مؤسسه رند (RAND) در گزارشی، روند فناوری های زیستی، نانو، مواد و اطلاعات را تا سال 2020 بررسی کرده است. در این گزارش، روندها، پیش ران ها، موانع و اثرات اجتماعی هر یک از این زیر مجموعه های این فناوری ها مورد تحلیل قرار گرفته است. در بخش روندهای فناوری نانو، زیر بخش هایی همچون حس گرها، انرژی، الکترونیک، نانوبیو و ساخت نانومتری مورد تحلیل قرار گرفته اند.

امروزه پیشرفت های علمی میکروسکوپی و زمینه های مرتبط، به ما امکان مشاهده و دست کاری مواد را در مقیاس اتمی یا مولکولی می دهد. اگر فناوری نانو را به صورت گسترده نگاه کنیم در می یابیم که تأثیری عمیق روی تمام عرصه های علمی در علوم فیزیک، شیمی، و زیست شناسی داشته است. با در نظر گرفتن سرعت رشد بالای این عرصه ها و تأثیری که فناوری نانو از قبل روی صنعت و علم داشته است، پیش بینی اینکه در 15 سال آینده این فناوری ما را به کجا خواهد رساند، مشکل است. با این حال این امکان وجود دارد که به پیشرفت های فناوری نانو و عرصه های توسعه علمی نگاهی بیندازیم و روندهای کلی را که شاید بتوانند آینده فناوری نانو را مشخص کنند، ببینیم.

تعداد رو به افزایشی از محصولات توانمند شده با فناوری نانو، در حال بروز در محصولات تجاری است؛ مثلاً ذرات نانو مقیاس در کرم های ضد آفتاب به کار می روند تا میزان حفاظت در برابر اشعه ماورای بنفش را افزایش دهند یا روکش های نانو مقیاس در لنزهای شیشه ای و الیاف مورد استفاده قرار می گیرند تا ویژگی هایی همچون ضد سایش بودن را در آنها ایجاد کنند.

بخش های تجاری دیگری هم همچون مدارهای رایانه ای یا کاتالیزور های مورد استفاده در فرآیندهای شیمیایی، چندین سال است که از فناوری نانو بهره می برند. با این حال بسیاری از پیشرفت هایی که به صورت مدام در مقالات و نشریات به آنها اشاره می شود، تنها در سطح آزمایشگاهی قابل اجرا بوده و یا تنها در محصولاتی مورد استفاده قرار می گیرند که از فناوری های بسیار پیشرفته بهره می برند. سال ها طول خواهد کشید تا بسیاری از این پیشرفت های علمی در محصولات مصرفی و عمومی وارد شود؛ مثلاً مجله Science در شماره دسامبر 1989 مقاله ای منتشر کرد که در آن طراحی و آزمایش یک دیود تونل زنی نانو مقیاس شرح داده شده بود. با وجودی که از این اکتشاف در توسعه ابزارهایی همچون میکروسکوپ تونل زنی روبشی و ابزارهای نشر میدانی الکترونی استفاده شده است؛ اما برخلاف آن چیزی که برخی ها پیش بینی می کردند، هنوز نتوانسته است جایگزین دیودهای نیمه هادی در مدارهای مجتمع شود.

انتقال فناوری های نو ظهور و جدید توانمند شده با نانو، از آزمایشگاه به محصولات تجاری، به عوامل زیادی بستگی دارد؛ برخی از این عوامل عبارتند از:
- یکپارچه سازی این فناوری ها با محصولاتی که دارای ویژگی های قابل تعیین و تکرار پذیر هستند؛
- هزینه؛
- افزایش مقیاس تولید برای محصولات تجاری؛
- توسعه فناوری های مرتبط؛
- فشار بازار؛
- پذیرش محصولات توانمند شده با نانو از سوی مشتریان؛

تمامی این عوامل تعیین خواهند کرد که آیا فناوری های نانو خواهند توانست از آزمایشگاه به بازار تجاری راه یابند یا نه.

فناوری نانو در انرژی:
در چند دهه اخیر پیشرفت های صورت گرفته در عملکرد باتری ها با پیشرفت های سریع صورت گرفته در حوزه الکترونیک یا فناوری های دیجیتالی (همانند توان پردازش و ظرفیت ذخیره سازی داده ها) همراه نبوده است. با این حال پیشرفت های اخیر صورت گرفته در حوزه فناوری نانو توانایی ایجاد بهبود را نه تنها در عملکرد باتری ها، بلکه در محدوده وسیعی از مواد دارند که می توانند برای باتری و پیل های خورشیدی سودمند باشند.

دانشمندان به طور فعالانه فناوری نانو و نانو کامپوزیت ها را پیگیری می کنند تا عملکرد الکترودهای باتری را بهبود بخشند. تمرکز اصلی این تحقیقات روی یکپارچه سازی نانو مواد در ساختارهای فعلی باتری هاست؛ مثلاً دانشمندان دانشگاه هایی همچون روتگرز و مؤسسه فناوری ماساچوست روی الکترودهای نانو کامپوزیتی ای کار کرده اند که چگالی انرژی و توان باتری های معمول را افزایش خواهند داد. صنعت نیز به طور فعالانه ای در این حوزه مشارکت داشته و می کوشد تا با استفاده از فناوری های نانوی نوظهور و جدید، عملکرد باتری های تجاری موجود را بهبود بخشد.

به علاوه در دهه گذشته بسیاری از ابزارهای میکروالکترومکانیکی ابزارهای (MEMS) توسعه یافته و بسیاری از کاربردهای آنها تجاری شده اند (همانند سیستم های ماشه کیسه هوا، حس گرهای حرکت های ناگهانی برای ابزارهای الکترونیکی که سقوط می کنند و طیف سنج های مادون قرمز نزدیک). MEMS عموماً با استفاده از روش های ساخت نیمه هادی ها (همانند لیتوگرافی و حکاکی) تولید می شوند؛ ابزارهای تولید شده با این روش ها، ساختارها و اجزای منفردی دارند که در مقیاس میکرومتری هستند. اخیراً تعداد زیادی از سیستم های نانوالکترومکانیکی (NEMS) با هدف کوچک سازی بیشتر طراحی شده و توسعه یافته اند. NEMS ابزارهای الکترومکانیکی هستند که ساختارها و اجزای منفردی در مقیاس نانومتری دارند.

یکی از چالش هایی که سودمندی این ابزارها را محدود کرده است، توانایی رساندن نیروی الکتریکی به این سیستم هاست. در بیشتر موارد منابع انرژی مورد استفاده برای راه اندازی این ابزارها، بر کارکرد خود این ابزارها سایه می افکند، در نتیجه محققان به طور فعالانه ای به دنبال یافتن راه هایی برای ایجاد باتری های نانو ساختاری هستند که بتوان از آنها روی خود ابزار استفاده کرد و در نتیجه محدوده کاربردهای این ابزارها را گسترش داد؛ مثلاً محققان دانشگاهی به دنبال یافتن روش هایی برای وارد کردن نانو ساختارها در باطری ها هستند تا از این طریق بتوانند امکان ساخت ضرایب شکلی کوچک تر یا سه بعدی را فراهم کنند. بسیاری از این فناوری های توانمند شده با نانو، به سوی معماری هایی گام بر می دارند که با استفاده از طراحی ها یا فرآیندهای باتری فیلم نازک دو بعدی معمول امکان پذیر نبودند.

پیشرفت های فناوری نانو تأثیر مهم خود را روی فناوری پیل های خورشیدی نیز آغاز کرده است. شرکت هایی همانند Konarka Technologies Inc استفاده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم روکش دهی شده با مولکول های رنگی را برای ایجاد پیل های خورشیدی انعطاف پذیرتر و تطبیق پذیرتر آغاز کرده اند. استفاده از نانو ذرات امکان تولید پیل های فتوولتائیک را در دماهای پایین تر ایجاد کرده اند که این امکان به نوبه خود به Konarka توانایی استفاده از بسترهای پلیمری انعطاف پذیر را به جای بسترهای شیشه ای معمول می دهد. این قابلیت امکان یکپارچه سازی پیل های خورشیدی را در محدوده وسیعی از مواد (همانند الیاف و مواد ساختمانی) ایجاد می کند.

محققان دیگری از نانو ذرات در تولید پیل های خورشیدی استفاده کرده اند تا بتوانند بهره تبدیل این پیل ها را افزایش دهند؛ به عنوان مثال محققان دانشگاه تورنتو در کانادا از ذرات نقاط کوانتومی برای دستیابی به بهره کلی تبدیل بالاتر استفاده کرده اند؛ این پیل در محدوده نور مادون قرمز کار می کند. Konarka اخیراً با شرکت Evident Technologies سرمایه گذاری مشترک خطرپذیری را انجام داده است تا بتواند به جای مولکول های رنگی آلی در پیل های خورشیدی خود، از نقاط کوانتومی استفاده کند. هدف استفاده از نقاط کوانتومی این است که محدوده حساسیت پیل های خورشیدی را از طیف مرئی نور به بخش های دیگر گسترش دهد و در نتیجه بتوانند بخش بیشتری از نور را جذب کرده، بهره تبدیل کلی را افزایش دهند.

وضعیت کنونی استفاده از فناوری نانو در انرژی:
هم اینک تعداد نسبتاً کمی از باتری ها یا پیل های خورشیدی تجاری از پیشرفت های فناوری نانو بهره می برند. بسیاری از کارهای انجام شده در زمینه الکترودهای نانو کامپوزیتی، باتری های نانو ساختار، و نانو مواد مورد استفاده در پیل های خورشیدی، در آزمایشگاه اجرا شده اند. با این حال تعداد روز افزونی از شرکت ها در حال پذیرش پیشرفت های فناوری نانو و استفاده از آنها برای تولید محصول هستند؛ به عنوان مثال شرکت Konarka برای تولید پیل های خورشیدی انعطاف پذیر مبتنی بر فناوری نانو، چندین کمک هزینه از ارتش آمریکا دریافت کرده است تا با تولید این پیل ها بتواند وزن تجهیزات مورد نیازی را که یک سرباز باید با خود حمل کند (به منظور تولید برق برای تجهیزات نظامی) کاهش دهد، به علاوه چندین شرکت از جمله mPhase Technologies، Altair Nanotechnologies، و توشیبا در حال توسعه الکترودهای نانو ساختار به منظور افزایش طول عمر قفسه ای باتری ها و بهبود سرعت شارژ و تخلیه آنها هستند. شرکت های دیگر از سرمایه های فدرالی؛ همچون کمک هزینه Small Business Innovation، Research برای کار روی الکترودهای توانمند شده با نانو و زمینه های مرتبط با آن استفاده می کنند.

در مورد رساندن انرژی مورد نیاز به ابزارهای NEMS/ MEMS، قبل از آنکه این فناوری در محصولات تجاری مورد استفاده قرار بگیرند، تحقیقات بسیار زیادی مورد نیاز است.

فناوری نانو تا سال 2020 (فناوری باالقوه):
تا سال2020 احتمالاً بسیاری از پیشرفت های حاصل در زمینه طراحی الکترودها و معماری باتری ها در باتری های تجاری مورد استفاده قرار خواهند گرفت. فناوری هایی همانند الکترودهای جدیدی که از نانو کامپوزیت ها بهره می برند، نفوذ زیادی در بازار خواهند داشت، زیرا این فناوری با طراحی معمول باتری ها سازگار است، همچنین محتمل است که طراحی های سه بعدی باتری ها- که از نانو ساختارها بهره می برند- تا حد زیادی در محصولات تجاری وارد شده باشند. احتمال اینکه معماری های سه بعدی باتری جایگزین باتری های تلفن همراه یا رایانه ها شوند، در این محدوده زمانی پایین است، با این حال کشش بازار برای فناوری MEMS/ NEMS - که از این فناوری های نوظهور نانو بهره می برند- بسیار بالاست. در نهایت، پیشرفت های صورت گرفته در زمینه استفاده از نانو مواد و نانو ساختارها در پیل های خورشیدی، احتمالاً منجر به پیل های انعطاف پذیر بهتر خواهد شد. کارهای اخیر در زمینه استفاده از نقاط کوانتومی و سایر پیل های خورشیدی توانمند شده با فناوری، نشان می دهد که پیشرفت های فناوری نانو می تواند منجر به پیل هایی شود که بهره تبدیل آنها معادل یا شاید بیشتر از بهره تبدیل پیل های خورشیدی تجاری امروزی است. با در نظر گرفتن پیشرفت های حاصل در زمینه فرآوری پیل های خورشیدی این احتمال وجود دارد که پیل های خورشیدی در محصولات مصرفی؛ همچون مواد ساختمانی (مواد روی پشت بام)، ابزارهای الکترونیکی (گوشی های تلفن همراه و رایانه ها) و شاید حتی پارچه ها (چادرها یا لباس های خارج از منزل) ادغام شده، مورد استفاده قرار بگیرند.

کاربردها و اثرات اجتماعی:
به دلیل چالش ها و مشکلات موجود در زمینه فناوری های باتری و تأمین نیروی الکتریسیته، کاربردهای چندین فناوری جدید محدود شده اند. پیشرفت های حاصل در عرصه نیروی الکتریسیته توانمند شده با فناوری نانو این قابلیت را دارند که در بسیاری از جوانب نحوه تأثیر فناوری بر جامعه، مؤثر باشند. یکی از پیش ران های پیشرفت در باتری ها امکان ایجاد و بهبود، اتومبیل های برقی و هیبریدی (بنزین- برق) است.

تأثیر اجتماعی باالقوه دیگر، به استفاده از باتری های نانو ساختار در ابزارهای MEMS/ NEMS مربوط است. بزرگ ترین بخش بسیاری از این ابزارها را منبع انرژی شکل می دهد، مخصوصاً اگر این منبع انرژی به صورت سرخود و روی خود تراشه قرار داشته باشد. در15 سال آینده پیشرفت های عمده در باتری های سه بعدی احتمالاً منجر به تولید حس گرها و ابزارهای ارتباطی کوچک تر و مستقل (خودگردان) و مستقل خواهد شد و در نتیجه تأثیرات اجتماعی این عرصه شامل پایش مستمر و بهتر، مدیریت استفاده از این حسگرها، و مسائل مربوط به حریم خصوصی افراد است.

در نهایت، پیشرفت های ایجاد شده در زمینه توسعه پیل های خورشیدی مبتنی بر فناوری نانو، می تواند بر استفاده از نیروی برق توزیع شده تأثیر بگذارد. پیل های خورشیدی ارزان، محکم تر و انعطاف پذیر- که می توانند در الیاف یا مواد ساختمانی وارد شوند- تا حد زیادی بر زیر ساخت های توزیع انرژی الکتریکی تأثیر خواهند گذاشت. کشورهای در حال توسعه ای که ظرفیت توزیع برق کافی ندارند، می توانند به میزان قابل توجهی از این فناوری بهره ببرند. این پیل ها همچنین می توانند به توسعه بیشتر ابزارهای مستقل و خودگردان کمک کرده، منجر به حس گری فراگیری شوند که به نوبه خود مسائل مربوط به حریم خصوصی افراد را در پی خواهد داشت.

فناوری نانو در حس گرها:
یکی از عرصه هایی که فناوری نانو به صورت انحصاری خواهد توانست قابلیت های جدید را ایجاد کند، فناوری حسگری است. با در نظر گرفتن اینکه هم اینک می توانیم ابزارهایی در مقیاس تک مولکولی بسازیم، امکان افزایش بسیار شدید در حساسیت (حداقل در محدوده تشخیصی) و انتخابگری (توانایی تشخیص مواد شیمیایی یا فرآیندهای خاص) روش های جدید حسگری فراهم شده و توانایی تشخیص فرآیندها و حوادثی که پیش از این غیرقابل تشخیص بودند فراهم می شود.

وضعیت فعلی حس گرها:
هم اینک برخی از فناوری های حسگری توانمند شده با فناوری نانو، به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از این فناوری ها، سیستم حسگری دستی شرکت Smith Detection (سابق Cyrano Sciences Inc.) است؛ این سیستم از آرایه ای از مواد نانوساختار در یک ماتریکس پلیمر- الیاف برای شناسایی عوامل شیمیایی مختلف بهره می برد. به هر حال تعداد روز افزونی از آزمایشگاه های سراسر دنیا در حال استفاده از پیشرفت های فناوری نانو برای توسعه فناوری های حسگری شیمیایی و زیستی هستند.

این رشد منجر به ایجاد گروه جدیدی از محصولات نوظهور توانمند شده با فناوری نانو شده است که به رغم اینکه هنوز در مراحل مختلف آزمایشگاهی و بررسی قرار دارند، این قابلیت را دارند که اندازه ابزار، مقدار نمونه مورد نیاز، و زمان لازم برای آنالیز زیستی و شیمیایی را تا حد زیادی کاهش دهند. این ابزارهای حسگری مبتنی بر فناوری های توانمند شده با نانوی جدید و نوظهور مختلفی؛ همچون نانو ذرات فلزی عامل دار شده، نانو سیم ها و نانو لوله های عامل دار شده، مواد ماکروسکوپی با اشکال یا تغییرات سطحی نانو مقیاس و سیستم های مکانیکی نانو ساختار هستند. تمام این فناوری ها بر تغییرات قابل اندازه گیری در ویژگی های بنیادی ماده یا سیستم های ماده استوار است و این تغییرات نتیجه برهمکنش هایی است که به دلیل ویژگی های نانو مقیاس این مواد، قابل تشخیص هستند.

حس گرها تا سال 2020 (فناوری بالقوه):
تا سال 2020، احتمالاً چندین فناوری نانو- که در اوایل قرن21 ظهور یافته اند- در محصولات و کاربردهای تجاری وارد خواهند شد. تا آن زمان، گروه های جدیدی از حس گرها که هزینه پایینی داشته و به راحتی می توان از آن در ساختمان ها و تأسیسات زیربنایی استفاده کرد، صورت کاربردی به خود خواهند گرفت. در آن زمان، حس گرهای شیمیایی و زیستی همراه با سایر فناوری های مراقبتی و ارتباطی برای تشخیص تهدیدهای ممکن مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در برخی موارد ممکن است این حسگرهای جدید با ساختارهای مراقبتی و ارتباطی موجود یکپارچه شوند (همانند دوربین های ویدئویی، حس گرهای حرکتی، و تلفن ها)؛ مثلاً ساختمان ها و ساختارهای آینده ای که به طور خاص در معرض تهدید هستند، می توانند دارای سیستم های مراقبتی پیشرفته ای باشند که تصویر را با سیستم های تشخیصی شیمیایی و زیستی یکپارچه می سازند؛ در حالی که نیاز کمی به دخالت انسانی دارند. بسیاری از این سیستم ها برای پایش محدوده ای از عوامل مورد نظر طراحی شده و می توانند نتایج را در عرض چند دقیقه گزارش دهند. کاربردهای بالقوه دیگر حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو، شامل سیستم های مستقر در بخش جلویی ساختمان ها، سیستم های کنترل خودرو، و تجهیزات ایمنی منازل همچون شناساگرهای مونوکسید کربن و دود است.

پیشرفت های آینده در زمینه حسگرهایی که زیاد عمر می کنند و نیازی به مراقبت ندارند، نیازمند توسعه بسیار زیادی در ظرفیت و مدیریت توان باتری ها و بررسی مایعات برای سیستم های سنجش میکرو است. برای برخی عملکردهای خاص با خطر بالا یا مرتبط با امنیت ملی (همانند کاربردهای نظامی یا واکنش های اورژانسی) حسگرهای پوشیدنی به طور گسترده ای در دسترس خواهند بود؛ این حسگرها با شبکه ارتباطی فراگیری در ارتباط بوده و قادر خواهند بود تا تماس هر فرد با عوامل (شیمیایی یا زیستی) مورد نظر و محل و سطح تماس را به سرعت اطلاع دهند، همچنین در15 سال بعد، پیشرفت های روز افزون بیشتری در انتخابگری و حساسیت شیمیایی و زیستی تمام حسگرها اتفاق خواهد افتاد.

کاربردها و اثرات اجتماعی:
در بسیاری از موارد امکان استفاده از حسگری توانمند شده با فناوری نانو، با سیستم های مراقبتی و پایشی موجود یکپارچه شده یا بر مبنای آنها ایجاد خواهند شد؛ بنابراین حس گرهای توانمند شده با فناوری نانو تأثیری روی هدف پایش نخواهند داشت؛ بلکه کیفیت (یا عمق) پیمایش و مراقبت را بهبود خواهند بخشید. حس گرهای شخصی شبکه ای شیمیایی و زیستی، احتمالاً تنها در امنیت داخلی و کاربردهای نظامی (مخصوصاً به وسیله نیروهای واکنش سریع) کاربرد گسترده ای خواهند داشت و احتمال اینکه عموم مردم انگیزه کافی برای استفاده از این حس گرهای شیمیایی و زیستی شخصی را داشته باشند، بسیار پایین است، مگر اینکه فاجعه شیمیایی یا زیستی مهمی روی دهد. با این حال شواهد نشان می دهد که ابزارهای ارتباطی (همانند تلفن های همراه) در آینده تعداد بیشتری از ابزارهای حسگری را در خود خواهند داشت.

منبع: The Global Technology Revolution 2020، Richard Silberglitt، Philip S.Anton، David R.Howell، Anny Wong، 2006
ماخذ: ماهنامه فناوری نانو شماره 129