نانوتکنولوژي توليد کارآمد مواد و دستگاهها و سيستمها با کنترل ماده در مقياس طولي نانومتر و بهره برداري از خواص و پديده‌هاي نو ظهوري است که در مقياس نانو توسعه يافته‌اند.
يک نانومتر چقدر است؟
يک نانومتر يک ميلياردم متر (10-9 m) است. اين مقدار حدودا چهار برابر قطر يک اتم است. مکعبي با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترين آي سيهاي امروزي با ابعادي در حدود 250 نانومتر در هر لايه به ارتفاع يک اتم ، حدود يک ميليون اتم را در بردارند. در مقايسه يک جسم نانومتري با اندازه‌اي حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر يک موي انسان است.
امکان مهندسي در مقياس مولکولي براي اولين بار توسط ريچارد فاينمن (R.Feynnman) ، برنده جايزه نوبل فيزيک مطرح شد. فاينمن طي يک سخنراني در انستيتو تکنولوژي کاليفرنيا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مباني فيزيک امکان ساخت اتم به اتم چيزها را رد نمي‌کند. وي اظهار داشت که ميتوان با استفاده از ماشينهاي کوچک ماشينهايي به مراتب کوچکتر ساخت و سپس اين کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.
همين عبارتهاي افسانه وار فاينمن راهگشاي يکي از جذابترين زمينه‌هاي نانو تکنولوژي يعني ساخت روباتهايي در مقياس نانو شد. در واقع تصور در اختيار داشتن لشکري از نانو ماشينهايي در ابعاد ميکروب که هر کدام تحت فرمان يک پردازنده مرکزي هستند، هر دانشمندي را به وجد مي‌آورد. در روياي دانشمنداني مثل جي استورس هال (J.Storrs Hall) و اريک درکسلر (E.Drexler) اين روباتها يا ماشينهاي مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزي به هر شکل دلخواهي در مي‌آيند. شايد در آينده‌اي نه چندان دور بتوانيد به کمک اجراي برنامه اي در کامپيوتر ، تخت خوابتان را تبديل به اتومبيل کنيد و با آن به محل کارتان برويد.
چرا اين مقياس طول اينقدر مهم است؟
خواص موجي شکل (مکانيک کوانتومي) الکترونهاي داخل ماده و اثر متقابل اتمها با يکديگر از جابجايي مواد در مقياس نانومتر اثر مي‌پذيرند. با توليد ساختارهايي در مقياس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتي مواد ازجمله دماي ذوب ، خواص مغناطيسي ، ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در ترکيب شيميايي بوجود مي‌آيد. استفاده از اين پتانسيل به محصولات و تکنولوژيهاي جديدي با کارآيي بالا منتهي ميشود که پيش از اين ميسر نبود.
نظام سيستماتيک ماده در مقياس نانومتري ، کليدي براي سيستمهاي بيولوژيکي است. نانوتکنولوژي به ما اجازه ميدهد تا اجزاء و ترکيبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جديدي را با استفاده از روشهاي جديد خود_اسمبلي بسازيم. در روش خود_اسمبلي به هيچ روبات يا ابزار ديگري براي سرهم کردن اجزاء نيازي نيست. اين ترکيب پر قدرت علم مواد و بيوتکنولوژي به فرآيندها و صنايع جديدي منتهي خواهد شد.
ساختارهايي در مقياس نانو مانند نانو ذرات و نانولايه‌ها داراي نسبت سطح به حجم بالايي هستند که آنها را براي استفاده در مواد کامپوزيت ، واکنشهاي شيميايي ، تهيه دارو و ذخيره انرژي ايده‌ال مي‌سازد. سراميکهاي نانوساختاري غالبا سخت‌تر و غيرشکننده‌تر از مشابه مقياس ميکروني خود هستند. کاتاليزورهاي مقياس نانو راندمان واکنشهاي شيميايي و احتراق را افزايش داده و به ميزان چشمگيري از مواد زائد و آلودگي آن کم مي‌کنند. وسايل الکترونيکي جديد ، مدارهاي کوچکتر و سريعتر و … با مصرف خيلي کمتر ميتوانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آيند. اينها تنها اندکي از فوايد و مزاياي تهيه مواد در مقياس نانومتر است.
منافع نانوتکنولوژي چيست؟
مفهوم جديد نانوتکنولوژي آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روي علم و تکنولوژي در مسيرهاي غيرقابل پيش بيني تأثير بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژي عبارتند از: لاستيکهاي مقاوم در برابر سايش که از ترکيب ذرات خاک رس با پليمرها بدست آمده‌اند، شيشه‌هايي که خودبه خود تميز ميشوند، مواد دارويي که در مقياس نانو ذرات درست شدهاند، ذرات مغناطيسي باهوش براي پمپهاي مکنده و روان سازها ، هد ديسکهاي ليزري و مغناطيسي که با کنترل دقيق ضخامت لايه‌ها از کيفيت بالاتري برخوردارند، چاپگرهاي عالي با استفاده از نانو ذرات با بهترين خواص جوهر و رنگ دانه و ... .
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
نانوتكنولوژي، انقلابي جديد در صنعت و تكنولوژي
نانوتكنولوژي يا كنترل مواد در مقياس مولكولي، گشايش اسرار طبيعت در تمام عرصه ها از مهندسي تا پزشكي را نويد ميدهد.
در آينده نه چندان دور، در خانه هاي جديد آجرها ممكن است هنگامي كه تركي درآنها ظاهر ميشود خودشان را تعمير كنند. ماشينها نيز ممكن است با لايه اي به استحكام الماس پوشانده شوند كه آنها را در برابر خراشها محافظت ميكند. پزشكان نيز خواهند توانست صدها نوع بيماري را تنها با قراردادن يك قطره خون در يك دستگاه تشخيص داده و پس از چند ثانيه نتيجه را دريافت كنند.
نانوتكنولوژي در جهاني بسيار كوچك كنترل ميشود. هدف نانوتكنولوژي ساخت اشياء، اتم به اتم، مولكول به مولكول و با يك رويكرد از پايين به بالاست، راهي كه طبيعت ميليونها سال است انجام ميدهد.
نانو يك پيشوند علمي است كه به معني "يك ميلياردم" است و حوزه نانوتكنولوژي در حدود ميلياردم متر است، ابعادي كه در آن اتمها با هم تركيب شده و مولكولها روي هم اثر متقابل دارند.
هدف اين است كه اگر بشر بتواند به اتمها بگويد كه چه طور خودشان را مرتب كنند و چگونه رفتار كنند، بسياري از خواص يك ماده قابل كنترل ميگردد. همان طور كه در طبيعت اتمهاي كربن موجود در زغال سنگ را با تغيير دادن ترتيب قرار گرفتن آنها به الماس تبديل ميكنند، بنابراين خواصي مانند رنگ، استحكام و شكنندگي نيز در سطح اتمي قابل تعيين خواهند بود. دانشمندان بر اين عقيده اند كه اگر بتوانند يك آجر را اتم به اتم بسازند، مولكولهايش را نيز ميتوان طوري تعليم داد تا هنگاميكه يك ترك ظاهر ميشود آن را تعمير كنند يا اينكه با كم يا زياد كردن تخلخل، خود را با شرايط مرطوب هوا وفق دهند.
بنابراين نانوتكنولوژي اميد ساخت هر چيز قابل تصور را - از كوچكترين جرثقيلها و موتورها گرفته تا لايه هاي خود اسمبل پلاستيكي يا فلزي - ميدهد. براي نخستين بار در تخيلات علمي، به لطف پيشرفتهاي اخير ديدن جهان در مقياسهاي نانو اين سناريوها درست و معقول به نظر ميرسند. انواع جديد ميكروسكوپها و برنامه هاي قدرتمند كامپيوتري شبيهساز كه در 10 سال اخير توسعه پيدا كردهاند، نانوتكنولوژي را دچار يك نوع انقلاب نمودهاند. ميكروسكوپها نه تنها به دانشمندان اجازه ميدهند كه اتمها را بينند، بلكه به آنها اجازه ميدهند كه حتي آنها را جا به جا بكنند، همانطور كه در آزمايش مشهور سال 1990 دانشمندان مركز تحقيقاتي Almaden وابسته به IBM ، لغت "IBM" را توسط 35 اتم زنون نوشتند.
امروزه يك تيم از فيزيكدانان IBM يك پيشرفت ديگر را اعلام كردند كه مدارات در مقياس اتمي را به واقعيت نزديكتر ميكند. اين پيشرفت كه "سراب كوانتم"1 نام گرفته است نشان ميدهد كه اطلاعات ميتوانند در ميان اجسام جامد بدون نياز به سيم حركت كنند. اسباب جديد عبارتند از: "چشمان، انگشتان و پنسها" كه در جهان نانو ميتوانند كار كنند. Evgene Wang معاون مهندسي بنياد ملي علوم آمريكا، به اعضاء مجلس نمايندگان طي گزارشي در مورد نانوتكنولوژي گفت: "نانوتكنولوژي نويد جذب تعداد فزايندهاي از علاقمندان به علم، دولت و صنايع خصوصي را ميدهد."
دكتر Tom Schaeider يك بيولوژيست رياضيدان در انستيتو ملي سرطان گفت كه: "دليل اين كه مردم اين را قبول ميكنند پشتوانة واقعي علمي آن ميباشد". وي اضافه كرد ما قادر خواهيم بود تا هر چيز كه خواستيم در آينده بسازيم."
دانشمندان پيشرو در اين علم سال گذشته در بنياد ملي علوم آمريكا گفتند كه نانوتكنولوژي يك اثر اساسي روي سلامتي، وضعيت اقتصادي و امنيت مردم جهان خواهد گذاشت و حداقل به اهميت آنتي بيوتيك ها،IC ها و پليمرهاي ساخت دست بشر در قرن 20 خواهند بود.
در سال 1998 شوراي علوم و تكنولوژي كاخ سفيد يك گروه كاري بين بخشي IWGN)) تأسيس كرد كه خواست بخشهاي علمي و صنعتي و دولت بود و موظف شد تا چشم انداز ايالات متحده را در مورد نانوتكنولوژي در طي 10 الي 20 سال آينده توسعه دهد.
دولت ايالات متحده در طي سال 1999 حدود 260 ميليون دلار در اين تكنولوژي سرمايه گذاري كرده است. كلينتون نيز پيشنهاد افزايش بودجة نانوتكنولوژي را تا حدود 227 ميليون دلار در سال 2001 را داده است. گروهIWGN پيش بيني ميكند كه نانوتكنولوژي موجب پيشرفت در زمينه هايي مانند تكنولوژي اطلاعات، پزشكي، علوم زيست، صنعت خودرو، انرژي و امنيت ملي خواهد شد.
اين گروه موارد زير را امكانپذير ميبيند:
v در پزشكي، نانو ذراتي كه به توزيع آسان دارو در قسمتهاي بدن كمك ميكنند. اين وسايل به اصطلاح كوچك كه از دارو ساخته شدهاند با لايههايي از نانو ذرات پوشيده شدهاند و ميتوانند به قسمتهاي مختلفي از بدن برسند و بيماريهاي از قبيل سرطان را درمان كنند. غدد پروستات و قطعات مصنوعي نيز ممكن است، با اين نانو ذرات پوشيده شوند تا از عكسالعملهاي ناخواسته جلوگيري كنند. پيشرفت در تشخيص بيماريها نيز قابل پيشبيني است، همانطور كه دستگاههاي جديدي كه بر اساس تشخيص DNA يا پروتئين پايه گذاري شده اند و ميتوانند از مقدار ناچيزي خون به طور همزمان وجود چندين بيماري را تشخيص بدهند.
v در صنايع الكترونيكي، توليد كامپيوترهاي سريعتر و بهتر در اندازههاي بسيار كوچك مدنظر است. هم اكنون يك هد مغناطيسي با اندازة حدود نانو توليد شده كه اطلاعات را از ديسك سخت ميخواند. همچنين تراشه هاي حافظه با اندازة نانو مدنظر هستند كه قدرت ذخيرهاي برابر با هزاران تراشه فعلي را دارا خواهند بود.
v در علوم زيست محيطي، غشاءهاي نانويي فيلترهايي براي سد نفوذ آلودگيها هستند و همچنين قادر خواهند بود تا آلودگيها را با روشهاي شيميايي يا بيولوژيكي پيدا كرده و برطرف كنند. بسياري چالشها تا بيش از اينكه دانشمندان بتوانند پرده از راز جهان در مقياس نانو بردارند، باقي خواهد ماند. طبق گزارش اخير كه توسط گروه IWGN ارائه شده است: اين عرصه، امروز تقريبا همانجايي است كه علم و تكنولوژي بدنبال ترانزيستورها در اواخر دهه هاي 1940 و 1950 قرار داشت".
اما با در دست داشتن ابزارهاي جديد براي ديدن اشياء كوچك، آزمايشگاهها در كشور كم كم به اين مطلب پي ميبرند كه چگونه اتمها و مولكولها در يك ماده مرتب ميشوند. تعدادي از آزمايشگاهها ياد ميگيرند كه چگونه مولكولها را در الگوهاي خاص مانند هرم يا چند ضلعي، خود اسمبل كنند. اين مطلب به عنوان يك گام مهم در جهت ساختن مواد نو توسط اتم با اتم به شمار ميرود.
دانشمندان اميدوارند به زودي بتوانند موادي از نانو تيوبهاي كربني بسازند كه ترتيب قرار گرفتن
اتمهاي كربن در آن مانند قرار گرفتن مدادها در داخل يك جعبه است. چنين موادي يك _ ششم دانسيته فولاد را خواهند داشت و مقاومت آنها 50 الي 100 برابر است. آقاي Richard Smalley، كسي كه در دانشگاه Rice روي نانو تيوبها كار ميكند ميگويد: ما ميدانيم كه چگونه آنها را به صورت خود اسمبل بسازيم و اين كه چگونه مواد ديگر را بپوشانند. اين نانو تيوبهاي كربني، مطابق بسياري از پيش بينيها يك روز تمام چيزها از ماشين تا هواپيما را ميپوشاند تا به سطوح آنها استحكام و مقاومت و در نتيجه عمر بيشتري بدهد.
طبيعت براي ميليونها سال صاحب نانوتكنولوژي بوده است و دانشمندان مانند Smalley عقيده دارند كه ميتوان مطالب بسياري را با نگاهكردن به سلولها آموخت. او ميگويد كه تمام آنزيمها در سلولهاي ما نانوماشينهايي هستند كه وظايف منحصر به فردي را جهت تكامل و رشد انجام ميدهند.
گروه Nadrian Seeman در دانشگاه New Yourk تلاش ميكند، يك مولكول بيولوژيكي ديگرDNA به عنوان جزء سازنده براي اشياء سه بعدي به كار برد. آزمايشگاه وي اخيراً يك دستگاه نانو روبوتيك ساخت كه از DNA ساخته شده بود و دو بازو داشت و ميتوانست بين دو نقطة ثابت حركت كند.
پژوهشگران ميگويند كه اين وسيله گام اول به سوي توسعة نانوتكنولوژي است كه يك روز خواهد توانست مولكولها را در نانو كارخانه هايي با همان ابعاد به كار گيرد.
برخي ميگويند كه ما زماني قادر خواهيم بود تا همه چيز را از قطعات ريز بسازيم. مثلاً بدين صورت كه به كامپيوتر تعدادي عناصر داده شده و به وي دستور داده ميشود تا همه چيز، از سيب تا يك ماشين را بسازد. Schnider گفته است: اين جادو نيست، اين ايده جادو نيست.
قابليتهاي محتمل تکنيکي نانوتکنولوژي
1. محصولات خود_اسمبل
2. کامپيوترهايي با سرعت ميلياردها برابر کامپيوترهاي امروزي
3. اختراعات بسيار جديد (که امروزه ناممکن است)
4. سفرهاي فضايي امن و مقرون به صرفه
5. نانوتکنولوژي پزشکي که در واقع باعث ختم تقريبي بيماريها ، سالخوردگي و مرگ و مير خواهد شد.
6. دستيابي به تحصيلات عالي براي همه بچه‌هاي دنيا
7. احياء و سازماندهي اراضي
برخي کاربردها
مدلسازي مولکولي و نانوتکنولوژي
در سازمان دهي و دستکاري مواد در مقياس نانو ، لازم است تمامي ابزار موجود جهت افزايش کارايي مواد و وسايل بکار گرفته شود. يکي از اين ابزار ، شيمي تحليلي ، خصوصا مدل سازي مولکولي و شبيه سازي است. امروزه ابزار تحقيقاتي فراگيري مانند روشهاي شيمي تحليلي مزيتهاي فراواني نسبت به روشهاي تجربي دارند. ميهيل يورکاز شرکتContinental Tire North America ميگويد:"روشهاي تجربي مستلزم بهره‌گيري از نيروي انساني ، شيميايي ، تجهيزات ، انرژي و زمان است. شيمي تحليلي اين امکان را براي هر فرد مهيا مي‌سازد که فعاليتهاي شيميايي چندگانه‌اي را در 24 ساعت شبانه روز انجام دهد. شيميدانها ميتوانند با انجام آزمايشها توسط رايانه ، احتمال فعاليتهاي غيرمؤثر را از بين ببرند و گستره احتمالي موفقيتهاي آزمايشگاهي را وسعت دهند.
نتيجه نهايي اين امر ، کاهش اساسي در هزينه‌هاي آزمايشگاهي (مانند مواد ، انرژي ، تجهيزات) و زمان است." از طرف ديگر ، در شيمي تحليلي سرمايه گذاري اوليه جهت تهيه نرم‌افزار و هزينه‌هاي وابسته از جمله سخت‌افزار جديد ، آموزش و تغييرات پرسنل بسيار بالا خواهد بود. ولي با بکار گيري هوشمندانه اين ابزار ميتوان هريک از هزينه‌هاي اوليه را نه تنها از طريق صرفه‌جويي در هزينه آزمايشگاه بلکه بوسيله فراهم نمودن دانشي که منجر به بهينه سازي فرآيندها و عملکردها ميشود، جبران ساخت.
اين موضوع براي شيميدانها بسيار مناسب است، ولي روشهاي شبيه‌سازي چطور ميتوانند براي نانوتکنولوژيستها مفيد واقع شود؟ محدوديتهاي آزمايشگر در مقياس نانو ، زماني آشکار ميشود که شگفتي جهان دانشمندان نظري وارد عمل ميشود. در اينجا هنگامي که دانشمندان قصد قرار دادن هر يک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانين کوانتوم وارد صحنه ميشود. پيشبيني رفتار و خواص در محدوده اي از ابعاد براي نانوتکنولوژيستها حياتي است.
مدلسازي رايانه‌اي با بکارگيري قوانين اوليه مکانيک کوانتوم و يا شبيه‌سازيهاي مقياس مياني ، دانشمندان را به مشاهده و پيشبيني رفتار در مقياس نانو و يا حدود آن قادر مي‌سازد. مدلهاي مقياس مياني با بکارگيري واحدهاي اصلي بزرگتر از مدلهاي مولکولي که نيازمند جزئيات اتمي است، به ارائه خواص جامدات ، مايعات و گازها مي پردازند. روشهاي مقياس مياني در مقياسهاي طولي و زماني بزرگتري نسبت به شبيه سازي مولکولي عمل مي‌کنند. ميتوان اين روشها را براي مطالعه مايعات پيچيده ، مخلوطهاي پليمر و مواد ساخته‌شده در مقياس نانو و ميکرو بکار برد.
مدل سازي خاک رس
محققين دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبيه‌سازيهايي بر اساس مکانيک کوانتوم براي مطالعه و کامپوزيتهاي خاک رس–پليمر بکار برده‌اند. امروزه اين ترکيبات يکي از موفق‌ترين مواد نانوتکنولوژي هستند، زيرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل‌پذيري از خود نشان ميدهند؛ خواصي که معمولاً در يکجا جمع نمي‌شوند. نانو کامپوزيتهاي پليمر–خاک رس ميتوانند با پليمريزاسيون در جا تهيه شوند؛ فرآيندي که شامل مخلوط کردن مکانيکي خاک معدني با مونومر مورد نياز است. بنابراين مونومر در لايه دروني جاي‌گذاري ميشود (خودش را در لايه‌هاي درون ورقه‌هاي سفال جاي ميدهد) و تورق کل ساختار را افزايش ميدهد. پليمريزاسيون ادامه مي‌يابد تا سبب پيدايش مواد پليمري خطي و همبسته گردد.
دانشمندان با بکارگيري Castep (يک برنامه مکانيک کوانتوم که نظريه کارکردي چگالي را بکار مي‌گيرد) تحول کشف شده در اين روش را که پليمريزاسيون ميان گذار خود کاتاليست ناميده ميشود مطالعه کردند. اين پروژه ، دانشي نظري در زمينه ساز و کار اين فرآيند جديد را بوسيله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزيت فراهم نمود. ضروري است که دانش حاصل از شبيه‌سازيها ، جهت کنترل و مهندسي نمودن فعل و انفعالات پليمر-سيليکات به کمک دانشمندان آيد.
دانشمندان در شرکت BASF شبيه سازيهاي مقياس مياني را براي بررسي علم و رفتار ريزواره‌ها بکاربردند. ريزواره‌ها ذراتي کروي شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهاي کوپليمري ايجاد ميشوند و در زمينه‌هايي مانند سنسورها وسايل آرايشي و دارو رساني کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گيري esoDyn ، يک ابزار شبيه سازي براي پيشبيني ساختارهاي مقياس مياني مواد متراکم محلولهاي تغليظ شده کوپليمرهاي آمفي‌فيليک را بررسي کردند.
شبيه‌سازيها مشخص نمود که کدام شرايط مولکولي و فرمولي به شکل‌گيري "ريزواره‌هاي معکوس" مانند نانو ذرات آب در يک محيط فعال منتهي مي شود. چنين نتايجي براي درک رفتار عوامل فعال سطحي ضروري هستند. به کمک روشهايي مانند پرتاب محلول در آزمايشگاه ميتوان به نتايجي در اين زمينه دست يافت، اما دستيابي به اين نتايج ماهها به طول مي‌انجامد، درحالي که آزمايشهاي شبيه‌سازي شده تنها طي چند روز نتيجه ميدهند.
زيرساختهاي پايه براي مدلسازي مولكولي:
در مقالة قبلي نقش فناوري‌انفوماتيك را در فناوري‌نانو از ديدگاه اهميت آن در مدلسازي مولكولي بررسي كرديم. اكنون مي‌خواهيم حداقل مؤلفه‌هاي لازم در جهت موفقيت در مدلسازي مولكولي را بررسي كنيم. به عبارت ديگر زيرساختهاي بحراني جهت توسعة دانش مدلسازي مولكولي كدامند؟
1) الگوريتم‌ها:
بهبود الگوريتم‌هاي محاسباتي مورد نياز است تا از عهدة محاسبه مجموعه‌اي از مولكولهاي بزرگ يا مجموعه‌اي از اتمها برآيند. زيرا برهم كنش ميان اتمها در کنه موضوع مدل سازي مولكولي نهفته است. زمان محاسبه و قدرت ذخيره‌سازي اطلاعات هر اتم و افزايش دقت با افزايش تعداد اتمها، تابع مستقيمي از افزايش قدرت الگوريتم‌ها است.
2) بكارگيري محاسبات موازي:
با تقسيم مسئله بين چند پردازنده جداگانه، محاسبات موازي، قابليت رسيدن به راه‌حلهاي مناسب و با سرعتهاي بالا، را فراهم مي‌آورند. به‌هرحال رسيدن به اين هدف نيازمند مسائلي (يا بخشي از مسائل) است كه مي‌تواند معادلاً تقسيم شود مثلاً الگوريتم‌هائي به منظور گرفتن مزيتهاي ساختارهاي موازي و راههائي به منظور نوشتن و رفع خطا كردن مؤثر از كدهاي موازي.
بسياري از كدهاي شيمي كوانتوم بصورت ضعيفي موازي ميشوند كه نسبتاً وابسته به روشهاي بكارگرفته شده هستند. يك مثال نوعي نظير مدل كوانتومي مونت‌كارلو يا روش"Laster" و همکارانش است.
3) انتخاب خودكار به همان خوبي روشها:
يك نقش مدل ساز، انتخاب بهترين روش براي يك مسألة مشخص با دقت مورد نياز مشخص است. چنين تصميم‌گيريهايي مي‌بايستي بصورت خودكار به منظور انتفاع بيشتر و كم‌تركردن اثر مهارت شاغل باشد. مقايسة دقيق روشهاي متفاوت، آرايشهاي محاسباتي متفاوت و هدفهاي متفاوت كاملاً الزامي است .
4) سخت افزارهاي محاسباتي و سيستم عامل‌ها:
سخت افزارهاي محاسباتي و سيستم عامل‌ها روشهاي متفاوت ديگري به منظور مدلسازي مولكولي هستند مدلسازي مولكولي نيازمنديهاي متفاوتي از سخت افزار وسيستم عامل را پديد آورده است. همانطوريكه تغيير دادنها نيازمند استفاده كننده است. تركيب ابررايانه ها رايانه هاي شخصي/ ايستگاههاي محاسباتي و توزيع محاسب‌ها، پيامد ديگري از يكپارچگي زيرساختهاي محاسباتي، نمايشگرها و Interface استفاده کننده است. همچنين زيرساختهاي واسطه وابزارهاي قابل برنامه‌نويسي تصوير ساز از ديگر نيازمنديها است.
5) مديريت اطلاعات:
نه فقط نيازهاي محاسباتي، مي‌طلبد كه همچنين حجم نتايج به طرز باورنكردني با اندازة مسأله رشد ميكند. اين چالش نيازمند مديريت پيچيده و بهره‌برداري از نتايج آزمايشگاهي و داده‌هاي محاسباتي بصورت توأم است. به منظور مؤثر بودن، حجم عظيم اطلاعات جديد مي‌بايستي مديريت شود به گونه‌اي كه با نتايج آزمايشگاهي و روابط مبتني بر تئوري، سازگاري حاصل نمايد .
6) واسطه مدلسازي آزمايشگاهي:
روابطي نظير QSPR و QSAR، وابستگي به خواص آزمايشگاهي قابل مشاهده‌اي دارند كه جهت تعيين خواص مولكولي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
QSPR: Quantitative Structure – Property
QSAR: Structure – Activity Relations
اين روابط و وابستگيهايشان ممكن است مطلقاً تجربي باشند، اما آنها موفقيت‌آميز خواهند بود بويژه زمانيكه خواص محاسباتي درست انتخاب شده باشد. همچنين خواص اندازه‌گيري شده مي‌بايستي انتخاب شوند به گونه‌اي كه رفتار ماده را نشان دهند و اصول فيزيكي و شيميايي را نقض نكند. پيشگويي خواص قابل اندازه‌گيري بسيار سخت است، اما از خواص قابل پيشگويي اندازه‌گيري ميشود شيمي تركيبات مثال خوبي در اين زمينه است، جائيكه، بزرگترين موفقيت‌ها، از درون ساخت كتابخانه‌هايي از مواد انتخابي، بوجود آمده است.
7) آناليز مسأله:
موفقيت در كاربردهاي صنعتي، متكي به شناخت قاطعانه پيامدها يا سؤالات مطرح شده است.
8) زير ساختهاي انساني:
يك پيامد انساني كليدي، داشتن افراد فني به گونه‌اي كه شخصاً يا تحت عنوان دانشگاه هم داراي دانش مدلسازي و هم داراي دانش كاربردهاي صنعتي باشند. دقيقاً مهم است كه بر محدودة كاربري هر مدل و قابليتها و توانائيهاي آن مديريت داشته باشيم. ساخت چنين زيرساخت مهمي نيازمند آزمايش و آموزش است.
9) اعتبار بخشي:
اعتبار بخشي معمولاً به آزمايش مدلها در برابر داده‌هاي موجود به منظور تعيين اعتبار آنها يا حدود اعتبار آنها بر ميگردد. اين عمل ممكن است درك شود يا ناديده گرفته شود اما اين بخش اكيداً يك نياز است.
10) معتبر بودن:
معتبر بودن داراي دو وجه است:
بنيانگذاري آن و پيشگيري از نقايص آن. اعتبار بايد صادقانه بوسيله موفقيت ساخته شود. ناتواني مدلها بدرستي فهميده شود. شيء گراهاي رايانه‌اي يك كليد اساسي در درك ارتباطات نتايج است. اما از سوي ديگر براي مدلسازها ممكن است مخرب باشد. زيرا يك تصوير جذاب مي تواند گمراه كننده باشد. نتايج اجتناب‌ناپذير شك‌گرايي را تقويت ميكند.شخص مي‌بايستي روي مسائل مناسب با ابزارهاي درست كار كند.
محدوديتهاي اين روشها چيست؟
در حاليکه امروزه ابزار مدلسازي در سطح کوانتومي و مقياس مياني به خوبي توسعه يافته‌اند، همچنان محدوديتهايي در اين عرصه وجود دارد. براي مثال کاربردهايي در زمينه وسايل الکترونيک مستلزم انجام محاسبات مکانيک کوانتوم براي تعداد اتمهايي بيش از روشهاي حاضر ميباشد که بيش از توان عملياتي منابع محاسبه‌گر فعلي است. همچنين مدلسازي کل وسايل امکان‌پذير نيست، بويژه عملکردها و خواص آنها.
فناوري انفورماتيک و فناوري نانو:پيشرفتهايي در مدلسازي مولکولي
مدلسازي مولكولي پايه‌اي است براي ارتباطات، درك و توسعة فناوريهاي نو نظيرفناوري نانو.
اين روش راههاي جديدي را در فكر كردن و رسيدن به اهداف فناورانه، فراهم مي‌سازد، بنابراين براي توضيح موفقيت‌آميز كاربردهاي اين روش، توضيح جنبه‌هاي تكنيكي به تنهائي كافي نيست اهميت نيروي انساني متخصص، هدف نهائي هر پروژه، ساختار سازماني و زيرساختهاي محاسباتي در موفقيت اين روش اهميت قابل ملاحظه‌اي دارند.
يافته ها، در چهارچوب «كاربردها» (از جنبة فني) و« پروسه‌هاي مؤثر دركاربرد» ( تمام زير ساختهاي ملزوم) طبقه بندي ميشوند.
در مقاله قبلي مروري داشتيم بر قابليتها و چالشهاي دانش انفورماتيک در فناوري نانو. دراين مقاله مي‌كوشيم تا حوزه‌هاي تحقيقاتي و صنعتي را ،كه مدلسازي مولكولي در آنها، پذيرفته شده‌است ، معرفي كنيم و از اين ديدگاه اهميت و نقش دانش انفورماتيك را در فناوري نانو روشن كنيم.
يافته هاي اصلي:
الف)كاربردها
(1مدلسازي مولكولي، به عنوان يك ابزار سودمند و كارا در پاره‌اي از صنايع بكار گرفته شده است.
• صنايع داروسازي: بالاترين درصد پذيرش و موفقيت مربوط به اين حوزه است.
• شيمي زراعت: مدلسازي و اطلاع گيري در جهت مبارزه با آفات: وضعيتي مشابه با صنايع داروسازي
• ابزارهاي ويژة شيميايي شامل رنگها و رنگ دانه‌ها ، افزودنيهاي روغن، ضد خوردگيها، كاتاليست‌ها
• صنعت سوخت – توليد منابع مادر، حمل و نقل و پروسه‌هاي حاكم بر آن
• صنعت پليمر، شيشه و مواد سازه‌اي
• الكترونيك و مواد فتونيك
• گازهاي صنعتي
• مراقبتهاي فردي و توليدات غذايي
صنعت نرم افزار سخت افزار
2) اين روشها مقبول شدهاند زيرا آنها آزمايش خود را پس داده‌اند:
موفقيتهاي بزرگ طبيعتاً توجهات بيشتري را جذب ميكند، هم توسط شركتها و هم در عرصة رقابت بين شركتها.
مطالعات اخير 3 زمينة بزرگ موفقيت آميز در زمينة مدلسازي مولكولي را معرفي كرده است:
كشف داروها، توسعة كاتاليست‌هاي هموژن و شيمي حرارت
آناليز اجزاء سازه‌اي مواد به اين روش اثر مؤثري بر فيزيك ماده – چگال گذاشته است.
موفقيت ها هميشه در مسير قابل پيشبيني نبوده است. ده يا حتي بيست سال پيش، Rational drug design به عنوان آيندة صنعت داروسازي شناخته مي‌شد- در حاليكه، امروزه طراحي و ساخت داروها مبتني بر «كامپيوتر»، بر مبناي خواص فيزيكي وشيميايي آنها- كه به نام "Docking" ناميده ميشود- با در نظر گرفتن اجزاء مولكولي غشاءهاي سلولي يا ساير اجزاء وابسته به آنها ( اهداف تحت درمان)، آينده اين صنعت را پيشبيني ميكند. امروزه تا حدودي به اين هدف رسيده‌ايم و داروهاي جديدي به عرصة‌تجاري سازي رسيده‌اند.
بهرحال، اشتياق به منظور طراحي داروهاي تركيبي، به نظر مي‌رسد كه روش ساخت تركيبي وزني را از رونق انداخته است . افق جديد اين بود كه شيمي تركيبات، سريعتررشد خواهد كرد و كمتر محدود به تجربه باشد، اما به هر صورت، تلاش در جهت ساخت هر تركيبي امروزه يك فرآيند مهار كردني است. واقعيت حاضر، مبتني بر دانش كامپيوتر محور است كاوشهاي عقلاني در حوزة مقدورات داروهاي جديد به سرعت جهت شناسائي كتابخانة مولكولهائي كه مي‌بايستي بصورت تركيبي در آزمايش بكار گرفته شوند، اعتبار مي‌يابند، در اين نقش و در فرم خالص آن طراحي داروها در حوزه كانديدادهاي مقدور و محدود شده معتبر و اثبات شدهاند.
3) بسياري از كمپانيها، چنين مدلسازيهايي را به عنوان يك ضرورت مي نگرند، در حاليكه برخي هنوز آن را يك وسيلة لوكس مي‌بينند:
در زمينه‌هاي موفقيت آميز بر شمرده شده، هيچ‌يك از شركتهاي فوق حتي فكر نمي‌كردند كه بدون مدلسازي مولكولي بدين پايه از پيشرفت برسند. در ساير زمينه‌ها، مدلسازي يك زمينة فعال در زمينه كاوشهاي پژوهشي است يا انتظار ميرود كه مورد استفاده واقع شود. مدلسازي مولكولي در صنعت نيز جايگاه خود را باز كرده است.
4) نقش پايه‌اي مدلسازي ماده‌اي و مولكولي در صنايع شيمي، سرعت توسعه محصولات و آزمايشهاي راهنما را افزايش داده است:
مشاركت فعال مدلسازان در توسعة سريعتر پروسه‌هاي توليد، مكرراً به اثبات رسيده است. اثر توانمند، اغلب بسيار مؤثر براي حل مسأله، ميزبانان بزرگي را براي مدلسازان مولكولي فراهم آورده است. مزيت عمده اين روش در اين است كه با استفاده از محاسبات نسبتاً ساده تعداد حالات مقدور براي حل يك مسألة واقعي را مي‌توانيم كم كنيم، چه در مرحلة طراحي و توليد و چه در مراحل توسعه با اتخاذ روشهاي دقيق و صحيح اعتبار آزمايشات را تأييد كنيم يا آنها را هدايت كنيم. مدلسازي مي‌تواند انتخابها را هدايت كند و حتي در اغلب موارد مي‌تواند راههاي توليد بهتر را جهت آزمايش، شناسائي كند.
در عوض مدل سرويسهاي تكنيكي تهيه شده در قالب مدلسازي مولكولي، زماني كه كاملاً با تيمهاي آزمايشگاهي و توسعة داخلي، مزدوج نشده است، داراي تجارب ناموفقي بوده‌اند. از اين رو مدلسازي مولكولي، مي بايستي در تعامل كامل با پژوهشگران آزمايشگاهي باشد.
5) علم و تكنولوژي گامهاي بلندي را در راستاي همگرائي موفقيت‌آميز برداشته‌اند.
سودمندي مهندسي از پيشرفتهاي علمي و نيز تشويق علم به رشد و حركت، از مزاياي مشهود همگرائي علم و مهندسي است. يك مثال برگزيده از اين تعامل در فضاي زمان و مكان، گروههاي كوچك اتمي كه توسط شيمي كوانتوم قابل تفسير بودند از حد اتم هيدروژن و مولکول هيدروژن تا حد دامنه‌هاي چندين اتمي شبيه سازي شدهاند و پيشرفتهاي عمده‌اي را براي دانشمندان و مهندسان پديد آورده‌اند:
• شبيه سازي مولكولي با استفاده از ديناميك مولكولي نيوتوني و روشهاي كاتوره‌اي مونت كارلوتغييرات سيستم را پيش گوئي كرده است.
• روشهاي شبه تجربي مبتني بر اوربيتال مولكولي رو به رشد نهاده‌اند.
• روشهاي سلسله مراتبي شيمي كوانتوم كه بر آورندة دقت در حوزة زماني است: شامل روشهاي بنيادين گردآوري شده در حوزة « برون يابي» نظير G1/G2/G3 و CBS و روشهاي جايگزيني در حوزة ميدان نظير ONIOM
• تئوري ظرفيت الكتروني كاربردي، در حوزة فيزيك فرموله شده است و به منظور مدلسازي در فيزيك ماده- چگال، بكار گرفته شده است.
• سواي ديناميك مولكولي كه مشخصاً شروع مي شود با فرمول Car-Parrinello در محاسبات DFT در حال پرواز، ساير روشهاي ديناميك مولكولي به سرعت رشد يافته‌اند.
• شبيه سازيهاي آشيانه‌اي و حوزه‌هاي به‌هم پيوسته نظير تئوري ميدان مؤثر يا تئوري "Norskov" تئوريهاي اتمهاي الحاقي يا روشهاي خوشه‌اي، روشهاي اجزاء محدود، ديناميك مولكولي، مكانيك كوانتوم آبراهام وهمكاران، وتئوري Seamless Zooming كه در ژاپن به سرعت رشد يافته‌اند.
• مدلهاي شرايط مرزي تناوبي كه اثرات«دوربرد» را مدلسازي ميكنند.
كلاس عمومي مدلسازي در حوزة Mesoscale كه اغلب با استفاده از معادلات پيوستگي جهت مدلسازي سوپر مولكولي در حوزه‌هاي پيوسته صورت مي‌گيردهمزمان با توسعة دانش نانو، مدلسازي مولكولي به عنوان ابزاري منحصر به فرد، مورد توجه واقع شد. نانو بر غناي دانش مدلسازي مولكولي افزوده است و آن را به گونه‌اي جدي متحول كرده است. به همين ترتيب، دانش شيمي ژنتيك( جانشاني ژنهاي موجود در ساختار DNA)، نيازمند اين است كه بدانيم چگونه دانش به درون حوزة پروتئين سازي رسوخ ميكند؟(جانشاني پروتئين‌هاي موجود وفعال).
مدلسازي همچنين نقش مهمي در رمز گشائي اين پروسه‌ها ايفا ميكند واين نكته را كشف خواهد كرد كه چگونه يك رشته از آمينو اسيدها مي‌تواند خودش را در هندسة پروتئين بگونه‌اي آرايش دهد كه رفتار خاصي را موجب شود. علوم كامپيوتر در اين راستا كمكي مؤثر و تحسين برانگيز ايفاء خواهد كرد
6) مدلسازي مولكولي جهت ادغام و تفسير ابزارهاي تحليلي بكار گرفته خواهد شد.
در پاره‌اي موارد، پيش گوئيها داراي حداقل قطعيت نسبت به اندازه‌گيريهاي كالريمتري است. به گونه‌اي كه مؤثراً آنها را عوض ميكنند.مدلسازي يك بخش پر اهميت از طيف سنجي نوري NMR و كريستالوگرافي است . نقش هاي آتي را در حوزة تفسير كروماتوگرافي گاز، دايرة رنگي لرزه‌اي و طيف سنج جرمي بازي خواهد كرد.
7) شباهتهائي برجسته‌اي در بخشهاي مختلف صنعتي وجود دارد.
مدلسازهاي حلاليت و مخلوط كن‌هاي واقعي و مدلهائي كه بتواند شيمي را در قالب زيست – شيمي به منظور رفتارشناسي بيولوژيك تركيب كند، پايه‌اي براي طراحي داروها هستند. اما همچنين پايه‌اي براي مطالعات شيمي زهرشناسي هستند. با پيش گوئي زهرشناسي شيميايي، ميتوان اميدوار بود كه توليداتي طراحي خواهد شد كه كارآئي بالاتر با حداقل مخاطره خواهند داشت.
8) نيازهاي عمده و مورد نياز صنعت روشهائي هستند كه بزگتر، بهتر و سريعتر، باشند و در دامنة بزرگي معتبر باشند و مشتمل بر تكتيكهاي چند مقياسي باشند:
مدلسازي چند مقياسي بر پاية مدلهائي ساخته ميشود كه مبتني بر حدودي در حوزة زمان واندازه هستند نظير محاسبات انرژي Single-Point در حوزة گاز ايده آل(ايزوله شده) در صفر درجة كلوين.مدلسازي در حوزه هاي محدود اغلب با خواص ان در محيطهاي پيوسته بوسيله مكانيك آماري ادغام ميشود(نظير ترموشيمي گاز ايده آل)
يك فشار دائمي بر پژوهشگران در راستاي توسعه سريعتر و دقيق تر اين روشها وجود دارد. در انتها، نيز آزمايش كردن اين روشها جهت تعيين اعتبار آنها الزامي است. توجه كنيد كه اساس اين«اعتبار بخشي» بر اين مبنا است كه اعتبار اين روشها را به چه حوزه‌ها و به چه حدهائي ميتوان تعميم داد.
مدلسازي در حوزة نانوساختارها و نانوابزارها:
فناوري‌نانو، فناوري در مقياس نانو جهت مواد و پرسه‌هاي مرتبط با آن است . يك اتم نوعي، داراي قطر واندروالسي، معادل چند دهم نانومتر است. بنابراين مولكولها و ماكرومولكولها در ابعاد نانوئي وكوچكتر هستند. همة برهم كنشها وخواص ماكروسكوپيك ريشه در اين مقياس دارند و بوسيلة مكانيك آماري و فيزيك ماده- چگال اين دو فضا به هم مرتبط ميشوند. در همان لحظه خواص مكانيكي تحت تأثير ساختار الكتروني، بر هم كنشهاي غير پيوندي، يا مقياسهاي واسطه نظير meso، رفتارهاي سوپر مولكولها، است . هر يك از اين دامنه‌ها داراي تأثير و وزني در مدلسازي مولكولي است ومقدوراتي در جهت پيوند ميان اين فضاهاي كاملاً وابسته به هم، در جهت ساخت پازل ماكروئي، رو به رشد نهاده است.
مدلسازي مولكولي و اثر آن بر صنعت( قابليتها و چالشها)
1. نقش اساسي مدلسازي مولكولي مواد در صنعت، افزايش سرعت توسعه و راهنمائي به سوي آزمايشهاي مؤثر است.
2. احياي پروژه‌هاي مرده، قابل ارزش است:
نقش مدلسازي مولكولي از منظر سرمايه‌گذاري كاملاً حائز اهميت است ساخت كاتاليست‌هاي همگن، تحليل مكانيزمهاي بر هم كنش يا ساخت پليمرهاي ويژه با كاربري خاص از اثرات مدلسازي مولكولي است.
3. ناتواني در ادغام كامل و به هم وابستة مدلسازي مولكولي با آزمايش، مي‌تواند منجر به تأخير شود.
4. استفاده از قانون « حق مؤلف» جهت مدلسازان مولكولي، پشتوانه‌اي به سوي توسعة اين روشها است.
5. زير ساختهاي محاسباتي، به سمت پروسه‌هاي مناسب و حتي براي اغلب، محاسبات سطح بالا، سوق داده شوند
6. حركت به جلو: مدلسازي مولكولي كليدي است به منظور مدلسازي فناوريهاي حياتي براي آينده.
براي ابر محاسبات، شبكه سازي سوپر كامپيوترها، ميكرو پردازنده‌هاي Pc، پايه اي مناسب جهت محاسبات موازي هستند. NASA در 1993 براي نخستين بار با استفاده از پردازنده‌هاي مستعمل اقدام به موازي كردن كامپيوتر با استفاده از سيستم عامل LINUX نمود
7. از توسعة نرم افزارها، فقط در راستاي توسعة صنعت داروسازي، مي‌بايستي اجتناب نمود.
8. مدلسازان تكنولوژي محور و تكنولوژيست‌هاي درك كنندة مدلسازي مورد نيازند:
مدلسازان خاص و عمومي نيازمند به تركيبي از كار كارشناسي محض و قضاوت مهندسي مي‌باشند. اين تركيب ساده‌تر به همگرائي خواهند رسيد و به گونه‌اي است كه نياز به اين تركيب هميشه احساس ميشود. اين نياز در يك محيط پژوهشي روشن‌تر ميشود بوژه آنكه فشار بازار اقتصادي و رقابت، R&D را وادار به چرخش به اين سمت مي كند. بسياري ار پژوهشگاهها، محيط پژوهشيBell Labs را الگو قرار داده‌اند. اين پژوهشگاه كه در آغاز با هدف علوم كاربردي تأسيس شده بود به تدريج به سمت يك محيط تركيبي از علوم محض و كاربردي سوق پيدا كرد.
مهم است كه كارشناسان در يك انستيتوي آموزشي تدريس كنند وهمكاريهاي پژوهشي خود را به عنوان بخشي از آموزش علم در نظر بگيرند.
چشم انداز:
نتايج مدلسازي مولكولي يا محاسبات، در بخش شيمي تحليلي كاملاً جا افتاده است. مدلسازيهاي چند مقياسي نيز با دقت بالاتر ومحاسبات سنگين تر پيگيري مي شود.
تئوريهاي مولكولي و مدلسازيها، شامل تئوري ساختار الكتروني ومدلسازي به عنوان يك زبان بين‌المللي علمي در اغلب شاخه هاي علوم ومهندسي پذيرفته شده است.
شيمي، فيزيك، بيولوژي بر مبناي مشاهدات، و دستكاريهايي در حوزة انساني، به مدلسازي مولكلوي وابسته شدهاند. علوم مهندسي اين علوم محض را با يكديگر تركيب كرده و با ملاحظات اقتصادي و مؤلفه هاي كمي فيزيك آن را به حوزة تجارت مي‌رسانند.
فيزيك محيطهاي پيوسته و تفكر عميق در طبيعت رفتاري الكترونها در اتم در سالهاي 1800 ميلادي خبر از توسعة مكانيك آماري و مكانيك محيطهاي پيوسته مي‌داد. ظهور دانش شيمي- فيزيك و اساس ساختارهاي مولكولي دراواخر 1800 ميلادي حاكي از درك پيوندهاي شيميايي مي‌داد كه در نهايت در سالهاي 1930 توسعه يافت و روشهاي شيمي كوانتوم كه در سالهاي 1950 توسعه يافتند.
مدلسازي مولكولي يك روش مركزي است كه با درك رفتار كوانتائي مواد، حتي از ديدگاه پيش‌گوئي به موفقيتهائي رسيده است.
توسعة توليدات و عوض شدن پروسه هاي ساخت وتوليد با ظهور مدلسازي مولكولي واثر آن دستخوش دگرگوني شده است مدلسازي مولكولي مي تواند به عنوان يك زير ساخت نامرئي در توسعة علم و فناوري مورد توجه قرار گيرد.
پيشرفتهائي در قدرت سخت افزاري كامپيوترها، مسبب پيشرفتهائي در نرم افزارهاي شبيه سازي شده است كه تغييراتي رويايي را در مدلسازي پديد آورده است و بسياري از مسائل بغرنج را حل كرده است و حتي در نگرشهاي بنيادين علوم، تغييراتي را بوجود آورده است.
آيا دانش هوش مصنوعي دنيا را دگرگون خواهد كرد:
ارزش نتايج محاسباتي، سريعاً افزايش خواهد يافت در صورتيكه فوراً گسترش و رشد يابد. اما آنها زماني گرانبها خواهند شد كه معني اين نتايج به سمت مهندسي يا نيازهاي توسعه، هدايت شود.
پيشرفتهائي در قدرت محاسباتي، درك و قابليتهاي ما را در كاربردي كردن فيزيك و شيمي محاسباتي توسعه خواهد داد. همانگونه كه پيشرفتهائي بزرگ در تكنولوژي اغلب منشعب از نتايج و مشاهدات آزمايشگاهي است، مدلسازي مولكولي با افزايش دقت در حل پيچيدگيهاي مدل به گونه‌اي كه منجر به نتايج سودمند كاربردي شود، در رشد تكنولوژي مفيد است. البته نبايد از نظر دور داشت كه 90% مسائل در ذهن ساخته و پرداخته ميشود وابزارهاي محاسباتي تنها راهي براي آزمايش، روشهاي مختلف حل هستند.
مدلسازي مؤثر و مديريت نتايج آن، به برداشت كارشناسي و موفقيت آميز از كدهاي مدلسازي مولكولي وابسته است البته، انتخاب روشهاي تئوري بر پاية مجموعة شيمي كوانتوم يا پتانسيلهاي بر هم كنشي ( شبيه سازي مولكولي) حداقل نقش و سطح را در تصميم سازي ايفاد مي كنند.
كدام تركيب براي متعادل كردن زمان و دقت مورد نياز است؟ بهترين تنظيمات براي بهترين نتايج صنعتي كدامند؟
يك Interface مناسب مي‌تواند در خواست‌ها را ارزيابي كند و پيشنهاداتي را در جهت برآورد زمان محاسبات و ساير منابع مورد نياز، به استفاده كننده نشان دهد. همچنين با نشان دادن نتايج وتصوير سازي نتايج محاسبه شده راههائي را براي ارزيابي نشان ميدهد
منابع :
http://nano.ir/
http://daneshnameh.roshd.ir/ -
www.sharghian.com
/س