نانو یک پیشوند علمی است که به معنی یک میلیاردم (مقیاس کوچک) است و حوزه نانو تکنولوژی در حدود میلیاردم متر است. ابعادی که در آن اتم‌ها با هم ترکیب شده و مولکول‌ها روی هم اثر متقابل دارند. در این قلمرو، اتم‌ها و ذرات رفتاری غیرمتعارف را از خود به نمایش می‌گذارند و قابلیت‌های این علم فقط توانایی‌کوچک کردن اجسام نیست. دانشمندان با استفاده از این مواد در تلاشند دستگاه‌ها و ابزارهایی بسازند که از قابلیت‌های بسیار شگفت‌انگیز و غیرمتعارفی برخوردار باشند. اندازه ذرات در فناوری نانو بسیار مهم است، چرا که در مقیاس نانویی، ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار تأثیرگذار است و خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها با خواص توده ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است، اما به‌طور معمول مواد نانو به موادی که حداقل یکی از ابعاد آنها کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر باشد گفته می‌شود.
فناوری نانو، رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به‌کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. فناوری نانو به عنوان موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم است که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته و از فناوری‌های نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر در حال توسعه می‌باشد. نانوفناوری یک دانش به شدت میانرشتهای است و به رشته‌هایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست‌شناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی شیمی و مهندسی کشاورزی نیز مربوط می‌شود. تحلیل گران بر این باورند که فناوری نانو، زیست فناوری (Biotechnology) و فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می‌دهند. نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد. متخصصان نانو می‌کوشند با کار بر روی چگونگی حرکت اتم‌ها و نوع قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر و نیز با تغییرات خاص به ترکیبات مقاوم تری از مواد دست یابند و کیفیت مواد تولیدی را بهبود بخشیده و درنهایت تولید مواد مختلف را اقتصادی‌تر کنند.
نانو تکنولوژی، توانمندی توليد مواد، ابزارها و سيستم‌های جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می‌شود. از همين تعريف ساده برمی‌آيد که نانوتکنولوژی يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردی جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتکنولوژی کاربردهايی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکی و بيوتکنولوژی تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محيط زيست، مواد و هوافضا برشمرده اند.کاربردهای وسيع اين عرصه به همراه پيامدهای اجتماعی، سياسی و حقوقی آن، اين فناوری را به عنوان يک زمينه فرا رشته‌ای مطرح نموده است. هر چند آزمايش‌ها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بيستم بطور جدي پيگيری شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامی کشورهای بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان يکی از مهم‌ترين اولويت‌های تحقيقاتی خويش طی دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند.
در سال 1959 دانشمندی به نام ریچارد فاینمن که برنده جایزه نوبل شده بود، در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا سخنرانی مشهوری را برگزار کرد. او در این سخنرانی گفت: «ما می‌توانیم چیزهای کوچکی بسازیم که همان کاری را که ما می‌خواهیم انجام دهند. برای مثال می‌توان چندین هزار دایره را در ابعاد یک سر سوزن جا داد و تمام کتاب‌های جهان را در جزوه‌ای 35 صفحه‌ای جا داد. در صورتی می توان به این هدف رسید که کارها در مقیاس اتم و مولکول انجام شود و اتم ها را طوری که خودمان می‌خواهیم در کنار یکدیگر قرار دهیم. برای این که اتم‌ها را طوری که خودمان می‌خواهیم بچینیم, باید از دستگاه‌ها و ابزار اندازه‌گیری خاصی استفاده کنیم تا نسبت‌ها را کوچک کند.»
مفاهیم اساسی در فناوری نانو
تعریف اندازه نانو بسیار کار پیچیده و دشواری است. اما بر اساس تعریف صورت گرفته می توان گفت هر متر برابر با چند میلیارد نانومتر است یا به صورت دقیق‌تر هر نانومتر برابر با 10 به توان 9- متر است.
برای مشاهده ذرات در ابعاد نانو میبایست از میکروسکوپ های مخصوص و فوق حرفه ای استفاده نمود. دانشمندان با استفاده از ابزارهای قدرتمندی چون میکروسکوپ‌های تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ های نیروی اتمی (ATM) توانستند مواد را در اندازه نانو بررسی کنند. بنابراین استفاده از این ابزار را می توان عامل پیدایش فناوری نانو دانست.
اگرچه نانو تکنولوژی یک فناوری جدید است اما این فناوری قرن هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک نمونه استفاده شده از این فناوری، شیشه‌های رنگ آمیزی شده کلیسا‌های قرون وسطایی است که رنگ این نقاشی‌ها از ذرات کوچک طلا و نقره ساخته می‌شد. دانششمندان و مهندسان امروزه به دنبال راهی برای یافتن ویژگی‌های جدید مواد در ابعاد نانو هستند و آن ها معتقد اند که مواد در اندازه نانو دارایی ویژگی هایی هستند که آن ها را در همان مواد با اندازه بزرگتر نمی توان یافت. انتظار می‌رود که نانو تکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده‌ها، محیط زیستی سالم‌تر را فراهم کند.
مراحل فناوری نانو
در مجموع این فناوری شامل سه مرحله می‌باشد:
1. ساختارها در سطح اتم
2. ترکیب این ساختارها و تبدیل آنها به مواد جدید با ساختار نانو و با خصوصیات ویژه
3. ترکیب این گونه مواد و تبدیل آنها به ابزارهای سودمند
کاربردهای فناوری نانو
علوم و فناوري نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاری های تحقیقاتی میانرشتهای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تاثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی عبارتند از:
1)توليد مواد و محصولات صنعتی
نانوتکنولوژی تغيير بنيانی مسيری است که در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکيب به دقت کنترل‌شده و سپس چيدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآيندهای توليد آنها ايجاد می‌کند. محققين قادر به ايجاد ساختارهايی از مواد خواهند شد که در طبيعت نبوده و شيمی مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبوده‌است. برخی از مزايای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوي‌تر و قابل برنامه‌ريزی، کاهش هزينه عمر کاری از طريق کاهش دفعات نقص فنی ، بکارگيری کارخانجات مولکولی يا خوشه‌ا‌ی که مزيت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
2) نانوتکنولوژی در پزشکی و بدن انسان
نانوتکنولوژي در پزشکی ، سيستم‌های زنده را در مقیاس نانومتر اداره می‌کند. فراتر از سهل شدن استفاده‌ی بهینه از دارو ، تکنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ایجاد کند که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی دارو‌ها را افزایش می‌دهد. مواد زیست سازگار با کارآيی بالا، از توانايی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل می‌شود. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعال، می‌توان برای اعمال نقش تشخيصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلول‌ها وارد نمود. افزايش توان محاسباتی توسط نانوتکنولوژی، ترسيم وضعيت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محيط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اين‌گونه شبيه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زيست‌سازگار در بدن و جهت فرآيند کشف دارو، الزامی خواهد بود.
3) دوام‌پذيری منابع طبیعی ، آب، انرژی، مواد و محيط زيست پاک
نانوتکنولوژی می‌تواند منجر به تغييراتی شگرف در استفاده از منابع طبيعی، انرژی و آب شود و پساب و آلودگی را کاهش دهد. هم‌چنين فناوری‌های جديد، امکان بازيافت بهتر و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم می‌کنند. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، می‌تواند تاثير قابل ملاحظه‌ا‌ی در درک مولکولی فرآيندهای مقياس نانو که در طبيعت رخ می‌دهد، حل مسائل زيست‌محيطی از طريق کنترل انتشار آلاينده‌ها، توسعه فناوری سبز جديد که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و يا در تصفیه فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبي (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زير ۲۰ نانومتر) را دارد.
در زمينه انرژی ، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآيی، ذخيره‌سازی و توليد انرژی را تحت تاثير قرار داده و مصرف انرژی را پايين بياورد . به عنوان مثال، شرکت‌های مواد شيميايی، مواد پليمری تقويت‌شده با نانوذرات یا نانوکامپوزیت‌ها را ساخته‌اند که می‌تواند جايگزين اجزاي فلزی بدنه اتومبيل‌ها شود. استفاده گسترده ازاين نانوکامپوزيت‌ها می‌تواند ساليانه ۵/۱ ميليارد ليتر صرفه‌جويی در مصرف بنزين به همراه داشته‌باشد. هم‌چنین انتظار می‌رود تغييرات عمده‌ا‌ی نیز در فناوری روشنايی در ۱۰ سال آينده رخ دهد. می‌توان نيمه‌هادی‌های مورد استفاده در ديودهای نورانی ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد کرد که سبب کاهش مصرف انرژی می‌شود. در آمريکا ، تقريبا ۲۰% کل برق توليدی، صرف روشنايی (چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود. مطابق پيش‌بينی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آينده ، پيشرفت‌هایی از اين دست می‌تواند مصرف جهانی را بيش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ ميليارد دلار در سال صرفه‌جويی و ۲۰۰ ميليون تن کاهش انتشار کربن‌دی‌اکسید را به‌همراه خواهدداشت.
4) تکنولوژی نانو در هوا و فضا
محدوديت‌های شديد سوخت برای حمل بار به مدار زمين و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضاپيما برای ماموريت‌های طولانی به مناطق دور از خورشيد، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذير می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، اميد حل اين مشکل را بوجود آورده‌است. تکنولوژی نانو در طراحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت موردنياز براي هواپيماها، راکت‌ها، ايستگاه‌های فضايی و سکوهای اکتشافی سياره‌ا‌ی يا خورشيدی، تعيين‌کننده است. هم‌چنين استفاده روزافزون از سيستم‌های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پيشرفت‌های شگرفی در فناوری ساخت و توليد خواهدشد. اين مساله با توجه به اينکه محيط فضا، نيروی جاذبه کم و خلا بالایی دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سيستم‌های نانو – که ساخت آنها در زمين ممکن نيست- در فضا خواهدشد.
5) کاربرد ریزذره‌ها در صنایع نظامی
برخي کاربردهاي دفاعی ریز ذره‌ها عبارت اند از: تسلط اطلاعاتی از طريق نانوالکترونيک پيشرفته بعنوان يک قابليت مهم نظامی ، امکان آموزش موثرتر نيرو به کمک سيستم‌های واقعيت مجازی پيچيده‌تر حاصله از الکترونيک نانوساختاری ، استفاده بيشتر از اتوماسيون ونانوربات‌های پيشرفته برای جبران کاهش نيروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآيی خودروهای نظامی ، دستيابی به کارآيی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنه‌های نظامی و در عين‌حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر و هزينه کمتر در عمر کاری تجهيزات نظامی ، پيشرفت در امر شناسايی و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايی، زيستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طراحی در سيستم‌های مورد استفاده در کنترل و مديريت عدم تکثير سلاح٬های هسته‌ا‌ی ، تلفيق ابزارهای نانو و ميکرومکانيکی جهت کنترل سيستم‌های دفاع هسته‌ا‌ی.
6) کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
یکی از وسیع ترین کاربردهای مواد نانو، در صنایع الکترونیک است. با استفاده از نانوتکنولوژی می‌توان اطلاعات را در مقياس فوق العاده کوچک ذخیره کرد و ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر يا بيشتر افزايش داد که نهايتا به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی يک ساعت مچی منتهی می‌شود. ظرفيت نهايی ذخيره اطلاعات می‌تواند به حدود يک ترابيت در هر اينچ مربع برسد و اين امر موجب می‌شود که ابعاد ۵۰ هارد دیسک يا بيشتر به اندازه يک کارت اعتباری شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه‌های فوق‌العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه‌های ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، سبب پیشرفت شگرفی در صنایع الکترونیک می‌شود.
نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر
نانو کامپیوتر ماشینی مولکولی است که می‌تواند یک رشته از اعمالی را به اجرا در آورد، آنها را اداره کند و در نهایت، نتیجه‌ای را تولید نماید. در عمل، این وسیله تا حدی با میکرو پردازش‌گرهای امروزی متفاوت است و میلیون‌ها بار کوچکتر و بیلیون‌ها بار سریع‌تر از آن‌هاست؛ اگر چه شباهت‌های کمی با کامپیوترهای قدیمی و مکانیکی دارد. وقتی یک نانو کامپیوتر وجود داشته باشد، به وجود آوردن نانو اسمبلر نیز میسر خواهد بود. نانو اسمبلر وسیله‌ای ساخته شده در تراز اتمی است که می‌تواند اتم‌ها را برای بیشتر شکل‌هایی که مورد نظر هستند، دقیقا نظم دهی و آرایش کند. امروزه، کار کردن در تراز اتمی به نیروی اتمی میکروسکوپی نیاز دارد که از میدان الکتریکی برای هل دادن اتم‌ها به سمت جایگاه‌شان استفاده می‌کند. نانو اسمبلر به سادگی می‌تواند اتم‌ها را از جایگاه‌شان خارج کند و آنها را همانند دستگاه بافندگی صنعتی در محل مورد نظر به یکدیگر پیوند دهد.نانو اسمبلر در واقع، یک هدف مهم و نهایی در نانوتکنولوژی است. وقتی یک نانو اسمبلر کامل در دسترس باشد، تقریبا همه چیز ممکن می‌شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته نانو تکنولوژی است.
