بين صفحات با انتقال بارشان شروع به خودآرايي مي‌کنند و سازة زنجيره‌مانندي را ايجاد مي‌نمايند.
در تصاوير زير نيز که به وسيلة ذرات مقوايي و روغن نباتي و با ولتاژ 15 کيلو ولت انجام شده است، ابتدا و انتهاي آزمايش را مشاهده مي‌کنيد.

خودآرايي به وسيلة نيروهاي مغناطيسي
يکي از سيستم‌هاي جالب و مورد توجه، خودآرايي به وسيلة مغناطيس است. در ساده‌ترين تصور، سيستم چيزي جز مجموعه‌اي از آهنرباهاي دايره‌اي نيست. آهنرباها به طور تصادفي درون يک ظرف قرار دارند. در اينجا يک تکان ساده کافي است تا آهنرباها به يکديگر بچسبند و سيستم منظم‌تري را به وجود آورند.

منظورمان از سيستم منظم‌تر چيست؟ در پويانمايي بالا نظم يافتن مشخص است. آهنرباها به طور تصادفي پخش شده بودند و در اثر تکان دادن، سازه‌اي زنجيره‌اي را تشکيل دادند. بايد توجه کنيم که پس از تکميل اين خودآرايي، بي‌نظمي همچنان در سيستم وجود دارد؛ به اين معنا که اولاً اگر آهنرباها را شماره‌گذاري کنيم خواهيم ديد که سيستم نهايي ترتيب يکساني از اعداد نخواهد داشت و دوم اينكه اگر بدنة هر آهنربا را با نوارهاي رنگي رنگ کنيم، خواهيم ديد که سيستم نهايي از لحاظ رنگ‌آميزي متفاوت خواهد بود.

جمع‌بندي و چند سؤال
در اينجا با اصول چند روش مختلف خودآرايي ــ به عنوان يک روش ساخت پايين به بالا ــ آشنا شديم. همان‌طور که ديديد، اين روش تنها در مقياس نانو کاربرد ندارد و در مقياس‌هاي بزرگي مثل هات‌داگ يا آهنرباهاي دايره‌اي هم به کار مي‌رود!
منتظر مقالة بعدي ما که در مورد يکي ديگر از روش‌هاي ساخت پايين به بالاست، باشيد. در اين مدت بكوشيد جواب سؤال‌هاي زير را پيدا کنيد:

• چرا روش خودآرايي در مقياس نانو بيشترين کاربرد را يافته است (با اينکه در مقياس‌هاي بزرگ‌تر هم مي‌توان از آن استفاده کرد)؟
• همان‌طور که مي‌دانيد (يا به زودي خواهيد دانست!) پديده‌هاي فيزيکي يا شيميايي در جهت بي‌نظمي بيشتر يا رسيدن به سطح انرژي پايين‌تر (پايداري بيشتر) به طور خودبه‌خودي انجام مي‌شوند. آيا خودآرايي يک پديدة خودبه‌خودي است؟
• روش‌هاي مختلف خودآرايي که در بالا ذکر شدند، از لحاظ بي‌نظمي و سطح انرژي در چه جهتي حرکت مي‌کنند؟

---

خودآرايي روش ساختي است که در آن اجزاء مختلف (چه به صورت تک به تک و چه به صورت متصل به هم) به صورت خود به خودي ساختار به هم پيوسته منظمي را تشکيل مي‌دهند، اما اين روش ساخت تنها در مقياس نانو کاربرد ندارد بلکه در مقياسهاي بسيار بزرگتر هم به کار مي‌رود (مثال آهنرباها و ساير مثالهاي جلسه قبل که يادتان هست). شکل 1 نمونه‌هاي ديگري را به همراه مقياس آنها نمايش مي‌دهد.
 

شکل 1: نمونه‌هايي از خودآرايي در ابعاد ميلي‌متر

البته مي‌شود گفت که ابتدا اين روش ساخت در مقياس نانو مشاهده و درک شد و پس از آن مانند بسياري ديگر از فعاليتهاي بشر که سعي در شبيه‌سازي و استفاده از روشهاي طبيعي را دارند، شبيه‌سازي و در مقياسهاي بزرگتر پياده‌سازي شد. يکي از طرحهاي تحقيقاتي در اين زمينه که بسيار جالب توجه است و براي بررسي بر روي ساختارهاي خود آرا راه‌اندازي شده است، طرحي است در دانشگاه واشنگتن به نام اجزاء خود سازمان‌ده قابل برنامه ريزي که در شکل 2 يکي از اجزاء آن که به عنوان شبيه‌سازي يک ساختار مثلثي استفاده شده است را مي‌بينيد (براي آشنايي بيشتر حتما يک سري به سايت اين تحقيق بزنيد).
 

شکل 2: اجزاء يکي از قسمتهاي طرح دانشگاه واشنگتن

خودآرايي از لحاظ علمي جذاب و از ديدگاه فناوري مهم است. چون:
1- در زندگي ما مهم است. سلولها به طرز حيرت‌آوري از مواد پيچيده‌اي نظير بافتهاي چربي، پروتئينها، ساختارهاي اسيدي و بسياري موارد ديگر که توسط خودآرايي ساخته مي‌شوند تشکيل يافته‌اند.
2- خودآرايي روشي براي ساخت موادي با ساختارهاي منظم نظير کريستالهاي مولکولي، کريستالهاي مايع و نيمه کريستالها است و اين ساختارهاي منظم بسيار پر کاربردند.
3- کاربردهاي بسياري در مواد با سايزهاي بزرگتر دارند و امکان استفاده از آن در مواد ديگر و همچنين کاربرد آن در مبحث مواد چگال نيز وجود دارد.
4- به نظر مي‌آيد اين روش يکي از پرکاربردترين روشهاي ساخت در مقياس نانو است.

با توجه به اين موارد مي‌توان گفت که خودآرايي در زمينه‌هاي بسياري نظير شيمي، فيزيک، بيولوژي، علم مواد، نانوتکنولوژي و ساخت بسيار پرکاربرد و مهم است.

اصول خودآرايي مولکولي
همانطور که گفتيم تاريخچه خودآرايي مربوط به مطالعات بر روي مولکولها مي‌شود. موفقيت آميز بودن خودآرايي در يک سيستم مولکولي به پنج مشخصه سيستم مربوط است:
1- اجزاي سيستم: يک سيستم خودآرا از گروههاي مولکولي و يا بخشهايي از درشت-مولکولها تشکيل شده است که با يکديگر در تعاملند. اين مولکولها يا درشت-مولکولها مي‌توانند يکسان و يا متفاوت باشند و تعامل بين آنها منجر به تغيير از يک حالت با سازماندهي کمتر (مانند محلول) به يک حالت منظمتر (مانند کريستال) مي‌شود.
2- تعامل بين آنها: خودآرايي هنگامي رخ مي‌دهد که مولکولها به تعادلي در بين نيروهاي جاذبه و دافعه مولکولي مي‌رسند که اين نيروها ضعيف و از نوع غير کووالانسي (مانند نيروهاي آبگريزي) هستند.
3- بازگشت‌پذيري (يا انطباق پذيري): در خودآرايي براي اينکه ساختارهاي منظم به وجود آيد مي‌بايست تجمع مولکولي بازگشت‌پذير بوده و اجزا بتوانند جاي خود را در ساختار ايجاد شده اوليه تغيير داده و تنظيم کنند. به همين خاطر مقاومت قيدهاي بين اجزا بايد در حدود نيروهايي باشد که مي‌خواهد آنها را از هم جدا کند. به عنوان مثال فرآيندي که در آن مولکولها به طور بازگشت‌ناپذير به يکديگر مي‌چسبند به جاي کريستال به ما شيشه مي‌دهد (شکل 3)!
 

شکل 3: اثر بازگشت‌پذيري در توليد کريستال

4- محيط: خودآرايي مولکولي معمولا در يک محلول و يا رابطي که امکان حرکت را به اجزا مي‌دهد اتفاق مي‌افتد و تعامل اجزا با محيط بر روي سرعت فرايند تا‌ثير زيادي دارد.
5- جابجايي جرم: براي اينکخه خودآرايي رخ دهد مولکولها بايد در حرکت باشند.

روشهاي بسياري وجود دارد که اين خصوصيات در آنها به طرز مناسبي کنار يکديگر قرار گرفته‌اند و به همين خاطر است که محصولاتي که به روش خود آرا ساخته شده باشند بسيار متنوع هستند. اين محصولات را مي‌توان در دسته‌بنديهاي دو بعدي و سه بعدي، تک لايه يا چند لايه، نانو تا ميکرو و بزرگتر و ... تقسيم بندي کرد.
مي‌خواستيم در اين جلسه يکي از روشهاي خودآرايي را ارائه کنيم اما چون انتخاب يک روش کمي سخت بود در نهايت تصميم گرفتيم که در جلسه آينده که کاربردهاي مواد خودآرا را بيان مي‌کنيم در هر مورد نام روش استفاده شده و خلاصه‌اي از نحوه عمل آنها را بگوييم. اما به عنوان پايان اين جلسه شکلي از نحوه تشکيل يک ساختار خود آراي تک لايه را بدون توضيحي در متن (البته خود شکل و توضيحاتي که در آن آورده‌ايم گوياست) ارائه مي‌کنيم.

شکل 4: نحوه تشکيل ساختار خودآراي تک لايه

محلول های مغناطیسی نانو

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است. محلول‌های مغناطیسی (Ferro fluid) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود100 - 10 نانومتر ( m 9- 10) ) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت  سوسپانسیون در مایعی ، ساخته میشوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند . هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام " سورفاکتانت " به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند.   سورفکتانت ها : کلمه سورفکتانت مخلوطی از “Surface active agent “ می باشد . سورفکتانتها معمولا ترکیباتی آلی هستند که دارای گروههای آبدوست که نقش دم و دنباله را دارد و گروههای آبگریز که نقش سر را دارد می باشند بنابراین معمولا به طور ناچیز در آب و حلالهای آلی حل می شوند. وجود طبیعت دوگانه سبب ویژگیهای خاصی در این مولکول ها می شود به طوریکه می توانند در آب حل شده و در سطح مشترک آب – هوا یا بین دو سطح از دوفاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند. به طور نمونه در مورد بالاسورفکتانت ها ، از یکی از دو سرشان به کلویید متصل شده و از سر دیگر به محلول نزدیک اند، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعه بین کلوییدها می شود . در نتیجه از تجمع و به هم پیوستن آنها ممانعت نموده و محلول خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند. سورفکتانتها نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها عملی و محصولات بازی میکند مثلا : شونده ها - امولسیون کننده ها - جوهر سازی - کف سازی و ....سورفکتانتها معمولا بوسیله گروههای باردار تقسیم بندی می شوند . سورفکتانتهای غیریونی در قسمت سر خود بی بار هستند. اگر بار منفی باشد سورفکتانت آنیونی و اگر مثبت بود سورفکتانت کاتیونی داریم .. گاهی قسمت سر دارای هر دو بار منفی و مثبت است که به آن آمفوتریک گوئیم . یک Ferro fluid معمولی ، از %5 جامد مغناطیسی ، %10 سورفاکتانت و % 85 مایع تشکیل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژی خدمت بسیاری به بشر کرده‌است . در شیمی ، در فیزیک و . . . همچنین در زمینه‌های پزشکی که با ساخت وسایل گوناگون در زمینه‌ی درمان ، انسانها را یاری کرده‌ است . نظریا تی وجود دارد مبنی بر اینکه به کمک این محلول می ‌توان کپسولهایی ساخت و دا روهایی را که برای بخشی از بدن مضر و برای بخشی دیگر مفید است ، به راحتی به محل مورد نظر برسانیم . با این روش که کپسولهایی از این جنس را پراز داروی مورد نظر کنیم و به وسیله‌ی آهنربا به محل مورد نظر برسانیم و در آنجا آنرا تخلیه کنیم . در چند ساله‌ی اخیر دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که به کمک وارد کردن ا ین محلول به بدن می‌توان سلولهای سرطانی و یا ویروسها ( مثلا ایدز) را از بدن خارج کرد، به صورتی که ا ین ماده آنتی بادی (Anti body) موجود در خون را ( به وسیله بار مثبت آنها ) جذب کرده و آنتی بادی ها هم ویروسها را جذب میکنند که با خارج کردن Ferro fluid به وسیله آهنربا میتوان ویروسها را خارج کرد. ولی متأسفانه هنوز به مرحله‌ی عملی نرسیده‌است. به غیر از استفاده‌های پزشکی ذکر شده در بالا استفاده‌های صنعتی هم برای این ماده ذکر شده‌است. مثلا در چیپهای مخصوص برای حرکت دا دن یک سیال مشکلاتی وجود دارد چون موتورهایی در آن اندازه‌ی ریز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسیار پرهزینه است. اما با اضافه کردن مقداری از ا ین محلول به آن سیال می‌توان با نیروی مغناطیسی آن سیال را به حرکت در آورد. مورد دیگر استفاده از این ماده در بلند گو های پر قدرت است .این محلول خاصیت خود را در دماهای بالا ، مثلا در °C 200 یا در دماهای پایین ، مثلا در °C 50- و یا در برابر امواج هسته ای حفظ می کند . جداسازی مولکولها از یکدیگر

جداسازي مبتني بر الک کردن مولکولي را مي‌توان بر روي اجسام بي‌بار در جريان مهاجرت الکتروني ازداخل ژل‌ها انجام داد. اين کار اساس جداسازي‌هايي که مبتني بر اندازه‌هاي مولکول‌ها نسبت به هم است، را تشکيل مي‌دهد و از اصطلاح صاف کردن به وسيله ژل استفاده مي‌شود.

سير تحولي رشد :
در سال 1954 وسيچ نشان داد که جداسازي‌هاي مبتني بر الک کردن مولکولي را مي‌توان بر روي اجسام بي بار در داخل ژل‌ها انجام داد. در سال 1959 پورات و فلودين اصل معيني را ارائه دادند و از اصطلاح صاف کردن بوسيله ژل براي شرح روش خودشان استفاده کردند. ولي دترمان در سال 1964 پيشنهاد کرد که کروماتوگرافي ژلي را به عنوان اسمي براي اين شيوه استفاده شود.

نکات قابل توجه اين روش :
در کروماتوگرافي ژلي، فاز ساکن از يک قالب متخلخل تشکيل شده که منفذهاي آن به وسيله حلالي که به عنوان فاز متحرک به کار مي‌رود، کاملا پر شده است. اندازه سوراخ بسيار مهم است چون اساس جدايي بر اين است که مولکول‌هاي بزرگتر از يک اندازه معين اصلا وارد سوراخ‌ها نشوند و تمام يا قسمتي از سوراخ‌ها براي ورود مولکول‌هاي کوچک تر آماده است. جريان فاز متحرک موجب مي‌شود که مولکول‌هاي بزرگتر بدون بر خورد با مانعي و بدون نفوذ در قالب ژل از ستون عبور کنند، در حالي که مولکول‌هاي کوچک‌تر بر حسب شدت نفوذ در ژل در ستون نگه داشته مي‌شوند.

خروج اجزای مخلوط :
بدين ترتيب اجزاي مخلوط به ترتيب جرم مولکولي از ستون خارج مي‌شوند يعني ابتدا بزرگترين مولکول خارج مي‌شود. ترکيباتي که اصلا وارد ژل نمي‌شوند و نیز مولکول‌هاي کوچکي که کاملا در ژل نفوذ مي‌کنند از يکديگر جدا نمي‌شوند. مولکول‌هاي با اندازه متوسط بر حسب درجه نفوذ آنها در قالب نگه داشته مي‌شوند. اگر مواد ترکيب مشابه داشته باشند، به ترتيب جرم مولکولي نسبي از ستون شسته مي‌شوند.

ماهیت ژل کروماتوگرافي :
ژل بايد تا حد امکان از نظر شيميايي بي اثر و از نظر مکانيکي تا حد امکان پايدار باشد. مواد ژلي به صورت دانه تهيه مي‌شوند و لازم است اندازه ذرات نسبتا يکنواخت باشد و تخلخل يکنواختي داشته باشد.

نمونه :
حجم نمونه مهم است، هر قدر حجم نمونه کمتر باشد کاهش غلظت هر جز در محلول خارج شده بيشتر خواهد بود. اين اثر رقيق شدن بايد در تصميم گيري در مورد اندازه‌ ستون¬ها و نمونه مورد توجه قرار گيرد.
با اينکه اين روش بيشتر براي جداسازي‌هايي در مقياس کوچک، در کارهاي تحقيقاتي و تجزيه‌اي روزمره بکار مي‌رود ولي کاربردهايي نيز در مقياس بالاتر و در توليدات صنعتي دارد.
کروماتوگرافي ژلي ابتدا براي جداسازي مولکول‌هاي بزرگي که منشا زيستي دارند مانند پروتئين‌ها، پلي‌ساکاريدها، اسيد نوکلوئيک، آنزيم‌ها بکار رفت و هنوز هم بيشترين کاربرد اين روش در همين زمينه‌هاست .
نمک‌زدايي از محلول‌ها براي مثال از پروتئين‌ها، يکي از کاربردهاي مهم محيط‌هاي ژلي است.

در اینجا بارهای مثبت به سبب اینکه از سوی رزین کاتیونی دفع می شوند،
سریع تر از ستون عبور نموده و خارج می شوند  و بارهای منفی
 که توسط رزین جذب شده اند، در نتیجه ی عمل شستشو جداشده
و دیرتر از ستون خارج می شوند.

رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی
رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی که به طور مصنوعی ساخته می‌‌‌شوند، بر پایه قالب غیر محلولی از یک بسپار بزرگ مانند پلی استیرن ، استوار هستند.
با بسپار کردن استیرن در حضور مقدار کمی از دی وینیل بنزن ساخته می‌‌‌شوند. دی وینیل بنزن میزان اتصالات عرضی را که عامل مهمی در کروماتوگرافی است کنترل می‌‌‌کند.