آینده‌ای روشن برای یک علم فوق العاده کوچک آینده‌ای روشن برای یک علم فوق العاده کوچک

انبوهی از نانولوله‌های کربنی مانند یک تار عنکبوت به هم متصل می‌شوند که به شکل رشته‌های تار مانند درون هم پیچیده می‌شوند.
 
این پوشش ویژه می‌تواند برای فضاپیماها مورد استفاده قرار گیرد یا برای ساخت عضلات مصنوعی با قدرت بیشتر استفاده شود. همچنین می‌تواند برای ساخت اسفنج‌های فوق العاده کوچکی که نفت را به درون خود جذب می‌کنند بکار گرفته شود. اینها فقط برخی از کاربردهای در حال توسعه برای این ساختارهای استثنایی کوچک است که از اتم‌های کربن مشتق شده اند. در حالی که ممکن است به نظر چندان واقعی نیاید، اما نانو تکنولوژی علمی است که به زودی بسیار پر کاربرد خواهد شد.
 

به مرز جدید مهندسی خوش آمدید: فناوری نانو

فناوری نانو با مواد در مقیاس بسیار کوچک سروکار دارد. نانو مواد می‌تواند شامل ذرات، فیلم، سیم یا حتی ساختارهای کاملی از جمله توپ‌ها و لوله‌ها باشد. اندازه آنها نیز بسیار مهم است. پیشوند نانو به معنی یک میلیاردم است. بزرگترین اشیایی که توسط نانوتکنولوژی ایجاد شده‌اند تنها 100 نانومتر یا 100 میلیاردم یک متر هستند. اکثر آنها نیز بسیار کوچکتر هستند. بعضی از آنها تنها دارای چند اتم هستند. برای مقایسه ای قابل درک باید بگوییم که یک تار موی انسان حدود 20،000 نانومتر (0.0008 اینچ) است.
 
اندازه مواد کوچک مهم است و بر روی خواص فیزیکی و شیمیایی آنها تاثیر دارد و می‌تواند آنها را تغییر دهد. به عنوان مثال، در طیف نانو رنگ زرد موجود نیست. به جای آن رنگ قرمز، سبز، آبی یا حتی بنفش را می‌توان دید که بستگی به اندازه ذرات دارد و این به خاطر اثراتی است که در مقیاس کوانتومی رخ می‌دهد.
 
حتی رنگ فلزات نیز ممکن است در مقیاس نانو غیر معمولی باشد. به عنوان مثال، نانوذرات نقره به رنگ زرد و طلا به رنگ قرمز دیده می‌شوند.
 
فیزیک کوانتومی با چیزهایی که در سطح اتمی یا زیر اتمی قرار دارند، سروکار دارد. در این حالت برخی از مواد بسیار قوی‌تر از مقادیر بالای خود هستند. مثلا ممکن است کاتالیزورها بهتر عمل کنند. (کاتالیست سرعت واکنش شیمیایی را بدون شرکت در واکنش تحت تأثیر قرار می‌دهد.) سایر مواد نیز می‌توانند خواص غیر قابل اشتعال یا جذب نور داشته باشند.
 
دانشمندان با فناوری نانو در جستجوی انواع راه هایی برای ایجاد خواص غیر معمول برای استفاده بهینه از آنها هستند. این قابلیت استفاده از نانولوله‌های کربنی را برجسته می‌کند که سیلندرهای کوچک و توخالی می‌باشند که معمولا دارای دیواره‌های ضخیم و تک اتمی هستند. اگرچه این تکنولوژی کوچک است اما دارای تعداد زیادی کاربردهای بالقوه و رو به رشد است.
 
بن جانسن در Surrey NanoSystems لندن، در انگلستان بر روی نانولوله‌ها کار می‌کند. او لایه‌ای از کاتالیزورها را به سطح اضافه می‌کند و این کار ممکن است به کمک یک ورق فولاد ضد زنگ یا یک قطعه سیلیکون باشد. کاتالیزورها نانوذراتی از جنس آهن، کبالت یا نیکل هستند. سپس این ورقه را در داخل یک محفظه خلا قرار می‌دهند تا هوا خارج شود. در نهایت نیز این محفظه در دمایی بین 750 تا 900 درجه سانتیگراد (1382 تا 1652 درجه فارنهایت) گرم می‌شود.
 
برخی از گازها به محفظه جریان می‌یابد. به طور معمول متان یکی از این گازها است. همانطور که می‌دانید متان یک اتم کربن احاطه شده توسط چهار اتم هیدروژن است. گرما و کاتالیزور برای تجزیه مولکول متان و آزاد کردن تک اتم کربن آن همکاری می‌کنند. سپس این اتم به سمت لبه کاتالیست حرکت می‌کند. در آنجا، به اتم‌های کربن آزاد دیگر متصل می‌شود و آنها شروع به تشکیل یک حلقه در اطراف لبه کاتالیزور می‌کنند. کاتالیزور همچنان به تجزیه مولکول‌های متان جدید ادامه می‌دهد. همانطور که اتم‌های بیشتری کربن اضافه می‌شوند، آنها از کاتالیزور دورتر می‌شوند و به تدریج این حلقه اتمی رشد می‌کند و شکل لوله‌ای به خود می‌گیرد.
 
جانسن و تیم او برای ساختن نانولوله‌هایی که می‌تواند به عنوان یک پوشش ویژه برای سطوح بیرونی فضاپیماها استفاده شود، تلاش می‌کنند. هدف آنها کاهش مقدار نوری است می‌تواند از آن سطح عبور کرده و بر روی تجهیزات حساس بتابد.
 
اما ایجاد چنین نانوساختارهایی نیازمند رفع تعدادی از موانع است. از جمله اینکه این لوله‌ها باید در دماهای پایین ساخته شوند. آنها نیاز به مواد سبک وزن دارند و همچنین باید بتوانند ارتعاشات عظیم را در هنگام راه اندازی راکت تحمل کنند و آنها باید قادر به کنترل و تحمل دماهای بسیار گرم و بسیار سرد باشند. علاوه بر این، نانولوله‌ها باید تقریبا تمام نورهایی را که بر روی آنها می‌تابد را به دام اندازند و این کار را برای 10 تا 20 سال انجام دهند.
نانولوله‌ها باید تقریبا تمام نورهایی را که بر روی آنها می‌تابد را به دام اندازند و این کار را برای 10 تا 20 سال انجام دهند.یکی از مشکلات رایج در روش استاندارد رشد نانولوله‌ها، قابلیت تحمل دمای بالای مورد نیاز در هنگام ساخت آنها است. این دمای بالا، نوع مواد قابل استفاده را محدود می‌کند. مثلا سیلیکون می‌تواند دمای بالا را تحمل کند، اما شکننده است. فولاد نیز در دماهای بالا مقاوم است، اما آن نیز بزرگ و سنگین است و برای سفرهای فضایی مناسب نیست.
 

ساخت اسفنج‌های نانولوله‌ای

یکی دیگر از دستیافت‌های این علم جدید ساخت اسفنج‌هایی با کاربرد ویژه است. ترنس یک دانشمند فیزیکدان در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است. یکی از آخرین آزمایشگاه‌های وی ساخت یک اسفنج نانولوله‌ای است. او می‌گوید که این اسفنج‌ها می‌توانند به طور اختصاصی روغن را از مخلوط نفت و آب جذب کنند زیرا این نانولوله‌ها هیدروفوب هستند. این بدان معنی است که آنها آب را دفع می‌کنند. با این وجود آنها مواد هیدروفیل را جذب می‌کنند و از آنجا که نفت هیدروفوب است، نانولوله‌ها آن را جذب می‌کنند.
 
ترنس و تیم او در حال کار بر روی اسفنج‌هایی هستند که می‌توانند 1000 برابر وزن خود روغن جذب کنند. ترنس روزی را تصور می‌کند که بتواند اسفنج‌های نانوتکنولوژی را به اندازه کافی بزرگ بسازد تا حتی نشت‌های نفتی بزرگ را برطرف کنند.
 
ترنس می‌گوید: خیلی خوب است که همیشه رویای چیزهایی را که در حال حاضر غیرممکن است را دنبال کنید. در نهایت، او معتقد است، این داستان علمی- تخیلی به زودی به یک واقعیت تبدیل خواهد شد.
 
 

منبع: سایت ساینس نیوز فور استیودنتس