نانو واژه ای با ریشه یونانی و به معنای کوتوله است. در علم اندازه گیری، پیشوند نانو قبل از واحدهای اندازه گیری (متر، ثانیه، گرم و…) می آید و از نظر مقدار برابر یک میلیاردیم است. بنابراین ۱ نانومتر هزار بار کوچکتر از ۱ میکرومتر و یک میلیون بار کوچکتر از ۱ میلیمتر است.

تعریف کلی فناوری نانو

هرچه موضوعی گسترده تر و فراگیرتر باشد ،ارائه تعریفی جامع و کامل برای آن دشوارتر می شود. همانطور که نمی توان برای علوم پایه مثل شیمی ، فیزیک و… مرزبندی دقیقی با دیگر علوم تعیین کرد و تعریفی مورد قبول همه برای آن نوشت ، در فناوری نانو نیز از ابتدا تا کنون تعریف های مختلفی نوشته شده است. در حالت کلی می توان فناوری نانو را اینگونه توصیف کرد :

فناوری نانو ، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص مواد در ابعاد نانو متری است.

از همین تعریف ساده برمی آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. اگر هنوز درک درستی از این فناوری پیدا نکرده‌اید حتماً تا انتهای مطلب را بخوانید و با مثال‌هایی از تغییر خواص آشنا شوید.

در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی ، عمدتاً متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند.

اهمیت مقیاس در فناوری نانو

خواص مواد را می‌توان به دو بخش خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم‌بندی کرد. رنگ، شفافیت، خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی، سختی، حلالیت، نقطه ذوب و … ویژگی‌هایی هستند که آنها را با نام خواص فیزیکی می‌شناسیم و سرعت واکنش، واکنش‌پذیری و …. از جمله خواص شیمیایی هستند. تجربه انسان به او نشان داده که در شرایط عادی، ویژگی‌های یک ماده خاص تا حد قابل قبولی ثابت است و به این دلیل است که ما می‌توانیم مواد را از روی خواصشان شناسایی کنیم.

موضوع جذابیت مقیاس نانو نیز مربوط به خواص مواد است. یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که خواص مواد در مقیاس نانو بسیار متفاوت از مقیاس ماکرو است. به عبارت دیگر اگر ذراتِ یک ماده خاص را در حد چند نانومتر (۱ تا ۱۰۰ نانومتر) کوچک کنیم، این ذرات ویژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگ اولیه خواهند داشت. این در حالی است که کوچک‌کردن ذرات یک تغییر فیزیکی است و ما انتظار نداریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی‌های اصلی ماده تغییر کند. این امر سبب گردیده مقیاس نانو بیش از سایر مقیاس‌ها مورد توجه قرار گیرد.

همانطور که گفته شده خواص مواد در مقیاس نانو تغییر می کند. برخی از تغییراتی که در مقیاس نانو مشاهده می شود عبارتند از: تغییر رنگ ،شفافیت ، واکنش پذیری ، استحکام ،خواص مغناطیسی ، رسانایی و … این را هم باید در نظر گرفت که تغییر همیشه به معنای بهتر شدن نیست .

چرا رفتار ماده در ابعاد نانو متفاوت می شود؟

تغییر رنگ :

حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند. اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است. طلا و نقره شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند.

تغییر شفافیت:

شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان‌دهنده میزان توانایی یک ماده در عبور دادن نور مرئی از خود است. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاباند، نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند.

البته افراد بسیاری رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد. نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، اما برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (۴۰۰-۷۰۰نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.

تغییر دمای ذوب:

دمای ذوب مواد در ابعاد نانو مثل نانو ذرات طلا از اندازه های حدود ۲۰ نانومتر و کمتر از آن به تدریج کاهش می یابد. اتفاقی که پیشتر سابقه نداشت و دمای ذوب هر فلز عددی ثابت و مستقل از اندازه آن بود.

به نمودار تغییرات دمای ذوب نسبت به اندازه نانو ذرات توجه کنید.

 تغییر خواص مغناطیسی:

سیال مغناطیسی (یا فروفلوید) مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (یک میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد، به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آن را به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.

 تغییر واکنش‌پذیری :

واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهم‌ترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌ایم. همه این ها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند. تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانو رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد.