۱۰ چالش مهم برای به قدرت رسیدن نانوفناوری

به گزارش مجله خبری نگار،وعده نانوفناوری مبنی بر مهندسی ماشین‌ها و سیستم‌ها در مقیاس نانو، موضوع کوچکی است. تنها در دهه گذشته، انفجاری در پژوهش پیرامون چگونگی طراحی و ساخت قطعاتی رخ داده است که تقریبا همه مشکلات را در هر بخش حل می‌کند. همچنین نوآوری‌های نانوفناوری، به پیشرفت‌های قابل توجهی در تلاش برای رسیدگی به چالش‌های بزرگ بشریت، از مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا امنیت آب و غذا ختم شده‌اند.

مانند هر حوزه‌ دیگری هنوز ناشناخته‌های بسیاری در نانوفناوری وجود دارند. در هر حال، دانشمندان و مهندسان با استعدادی هستند که سعی دارند تا قدرت فناوری نانو را بهتر بفهمند و از آن استفاده کنند. آینده نانوفناوری و کاربردهای آن روشن است.

«مرکز ملی علوم و فناوری نانو»(NCNST) که یکی از زیرمجموعه‌های «آکادمی علوم چین»(CAS) است، در جشن بیستمین سالگرد تاسیس خود، با مجله «ساینس»(Science) همکاری کرد تا کارشناسان علوم نانو را در این مجله و در سراسر جهان جست‌وجو کند و به چالش‌برانگیزترین و جذاب‌ترین پرسش‌هایی بپردازد که اگر ‌بخواهیم نانوفناوری را در جامعه پیش ببریم، هنوز باید به آنها پاسخ داده شود.

۱. ترکیب کردن جنبه‌های فیزیک کوانتوم و فیزیک مقیاس ماکروسکوپی برای پیش‌بینی رفتار مواد در نانومقیاس

فیزیکدانان شیفته مدل استاندارد فیزیک ذرات هستند که ماهیت ماده را در کوچک‌ترین سطوح توصیف می‌کند. دانشمندان حوزه نانو که آشکارا می‌خواهند ماهیت و رفتار نانومواد را بهتر بفهمند و پیش‌بینی کنند نیز روی یک نظریه واحد سرمایه‌گذاری می‌کنند که ویژگی‌های فیزیک مقیاس ماکروسکوپی و فیزیک کوانتوم را ترکیب می‌کند. در اینجا همه چیز کمی عجیب و غریب می‌شود. مواد در مقیاس نانو دارای ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکترونیکی غیرعادی هستند. چالش پیش روی مهندسان و دانشمندان حوزه نانو این است که مسیرهایی را ایجاد کنند تا به درک روشنی در مورد آنچه دقیقا در جهان نانو رخ می‌دهد برسند و بتوانند به صورت راهبردی‌تر و مؤثرتر از قدرت نانوفناوری استفاده کنند.

این تلاش بسیار ساده است. دانشمندان می‌خواهند بررسی کنند که آیا نظریه یکپارچه‌ای برای پیوند دادن نظریه کوانتوم و مکانیک کوانتوم در سطح مولکولی وجود دارد یا خیر. بنابراین، آنها می‌توانند ساختار چندمقیاسی نانومواد را به دقت(البته از نظر تئوری) توصیف کنند.

این یک هدف جاه‌طلبانه است و به مشارکت‌های فرامرزی، میان‌رشته‌ای و قوی با سرمایه‌گذاری‌های زیرساختی قابل توجه نیاز دارد. کشورهایی مانند چین، ژاپن، آمریکا، بریتانیا و آلمان با تلاش‌های خود برای روشن کردن ارتباط و همبستگی بین فیزیک کوانتوم و فیزیک مقیاس ماکروسکوپی، دانشمندان را تشویق می‌کنند و با این کار، یک گام به ارائه دادن یک نظریه یکپارچه در مورد رفتار مواد نزدیک‌تر می‌شوند.

۲. ویژگی‌های مرتبط با سمی شدن نانومواد و کنترل آنها تحت شرایط محیطی متفاوت

سه پارامتر غالب وجود دارند که سمی بودن یک ماده معمولی را تعیین می‌کنند. این سه پارامتر ترکیب شیمیایی، ساختار شیمیایی و دوز هستند. اما چگونه این متغیرها در تعیین سمی بودن یک نانوماده تاثیر دارند یا عاملی برای تعیین آن هستند؟ آیا این پارامترهای غالب در مقیاس نانو هم سمی بودن را کنترل می‌کنند؟ برای توصیف منطقی رفتارهای سم‌شناسی نانومواد در بدن، به چه اطلاعات یا متغیرهای جدیدی نیاز داریم؟

موضوع نگرانی در مورد سمی بودن با توجه به غلبه نانوذرات و نانوماشین‌ها در سیستم‌های بیولوژیکی بسیار مهم است. به عنوان مثال، دانشمندان نشان داده‌اند که چگونه تزریق انواع خاصی از نانوذرات به انسان می‌تواند تشخیص و درمان بهتر بیماری را امکان‌پذیر کند. حوزه نانوپزشکی با سرعت نبوغ انسان در حال شتاب گرفتن است و به همین دلیل، ما را وادار می‌کند تا بررسی دقیق و کاملی را در مورد عوامل محرک سمی شدن تحت تأثیر نانوذرات و نانوماشین‌ها انجام دهیم.

نکته مثبت این است که هم دانشمندان و هم سیاست‌گذاران، این موضوع را بسیار جدی می‌گیرند. «مرکز ملی تحقیقات سم‌شناسی»(NCTR) در آمریکا، برنامه‌های نانوفناورانه ویژه‌ای را برای ارزیابی کردن نانومواد و انجام دادن مطالعات سم‌شناسی روی آنها دارد و مرکز ملی علوم و فناوری نانو در چین، به یک آزمایشگاه کلیدی برای بررسی کردن اثرات بیولوژیکی نانومواد و نانوایمنی مجهز است. چین با به کار گرفتن منابع فکری در سازمان‌هایی از این دست قصد دارد به خوبی مجهز شود تا به پرسش‌های مهم مرتبط با سم‌شناسی و نانوفناوری بپردازد.

۳.استفاده موثر از علم نانو برای درک کردن زیست‌شناسی

زندگی اغلب در مقیاس نانو آغاز می‌شود. چگونه می‌توان به طور مؤثر از علم و فناوری نانو برای کاوش در فرآیندهای پیچیده درون سلول‌ها، ایجاد ارتباطات یکپارچه با اندامک‌ها و درشت‌مولکول‌ها و در نهایت دستیابی به پیشرفت‌های پیشگامانه در زمینه زیست‌شناسی استفاده کرد؟ این نمونه‌ای از پرسش‌های هیجان‌انگیزی است که امروزه نوآوری را به حوزه نانوفناوری می‌آورند.

مرکز تحقیقات پیرامون اینکه چگونه نانوفناوری می‌تواند به ما در درک بهتر علوم زیستی کمک کند، بررسی میان‌رشته‌ای است. دانشمندان و مهندسان بسیاری از حوزه‌های متفاوت و به ظاهر جدا از هم، به دلیل پیچیدگی این تلاش با یکدیگر هم‌سو شده‌اند و نیاز به همکاری آنها وجود دارد. با سرمایه‌گذاری کردن در تحقیقاتی که زیست‌شناسان، مهندسان مواد، مهندسان مکانیک، فیزیک‌دانان، دانشمندان گیاه‌شناسی و حتی بوم‌شناسان، عصب‌شناسان و پزشکان را گرد هم می‌آورند، می‌توان شبکه‌های تحقیقاتی قوی‌تری را ساخت تا به درستی به مشکلات بزرگ زیست‌شناسی رسیدگی شود. همان طور که یک متخصص زبان و فرهنگ دیگران را می‌آموزد، می‌تواند یک رویکرد جامع را نیز برای کاوش در زیست‌شناسی از طریق نانوفناوری داشته باشند.

دانشمندان امروزه از قدرت نانوفناوری برای درک نحوه عملکرد سلول‌ها، تشخیص بیماری‌ها و ارائه داروهای نجات‌دهنده استفاده می‌کنند. با توجه به پیشرفت‌های روزافزون در جهان نانو، شکی نیست که اطلاعات بیشتری در مورد ساختار بیولوژیکی ما پدیدار شوند.

۴. تغییر یافتن پزشکی به دست نانوفناوری

نانوفناوری چندین دهه در پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است. اولین نانوداروی تاییدشده توسط «سازمان غذا و داروی آمریکا»(FDA) که متشکل از نانوذرات مصنوعی بود، در سال ۱۹۹۰ ارائه شد. از آن زمان، علم نانو به طور قابل توجهی به داروها، دستگاه‌ها و سایر مداخلات جدید کمک کرده است اما هنوز پرسش‌های بسیاری وجود دارند که دانشمندان و مهندسان باید برای پیشرفت نانوپزشکی و نانودستگاه‌های زیستی‌ در آینده به آنها پاسخ دهند.

به عنوان مثال، یکی از بزرگترین نگرانی‌ها پیرامون استفاده کردن از نانوفناوری در انسان، توانایی پیش‌بینی درست رفتار آن است. این امر به ویژه با توجه به این که ماهیت نانوپزشکی، وارد کردن اجسام بیرونی به سیستم‌های بیولوژیکی را شامل می‌شود، بسیار مهم است. پژوهشگران دریافته‌اند که برای استفاده از پتانسیل کامل نانوفناوری در پزشکی باید میزان تخریب و متابولیسم نانومواد را به طور جامع درک و مهندسی کنیم تا بتوانیم آنها را با روند طبیعی ترمیم بافت و درمان بیماری‌ها مطابقت دهیم. علاوه بر این، باید بدانیم که نانوذرات در مقایسه با مواد سنتی مانند یون‌ها و مولکول‌ها چگونه در فرآیندهای بیولوژیکی شرکت می‌کنند و بر آنها تأثیر می‌گذارند.

فراتر از خود داروها، یک حوزه تحقیقاتی کامل به مهندسی نانوربات‌ها و سایر نانودستگاه‌ها از عناصر بیولوژیکی اولیه می‌پردازد که به هوش پیچیده مجهز هستند و به مبارزه با بیماری اختصاص دارند. شکی نیست که عصر جدیدی از فناوری‌های مراقبت‌ بهداشتی با کمک نانوفناوری در راه است.

۵. آموختن در مورد نانومواد و تعاملات آنها با فناوری‌های جدید

ممکن است تصور شود که ساختار روی سطح یک نانوذره، با توجه به اندازه آن پیچیده نیست اما این از بسیاری جهت‌ها، منعکس‌کننده یک سیستم پیچیده است و با زمان، اندازه و ترکیب تفاوت دارد. از آنجا که سطح یک نانوذره بیشترین تعامل را با محیط اطراف دارد، سطح مطابق با عملکرد است. کارشناسان با در نظر گرفتن این موضوع سعی دارند تا حد ممکن دانشی را در مورد سطح نانومواد و نحوه تنظیم کردن ویژگی‌های کلیدی در آن ایجاد کنند. این یک گام حیاتی در پیشرفت علم نانو است زیرا اگر ما سطح را به طور واقعی و کامل درک نکنیم، نمی‌توانیم از ویژگی‌های آن برای بهبود زندگی بشریت بهره ببریم.

ممکن است فضای بیشتری برای ناشناخته‌ها در سطح نانو وجود داشته باشد. تجهیزات و روش‌های تجسمی متعددی وجود دارند که دانشمندان مواد و فیزیک‌دانان در حال آزمایش کردن آنها برای کشف حقیقت هستند. دانشمندان می‌خواهند بدانند که چگونه می‌توان به طور مستقیم انتقال فوق سریع انرژی و فرآیندهای الکترون را در مقیاس نانو مشاهده کرد و چگونه فرآیندهای کاتالیزوری زمان-فضا را در مقیاس اتمی/مولکولی نشان داد. در نهایت، همه اطلاعات جمع‌آوری‌شده می‌توانند به توسعه استانداردها یا قوانین جدید در کمی‌سازی مبتنی بر نانو و ارائه مکانیسم‌هایی برای پیاده‌سازی آنها در جهان واقعی کمک کنند.

۶. تغییر یافتن نحوه ساخت کاتالیزورها و انواع کاتالیزورها تحت تاثیر نانوفناوری

از آغاز علم نانو، شیمی نقش مهمی را در پیشرفت آن داشته است. در حالی که شیمی‌دانان و مهندسان شیمی با تکیه بر تخصص خود در تولید و ویژگی‌های شیمیایی، به رشد علم نانو کمک کرده‌اند، با دیدن پتانسیل کاربرد نانوفناوری برای یکی از ضروری‌ترین اجزای علم شیمی یعنی کاتالیز هیجان‌زده شده‌اند.

کاتالیزور ماده‌ای است که به یک واکنش شیمیایی سرعت می‌بخشد. کاتالیزورها مواد لازم را برای بسیاری از کاربردهای شیمی در جامعه، از داروها گرفته تا غذا و کالاهای خانگی تشکیل می‌دهند اما در مقیاس نانو چطور؟ کاتالیزورها در مقیاس نانو چگونه کار می‌کنند؟ دانشمندان در حال حاضر می‌دانند که نانوکاتالیزورهای ساخته‌شده از نانوذرات، جایگزین‌های سودمندی برای کاتالیزورهای سنتی هستند. آنها سطح قابل توجه و فعالی دارند که به تعامل بهتر با واکنش‌دهنده‌ها کمک می‌کند.

پژوهشگران برای بهبود کارآیی نانوذرات به‌عنوان کاتالیزور، در حال بررسی دقیق مواد مختلفی هستند که می‌توان از آنها برای ساخت کاتالیزورها استفاده کرد و روش‌های گوناگون ساخت را آزمایش می‌کنند. همچنین، آنها با چالش زیست‌سازگار کردن این کاتالیزورها تا حد ممکن و در عین حال مدیریت سمیت آنها روبه‌رو هستند. هنوز چیزهای زیادی در مورد مکانیسم‌های اساسی کاتالیزورها وجود دارد که مطمئنا اطلاعات مورد نیاز را در مورد جهان در حال رشد نانوکاتالیزورها ارائه می‌دهد.

۷. دست‌یابی به دقت اتمی در اجسام نانومقیاس

تصور کنید که چیزی مانند ماژول یا ماشین را بسازید. کوچکترین قطعاتی که می‌توان برای ساخت آنها استفاده کرد، چیست؟ در ساخت دقیق اتمی، اتم‌ها به عناصر سازنده تبدیل می‌شوند. حال فرض کنید که می‌خواهید یک نانومولفه بسازیم. چگونه می‌توانیم به دقت اتمی در اجسام نانومقیاس دست یابیم؟ اگرچه روش‌های مبتنی بر کاوشگر پویشی می‌توانند اتم‌ها را روی سطوح دستکاری کنند و خوشه‌های کوچک را می‌توان با ساختارهای اتمی منظم ساخت اما آیا می‌توان روش‌هایی را که به دقت بیشتری دست می‌یابند، برای نانوذرات بزرگ‌تر توسعه داد؟ چگونه می‌توان روش‌های کنترل اتمی دقیق را در مقیاس نانو ترکیب کرد وقتی تجهیزات مورد استفاده در مقیاس سانتی‌متری یا بزرگ‌تر هستند؟

کارشناسان شیمی، تولید، محاسبات و علم مواد سعی دارند تا روش‌های جدیدی را برای ساخت دقیق نانواجسام پیشنهاد دهند. آنها امیدوارند که بتوانند روش‌های مصنوعی را برای مواد معدنی گسترش دهند تا از به کار بردن پوشش‌های آلی اجتناب کنند، شکل ذرات را کنترل کنند و کارآیی نانومواد را بهبود ببخشند. بینش آنها که ترکیبی از رویکردهای تجربی و نظری است، تحقیقات جالب‌تری را در مقیاس‌های بزرگ‌تر پدید می‌آورد. پژوهشگران امیدوارند که بتوانند راه‌های جدیدی برای کنترل کردن رشد نانوذرات و نانوغشاها روی سطوح شناسایی کنند و ساختارهای سلسله‌مراتبی، چندمنظوره یا عملکردی اضطراری را ارائه دهند.

۸. تغییر کردن محاسبات به دست نانوفناوری با ادغام اپتوالکترونیکی

نانوفناوری پیشتر محاسبات را با روش‌های عمیقی متحول کرده است. مهندسان برای چندین دهه به طراحی، ساخت و استفاده کردن از مدارهایی با اجزای نانومقیاس پرداخته‌اند که کمک زیادی را به پیشرفت همه حوزه‌های فناوری کرده است. در قلب بیشتر سیستم‌های محاسباتی، هدف تنظیم کردن نور در مقیاس نانو در خدمت ماشین‌های رایانه‌ای سریع‌تر، کارآمدتر و قوی‌تر است.

«نانوپلاسمونیک»(Nanoplasmonics) که پدیده‌های نوری را در مجاورت سطوح فلزی نانومقیاس مطالعه می‌کند، پتانسیل زیادی را برای تأثیر گذاشتن بر محاسبات دارد. از آنجا که نانوپلاسمونیک هنوز یک رشته نسبتا نوپا به شمار می‌رود، فیزیک‌دانان و دانشمندان نمی‌دانند که آیا نانوپلاسمونیک‌ می‌تواند با پتانسیل کامل خود برای تنظیم دقیق نور در ابررایانه‌های سریع‌تر و قوی‌تر، مشکلات بزرگ‌تری را حل کند یا خیر.

در میان بسیاری از پرسش‌های بی‌پاسخ در حوزه نانوپلاسمونیک، مهم‌ترین آنها عبارتند از اینکه آیا واقعا می‌توانیم مدارهای فوتونی/پلاسمونیک بسازیم که ارتباطات، محاسبات، ذخیره‌سازی اطلاعات، لیزر و پوشش‌ها را بهبود ببخشد؟ آیا پژوهشگران بالاخره نانوماده‌ای تولید خواهند کرد که بتواند قطبش اسپینی الکترون را برای مدت طولانی‌تری گسترش دهد و محاسبات کوانتومی را در دمای اتاق محقق کند؟ چگونه دانشمندان می‌توانند مقیاس تجهیزات و ذخیره داده‌های مبتنی بر مغناطیس را کاهش دهند؟ با هر نانوبیت دانشی که به دست می‌آوریم، آینده بزرگی از رایانه‌هایی را تضمین می‌کنیم که این عناصر کوچک را به کار می‌برند.

۹. تحول یافتن تجهیزات الکترونیکی به دست نانوفناوری و کاهش مصرف انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی آینده

نانوفناوری در تجهیزات الکترونیکی، از باتری‌های چاپ سه‌بعدی و نانوحسگرها گرفته تا مواد بیوالکترونیکی که می‌توانند با حفظ عملکرد خود انعطاف‌پذیری و قابلیت تغییر شکل داشته باشند، در جوامع فراگیر بوده است. اگرچه نوآوری‌های صورت‌گرفته در نانوفناوری به تجهیزات الکترونیکی کمک می‌کنند تا وظایف را سریع‌تر انجام دهند و پایدارتر، ایمن‌تر، قوی‌تر و کارآمدتر از همیشه باشند اما هنوز موانعی وجود دارند که باید بر آنها غلبه کرد تا از قدرت کامل نانوالکترونیک استفاده شود. این امر، سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی را در تحقیقات حوزه نانو به همراه داشته است زیرا در قطعات الکترونیکی، از تراشه‌های موجود در تلفن‌های همراه گرفته تا برنامه‌هایی که پیچیده‌ترین سیستم‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی را اجرا می‌کنند، اعمال می‌شود.

دانشمندان در مورد چگونگی برداشتن گام بعدی در پیشرفت تجهیزات الکترونیکی نانومقیاس که مستلزم دستیابی به یک اتصال الکترونیک نوری روی تراشه است تا بر محدودیت پراش غلبه کند، مردد هستند. این موضوع بسیار مهمی است زیرا حد پراش بر نحوه عملکرد تراشه و ذخیره داده‌ها با استفاده از نور تأثیر می‌گذارد. با کوچک‌تر شدن تراشه‌ها و ورود اجزا به مقیاس نانو و فراتر از آن، علم، مهندسی و مهارت‌هایی که برای تولید نانوالکترونیک باید به کار بروند، پیچیده‌تر، چالش‌برانگیزتر و گران‌تر می‌شوند اما با توجه به این که پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی نانوالکترونیک تا سال ۲۰۳۰ از ۳۱ میلیارد دلار فراتر برود، می‌توان انتظار داشت که مشارکت‌های راهبردی بیشتری در این زمینه صورت بگیرد.

۱۰. حمایت نانوفناوری از اهداف پایداری جهانی

یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های نانوفناوری این است که می‌توانیم از یک قدرت فوق‌العاده کوچک برای حل کردن مشکلات بزرگ پیش روی انسان‌ها استفاده کنیم و این موضوع بزرگ‌تری نسبت به تغییرات آب‌وهوایی نیست. موضوع اصلی نانوفناوری برای بهبود راهبردی و جامع تلاش‌های پایداری این است که کربن واقعا خنثی شود و مزایای زیست‌محیطی بیشتری را نسبت به هزینه‌ها ارائه دهد.

در حال حاضر تلاش‌هایی در علم مواد، شیمی و مهندسی مکانیک برای تولید نانوفناوری سازگار با محیط‌ زیست صورت گرفته‌اند اما یک موضوع بسیار هیجان‌انگیز دیگر نیز وجود دارد. پژوهشگران جاه‌طلب حوزه نانو از رویکردها، تجهیزات و روش‌های این عرصه برای رسیدگی کردن به برخی از چالش‌های بزرگ بشر در زمینه پایداری از جمله ابتکارات در انرژی سبز، تصفیه فاضلاب، خشکسالی، آفات، محصولات مقاوم و کاهش گازهای گلخانه‌ای استفاده می‌کنند. از آنجا که نانوفناوری به طور ارگانیک با بسیاری از رشته‌های علم، فناوری، مهندسی و ریاضیات در هم تنیده شده، ظرفیت آن برای رسیدگی به نگرانی‌های پایداری جهانی، به ظاهر پایان‌ناپذیر است. شاید این قدرت نویدبخش نانوفناوری هنوز کوچک باشد اما راه‌حل‌های بالقوه آن بسیار زیاد هستند.