فناوري نانو تا سال 2020

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: مؤسسه رند (RAND) در گزارشي، روند فناوري هاي زيستي، نانو، مواد و اطلاعات را تا سال2020 بررسي كرده است. در اين گزارش316 صفحه اي، روندها، پيش ران ها، موانع و اثرات اجتماعي هر يك از اين زير مجموعه هاي اين فناوري ها مورد تحليل قرار گرفته است.
در بخش روندهاي فناوري نانو، زير بخش هايي همچون حسگرها، انرژي، الكترونيك، نانوبيو و ساخت نانومتري مورد تحليل قرار گرفته اند.
امروزه پيشرفت هاي علمي ميكروسكوپي و زمينه هاي مرتبط، به ما امكان مشاهده و دستكاري مواد را در مقياس اتمي يا مولكولي مي دهد. اگر فناوري نانو را به صورت گسترده نگاه كنيم در مي يابيم كه تأثيري عميق روي تمام عرصه هاي علمي در علوم فيزيك، شيمي، و زيست شناسي داشته است. با در نظر گرفتن سرعت رشد بالاي اين عرصه ها و تأثيري كه فناوري نانو از قبل روي صنعت و علم داشته است، پيش بيني اينكه در15 سال آينده اين فناوري ما را به كجا خواهد رساند، مشكل است. با اين حال اين امكان وجود دارد كه به پيشرفت هاي فناوري نانو و عرصه هاي توسعه علمي نگاهي بيندازيم و روندهاي كلي را كه شايد بتوانند آينده فناوري نانو را مشخص كنند، ببينيم.
تعداد رو به افزايشي از محصولات توانمند شده با فناوري نانو، در حال بروز در محصولات تجاري است؛ مثلاً ذرات نانو مقياس در كرم هاي ضد آفتاب به كار مي روند تا ميزان حفاظت در برابر اشعه ماوراي بنفش را افزايش دهند يا روكش هاي نانو مقياس در لنزهاي شيشه اي و الياف مورد استفاده قرار مي گيرند تا ويژگي هايي همچون ضد سايش بودن را در آنها ايجاد كنند.
بخش هاي تجاري ديگري هم همچون مدارهاي رايانه اي يا كاتاليزور هاي مورد استفاده در فرآيندهاي شيميايي، چندين سال است كه از فناوري نانو بهره مي برند. با اين حال بسياري از پيشرفت هايي كه به صورت مدام در مقالات و نشريات به آنها اشاره مي شود، تنها در سطح آزمايشگاهي قابل اجرا بوده و يا تنها در محصولاتي مورد استفاده قرار مي گيرند كه از فناوري هاي بسيار پيشرفته بهره مي برند. سال ها طول خواهد كشيد تا بسياري از اين پيشرفت هاي علمي در محصولات مصرفي و عمومي وارد شود؛ مثلاً مجله Science در شماره دسامبر1989 مقاله اي منتشر كرد كه در آن طراحي و آزمايش يك ديود تونل زني نانو مقياس شرح داده شده بود. با وجودي كه از اين اكتشاف در توسعه ابزارهايي همچون ميكروسكوپ تونل زني روبشي و ابزارهاي نشر ميداني الكتروني استفاده شده است؛ اما برخلاف آن چيزي كه برخي ها پيش بيني مي كردند، هنوز نتوانسته است جايگزين ديودهاي نيمه هادي در مدارهاي مجتمع شود.
انتقال فناوري هاي نوظهور و جديد توانمند شده با نانو، از آزمايشگاه به محصولات تجاري، به عوامل زيادي بستگي دارد؛ برخي از اين عوامل عبارتند از:
- يكپارچه سازي اين فناوري ها با محصولاتي كه داراي ويژگي هاي قابل تعيين و تكرار پذير هستند؛
- هزينه؛
- افزايش مقياس توليد براي محصولات تجاري؛
- توسعه فناوري هاي مرتبط؛
- فشار بازار؛
- پذيرش محصولات توانمند شده با نانو از سوي مشتريان؛
تمامي اين عوامل تعيين خواهند كرد كه آيا فناوري هاي نانو خواهند توانست از آزمايشگاه به بازار تجاري راه يابند يا نه.

انرژي
در چند دهه اخير پيشرفت هاي صورت گرفته در عملكرد باتري ها با پيشرفت هاي سريع صورت گرفته در حوزه الكترونيك يا فناوري هاي ديجيتالي (همانند توان پردازش و ظرفيت ذخيره سازي داده ها) همراه نبوده است؛ با اين حال پيشرفت هاي اخير صورت گرفته در حوزه فناوري نانو توانايي ايجاد بهبود را نه تنها در عملكرد باتري ها، بلكه در محدوده وسيعي از مواد دارند كه مي توانند براي باتري و پيل هاي خورشيدي سودمند باشند.
دانشمندان به طور فعالانه فناوري نانو و نانو كامپوزيت ها را پيگيري مي كنند تا عملكرد الكترودهاي باتري را بهبود بخشند. تمركز اصلي اين تحقيقات روي يكپارچه سازي نانو مواد در ساختارهاي فعلي باتري هاست؛ مثلاً دانشمندان دانشگاه هايي همچون روتگرز و مؤسسه فناوري ماساچوست روي الكترودهاي نانو كامپوزيتي اي كار كرده اند كه چگالي انرژي و توان باتري هاي معمول را افزايش خواهند داد. صنعت نيز به طور فعالانه اي در اين حوزه مشاركت داشته و مي كوشد تا با استفاده از فناوري هاي نانوي نوظهور و جديد، عملكرد باتري هاي تجاري موجود را بهبود بخشد.
به علاوه در دهه گذشته بسياري از ابزارهاي ميكروالكترومكانيكي ابزارهاي (MEMS) توسعه يافته و بسياري از كاربردهاي آنها تجاري شده اند (همانند سيستم هاي ماشه كيسه هوا، حسگرهاي حركت هاي ناگهاني براي ابزارهاي الكترونيكي كه سقوط مي كنند و طيف سنج هاي مادون قرمز نزديك). MEMS عموماً با استفاده از روش هاي ساخت نيمه هادي ها (همانند ليتوگرافي و حكاكي) توليد مي شوند؛ ابزارهاي توليد شده با اين روش ها، ساختارها و اجزاي منفردي دارند كه در مقياس ميكرومتري هستند. اخيراً تعداد زيادي از سيستم هاي نانوالكترومكانيكي (NEMS) با هدف كوچك سازي بيشتر طراحي شده و توسعه يافته اند. NEMS ابزارهاي الكترومكانيكي هستند كه ساختارها و اجزاي منفردي در مقياس نانومتري دارند. يكي از چالش هايي كه سودمندي اين ابزارها را محدود كرده است، توانايي رساندن نيروي الكتريكي به اين سيستم هاست. در بيشتر موارد منابع انرژي مورد استفاده براي راه اندازي اين ابزارها، بر كاركرد خود اين ابزارها سايه مي افكند، در نتيجه محققان به طور فعالانه اي به دنبال يافتن راه هايي براي ايجاد باتري هاي نانو ساختاري هستند كه بتوان از آنها روي خود ابزار استفاده كرد و در نتيجه محدوده كاربردهاي اين ابزارها را گسترش داد؛ مثلاً محققان دانشگاهي به دنبال يافتن روش هايي براي وارد كردن نانو ساختارها در باطري ها هستند تا از اين طريق بتوانند امكان ساخت ضرايب شكلي كوچكتر يا سه بعدي را فراهم كنند. بسياري از اين فناوري هاي توانمند شده با نانو، به سوي معماري هايي گام بر مي دارند كه با استفاده از طراحي ها يا فرآيندهاي باتري فيلم نازك دو بعدي معمول امكان پذير نبودند.
پيشرفت هاي فناوري نانو تأثير مهم خود را روي فناوري پيل هاي خورشيدي نيز آغاز كرده است. شركت هايي همانند Konarka Technologies Inc. ، استفاده از نانو ذرات دي اكسيد تيتانيوم روكش دهي شده با
مولكول هاي رنگي را براي ايجاد پيل هاي خورشيدي انعطاف پذيرتر و تطبيق پذيرتر آغاز كرده اند. استفاده از نانو ذرات امكان توليد پيل هاي فتوولتائيك را در دماهاي پايين تر ايجاد كرده اند كه اين امكان به نوبه خود به Konarka توانايي استفاده از بسترهاي پليمري انعطاف پذير را به جاي بسترهاي شيشه اي معمول مي دهد. اين قابليت امكان يكپارچه سازي پيل هاي خورشيدي را در محدوده وسيعي از مواد (همانند الياف و مواد ساختماني) ايجاد مي كند.
محققان ديگري از نانو ذرات در توليد پيل هاي خورشيدي استفاده كرده اند تا بتوانند بهره تبديل اين پيل ها را افزايش دهند؛ به عنوان مثال محققان دانشگاه تورنتو در كانادا از ذرات نقاط كوانتومي براي دستيابي به بهره كلي تبديل بالاتر استفاده كرده اند؛ اين پيل در محدوده نور مادون قرمز كار مي كند. Konarka اخيراً با شركت Evident Technologies سرمايه گذاري مشترك خطرپذيري را انجام داده است تا بتواند به جاي مولكول هاي رنگي آلي در پيل هاي خورشيدي خود، از نقاط كوانتومي استفاده كند. هدف استفاده از نقاط كوانتومي اين است كه محدوده حساسيت پيل هاي خورشيدي را از طيف مرئي نور به بخش هاي ديگر گسترش دهد و در نتيجه بتوانند بخش بيشتري از نور را جذب كرده، بهره تبديل كلي را افزايش دهند.

وضعيت كنوني
هم اينك تعداد نسبتاً كمي از باتري ها يا پيل هاي خورشيدي تجاري از پيشرفت هاي فناوري نانو بهره مي برند. بسياري از كارهاي انجام شده در زمينه الكترودهاي نانو كامپوزيتي، باتري هاي نانو ساختار، و نانو مواد مورد استفاده در پيل هاي خورشيدي، در آزمايشگاه اجرا شده اند. با اين حال تعداد روز افزوني از شركت ها در حال پذيرش پيشرفت هاي فناوري نانو و استفاده از آنها براي توليد محصول هستند؛ به عنوان مثال شركت Konarka براي توليد پيل هاي خورشيدي انعطاف پذير مبتني بر فناوري نانو، چندين كمك هزينه از ارتش آمريكا دريافت كرده است تا با توليد اين پيل ها بتواند وزن تجهيزات مورد نيازي را كه يك سرباز بايد با خود حمل كند (به منظور توليد برق براي تجهيزات نظامي) كاهش دهد، به علاوه چندين شركت از جمله mPhase Technologies، Altair Nanotechnologies ، و توشيبا در حال توسعه الكترودهاي نانو ساختار به منظور افزايش طول عمر قفسه اي باتري ها و بهبود سرعت شارژ و تخليه آنها هستند. شركت هاي ديگر از سرمايه هاي فدرالي؛ همچون كمك هزينه »Small Business Innovation، Research« براي كار روي الكترودهاي توانمند شده با نانو و زمينه هاي مرتبط با آن استفاده مي كنند.
در مورد رساندن انرژي مورد نياز به ابزارهاي NEMS/ MEMS ، قبل از آنكه اين فناوري در محصولات تجاري مورد استفاده قرار بگيرند، تحقيقات بسيار زيادي مورد نياز است.

تا سال2020 (فناوري باالقوه)
تا سال2020 احتمالاً بسياري از پيشرفت هاي حاصل در زمينه طراحي الكترودها و معماري باتري ها در باتري هاي تجاري مورد استفاده قرار خواهند گرفت. فناوري هايي همانند الكترودهاي جديدي كه از نانو كامپوزيت ها بهره مي برند، نفوذ زيادي در بازار خواهند داشت، زيرا اين فناوري با طراحي معمول باتري ها سازگار است، همچنين محتمل است كه طراحي هاي سه بعدي باتري ها- كه از نانو ساختارها بهره مي برند- تا حد زيادي در محصولات تجاري وارد شده باشند. احتمال اينكه معماري هاي سه بعدي باتري جايگزين باتري هاي تلفن همراه يا رايانه ها شوند، در اين محدوده زماني پايين است، با اين حال كشش بازار براي فناوري MEMS/ NEMS - كه از اين فناوري هاي نوظهور نانو بهره مي برند- بسيار بالاست. در نهايت، پيشرفت هاي صورت گرفته در زمينه استفاده از نانو مواد و نانو ساختارها در پيل هاي خورشيدي، احتمالاً منجر به پيل هاي انعطاف پذير بهتر خواهد شد. كارهاي اخير در زمينه استفاده از نقاط كوانتومي و ساير
پيل هاي خورشيدي توانمند شده با فناوري، نشان مي دهد كه پيشرفت هاي فناوري نانو مي تواند منجر به پيل هايي شود كه بهره تبديل آنها معادل يا شايد بيشتر از بهره تبديل پيل هاي خورشيدي تجاري امروزي است. با در نظر گرفتن پيشرفت هاي حاصل در زمينه فرآوري پيل هاي خورشيدي اين احتمال وجود دارد كه پيل هاي خورشيدي در محصولات مصرفي؛ همچون مواد ساختماني (مواد روي پشت بام)، ابزارهاي الكترونيكي (گوشي هاي تلفن همراه و رايانه ها) و شايد حتي پارچه ها (چادرها يا لباس هاي خارج از منزل) ادغام شده، مورد استفاده قرار بگيرند.

كاربردها و اثرات اجتماعي
به دليل چالش ها و مشكلات موجود در زمينه فناوري هاي باتري و تأمين نيروي الكتريسيته، كاربردهاي چندين فناوري جديد محدود شده اند. پيشرفت هاي حاصل در عرصه نيروي الكتريسيته توانمند شده با فناوري نانو اين قابليت را دارند كه در بسياري از جوانب نحوه تأثير فناوري بر جامعه، مؤثر باشند. يكي از پيش ران هاي پيشرفت در باتري ها امكان ايجاد و بهبود، اتومبيل هاي برقي و هيبريدي (بنزين- برق) است.
تأثير اجتماعي باالقوه ديگر، به استفاده از باتري هاي نانو ساختار در ابزارهاي MEMS/ NEMS مربوط است. بزرگترين بخش بسياري از اين ابزارها را منبع انرژي شكل مي دهد، مخصوصاً اگر اين منبع انرژي به صورت سرخود و روي خود تراشه قرار داشته باشد. در15 سال آينده پيشرفت هاي عمده در باتري هاي سه بعدي احتمالاً منجر به توليد حسگرها و ابزارهاي ارتباطي كوچكتر و مستقل (خودگردان) و مستقل خواهد شد و در نتيجه تأثيرات اجتماعي اين عرصه شامل پايش مستمر و بهتر، مديريت استفاده از اين حسگرها، و مسائل مربوط به حريم خصوصي افراد است.
در نهايت، پيشرفت هاي ايجاد شده در زمينه توسعه پيل هاي خورشيدي مبتني بر فناوري نانو، مي تواند بر استفاده از نيروي برق توزيع شده تأثير بگذارد. پيل هاي خورشيدي ارزان، محكم تر و انعطاف پذير- كه مي توانند در الياف يا مواد ساختماني وارد شوند- تا حد زيادي بر زير ساخت هاي توزيع انرژي الكتريكي تأثير خواهند گذاشت. كشورهاي در حال توسعه اي كه ظرفيت توزيع برق كافي ندارند، مي توانند به ميزان قابل توجهي از اين فناوري بهره ببرند. اين پيل ها همچنين مي توانند به توسعه بيشتر ابزارهاي مستقل و خودگردان كمك كرده، منجر به حسگري فراگيري شوند كه به نوبه خود مسائل مربوط به حريم خصوصي افراد را در پي خواهد داشت.

حسگري
يكي از عرصه هايي كه فناوري نانو به صورت انحصاري خواهد توانست قابليت هاي جديد را ايجاد كند، فناوري حسگري است. با در نظر گرفتن اينكه هم اينك مي توانيم ابزارهايي در مقياس تك مولكولي بسازيم، امكان افزايش بسيار شديد در حساسيت (حداقل در محدوده تشخيصي) و انتخابگري (توانايي تشخيص مواد شيميايي يا فرآيندهاي خاص) روش هاي جديد حسگري فراهم شده و توانايي تشخيص فرآيندها و حوادثي كه پيش از اين غيرقابل تشخيص بودند فراهم مي شود.

هم اكنون
هم اينك برخي از فناوري هاي حسگري توانمند شده با فناوري نانو، به صورت تجاري مورد استفاده قرار مي گيرند. يكي از اين فناوري ها، سيستم حسگري دستي شركت Smith Detection (سابق Cyrano Sciences Inc.) است؛ اين سيستم از آرايه اي از مواد نانوساختار در يك ماتريكس پليمر- الياف براي شناسايي عوامل شيميايي مختلف بهره مي برد. به هر حال تعداد روز افزوني از آزمايشگاه هاي سراسر دنيا در حال استفاده از پيشرفت هاي فناوري نانو براي توسعه فناوري هاي حسگري شيميايي و زيستي هستند.
اين رشد منجر به ايجاد گروه جديدي از محصولات نوظهور توانمند شده با فناوري نانو شده است كه به رغم اينكه هنوز در مراحل مختلف آزمايشگاهي و بررسي قرار دارند، اين قابليت را دارند كه اندازه ابزار، مقدار نمونه مورد نياز، و زمان لازم براي آناليز زيستي و شيميايي را تا حد زيادي كاهش دهند. اين ابزارهاي حسگري مبتني بر فناوري هاي توانمند شده با نانوي جديد و نوظهور مختلفي؛ همچون نانو ذرات فلزي عامل دار شده، نانو سيم ها و نانو لوله هاي عامل دار شده، مواد ماكروسكوپي با اشكال يا تغييرات سطحي نانو مقياس و سيستم هاي مكانيكي نانو ساختار هستند.تمام اين فناوري ها بر تغييرات قابل اندازه گيري در ويژگي هاي بنيادي ماده يا سيستم هاي ماده استوار است و اين تغييرات نتيجه برهمكنش هايي است كه به دليل ويژگي هاي نانو مقياس اين مواد، قابل تشخيص هستند.

تا سال2020 (فناوري بالقوه)
تا سال2020، احتمالاً چندين فناوري نانو- كه در اوايل قرن21 ظهور يافته اند- در محصولات و كاربردهاي تجاري وارد خواهند شد. تا آن زمان، گروه هاي جديدي از حسگرها كه هزينه پاييني داشته و به راحتي مي توان از آن در ساختمان ها و تأسيسات زيربنايي استفاده كرد، صورت كاربردي به خود خواهند گرفت. در آن زمان، حسگرهاي شيميايي و زيستي همراه با ساير فناوري هاي مراقبتي و ارتباطي براي تشخيص تهديدهاي ممكن مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در برخي موارد ممكن است اين حسگرهاي جديد با ساختارهاي مراقبتي و ارتباطي موجود يكپارچه شوند (همانند دوربين هاي ويدئويي، حسگرهاي حركتي، و تلفن ها)؛ مثلاً ساختمان ها و ساختارهاي آينده اي كه به طور خاص در معرض تهديد هستند، مي توانند داراي سيستم هاي مراقبتي پيشرفته اي باشند كه تصوير را با سيستم هاي تشخيصي شيميايي و زيستي يكپارچه مي سازند؛ در حالي كه نياز كمي به دخالت انساني دارند. بسياري از اين سيستم ها براي پايش محدوده اي از عوامل مورد نظر طراحي شده و مي توانند نتايج را در عرض چند دقيقه گزارش دهند. كاربردهاي بالقوه ديگر حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو، شامل سيستم هاي مستقر در بخش جلويي ساختمان ها، سيستم هاي كنترل خودرو، و تجهيزات ايمني منازل همچون شناساگرهاي مونوكسيد كربن و دود است.
پيشرفت هاي آينده در زمينه حسگرهايي كه زياد عمر مي كنند و نيازي به مراقبت ندارند، نيازمند توسعه بسيار زيادي در ظرفيت و مديريت توان باتري ها و بررسي مايعات براي سيستم هاي سنجش ميكرو است. براي برخي عملكردهاي خاص با خطر بالا يا مرتبط با امنيت ملي (همانند كاربردهاي نظامي يا واكنش هاي اورژانسي) حسگرهاي پوشيدني به طور گسترده اي در دسترس خواهند بود؛ اين حسگرها با شبكه ارتباطي فراگيري در ارتباط بوده و قادر خواهند بود تا تماس هر فرد با عوامل (شيميايي يا زيستي) مورد نظر و محل و سطح تماس را به سرعت اطلاع دهند، همچنين در15 سال بعد، پيشرفت هاي روز افزون بيشتري در انتخابگري و حساسيت شيميايي و زيستي تمام حسگرها اتفاق خواهد افتاد.

كاربردها و اثرات اجتماعي
در بسياري از موارد امكان استفاده از حسگري توانمند شده با فناوري نانو، با سيستم هاي مراقبتي و پايشي موجود يكپارچه شده يا بر مبناي آنها ايجاد خواهند شد؛ بنابراين حسگرهاي توانمند شده با فناوري نانو تأثيري روي هدف پايش نخواهند داشت؛ بلكه كيفيت (يا عمق) پيمايش و مراقبت را بهبود خواهند بخشيد. حسگرهاي شخصي شبكه اي شيميايي و زيستي، احتمالاً تنها در امنيت داخلي و كاربردهاي نظامي (مخصوصاً به وسيله نيروهاي واكنش سريع) كاربرد گسترده اي خواهند داشت و احتمال اينكه عموم مردم انگيزه كافي براي استفاده از اين حسگرهاي شيميايي و زيستي شخصي را داشته باشند، بسيار پايين است، مگر اينكه فاجعه شيميايي يا زيستي مهمي روي دهد. با اين حال شواهد نشان مي دهد كه ابزارهاي ارتباطي (همانند تلفن هاي همراه) در آينده تعداد بيشتري از ابزارهاي حسگري را در خود خواهند داشت.

منبع:
The Global Technology Revolution 2020، In-Depth Analyses، Bio/ Nano/ Materials/ Information Trends، Drivers، Barriers، and Social Implications، Richard Silberglitt، Philip S.Anton، David R.Howell، Anny Wong، 2006
ماخذ: ماهنامه فناوري نانو شماره 129
__________________

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 565]