همه چيز درباره نانو تكنولوژي

در دو دهه اخير، پيشرفتهاي تكنولوژي وسايل و مواد با ابعاد بسيار كوچك به دست آمده است و به سوي تحولي فوق العاده كه تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد كرد ، پيش مي رود . براي احساس اندازه هاي مادون ريز ، قطر موي سر انسان را كه يك دهم ميليمتر است در نظر بگيريد ، يك نانومتر صدهزار برابر كوچكتراست 9- 10متر . تكنولوژي و مهندسي در قرن پيش رو با وسايل ، اندازه گيريها و توليداتي سروكار خواهد داشت كه چنين ابعاد مادون ريزي دارند . درحال حاضر پروسه هاي در ابعاد چند مولكول قابل طراحي و كنترل است . همچنين خواص مكانيكي ، شيميايي ، الكتريكي ، مغناطيسي ، نوري و... مواد در لايه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحليل و سنجش است . تكنولوژي درقرن گذشته در هرچه ريزتر كردن دانه هاي بزرگتر پيشرفت چشمگيري داشت ، بطوريكه به مزاح گفته شد كه ديگر كشف ذرات ريز اتمي ((Sub-Atomic)) نه تنها جايزه نوبل ندارد ، بلكه به آن جريمه هم تعلق مي گيرد ! تكنولوژي نو درقرن حاضر مسير عكس را طي مي كند . يعني مواد مادون ريز را بايد تركيب كرد تا دانه هاي بزرگتر كارآمد به وجود آ ورد . 

درست همان روشي كه در طبيعت براي توليد كردن حاكم است . مجموعه هاي طبيعي ، تركيبي از دانه هاي مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه هاي در حدود نانو است . 

اثر تحقيقات در فناوريهاي مادون ريز هم اكنون در درمان بيماريها و يا دست يافتن به مواد جديد به ظهور رسيده است . موارد بسياري در مرحله تحقيقات كاربردي و آزمايشي است .اكنون ساخت رايانه هاي بسيار كوچكتر و ميليونها بار سريعتر در دستور كار شركتهاي تحقيقاتي قرار دارد . 

در بياني كوتاه نانوتكنولوژي يك فرايند توليد مولكولي است . همانطور كه طبيعت مجموعه ها را بطور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روي هم مونتاژ كرده است ، ما هم بايد براي توليد محصولات جديد ، با اين اعتقاد كه هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست ، نظير طبيعت راهي پيدا كنيم . البته منظور اين نيست كه چند هسته از مواد راپيدا كنيم و با رساندن انرژي و خوراك پس از چند سال يك نيروگاه از آن بسازيم كه شهري را برق دهد . بلكه براي تركيب و تكامل خودكار توليدات مادون ريزكه به نحوي در مجموعه هاي بزرگتر مصرف دارد ، راهي بيابيم . در اندازه هاي مادون ريز ، روشها و ابزارآلات متعارف فيزيكي مانند تراشيدن و خم كردن و سوراخ كردن و...جوابگو تيستند . 

براي ساختن ماشينهاي ملكولي بايد روش پروسه هاي طبيعي را دنبال كرد . 

با تهيه نقشه هاي ساختاري بدن يعني آرايش ژنها و DNA كه ژنم ناميده شده است و به موازات آن دست يافتن به تكنولوژي مادون ريز ، در دراز مدت تحولات بسياري در هستي ايجاد خواهد شد . توليد مواد جديد ، گياهان ، جانداران و حتي انسان متحول خواهد شد . اشكالات ساختاري موجودات در طبيعت رفع مي شود و با تركيب و خواص اورگانيك گياهان و جانوران ، موجودات جديدي با خواص فوق العاده و شخصيتهاي متفاوت بوجود خواهد آمد .آينده علوم و مهندسي كه چندين گرايشي Multi- Disciplinary )) است ، به طرف توليد ماشينهاي مولكولي سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعه هاي كارآيي از پيوندهاي ارگانيك و سايبريك را عرضه نمايد . 

هستي را به رايانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) كه دو پديده مختلف ولي ادغام شده هستند ، مي توان تشبيه كرد . سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هيدروژن ) و نرم افزار يا برنامه ، قابليت نهفته در خلقت آن است . 

اتم به نظر ساده و ابتدايي هيدروژن در طي ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليونها نوع آرايش مختلف را در هستي بوجود آورد . بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است . ولي در برنامه ريزيهاي جديد و يافتن اشكال ديگري از آنچه در طبيعت وجود دارد ، پيش خواهد رفت . طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح ، قفلهاي شگفت آور آن را باز خواهد كرد . احتمالا انسان در شرايط مناسبتري از درجه حرارت و فشار كه درتشكيل طبيعي مواد مختلف از هيدروژن لازم است ، بتواند اتمهاي مورد نباز خود را توليد كند ، سيارات ديگري را در نهايت در اختيار بگيرد و بعيد نيست كه نواده هاي دوردست ما بتوانند در نيمه هاي راه ابديت در اكثر نقاط جهان هستي و كهكشانها سكني گزينند. 

به احتمال زياد قبل از پايان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعي و ديجيتالي راخواهند داشت. . از بيماري ، پيري ، درد ستون فقرات ، كم حافظه اي و... رنج نخواهند برد .قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بي نهايت خواهد شد . در هزاره هاي آينده انسانهاي طبيعي مانند امروز احتمالا براي مطالعات پژوهشي نگهداري شده و به نمونه هاي آزمايشگاهي و بطور حتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اينهمه درد و ناراحتي كه اجداد آنها در هزاره هاي قبل كشيده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود . 

اكنون جا دارد همگام با تحولات جديد در مهندسي و علوم ، دانشگاهها و مراكز تحقيقاتي بطور جدي به پژوهشهاي تكنولوژي مادون ريز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانيم مرزهاي دانش روز را به نسلهاي آينده تحويل دهيم و در تشكلهاي جديد هستي سهمي داشته باشيم . باشد هرچه زودتر به خود آييم و عمق شكوهمند و معجزه آساي انديشه بشررا دريابيم و از كوتاه بيني و افكار فرسوده موروثي فاصله بگيريم . گفته شيخ اجل سعدي در آينده مصداق واقعي تري خواهد داشت : 

چه انتظاري بايد از نانوتكنولوژي داشت : 

اين تكنولوژي جديد توانايي آن را دارد كه تاثيري اساسي بر كشورهاي صنعتي در دهه هاي آينده بگذارد . در اينجا به برخي از نمونه هاي عملي در زمينه نانوتكنولوژي كه بر اساس تحقيقات و مشاهدات بخش خصوصي به دست آمده است ، اشاره مي شود . 

انتظار مي رود كه مقياس نانومتر به يك مقياس با كارايي بالا و ويژگيهاي منحصربفرد ، طوري ساخته خواهند شد كه روش شيمي سنتي پاسخگوي اين امر نمي تواند باشد . 

· نانوتكنولوژي مي تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 ميليارد دلار براي صنعت نيمه هاديها و 900 ميليون دلار براي مدارهاي مجتمع ، طي 10 تا 15 سال آينده شود . 

· نانوتكنولوژي ، مراقبتهاي بهداشتي ، طول عمر ، كيفيت و تواناييهاي جسمي بشر را افزايش خواهد داد . 

· تقريبا نيمي از محصولات دارويي در 10 تا 15 سال آينده متكي به نانوتكنولوژي خواهد بود كه اين امر ، خود 180 ميليارد دلار نقدينگي را به گردش درخواهد آورد . 

· كاتاليستهاي نانوساختاري در صنايع پتروشيمي داراي كاربردهاي فراواني هستند كه پيش بيني شده است اين دانش ، سالانه 100 ميليارد دلار را طي 10 تا 15 سال آينده تحت تاثير قرار دهد . 

· نانوتكنولوژي موجب توسعه محصولات كشاورزي براي يك جمعيت عظيم خواهد شد و راههاي اقتصادي تري را براي تصويه و نمك زدايي آب و بهينه سازي راههاي استفاده از منابع انرژيهاي تجديد پذير همچون انرژي خورشيدي ارائه نمايد . بطور مثال استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهاي نانولوله كربني كه اخيرا آزمايش گرديد ، نشان داد كه اين روش 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس ، آب دريا را نمك زدايي مي كند . 

· انتظار مي رود كه نانوتكنولوژي نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده ها ، محيط زيستي سالمتر را فراهم كند . براي مثال مطالعات نشان مي دهد در طي 10 تا 15 سال آينده ، روشنايي حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژي ،مصرف جهاني انرژي را تا 10 درصد كاهش داده ، باعث صرفه جويي سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگي هوا به ميزان 200 ميليون تن كربن شود. 

در چند سال گذشته بازارچند ميليارد دلاري برپايه نانوتكنولوژي كسترش يافته اند . براي مثال در ايالات متحده ، IBM براي هد ديسكهاي سخت ، يك سري حسگرهاي مغناطيسي را ابداع كرده است . 

Eastern Kodak و 3M تكنولوژي ساخت فيلمهاي نازك نانو ساختاري را به وجود آورده اند . شركت Mobil كاتاليستهاي نانو ساختاري را براي دستگاههاي شيميايي توليد كرده است و شركت Merck ، داروهاي نانوذره اي را عرضه كرده است . تويوتا در ژاپن مواد پليمري تقويت شده نانوذره اي را براي خودروها و Samsung Electronics در كره ، در حال كار بر روي سطح صفحات نمايش توسط نانولوله هاي كربني هستند . بشر درست در ابتداي مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاري از نانوساختارهاي يك بعدي بهره مي گيرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لايه و سوپر لاستيكها ) . نظزيات جديد و روشهاي مقرون به صرفه توليد نانوساختارهاي دو و سه بعدي از موضوعات مورد بررسي آينده مي باشند. 

نانو تكنولوژي يا كاربرد فناوري در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرت انگيزي را پيش روي دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيري براي آن نمي توان يافت. پيشرفتهاي پرشتابي كه در اين عرصه بوقوع مي پيوندد، پيام مهمي را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستيابي به توانايي هاي بي بديلي براي تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه اي كه در آينده اي نه چندان دور به مدد اين فناوري جديد پديدار خواهد شد، تفاوت هايي بنيادين با جهان مالوف آدمي در گذشته خواهد داشت. 

به گزارش ايرنا نانو تكنولوژي نظير هر فناوري ديگري چونان يك تيغ دولبه است كه مي توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودي و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گيري از اين فناوري شناخت دقيق تر خصوصيات آن و آشنايي با قابليت هاي بالقوه اي است كه در خود جاي داده است. در خصوص نانو تكنولوژي يك نكته را مي توان به روشني و بدون ابهام مورد تاكيد قرار داد: اين فناوري جديد هنوز، حتي براي متخصصان، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامي را كه آن را در برگرفته ضخيمتر مي كند و راه را براي گمانزني هاي متنوع هموار مي سازد. 

كساني بر اين باورند كه اين فناوري نظير هيولايي فرانكشتين در داستان مري شلي و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره هاي يونان باستان، مرگ و نابودي براي ابناي بشر درپي دارد. در مقابل گروهي نيز معتقدند كه به مدد توانايي هاي حاصل از اين فناوري مي توان عالم را گلستان كرد. 

در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتي- تجاري در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمريكا و ژاپن با بودجه اي كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ مي شود سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانو تكنولوژي هستند. در اين قلمرو اتمها و ذرات رفتاري غيرمتعارف از خود به نمايش مي گذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا شناخت بهتر نحوه شكل گيري عالم است. به اين ترتيب دانشمنداني كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستي و نقشه شگفت انگيز او در خلقت عالم آشنايي پيدا مي كنند، اما از آنجا كه دانايي توانايي به همراه مي آورد، شناسايي رازهاي هستي مي تواند توان فوق العاده اي را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانو تكنولوژي از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات عايد گرديد. 

از جمله آنكه يك گروه از محققان شركت آي بي ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روي يك صفحه از جنس نيكل جاي دهند و با كمك اين تك اتمها نامي را بر روي صفحه نيكلي درج كنند. محققان ديگر به بررسي درباره ساختارهاي ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوت ها و رشته هاي ابريشم پرداختند تا بتوانند موادي نازك تر و مقاوم تر توليد كنند. در اين ميان ساخت يك نوع مولكول جديد كربن موسوم به باكمينسترفولرين يا كربن- 60 راه را براي پژوهشهاي بعدي هموارتر كرد. محققان با كمك اين مولكول كه خواص حيرت انگيز آن هنوز در درست بررسي است، لوله هاي موئينه اي در مقياس نانو ساخته اند كه مي تواند براي ايجاد ساختارهاي مختلف در تراز يك ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسي هايي كه در ابعاد نانو بر روي مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه اي را آشكار كرده است. به عنوان مثال ذرات سيليكن در اين ابعاد از خود نور ساطع مي كنند و لايه هاي فولاد در اين مقياس از استحكام بيشتري در قياس با صفحات بزرگتر اين فلز برخوردارند. 

برخي شركتها از هم اكنون بهره برداري از برخي يافته هاي نانوتكنولوژي را آغاز كرده اند. به عنوان نمونه شركت آرايشي اورال از مواد نانو در محصولات آرايشي خود استفاده مي كند تا بر ميزان تاثير آنها بيفزايد. ساخت ديودهاي نوري با استفاده از مواد نانو موجب مي شود تا 80درصد در هزينه برق صرفه جويي شود. توپهاي تنيسي كه با كربن 60 ساخته شده و روانه بازار گرديده سبكتر و مستحكمتر از توپهاي عادي است. شركتهاي ديگر با استفاده از مواد نانو پارچه هايي توليد كرده اند كه با يك بار تكاندن آنها مي توان حالت اتوي اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروكهايشان را زايل كرد. با همين يك بار تكان همه گردوخاكي كه به اين پارچه ها جذب شده اند نيز پاك مي شوند. نوارهاي زخم بندي هوشمندي با اين مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولكولي، پزشكان را مطلع مي سازند. 

از همين نوع مواد همچنين ليوانهايي توليد شده كه قابليت خود- تميزكردن دارند. لنزها و عدسيهاي عينك ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و يك گروه از محققان تا آنجا پيش رفته اند كه درصددند با مواد نانو پوششهاي مناسبي توليد كنند كه سلولهاي حاوي ويروسهاي خطرناك نظير ويروس ايدز را در خود مي پوشاند و مانع خروج آنها مي شود. مهمترين نكته درباره موقعيت كنوني فناوري نانو آن است كه اكنون دانشمندان اين توانايي را پيدا كرده اند كه در تراز تك اتمها به بهره گيري از آنها بپردازند و اين توانايي بالقوه مي تواند زمينه ساز بسياري از تحولات بعدي شود. يك گروه از برجسته ترين محققان در حوزه نانوتكنولوژي بر اين اعتقادند كه مي توان بدون آسيب رساندن به سلولهاي حياتي، در درون آنها به كاوش و تحقيق پرداخت. شيوه هاي كنوني براي بررسي سلولها بسيار خام و ابتدايي است و دانشمندان براي شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق مي افتد ناگزيرند سلولها را از هم بشكافند و در اين حال بسياري از اطلاعات مهم مربوط به سيالهاي درون سلول يا ارگانلهاي موجود در آن از بين مي رود. 

يك گروه از محققان كه در گروهي موسوم به اتحاد سيستمهاي زيستي گرد آمده اند، سرگرم تكميل ابزارهاي ظريفي هستند كه هدف آن بررسي اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعي و بدون آسيب رساندن به اجزاي دروني سلول يا مداخله در فعاليت بخشهاي داخلي آن است. ابزاري كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند رديف هايي از لوله ها يا سيمهاي بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفي را به انجام برسانند از جمله آنكه هزاران پروتئيني را كه به وسيله سلولها ترشح مي شود شناسايي كند. گروههاي ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاهها و ابزارهاي ديگر براي انجام مقاصد علمي ديگر هستند. 

به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكولهاي مورد نظر را شناسايي كنند. گروهي نيز دستگاهي را دردست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا مي تواند پروتئين هاي معيني را فعال سازد يا از كار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آنكه بتوان از سلولها در حين فعاليت واقعي آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايشها را مورد تجديدنظر اساسي قرار داد. سلولها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام مي رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها ميان خود، ردوبدل كردن مواد غذايي و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتي. يك گروه از روش تازه اي موسوم به الگوي انتقال ابر - شبكه استفاده كرده اند كه ساخت نيمه هاديهاي نانومتري به قطر تنها 8 نانومتر را امكان پذير مي سازد. هريك از اين لوله هاي بسيار ريز بالقوه مي توانند يك پادتن خاص يا يك اوليگو نوكلئو اسيد و يا يك بخش كوچك از رشته دي ان اي بر روي خود جاي دهند. 

با كمك هر تراشه مي توان 1000 آزمايش متفاوت بر روي يك سلول انجام داد. براي دستيابي به موفقيت كامل بايد بر برخي از محدوديتها غلبه شود، ازجمله آنكه درحال حاضر براي بررسي سلولها بايد آنها را در درون مايعي قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعي سلولها را بازسازي مي كند، اما يون موجود در اين مايع مي تواند سنجنده هاي موئينه را از كار بيندازد. براي رفع مشكل، محققان سلولها را درون مايعي جاي مي دهند كه چگالي يون آن كمتر است. گروههاي ديگري از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهاي مناسب در مقياس نانو براي بررسي جهان سلولها ابداع كنند. يكي از اين ابزارها چنانكه اشاره شد يك فيبر نوري است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روي نوك نوعي پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوري با استفاده از فيبرهاي معمولي و تراش آنها ساخته شده و بر روي فيبر پوششي از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيري به عمل آورد. نحوه عمل اين فيبر نوري درخور توجه است. 

از آنجاكه قطر نوك اين فيبر نوري، از طول موج نوري كه براي روشن كردن سلول مورد استفاده قرار مي گيرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهاي نور نمي توانند خود را تا انتهاي فيبر برسانند، درعوض در نزديكي نوك فيبر مجتمع مي شوند و يك ميدان نوري بوجود مي آورند كه تنها مي تواند مولكولهايي را كه در تماس با نوك فيبر قرار مي گيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوري يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان مي چسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو مي كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار مي زند و خود جاي آن را مي گرد. به اين ترتيب نوري كه از مولكول فلورسان ساطع مي شد از بين مي رود و فضاي درون سلول تنها با نوري كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوري بوجود مي آيد روشن مي شود و درنتيجه محققان قادر مي شوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند. 

مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمي شود و به دانشمندان اجازه مي دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند. نانو تكنولوژي همچنين به محققان امكان مي دهد كه بتوانند رويدادهاي بسيار نادر يا مولكولهاي با چگالي بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهاي مينياتوري نيمه هاديهاي فلزي در يك فركانس خاص از خود نور ساطع مي كنند و از اين نور مي توان براي مشخص كردن مجموعه اي از مولكولهاي زيستي و الصاق برچسب براي شناسايي آنها استفاده كرد. به نوشته هفته نامه علمي نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته اند سنجنده خاصي را تكميل كنند كه قادر است حركت اتمهاي روي را در درون سلولها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبي مدد رساند. 

از ابزارهاي در مقياس نانو همچنين مي توان براي عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمايشي كه بتازگي به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلولهاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزايش مي دهد. محققان اميدوارند در آينده اي نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژي موفق شوند امور داخلي هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهاي بلندي در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان مي توانند فعاليت پروتئينها و مولكول دي ان اي را در درون سلول كنترل كنند. به اين ترتيب نانو تكنولوژي به محققان امكان مي دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها يعني اصلي ترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه كامل سازند. 

منبع :alivephysics.persianblog.com

نقل از: http://www.hupaa.com/Data/P00273.php

نانوتكنولوژي به زبان ساده

در نيم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوري عمده بوديم، كه باعث پيشرفت هاي عظيم اقتصادي در كشورهاي سرمايه گذار و ايجاد فاصله شديد بين كشورهاي جهان شد. متأسفانه در كشور ما بدليل فقدان جرات علمي و عدم تصميم گيري بموقع ، به اين فرصتها پس از گذشت ساليان طلائي آن بها داده مي شد كه البته سودي هم براي ما به ارمغان نمي آورد، همچون فنآوري الكترونيك و كامپيوتر در دو سه دهه گذشته كه امروزه عليرغم توانائي دانشگاهي و داشتن تجهيزات آن، هيچگونه حضور تجاري در بازارهاي چند صد ميلياردي آن نداريم. فناوري نانو جديدترين اين فرصتها ست، كه كشور ما بايد براي حضور يا عدم حضور درآن خيلي سريع تصميم خود را اتخاذ كند. 

علم و فناوري نانو ( نانو علم و نانو تكنولوژي) توانائي بدست گرفتن كنترل ماده در ابعاد نانومتري (ملكولي) و بهره برداري از خواص و پديده هاي اين بعد در مواد، ابزارها و سيستم هاي نوين است. اين تعريف ساده خود دربرگيرنده معاني زيادي است. به عنوان مثال فناوري نانو با طبيعت فرا رشته اي خود، در آينده در برگيرنده همه ي فناوريهاي امروزين خواهد بود و به جاي رقابت با فن آوري هاي موجود، مسير رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « يك حرف از علم» يكپارچه خواهد كرد. 

ميليونها سال است كه در طبيعت ساختارهاي بسيار پيچيده با ظرافت نانومتري ( ملكولي ) - مثل يك درخت يا يك ميكروب - ساخته مي شود. علم بشري اينك در آستانه چنگ اندازي به اين عرصه است، تا ساختارهائي بي نظير بسازد كه در طبيعت نيز يافت نمي شوند. فناوري نانو كاربردهاي را به منصه ظهور مي رساند كه بشر از انجام آن به كلي عاجز بوده است و پيامدهائي را در جامعه برجا مي گذارد كه بشر تصور آنها را هم نكرده است. به عنوان مثال: 

o ساخت مواد بسيار سبك و محكم براي مصارف مرسوم يا نو 

o ورشكستگي صنايع قديمي همچون فولاد با ورود تجاري مواد نو 

o كاهش يافتن شديد تقاضا براي سوخت هاي فسيلي 

o همه گير شدن ابر كامپيوترهاي بسيار قوي، كوچك و كم مصرف 

o سلاحهاي سبك تر، كوچكتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئي تر براي رادار 

o شناسائي فوري كليه خصوصيات ژنتيكي و اخلاقي و استعدادهاي ابتلا به بيماري 

o ارسال دقيق دارو به آدرس هاي مورد نظر در بدن و افزايش طول عمر 

o از بين بردن كامل عوامل خطرناك جنگ شيميائي و ميكروبي 

o از بين بردن كامل ناچيز ترين آلاينده هاي شهري و صنعتي 

o سطوح و لباسهاي هميشه تميز و هوشمند 

o توليد انبوه مواد و ابزارهائي كه تا قبل از اين عملي و اقتصادي نبوده اند ، 

o و بسياري از موارد غير قابل پيش بيني ديگر! 

دكترDrexler در همايش جهاني نظام علمي در زمينه نانوتكنولوژي اظهار كرده است: \"در جهان اطلاعات ، تكنولوژيهاي ديجيتالي كپي‌برداري را سريع، ارزان، كامل و عاري از هزينه‌بري يا پيچيدگي محتوايي نموده‌اند. حال اگر همين وضعيت در جهان ماده اتفاق بيافتد چه مي‌شود. هزينه توليد يك تن ‌تري بيت تراشه‌هاي RAM تقريبا\" معادل با هزينه بري ناشي از توليد همان مقدار فولاد مي‌شود\". 

دكترSmalley رئيس هيئت تحقيقاتي دانشگاه رايس و كاشف Buckyballs مي‌گويد: 

\" نانوتكنولوژي روند زيانبار ناشي از انقلاب صنعتي را معكوس خواهد كرد\". در مقدمه مقاله نانوتكنولوژي كه توسط آقايان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنين آمده است : 

\" تصور كنيد قادريد با نوشيدن دارو كه در آب ميوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه كنيد . يك ابر كامپيوتر را كه به اندازه يك سلول انسان است در نظر بگيريد. يك سفينه فضايي 4 نفره كه به دور مدار زمين مي‌گردد با هزينه‌اي در حدود يك خودروي خانوادگي تجسم كنيد\" . 

موارد فوق، فقط تعداد محدودي از محصولات انتظار رفته از نانوتكنولوژي هستند. انسان در معرض يك انقلاب اجتماعي تسريع شده و قدرتمند است كه ناشي از علم نانوتكنولوژي است. در آينده نزديك گروهي از دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني با مقياس نانومتري مي‌گردند كه قادر به همانندسازي است. طي چند سال با توليد پنج ميليارد تريليون نانوروبات ، تقريبا\" تمامي فرايندهاي صنعتي و نيروي كار كنوني از رده خارج خواهند شد. كالاهاي مصرفي به وفور يافت‌شده ، ارزان، شيك و با دوام خواهند شد. دارو يك جهش سريع و كوانتومي را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهاي فضايي و همانندسازي امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به اين دلايل و دلائلي ديگر، سبكهاي زندگي روزمره در جهان بطور زيربنايي متحول خواهد شد و الگوي رفتاري انسانها تحت‌الشعاع اين روند قرار خواهد گرفت. 

سه فناوري تسخيركننده 

از طرفي شايد بتوان گفت تسخيركنندگان علم و فناوري آينده در سه گروه فناوري اطلاعات، نانوفناوري و زيست فناوري خلاصه مي شوند. 

قرارگيري مقادير و حجم زيادي از اطلاعات در فضائي كوچك از ابعاد هم گرائي نانوفناوري و فناوري اطلاعات مي باشد از طرفي در زيست فناوري و يا به عبارتي براي زيست شناسان قرار گيري حجم زيادي از اطلاعات در يك فضاي بسيار كوچك موضوعي بسيار آشنا مي باشد. 

در كوچكترين سلول انساني همه اطلاعات مربوط به يك موجود زنده از قبيل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتي در قسمت بسيار كوچكي از سلول به نام DNA كه شامل حدوداً پنجاه اتم مي باشد همه اين اطلاعات ذخيره مي گردد ( نه تنها سطح يا به عبارتي تعداد اتم ها بلكه نحوه قرار گرفتن اين زنجيره ها در ذخيره سازي اطلاعات زيستي اهميت دارد). شايد يكي از علل هم گرائي اين فناوري و فناوري اطلاعات وجود همين مسائل مشترك اين سه فناوري است. 

ابزارهاي جديد براي كارهاي ظريف 

اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسيد كه چه پيشرفتهاي عمده دستگاهي باعث شده‌اند تا نانوتكنولوژي در خطوط مقدم تحقيقات علوم فيزيكي قرار گيرد، تقريبا\" همه آنها به داستان ميكروسكوپ پروب اسكن‌كننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM يك پروب نانوسكوپي در ارتفاع ثابتي بر بالاي بستري از اتم‌ها حفظ مي‌شود. اين فاصله مي‌تواند آن‌قدر كم باشد كه الكترون‌هاي اتم‌هاي تيرك و سطح با هم تعامل داشته باشند. اين تعاملات مي‌تواند آن‌قدر قوي باشد، كه اتم‌ها از جا كنده شده و به جاي ديگري بروند.) 

اشاره مي‌كنند. عليرغم تازه واردگي به عرصه تحليل دستگاهي، استفاده از ميكروسكوپي تونل‌زني اسكن‌كننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسيله‌اي براي تهيه تصوير از اتمهاي روي سطوح مواد، كه نقش مهمي در درك توپوگرافي و خواص الكتريكي مواد و رفتار قطعات ميكروالكترونيكي دارند. STM بر خلاف يك ميكروسكوپ نوري، براي تهيه تصوير نيروهاي الكتريكي را با يك پروب نازك‌شده به حد تيزي يك اتم آشكار مي‌كند. پروب سطح را جاروب كرده، بي‌نظمي‌هاي الكتريكي حاصل از پوسته‌هاي الكتروني يا ابرالكتروني پيرامون اتم‌ها را به كمك يك كامپيوتر به تصوير مبدل مي‌كند. به دليل يك اثر مكانيك كوانتومي موسوم به «تونل‌زني»، الكترون‌ها مي‌توانند به سادگي از تيرك به سطح و بالعكس بجهند. درجه وضوح تصاوير در حدود nm1 يا كمتر است. از STM مي‌توان براي جابجايي تك به تك اتم‌ها و تهيه نقشه‌هاي پروضوح از سطوح مادي استفاده كرد.) ، ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) و ديگر تكنيكهاي مشتق‌شده از اين دو مورد اصلي در بسياري از آزمايشگاهها ، به دليل حجم زياد اطلاعاتي كه از مقياس نانومتر به دست مي دهند، متداول و حتي گريزناپذير شده است. ريچارد فينمن طي يك سخنراني در همايش جامعه فيزيك آمريكا در 1959 در مؤسسه تكنولوژي كاليفرنيا كه بعد در آنجا استاد فيزيك شد ايده‌هايي بنيادي در زمينه كوچك‌سازي نوشتجات، مدارها و ماشين‌ها ايراد كرد : \" آنچه من مي‌خواهم به شما بگويم، مسئله دستكاري و كنترل اشياء در مقياس كوچك است. ترديدي وجود ندارد كه در نوك يك سوزن آنقدر جا هست كه بتوان تمام دايره‌‌المعارف بريتانيكا را جا داد.\" فينمن براي به تفكر واداشتن محققين و تاكيد نمودن بر عقيده‌اش مبني بر امكان فيزيكي چنين معجزه‌اي ، جايزه‌هايي 1000 دلاري براي اولين افرادي كه به اهداف مشخص شده اي در كوچك‌سازي كتابها و موتورهاي الكتريكي دست يابند تعيين كرد. فينمن تاكيد كرد : \" من در حال خلق ضد جاذبه نيستم كه به فرض روزي اگر قوانين (فيزيك) آنچه ما مي‌پنداريم، نبودند عملي شود. من صحبت از چيزي مي‌كنم اگر قوانين آنچه ما مي‌پنداريم باشند، عملي خواهد بود. ما به آن دست پيدا نكرده‌ايم چون خيلي ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ايم.\" 

وضعيت جهاني 

از فناوري نانو به عنوان \"رنسانس فناوري\" و\" روان كننده جريان سرمايه گذاري \" ياد مي شود.ورود محصولات متكي بر اين فناوري جهشي بس عظيم در رفاه و كيفيت زندگي و توانائي هاي دفاعي و زيست محيطي به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائي هاي بزرگ اقتصادي خواهد شد . هم اكنون بخش هاي دولتي و خصوصي كشورهاي مختلف جهان شامل ژاپن ، آمريكا، اتحاديه اروپا، چين، هند، تايوان، كره جنوبي، استراليا، اسرائيل و روسيه در رقابتي تنگاتنگ بر سر كسب پيشتازي جهاني در لااقل يك حوزه از اين فناوري به سر ميبرند . هم اكنون روي هم رفته حدود 30 كشور دنيا در زمينه فناوري نانو داراي \"برنامه ملي\" يا درحال تدوين آن هستند، وطي پنچ سال گذشته بودجه تحقيق و توسعه در امر فناوري نانو را به 5/3 برابر افزايش داده اند. كشورهاي ژاپن و آمريكا نيز فناوري نانو را اولين اولويت كشور خود در زمينه فناوري اعلام كرده اند . 

و امّا بطور كلي و خلاصه اينكه: 

o نانوتكنولوژي چست؟ 

o نانوتكنولوژي مطالعه ذرات در مقياس اتمي براي كنترل آنهاست. هدف اصلي اكثر تحقيقات نانوتكنولوژي شكل‌دهي تركيبات جديد يا ايجاد تغييراتي در مواد موجود است. نانوتكنولوژي در الكترونيك، زيست‌شناسي، ژنتيك، هوانوردي و حتي در مطالعات انرژي بكار برده ميشود. 

o چرا \" Nano\"؟ 

o nano كلمه‌اي يوناني به معني كوچك است و براي تعيين مقدار يك ميليارديم يا 9- 10 يك كميت استفاده مي‌شود. چون يك اتم تقريباً\" 10 نانومتر است، اين اصلاح براي مطالعه عمومي روي ذرات اتمي و مولكولي بكاربرده ميشود. 

o تفاوت بين نانوعلم و نانوتكنولوژي چيست؟ 

o نانو علم صرفا\" تحقيق است ولي نانوتكنولوژي كاربرد تحقيقات براي حل مسائل و ساخت مواد جديد است. 

o نانوتكنولوژي از كجا آمده است؟ 

o براي اولين بار ريچارد فينمن برنده جايزه نوبل فيزيك پتانسيل نانوعلم را در يك سخنراني تكان‌دهنده با نام \" درپايين اتاقهاي زيادي وجود دارد\"، مطرح كرد . فينمن اصرار داشت، كه دانشمندان ساخت وسائلي را،كه براي كار در مقياس اتمي لازم است، شروع كنند. اين موضوع مسكوت ماند، تا اينكه اريك دركسلر (دانشجوي تحصيلات تكميليMIT) نداي فينمن را شنيد و يك قالب‌كاري براي مطالعه \"وسايلي كه توانايي حركت دادن اشياء مولكولي و مكان آنها را با دقت اتمي دارند\" ايجاد كرد، كه در سپتامبر 1981 در مقاله‌اي با نام \" پروتئين راهي براي توليدانبوه مولكولي ايجاد ميكند\" آن را ارائه داد. دركسلر آن را با كتابي بنام \" موتورهاي خلقت\" دنبال كرد و توسعه مفهوم نانوتكنولوژي را همانند يك كوشش علمي ادامه داد. اولين نشانه هاي ثبت‌شده از اين مفهوم نانوتكنولوژي تغيير مكان دادن اشيا مولكولي، در سال 1989 بود، موقعي كه دانشمندي در مركز تحقيقات آلمادنIBM اتمهاي منفردگزنون را روي صفحه نيكل حركت داد، تا نام IBM را روي سطح نيكل نقش كند. 

o آيا نانوتكنولوژي خيالي‌تر از علم است؟ 

o از موقعي كه اولين مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتكنولوژي همانند چوبدست سحرآميزي براي ساخت كودكان طراح تا ماشينهاي توليد اكسيژن براي استعمار كره مريخ، تصور مي‌شد. هيجانات از واقعيات جلوتر بود، اما پيشرفت واقعي با مسائلي پيش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پيش محققين در دانشگاههاي كاليفرنيا، رايس وMIT موفق به ساخت نانوذراتي شدند، كه به دانشمندان كمك مي‌كردند. تعدادي از اساتيد اين دانشگاهها شركتهايي تأسيس كردند، كه وسايل موردنياز براي تحقيقات مقياس نانو را مي‌ساختند. اكنون آنها به شدت دنبال حفاظت كارهايشان از طريق ثبت اختراع هستند، تا زمينه توليد فرايندهايشان را فراهم كنند. كاربردهاي علمي نانوعلم هنوز كم است. اما مقداري از توليدات اوليه اكنون وارد بازار مي‌شوند. 

o كارهاي علمي انجام‌شده بوسيله نانوتكنولوژي چيست؟ 

o بيشترين كار علمي روي ايجاد تغييراتي در مواد شيميايي يا نقشه‌برداري از تركيبات زيستي، مانند DNA و سلولهاي سرطاني است. بعضي ازاولين محصولات تجاري، بهبود توليدات شيميايي كنوني يا روشهاي پزشكي است. 
منبع :www.sharghian.com

نقل از: http://www.hupaa.com/Data/P00546.php

بررسي ادبيات، چالش‌ها و کاربردهاي نانوفوتونيک با نگاه

نانوفوتونيک چيست ، چه مي‌کند و چه خواهد بود؟
با نگاهي گذرا به زيرساخت
براي روشن‌شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيك بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشكيل‌دهنده آن يعني فوتونيك و فناوري‌نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيك خواهيم داد.
اصولاً به علوم و فناوري‌هاي مربوط و به كار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) كه به برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماه مي‌پردازند فوتونيك گفته مي‌شود كه ليزر، اپتيك،‌تصويري‌سازي نوري و الكترونيك نوري از حوزه‌هاي اصلي آن هستند. 
اما فناوري‌نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيك چيست؟
دربارة تعاريف فناوري‌نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد كه به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده‌اي از آن ارائه كرد. 


شكل 1- ماهيت ميان رشته‌اي 
مثالي كه براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي‌شود اين است كه اگر از پنج صاحب‌نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري‌نانو ارائه خواهند كرد.
يكي از آنها به مواد و كاربردها، يكي به تجهيزاتي كه دستكاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولكولي را ممكن مي‌سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي كه به طور طبيعي به وجود مي‌آيند، اشاره خواهد كرد.
يك مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نكته كه فناوري‌نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد كرد تا اين كه چه چيزي هست. به طور مثال يك فناور به اين نكته اشاره مي‌كند كه فناوري‌نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولكولي اتفاق مي‌افتد اطلاق كرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يك متصدي بار در آمريكا كه براي توليد نوعي نوشيدني، مولكول‌هاي مخمر جو سياه را با مولكول‌هاي نوشيدني شيرين افسنطين تركيب مي‌كند، فناوري‌نانو اطلاق كنيم.
حال به سراغ تعريفي مي‌رويم كه كاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف‌مان در اين مقاله بيشتر كمك خواهد كرد:
به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس كه اولين مركز تحقيقاتي دانشگاه فناوري‌نانو در آمريكا را در سال 1993 تأسيس كرده است يك هم‌گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يك تعريف استاندارد شده وجود دارد كه مي‌توان آن را اين گونه بيان كرد: دستكاري ماده در سطح مولكولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي كاربردهاي معين. 
تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيك چقدر خواهد بود؟
به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه 2005 به وسيله Business Communications (Norwalk)، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيك از 421 ميليون دلار در سال 2004 به 3/9 ميليارد دلار در سال 2009 خواهد رسيد که كاربردهايي كليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديك متغير خواهد بود. 
حوزه‌هاي كاربردي نانوفوتونيك
يكي از گزارش‌هايي كه امسال توسط شركت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره مي‌كند كه كاربردهاي كوتاه مدت نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي (دريافت كننده‌هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشكي تا هوش كنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.
در حوزه فناوري‌هاي تواناساز سه فناوري كه رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري‌هاي نانوفوتونيك داشته‌اند نقاط كوانتومي، نانولوله‌هاي كربني و بلور‌هاي فوتونيكي بوده‌اند.
نقاط كوانتومي در حجم وسيعي براي كاربردهايي چون زيست پزشكي توليد مي‌شوند. همين طور نانولوله‌هاي كربني كاربردهاي جديدي در خودرو، پزشكي، نمايشگرها و محاسبات مي‌يابند. بلور‌هاي فوتونيكي نيز به جهان نانو هجوم آورده‌اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور‌هاي فوتونيك براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيك استفاده مي‌كنند (كه هم‌اكنون 200 تا 300 نانومتر هستند) كه هدف نهايي آنها به وجود آوردن ‌نانوفوتونيك با قابليت تطبيق‌پذيري با نيمه‌رساناهاي اكسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع‌هاي فوتونيكي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي 100 نانومتري و كوچكتر است.
شناسايي زيرساخت‌هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيك :
سؤالي كه پيش آمد اين است كه در صورتي كه كشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيك پرداخته و از كاربردهاي آن بهره‌مند گردد، كدام فناوري‌ها نقش حياتي‌تري را در اين راه ايفا خواهند كرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت كه البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد كه از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يك پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي‌توان از يك مدل ساده استفاده كرد. 
ابتدا بايد كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌هاي مربوط به هر كدام را شناسايي نمود و بررسي كرد كدام فناوري‌ها به اكثر كاربردهاي مادر مربوط مي‌شوند كه البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي‌تر براي كاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري‌هايي كه از اهميت كمتري برخوردارند و نمره بالائي كسب نكرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه‌هاي بدون اولويت نشود. 
همان طور كه ذكر كرديم كاربردهاي كوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيك به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل‌هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري‌هاي مربوط به اين 4 دسته ضريب 2 قائل خواهيم شد.
كاربردها فناوري‌هاي مرتبط
نمايشگرها نانولوله‌هاي كربني، نانوذرات
ديودهاي نورافشان نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي 
سلول‌هاي خورشيدي نانوسيم، فولرين‌هاي كربني، فناوري مواد آلي، نانوذرات 
حسگرها وعلامت‌گذارهاي سيال زيست شيميايي نانوذرات، نانوسيم، بلور‌هاي فوتونيكي، نانوسيالات، SPR (تشديد پلاسمون سطح ما فيبرهاي ميكروساختار، فوتونيك‌هاي سيليكوني 
ليزرهاي ديودي نقاط كوانتومي، بلور‌هاي فوتونيكي 
ارتباط دروني تراشه نانوذرات، بلور‌هاي فوتونيكي، فوتونيك‌هاي سيليكوني 
حسگرها و جفتگرهاي نوری نانوذرات، فوتونيك‌هاي سيليكوني 
ليتوگرافي با ابزار لیزر اپتيك‌هاي زير طول موج
فيبرهاي ويژه فيبرهاي ميكروساختار 

شكل 2- كاربردهاي اصلي نانوفوتونيك و فناوري‌‌هاي مرتبط
نمايشگرها 2× ديودها نورافشان2× 
سلول‌هاي خورشيدي
2×
حسگرها و علامت‌گذارهاي 
زيست شيميايی
2×
ليزرهاي ديودي ارتباط درون تراشه حسگرها و جفتگرهاي نوري ليتورافي با ابزار لیزر فيبرهاي ويژه
نانولوله‌هاي كربني  
نانوذرات       
بلورهاي فوتونيكي    
نانوسيم   
فولرين‌هاي كربني  
فناوري مواد آلي  
نانوسيالات  
SPR (تشديد پلاسمون سطح)  
فيبرهاي ميكروساختار  
فوتونيك‌هاي سيليكوني    
اپتيك‌هاي زير طول موج  
نقاط كوانتومي  

شكل 3- بررسي بر كاربردترين فناوري‌ها در نانوفوتونيك
نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها بدون اعمال ضريب:
نانوذرات= 5 بلور‌هاي فوتونيكي=4 فوتونيك‌هاي سيليكوني=3 نانوسيم= 2 فيبرهاي ميكروساختار= 2
فولرين‌هاي كربن= 1 فناوري مواد آلي= 1 نانوسيالات= 1 SPR= 1 نانولوله‌هاي كربني= 1
اپتيك‌هاي لیزر زیر طول موج= نقاط كوانتومي= 1 

اولويت‌هاي به دست آمده بدون اعمال ضريب:
1- نانوذرات
2- بلور‌هاي فوتونيكي 
3-فوتونيك‌هاي سيليكوني 
4- نانوسيم 
5- فيبرهاي ميكروساختار 

نمره محاسبه شده براي هر يك از فناوري‌ها با اعمال ضريب:
نانولوله‌هاي كربني=2 نانوذرات= 8
بلور‌هاي فوتونيكي=6 فناوري‌ مواد آلي=2
فولرين‌هاي كربني = 2 فوتونيك‌هاي سيليكوني=5
SPR= 2 نقاط كوانتومي=1
فيبرهاي ميكروساختار=3 نانوسيم=4
اپتيك‌هاي زير طول موج=1 نانوسيالات=2

اولويت‌هاي به دست آمده با اعمال ضريب:
1- نانوذرات 
2- بلور‌هاي فوتونيكي 
3-فوتونيك‌هاي سيليكوني 
4 - نانوسيم 
5- فيبرهاي ميكروساختار

همان گونه كه ملاحظه نموديد نتايج به دست آمده در هر دو روش يكسان مي‌باشد كه اين مسأله مي‌تواند به معناي تأكيد بر اولويت‌هاي به دست آمده باشد.
مراكز مهم تجاري نانوفوتونيك در جهان
مسأله بعدي يافتن راهكارهايي براي توسعه اين فناوري‌ها و در مرحله بعد تجاري‌سازي كالاهاي نانوفوتونيك است كه به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يكي از مؤثرترين اين راهكارها همكاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيك دنيا است.
در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراكز پيشرو تجارت نانو فوتونيك در جهان مي‌پردازيم،‌ ضمن اين كه مراكز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيك در مقاله‌اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد.
• در زمينه نانوذرات و نانوبلور‌ها شركت‌ها Evident technology در نيويورك آمريكا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شركت‌ها هستند.
• در زمينه استفاده از نانولوله‌ در نمايشگرها شركت DuPont در دلاوير آمريكا و Samsung در سئول كره جنوبي مهمترين مراكزند.
• شركت‌هاي Konarka در ماساچوست آمريكا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراكز تجاري درباره سلول‌هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شركت‌هايي كه درباره سيم‌ها و بلور‌هاي فوتونيكي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريكا و LittleOptics در مري لند آمريكا هستند.
آينده و چالش‌هاي نانوفوتونيك 
در طول سال‌ها، نانوفوتونيك از توسعه مواد در نيمه‌رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيك اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است كه بازۀ وسيعي از مفاهيم و كاربردها زير چتر نانوفوتونيك قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيك مولكولي باز كرده‌اند كه چشم‌انداز فوق‌العاده‌اي را به ما مي‌نماياند.
اگر چه هنوز اپتيك و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذكر كنيم كه در حالي كه فوتونيك بيشتر شامل تجهيزات سامانه‌ها و زيرسامانه‌ها‌ است، نانوفوتونيك بيشتر به كاربردهاي فناوري‌هاي اپتيكي موجودبراي ساخت، دستكاري و تصويربرداري از اشياء در قطع‌هاي نانوئي و مولكولي مي‌پردازد.
در حقيقت يكي از كاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري‌هاي نوري تعيين مشخصات است، كه در كاربرد فلوئورسانس و طيف‌نمائي نوري و تكنيك‌هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله‌اي و فرآيندهاي مولكولي شاخص‌ترين موارد هستند.
يشرفت‌هاي به دست آمده در تكنيك‌هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي‌باشد. 
محققان بيان مي‌كنند كه در تمام تحقيقات نانوئي از روش‌هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشكل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله‌ها، تفاوت‌هاي ساختاري فراوان آنها است كه چالش‌هايي ‌را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشكلي دست و پنجه نرم كنند.
حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري‌ها و تجهيزات نانوفوتونيكي حياتي است. حتي نانولوله‌هاي كربني نيز كه هم اكنون در حجم‌هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد كنندگان ساخته مي‌شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي‌برند كه اين مسأله تأثير مهمي بر كارآئي بسياري از كاربردهايش دارد.
محققان در آزمايشگاه‌هاي مختلف از روش‌هاي مختلف استفاده مي‌كنند و اين گونه است كه نتايج كار آنها مي‌تواند متفاوت باشد و توليد كنندگان نانولوله‌ها در كنترل تركيبات محصول دچار مشكلاتي اساسي مي‌شوند كه اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه‌هاي تجاري‌سازي را كند مي‌كند. با اين موضوع همچنين از بعضي از كاربردهاي بسيار ظريف كه مي‌توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي‌كند. بنابر اين تلاش‌هاي بسياري براي توليد نانولوله‌هاي كربني با كنترل و گزينش بيشتر صورت مي‌گيرد.
از سوي ديگري تلاش‌ها به سمت كنترل تغييرات خواص مواد متمركز شده است كه در حين ساختار يافتن اشياء به کمک نور رخ مي‌دهد.
ديگر محققان نيز در حل كار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند كه از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا،‌ زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش‌هايي بوده‌اند كه گروهي از محققان را واداشته است كه براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه‌هاي دريايي و نوعي از غبار كه فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي‌دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش‌هايي را صورت دهند.

كوانتوم و نسبيت دوست يا دشمن

10- مشكل بزرگ

هنگاميكه نور را با شرايط خاصي از دو شكاف عبور دهيم نقشي كه برجا مي‌گذرد مانند رفتاري است كه موج از خود نشان ميدهد(تداخل)حال اگر آزمايشي را با ذراتي چون الكترون انجام بدهيم و در اين آزمايش بخواهيم بدانيم كه يك الكترون از كدام شكاف مي‌گذرد(خصلت ذره اي ماده) به فرض كه قادر به ديدن الكترون و انجام اين آ‎زمايش باشيم.
اگر ذرات را با آهنگ كندي به طرف شكافها شليك كنيم با ظاهر شدن روي پرده مي‌توانيم بفهميم الكترون مورد نظر ما از كدام شكاف عبور كرده است در اين صورت ديگر نقش تداخلي(كه ويژه امواج است)درحالتي كه الكترونها رابدون محدوديت به طرف شكافها شليك مي‌كرديم ايجاد نمي‌شود در اين حالت ماتنها الكترون را ازجنبه ذره اي آن مورد بررسي قرار داديم و خصلت موجي آنرا نمي‌توانيم ببينيم.ولي درصورتيكه نقش تداخلي الكترونها را روي پرده مورد مطالعه قرار دهيم تنها خصلت موجي آنها را مشاهده كرده‌ايم و ديگر نمي‌توانيم بگوئيم كه الكترون شليك شده از كدام يك از دو شكاف عبور كرده زيرا تنها موج است كه مي‌تواند با گذشتن از دو شكاف و سپس با تركيب مجدد ايجاد تداخل نمايد. بنابراين ما تنها مي‌توانيم يا رفتار موجي تابش‌هاو ذرات را مشاهده كنيم يا رفتار ذره اي آنها را و قادر نيسيتم به هيچ عنوان اين دو جنبه تابش و ماده را بطورهمزمان اندازه گيري و يا مشاهد كنيم.اين محدوديت‌‌ها مربوط به چيست به ذات طبيعت يا ناتواني ذهن ما در خلق يك راه نو براي سنجش همزمان آنها؟

11-اصل عدم قطعيت  Uncertainty principle) ≥  h/2   Δx Δp)

 پلانك و اينشتين به اندازه كافي موجب سردرگمي دانشمندان شده بودنند دانشمنداني كه ساليان سال نور را در قالب يك موج مي‌ديدند و با اين موج هر كاري كه مي‌خواستند انجام ميدانند حال اگر اين موج از عهده حل معماي تابش جسم سياه و اثر فوتوالكتريك برنمي‌آيد نيايد اينها چيزهايي نبودند كه ستونهاي مستحكم ديدگاه موجي نور (تابش) را درهم بريزند ولي شايد دهه بيست قرن گذشته را بتوان زلزله بار ترين ساليان عمر فيزيك دانست در اين دهه بود كه مكانيك موجي و ماتريسي شرودينگر و هايزنبرگ شكل گرفت و طومار جبر نيوتني درهم نورديده شد اصل عدم قطعيت مانند شبحي خواب خوش دانشمنداني چون اينشتين و همكفرانش را آشفته ساخت و ابرهاي تيره كه بر زواياي پنهان ديناي زير اتمي سايه افكنده بود آرام آرام جاي خود را به روشناي آمار و احتمالات سپردنند هر چند كه اين مبحث جديد از انحرافات چشمگيري نسبت به اصول عقل سليم برخوردار بود ولي نتايج آن به طرز جالبي با واقعيت ها مطابقت داشت به طوري كه اينشتين با تمام مخالفت‌هاي بنيادي كه با اين رويكرد جديد علمي داشت  بارها به توانمندي عملي آن اقرار نمود.
گفتيم كه ماهيت دوگانه موجي- ذره‌اي هم براي تابش و هم براي ماده وجود دارد و ما نمي‌‌توانيم همزمان به كمك يك آزمايش هم ماهيت ذره‌اي وهم ماهيت موجي يك تابش ياذره ‌مادي رااندازه بگيريم گرچه به سادگي باصرفنظر كردن از يك خاصيت تابش يا ذره مادي مي‌توان خاصيت ديگر آن را به دقت سنجيد مثلا اگر بخواهيم بدانيم كه فوتون از كدام يك از دو شكاف موجود در آزمايش تداخل گذر نموده است(چشم پوشي از ماهيت ذره‌اي فوتون) مي‌توانيم بخوبي خاصيت موجي آن را مشاهده كنيم و اگر بدنبال فريزهاي تداخلي نباشيم(چشم پوشي از ماهيت موجي فوتون)  مي‌توانيم تشخيص دهيم فوتون مورد نظر ما از كدام يك از شكاف ها گذشته است (خصلت ذره‌اي) 
 
 اين موضوع يعني دوگانگي موجي –ذره‌اي ((Wave-particle duality تابش هاي الكترومغناطيس و ماده موجب شده است تا با تدبيرزيركانه هايزنبرگ اصل عدم قطعيت برمبناي آن شكل بگيريد و باب جديدي را بردنياي زير اتمي را بگشايد.

سال 1926 سال تعيين كننده براي مكانيك كوانتومي بود اروين شرودينگر با طرح مكانيك موجي خود و ورنرهايزنبرگ با ارائه مكانيك ماتريسي سنگ بناي اين علم نوين را بنا نهادنند، شرودينگر با تدوين مكانيك موجي توانست تابع موج يك ذره مانند الكترون را به كمك معادله خود مشخص كند اين تابع موج تا حدود زيادي از اصل موجبيت يا جبر نيوتوني پيروي مي‌كرد.ماباحل معادله شرودينگر( Schrödinger equation) مي‌توانستيم با تعيين نيروي وارد برذره (الكترون) تابع موج آن ذره را كه رفتار آينده آن رامشخص مي‌كند بدست بياوريم اين تقريبا شبيه آن چيزي است كه فيزيك كلاسيك براي پيش بيني رفتار يك ذره يا موج به كمك قوانين نيوتن يا معادلات ماكسول با دانستن وضعيت كنونيش به دست مي‌آورد بود. معادله شرودينگر كه براي تعيين رفتار موجي ذره درنظر گرفته شد معجوني از فيزيك كلاسيك ونظريه‌هاي جديد (كه صحت آنها به كمك آزمايش تاييد گرديد) بود در اين معادله اصل پايستگي انرژي ماهيت دوگانه‌ ذره‌اي - موجي ماده بر اساس فرض دوبروي اصل برهم نهي امواج نظير امواج صوتي و الكترومغناطيس رعايت شده است اين معادله مستقل از زمان و يك بعدي است مجذور  تابع موج به ما كمك مي‌كند تا بتوانيم موقعيت يك ذره مانند الكترون را با احتمال بسيار زياد در محل معيني از فضا تعيين كنيم.كاري كه شرودينگر انجام داد شبيه كاري بود كه نيوتون و ماكسول انجام دادند و آن قراردادن وقايع مشاهده شده در يك چارچوب رياضياتي بود نيوتون و ماكسول تنها براي مسائلي كه مشاهده مي‌شدند قانون وضع نمودنند و اين قوانين به خوبي كار خود را انجام ميدادند شرودينگر نيز با استفاده از مفاهيم جديد و تازه كشف شده و با تركيب آنها با يافته‌هاي پيشين توانست يك قالب به صورتيكه ناقص اصل عليت نباشد براي آنها تدوين نمايد ولي اين هايزنبرگ بود كه به كلي بنيان اين اصل را درهم ريخت و رابطه علت و معلولي را كه پيش از اين براي رويدادهاي فيزيكي تدوين شده بود به عدم قطعيت و ترديد مبدل نمود. اصل عدم قطعيت يكي از جنجالي ترين اصول مكانيك كوانتومي است اين اصل بيان ميدارد تعين دقيق مكان و تكانه (اندازه حركت) يك ذره به طور همزمان غير ممكن است و حاصل ضرب اين عدم قطعيت‌ها در مكان و اندازه حركت ذره همواره كمتر يا مساوي 1.05*10-34 ژول ثانيه است. كوچكي اين مقدار به ما مي‌گويد كه بايد در ذرات زير اتمي بدنبال عدم قطعيت باشيم نه در ذرات ماكروسكوپي و بزرگ گرچه آنان نيز از اصل عدم قطعيت پيروي مي‌كنند ولي مقدار آن در مقابل اندازه جسم چنان ناچيز است كه قابل صرفنظر كردن مي‌باشد مثلا يك توپ بيس بال به جرم 145 گرم كه با سرعت 5/42 متر برثانيه حركت مي‌كند در صورتي كه بتوان سرعت آن را با دقت يك درصد اندازه گرفت تكانه آن از عدم قطعيتي معادل 6.16*10-2 كيلوگرم در متر برثانيه و بدنبال آن مكان نيز از عدم قطعيت مكان 1.7*10-33 متر(چيزي در حدودهزار ميليارد ميليارد ميليارديم يك ميليمتر) برخوردار خواهد بود كه نسبت به اندازه توپ بيس بال بسيار بسيار ناچيز مي‌باشد. ولي در مورد فوتون و ذرات بنيادي و زير اتمي ديگر جايز نيست كه ما از عدم قطعيت‌ها در مكان و تكانه چشم پوشي كنيم چرا كه مقدار عدم قطعيت ها درمقابل اندازه ذره چشمگير و قابل توجه مي‌باشد.اگر در آزمايش پراش، قطر روزنه كه فوتون از آن مي‌‌گذرد را بعنوان عدم قطعيت درمكان ذره وپهناي نقش پراش كه روي پرده ايجاد مي شود را به عنوان عدم قطعيت در تكانه و اندازه حركت فوتون بدانيم در صورتي كه بخواهيم  عدم قطعيت در مكان ذره  را كاهش دهيم تا با اطمينان بيشتري از مكان فوتون آگاهي يابيم بايد قطر روزنه راكم وكمتر كنيم ، در اينجا ما اگر بتوانيم ذرات را مشاهده كنيم با برخورد آنها به پرده مي‌توانستيم اندازه حركت آنها را نيز بدست بياوريم ولي همين كوچك كردن قطر روزنه يا شكاف موجب مي‌شود پهناي نقش پراش كه بيانگر جنبه موجي نور است افزايش يابد ، ظهور اين ماهيت از ماده ما را در تعيين اندازه حركت ذر ه با يك عدم قطعيتي گريز ناپذير روبرو مي‌كند كه براي برطرف كردن آن بايد از پهناي نقش پراش بكاهيم براي اينكار بايد قطر روزنه يا شكاف را افزايش دهيم همين افزايش قطر شكاف موجب ايجاد عدم قطعيت در مكان ذره مورد نظر (فوتون) خواهد شد با يك آزمايش فكري بهتر مي‌توان به اصل عدم قطعيت پي برد.
 فرض كنيد مي‌خواهيم سرعت حركت يك الكترون و جاي آن را در يك لحظه معين در اطراف هسته حساب كنيم براي اين كار بايد قادر به ديدن الكترون باشيم اگر دستگاهي بتواند قدرت ديد ما ر ا تا حد ديدن يك الكترون بالا ببرد در اين صورت براي تشخيص دقيق مكان الكترون بايد پرتو نوري را با طول موج كوتاهتر به آن بتابانيم و چون برخورد اين پرتو به الكترون باعث انتقال انرژي به آن مي‌‌شود اين انرژي منتقل شده سرعت حركت الكترون را افزايش مي‌دهد و ما براي تعيين سرعت الكترون و بدنبال آن براي تعين تكانه آن با يك عدم قطعيتي مواجه مي‌شويم براي اينكه اين عدم قطعيت را به حداقل كاهش دهيم بايد پرتوي نوري كه براي تشخيص مكان الكترون بكار مي‌بريم از انرژي كمتري (طول موج بيشتري) برخوردار باشد.
 اين كاهش انرژي پرتو نور سبب ايجاد يك عدم قطعيتي در تعيين مكان الكترون مي‌شود كه با كاهش انرژي پرتو نور اين عدم قطعيت در مكان الكترون افزايش مي‌يابد( هرچه طول موج نور تابيده شده به يك جسم كوتاهتر باشد جزئيات آن جسم بهتر مشخص مي‌‌شود.) وما قادر نخواهيم بود با دقت مورد علاقه‌مان جاي الكترون را در يك محدوده معين از فضاي اطراف هسته معين سازيم. اصل عدم قطعيت نه تنها تعيين همزمان مكان و تكانه ذره را با دقت نامحدود غيرممكن مي‌سازد بلكه تعيين همزمان انرژي و مختصه زمان ذره را نيز با دقت نامحدود محال مي‌داند.همان گونه كه در مكان و اندازه حركت يك ذره مانند الكترون عدم قطعيتي گريز ناپذير وجود دارد در انرژي يك ترازتشديد نيز عدم قطعيت وجود دارد اين بدان معناست كه اگر دستگاه مورد نظر در زمان كمتري در يك تراز تشديد بماند محاسبه انرژي آن تراز از دقت كمتري برخوردار خواهد بود اگر بخواهيم عدم قطعيت در انرژي را كاهش دهيم بايد اتم مدت بيشتري در آن تراز تشديدبماند كه در آن صورت عدم قطعيت در اندازه گيري زمان افزايش مي يابدبنابراين اصل عدم قطعيت دقت در اندازه گيري  انرژي را نيز محدود مي سازد.

11-1-  طبيعت و عدم قطعيت

در سال 1935 ميلادي يوكاوا دانشمند ژاپني براي توجيه پايداري هسته و به منظور نشان دادن بر هم كنش بين نوكلئون ها ي آن نيرويي پيشنهاد نمود كه از بردي در حدود يك فمتومتر(10^-15 متر) برخوردار بود و جرم ذرات ميدان كه نقش انتقال اين نيرو رابر عهده دارند را 200مگا الكترون ولت تخمين زد ذرات پيشنهادي يوكاوا مزون (متوسط) ناميده شدند چرا كه جرم ذره فرضي او حد واسط بين جرم ذرات شناخته شده سبك (الكترون ) و نوكلئون هاي سنگين بود در سال1947 ميلادي يعني دوازده سال بعد يك فيزيكدان انگليسي به نام سسيل پاول با مطالعه پرتو هاي كيهاني اين مزون را كه به پيون معروف است كشف نمود. برد اين ذره را مي توان به طرز جالبي با استفاده از اصل عدم قطعيت در انرژي بدست آورد بر اساس اصل عدم قطعيت ، يك ذره مجازي تا زماني كه t بزرگتر از آنچه كه اين اصل مجاز مي شمارد نباشد مي تواند بوجود آيد و براي مدت زمان t دوام داشته باشد انطباق جالب برد ذره مزون P بدست آمده از محاسبات يوكاوا با نتايج حاصل از رابطه عدم قطيعت در انرژي گواهي بر تاييد تجربي اين اصل مي‌باشد.

12-پيامدهاي فيزيك كوانتومي

هر نظريه جديد خواه ناخواه با خود يكسري نگرشهاي جديد نسبت به عالم به ارمغان مياورد چنانچه نسبيت جهان كوچك ما ر ا وسعت بخشيد وافق محدود عالم ما را تا ميلياردها سال نوري گسترش داد سكون را از عالم ما گرفت و براي خلقت آن، نقطه آغاز متصور گرديد زمان مطلق را كه ا ز ازل تايم شده بود و قرار بود تا ابد تيك تاك كند را درهم شكست و سرعت‌ها را كه فيزيك كلاسيك رها كرده بود سامان داد و درچارچوب سرعت نور مهار كرد فيزيك كوانتومي نيز با خود همانند نظريه نسبيت ديدگاههاي جديدي نسبت به عالم نه با مقياس نسبيت بلكه در مقياس بسيار كوچكتر (اتمي و زير اتمي) ارائه نمود .ما كه از دنياي كلان با فيزيك كلاسيك و نسبيت آگاهي رضايت بخشي كسب نموديم تا قبل از پيدايش مكانيك كوانتومي تنها الكترون و هسته را مي‌شناختيم آن هم در حد يك شناخت سطحي ويكسري روابط دست وپا شكسته كه اوج آنها روابطي بود كه بوهر فيزيكدان دانماركي با زيركي از تلفيق فيزيك كلاسيك با اصول موضوعه خود به آنها دست يافت گرچه اين روابط طيف حاصل از اتم هيدروژن را به خوبي توجيه مي‌كرد ولي عملا براي ساير اتم‌هاي سنگين‌تر ناكارآمد وبي‌استفاده بود.فيزيك كوانتومي با پيدايش خود سه بمب اتم بر سرعالم فرو ريخت دوتاي آنهادر ژاپن و سومي بر تفكر فلسفي فيزيكدانان .براي فيزيكداناني كه صدها سال با جبر نيوتني يا اصل عليت خوگرفته بودند و وقوع هر معلولي را به يك علت خاص ربط مي‌دانند بسيار بغرنج بود كه دست از اين تفكر بردارند چرا كه اين تفكر بخوبي با وقايع دنيايي قابل مشاهده منطق بود.گردش زمين تنها معمول نيروي گرانشي است كه خورشيد برآن وارد مي‌كند، انحراف نور ستارگان دور دست از يك مسير مستقيم، تنها معلول انحناي فضا – زمان است. پديده تداخل معلول رفتار موجي نور مي‌باشد و دامنه اين تفكر جبري به جائي رسيد كه لاپلاس رياضيدان فرانسوي بيان نمود كه حالت جهان معلول گذشته آن و علت آ‌ينده آن است. اين تفكر به ما مي‌گويد كه با آگاهي از موقعيت كنوني زمين و خورشيد نسبت بهم و سرعت چرخش زمين بدور خورشيد مي‌توان كسوف‌هاي آينده را دقيقا مشخص نمود حركت سيارات وحتي ستارگان دنباله دار را با دقت فوق العاده تعيين كرد. بنابراين همه چيز از جبر نيوتني يا اصل موجبيت يا عليت پيروي مي كرد ولي به يكباره پيدايش فيزيك كوانتومي با اصل عدم قطعيتش همه چيز را بهم ريخت وسايه ترديد و احتمال را بر دنياي زير اتمي مسلط ساخت.غير قابل پيش بيني بودن برخي از وقايع – تاثير روش هاي اندازه‌گيري بر روي سيستمهاي مورد آزمايش- ناتواني مطلق دراندازه گيري همزمان متغيرها‌ي مكمل(چون تكانه و مكان ذرات يا خاصيت موجي و ذره‌اي فوتون) از جمله پيامدهاي فيزيك كوانتومي بود. اين فيزيك جديد به ما مي‌‌گويد نمي‌توان با قطعيت مسير يك ذره‌اي را بادانستن تمامي حالات كنونيش پيش‌بيني كرد، ما هرگز نمي‌توانيم بفهميم در پديده تداخل الكترون مورد نظر ما از كدام يك از دو شكاف دستگاه عبور كرده است.فيزيك كوانتومي همانند فيزيك كلاسيك و نسبيت اين اجازه را به ما نمي‌دهد كه با دانستن حالت كنوني يك سيستم با قطعيت از آينده آن صحبت كنيم.همه جا صحبت ازميانگين‌ها و احتمال هاست و همين موضوع بود كه اينشتين را وادار به بيان اين جمله كرد : خدا هرگز تاس نمي‌اندازد ولي آيا طبيعت به راستي فرمانبردار مطلق خداست؟. آيا يك اتم اورانيوم هنگامي متلاشي مي‌شود كه از خدا فرمان بگيرد؟ و يا يك فوتون هنگام رسيدن به سر دو راهي شكاف‌ها منتظر فرمان خدا مي‌ايستد كه از كدام يك از شكاف‌ها بگذرد و بهمين خاطر ما قادر به تعيين محل آن نيستيم؟ يا اينكه طبيعت بعد از ساخته شدن توسط خدا رها شده است كه ذرات آن هر گونه كه دلشان بخواهند رفتار كنند اين تفكر كه نمي‌توان با قطعيت از رفتار آينده يك سيستم صحبت كرد و اين اندازه‌گيري‌ها است كه به پديده‌ها رنگ واقعيت مي‌بخشد به تفكر كپنها گي(  ( Copenhagen interpretation معروف است كه بوهر سردمدار آن بود.اين تعبير از جهان اطراف ما به ما مي‌گويد كه تصور مكان و تكانه مشخص براي يك ذره همانند الكترون تا موقعيكه اندازه‌گيري نشده‌اند بي معناست در اين اندازه گيري شي و دستگاه اندازهگيري توامان نتايج حاصل از اندازه‌‌گيري را مشخص مي‌كنند. ولي آيا مي‌توان پذيرفت كه فرآيند اندازه‌گيري مي‌تواند روي جهان تاثير بگذارد آيا شليك يك گلوله تا موقعي كه گوشي صداي آن را نشنيده است(به عنوان دستگاه اندازه گيري) داراي صدا است آيا يك الكترون داراي بارالكتريكي است يا اينكه اين دستگاه اندازه‌گيري است كه براي الكترون باري مشخص در نظر مي‌گيرد. كوانتوم فرآيند اندازه گيري را مختل كننده و تاثيرگذار فرض مي‌كند تا جائيكه بوهر باني تفكر كپنهاگي بيان مي‌دارد كه خواصي مانند ماهيت موجي يا ذره‌اي يك فوتون يا الكترون يا بار الكتريكي ، تكانه ، محل و سرعت يك ذره، تا هنگامي كه اندازه‌گيري نشده‌اند وجود ندارد يا غير واقعي هستند به عبارت كلي تر يك سيستم كوانتومي فاقد خواص است .اينشتين  به واقعيت عيني معتقد بود،  اينكه جهان فيزيكي مستقل از هر نوع فرآيند اندازه‌گيري است، و به اين موضوع ايمان راسخ داشت. به عبارتي او تاثير گذاري فرآيند اندازه گيري را بر پديده‌هاي فيزيكي مردود مي‌دانست و معتقد بود كه ذرات زير اتمي داراي وجودي مستقل از اندازه‌گيري هستند براستي آيا فيزيك كوانتوم آن گونه كه اينشتين اعتقاد داشت ناقص است؟ ولي نتايج تمام آزمايشات به خوبي با محاسبات فيزيك كوانتومي مطابقت دارند گرچه فيزيك كوانتومي از پيش بيني رفتار يك فوتون يا يك هسته اتم راديواكتيو به تنهايي عاجز است ولي به خوبي رفتار گروهي اين ذرات را پيش بيني مي‌كند. فيزيك كوانتومي نه تنها قادر به توصيف رفتار ذرات زير اتمي است بلكه با تعميم آن مي‌‌توان رفتار اجرام ماكروسكوپي همانند يك توپ تنيس يا يك جسم قابل مشاهده ديگر را تعيين نمود و همين عامل موجب شده است تا فيزيكي كوانتومي را يك نظريه بنيادي كه رفتار جهان را توصيف مي كند در نظر بگيريم همانند فيزيك كلاسيك و نسبيت.  
پيامدهاي فلسفي اين علم جديد را مي‌توان به گردن بوهر انداخت. بوهر به جاي تكميل و رفع نواقص آن كه از ديد اينشتين و حاميان او( EPR paradox )مطرح مي‌گرديد با قاطعيت شروع به دفاع فلسفي از اين ايده جديد نمود او پديده تكميل يا اصل مكمليت( Principle of Complementarity) را كه مبتني بر اصل عدم قطعيت‌هايزنبرگ بود را براي تاثير اندازه گيري بر سيستم كوانتومي مطرح كرد. بر اساس اين اصل، اندازه گيري خاصيتي از يك سيستم است و درهنگام اندازه گيري يك خاصيت از يك سيستم اطلاعات مادر مورد ساير خاص آن سيستم از بين مي‌رود مثلا اگر بنا باشد خاصيت موجي نور را اندازه گيري كنيم اطلاعات ما در مورد خاصيت ذره اي آن به كلي از ميان مي رود. همچنين در تعبير كپنهاگي واقعيت تا هنگامي كه اندازه‌گيري نشود وجود ندارد بر همين اساس تصور بار و تكانه و… براي يك الكترون تا هنگاميكه اين كميت‌ها اندازه‌گيري نشوند بي‌معنا خواهد بود در سال گذشته يك جوان ايراني بنام پرفسور شهريار صديق افشار با انجام آزمايشي بربخشي از اصل مكمليت بوهر خط بطلان كشيد و سلطۀ هشتاد سالۀ آ‎ن بر فيزيك كوانتومي را در معرض تزلزل و تباهي قرار داد.
 

13-‎آزمايش افشار (  Afshar experiment)

بور در طول شكل گيري فيزيك كوانتومي بي مهابا از آن جانبداري مي‌كرد هر جا به بن بست مي‌رسيد يا توسط منتقدان فيزيك كوانتمي به چالش كشيده مي شد با بنا نهادن يك اصل فلسفي از ايده كوانتومي دفاع ميكرد. وقتي سال 1935 اروين شرودينگر آزمايش گربه را پيش كشيد( اين آزمايش فكري به آزمايش گربه شرودينگر(Schrödinger's cat ) نيز معروف است) و در آن مسئله تاثير اندازه‌گيري بر يك سيستم و اينكه چگونه صرف مشاهده مي‌تواند زندگي يا مرگ گربه را رقم بزند، تناقض موضوع فرآ‎يند اندازه‌گيري در فيزيك كوانتومي را با درك عمومي بر ملا ساخت ولي اين ادعا كه اندازه‌گيري بر روي يك سيستم كوانتومي تاثيرگذر است جزء لاينفك فيزيك كوانتومي است كه تاكنون هيچ آزمايشي آنرا نقض ننموده است ولي اين موضوع كه اندازه‌گيري خاصيتي از يك سيستم اطلاعات ما را در مورد ساير خواص آن سيستم از بين مي‌برد.در ژوئيه 2004 با اعلام نتيجه آزمايشي كه پروفسور افشار از دانشگاه روان انجام داد به چالش كشيده شد ايده ناتواني در اندازه‌گيري همزمان متغيرهاي مكمل كه از اصل مكمليت بوهر استنتاج مي‌شود به طرز جالبي توسط آزمايش افشار رد شده است.افشار طي انجام يك آزمايش به طور عملي موفق شد كه همزمان ماهيت موجي و ذره‌اي نور را مورد اندازه‌گيري و مشاهده قرار دهد. نتيجه اين آزمايش به طور آشكارا با اصل مكمليت در تناقض است بنابراين هواداران تعبير كپنهاگي يا بايد نتيجه اين آزمايش را در قالب اصل مكمليت توجيه نمايند يا دست از حمايت از اين اصل بردارند ولي آنگونه كه مشخص است شق دوم محتمل تر به نظر مي‌آيد بر همين اساس تاريخ بارديگر درحال تكرارشدن است و نيمه اول قرن بيست ويكم همانند نيمه اول قرن بيستم شاهد جدل‌هاي تازه‌اي بين هواداران تعبير كپنهاگي و هواداران واقعيت عيني (اينشتين نيز به واقعيت عيني معتقد بود و عقيده داشت كه واقعيت‌ها مستقل از اندازه‌گيري هستند) خواهد بود.

 14-آيا مكانيك كوانتومي يك نظريه كامل است؟

مكانيك كوانتومي به خوبي ما را در درك هرچه بهتر از ساختار وخواص اتمها ، مولكولها ، جامدات و رفتار ذرات زير اتمي ياري داده است و هداياي گرانقدري نيز به ما اعطا نمود ترانزيستور-ليزر-تلويزيون-كامپيوتر – ميكروسكوپ الكتروني – انرژي هسته‌اي و… همه و همه نتايج فيزيك كوانتومي است فيزيكي كه بر پايه عدم قطعيت، احتمال ، ميانگين و آمار بناشده است. نظريه كوانتومي كه توسط پلانك و اينشتين ساخته و پرداخته گرديد باسايه انداختن ديدگاه احتمال و عدم قطعيت برآن موجب نارضايتي و دلسردي اينشتين شد وراهش را از سايرين جدا كرد چراكه طرز فكري كه نسبيت‌‌ها از آن تراوش كرده بودنند اين اجازه را به اينشتين نمي‌داد كه جهان عيني و علّي را رها كند و درسايه ترديد و تزلزل در پي كشف حقايق عالم برآيد ولي شايد اينشتين درست انديشيده بود و اين بوهر وهمفكران او بودند كه در بكارگيري و تعميم اصل عدم قطعيت راه را به بيراهه رفتند. همان طور كه براي توجيه پديدهاي عالم ماكروسكوپي فيزيك كلاسيك به تنهايي ناقص و نارسا است شايد براي بررسي تمام جوانب عالم زير اتمي فيزيك كوانتومي نيز به تنهايي كافي نباشد و آنجا كه فيزيك كوانتومي دراندازه گيري همزمان تكانه و مكان ذره به بن بست مي‌رسد شايد براي رهايي از اين بن بست نمي‌بايست از اصل عدم قطعيت استفاده مي‌كرديم بلكه بايد مكانيك كوانتومي را كامل يا اصلاح مي‌نموديم يا با خلق روشهاي نوين در رفع اين معضل برمي‌آمديم وبدين گونه با تدوين نظريه‌اي جديد از اتهام طبيعت به سردرگمي و دو شخصيتي (يك شخصيت علّي در توجيه وقوع رويدادهاي ماكروسكوپي و ديگري شخصيت غير قابل پيش‌‌بيني و غير قطعي در رويدادهاي زير اتمي ) پرهيز مي‌كرديم.
ولي در حال حاضر فيزيك كوانتومي با سرعتي متحير كننده مسير ترقي و شكوفايي خود را مي‌پيمايد بي‌آنكه درجاده هموار خود با مشكل مواجه شود. و تا موقعي كه مشكلي ايجاد نشود( همانند مشكلات موجود در فيزيك كلاسيك كه زمينه را براي تولد نظريه‌هاي نسبيت و كوانتوم فراهم نمود) دانشمندان نيازي به خلق نظريه‌ائي جديد يا ايجاد تغييري درآن نمي‌بينند.

 15- نگاهي به آينده

نسبيت و كوانتوم به خوبي نشان ميدهند كه اگر بخواهيم از اسرار دروني عالم آگاه شويم چه در ريزترين اجزاء آن و چه در بزرگترين اجسام آن(كهكشانها) بايد دالان هاي پيچ در پيچ زيادي را طي كنيم، نسبيت عام ، اصول و معادلات فيزيك كوانتومي بردشواري اين مسير دلالت دارند ولي چيزي كه مسلم است اين است كه هرچه به عمق اين اسرار نفوذ مي‌‌‌كنيم عدم قرابت و همخواني آنها با عقل سليم بيشتر مي‌شود و شايد از تركيب همين تضادهاست كه واقعيت‌هاي قابل مشاهده شكل مي‌گيرند و طبيعت در ظاهر (فيزيك كلاسيك) چنين ساده‌ وبي آلايش به نظر مي‌رسد.
 شايد اين گونه نيز نباشد و ما لقمه را دور سر خود پيچانده‌ايم اگر روزي انسان موفق به خلق يك نظريه‌اي شود كه همه چيز را از اتم تا انحناي فضا- زمان تا خلقت عالم و حركت با سرعت‌هاي فوق العاده و…را توضيح دهد آن هنگام خواهد بود( كه ما مي‌توانيم در مورد رفتار طبيعت قضاوت كنيم و او را به سادگي يا پيچيدگي متهم سازيم.ناتواني نسبيت در تراكم هاي  فوق العاده زياد ماده و انرژي (لحظه‌ آغاز خلقت كائنات و سياهچاله‌ها) عدم توانايي فيزيك كوانتوم در پيش بيني رفتار يك ذره در مقياس زير اتمي به تنهايي و عدم آگاهي از ماهيت برخي از ذرات زير اتمي (مانند نوترينو) ناتواني نظريه‌‌هاي فعلي در آشكار ساختن وقايع ورويدادهاي نخستين خلقت و بي اطلاعي از ماهيت برخي از پديده‌هاي موجود در عالم همانند ماده تاريك و انرژي تاريك و برخي ديگر از معماهاي كنوني همه وهمه به طور آشكار ناقص بودن نظريه‌هاي امروزي را نشان ميدهند.گرچه نسبيت خاص و عام و فيزيك كوانتومي و كلاسيك مشكلات عديده‌اي از پيش‌پاي بشر برداشته‌اند و هركدام مانند يك چراغ مسير تاريك حركت بشر را روشن نمودنند و رسيدن او را به جايگاه امروزي موجب شدند ولي براي گذر از مسير پر رمز و راز و صعب العبور امروزين ما نياز به يك نورافكن داريم نور افكني كه تمام زواياي پنهان طبيعت را روشن سازد و از ريزترين جزء طبيعت تا بزرگترين آنها را پوشش دهد ، دور نيست كه اين خواسته بشر با اتكا به اراده وهوشي كه در او نسبت به ساير جانوارن وجود دارد عملي گردد.

16 -  منابع

منابع داخلي – سيرتكاملي ساختمان اتم- فيزيك پايه جلد 4 – فيزيك كوانتومي – فراسوي اينشتين - فيزيك كوانتومي خيال يا واقعيت- فيزيك هسته اي - … 
The mathematical foundations of quantum mechanics-A history of quantum mechanics
Albert Einstein. Relativity: The Special and General Theory
Afshar experiment

منبع : Parssky.com

پديده نابودي زوج

يكي از نتايج اصل هم ارزي جرم و انرژي اين است كه اين دو مي‌توانند به يكديگر تبديل شوند. مشاهده تجربي اين مسئله در فرايندهاي مختلف مانند اثر فوتوالكتريك ، اثر كامپتون ، پديده توليد زوج و … انجام شده است. در پديده توليد زوج تابش الكترومغناطيسي در مجاورت يك هسته سنگين به دو ذره الكترون و پوزيترون واپاشيده مي‌شود، اما پوزيترون نمي‌تواند طول عمر زيادي داشته باشد، چون فضا پر از الكترون است، لذا پوزيترون بعد از مدت كوتاهي از توليد شدن با يك الكترون تركيب شده و از بين مي‌رود و به جاي آن فوتون يا تابش الكترومغناطيسي ايجاد مي‌شود كه به اين پديده نابودي زوج ميگويند. 

شرايط اوليه نابودي زوج 

نابودي زوجهاي ذره و پادذره و همراه با آن آفرينش فوتونها ، عمل عكس توليد زوج است. نابودي ماده و آفرينش انرژي الكترومغناطيسي را براي حالتي در نظر مي‌گيريم كه الكترون و پوزيترون نزديك به هم و اساسا ساكن باشند. در آغاز اندازه حركت خطي كل اين دو ذره صفر است، بنابراين وقتي اين دو ذره به هم مي‌پيوندند و نابود مي‌شوند، يك تك فوتون نمي‌تواند آفريده شود، زيرا اين عمل باعث نقض قانون بقاي اندازه حركت خطي مي‌شود، ولي اگر دو فوتون آفريده شوند كه با اندازه حركتهاي مساوي و در جهتهاي مخالف حركت كنند، اندازه حركت خطي مي‌تواند پايسته بماند. 

چنين زوج فوتونهايي داراي فركانسها و انرژيهاي يكسان هستند. در واقع مي‌توان گفت كه سه يا چند فوتون مي‌توانند آفريده شوند، ولي با احتمال به مراتب كمتر از آفرينش دو فوتون. همين طور ، وقتي چندين زوج الكترون و پوزيترون در نزديكي يك هسته سنگين نابود مي‌شوند، تعداد كمي ‌از اين نابوديها يك تك فوتون توليد خواهند كرد. 

سرنوشت نهايي پوزيترون 

سرنوشت نهايي پوزيترونها بعد از توليد در پديده توليد زوج ، نابودي است. وقتي كه يك پوزيترون با انرژي بالا ظاهر مي‌شود، هنگام عبور از ماده ، در اثر برخوردها ، انرژي جنبشي خود را از دست مي‌دهد و سرانجام با سرعت پايين حركت مي‌كند. آنگاه اين پوزيترون با يك الكترون تركيب مي‌شود و تشكيل يك دستگاه مقيد به نام پوزيترونيوم مي‌دهد كه خيلي سريع (در مدت 10- ^ 10 ثانيه) به دو فوتون با انرژي مساوي واپاشيده مي‌شود. 

از اين رو ، مرگ يك پوزيترون با ظهور دو كوانتوم نابودي يا دو فوتون ، كه انرژي هريك 0،51 ميليون الكترون ولت است، خبر داده مي‌شود. قابليت فنا شدن پوزيترونها به دليل ناپايداري ذاتي نيست، بلكه به خاطر احتمال زياد برخورد آنها و نابوديهاي بعدي با الكترونهاست. 

جهان فرضي 

در جهاني كه ما در آن زندگي مي‌كنيم، كثرت تعداد الكترون ، پروتون و نوترون (در حالت كلي ذره) برقرار است، بنابراين زماني كه پادذره‌هاي اين ذرات خلق مي‌شوند، بلافاصله طي فرايندهايي نابود مي‌شوند، اما مي‌توان فرض كرد كه بخشي از جهان وجود دارد كه در آن تعداد پوزيترون ، پادپروتون ، پادنوترون (در حالت كلي پادذره) زياد است. هرچند اين امر در حال حاضر فقط در حد يك حدس و گمان است.

منبع : دانشنامه رشد