بررسی نانوتکنولوژی در معماری

دسته بندي : فنی و مهندسی » معماری
مقدمه:

باتوجه به افزایش روزافزون تولید گازهای گلخانه‌ای و گرم شدن کرهٔ زمین و به خطر افتادن محیط زیستو اهمیت پایداری انرژی و تولید انرژی‌های پاک حضور معماری در این عرصه بسیار مهم و قابل توجه می‌باشد. امروزه معماری پایدار در تمام زمینه‌های مربوطه از مسایل روز دنیای معماری می‌باشد که فناوری نانو در این زمینه نقش پررنگی را بخصوص از طریق مواد و مصالح مصرفی ساختمان می‌تواند ایفا کند. این نقش بطور مثال در چگونگی پراختن به این موارد که چطور می‌توان به کمک فناوری نانو مواد و مصالحی با استحکام بیشتر سبک تر و ارزان تر را نسبت به مواد فعلی در اختیار داشت چگونگی مقاوم کردن بیشتر مواد و مصالح در برابر تغییرهای جوی و باران‌های اسیدی و خوردگی‌های ناشی از واکنش‌های شیمیایی در حین اجرا و ساخت عایق کردن مواد ومصالح در برابر گرما و سرما و صوت در جهت کاهش مصرف انرژی و اینکه فناوری نانو در این زمینه‌ها به چه دستاوردهایی رسیده و یا خواهد رسید مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین استفاده از مواد و مصالح هوشمند و حتی خود ترمیم به کمک این فناوری بررسی نانو تیوب‌ها و نانووایرها و نقش آن‌ها در جهت بهبود مسایل فوق و همچنین استفاده از حسگرهای زیستی برای درک محیط اطراف و دستاوردهای این فناوری روز دنیا در جهت تولید و نور که در ساختمان‌ها و فضای معماری بسیار دارای اهمیت می‌باشد

خلق پوشش‌هایی به ضخامت یک اتم متشکل از ابرمتریال‌های انرژی‌زا که هم چون لباسی، ساختمان را در بر خواهند گرفت، معماران را قادر می‌سازد ساختمان‌هایی پیچیده با قوس‌هایی ظریف طراحی کنند که حمل کننده باتری‌های خورشیدی هستند؛ استودیوهای شخصی و تلفن‌های خورشیدی می‌توانند انرژی «لباس ساختمان» را برای شارژ باتری‌های خود در اختیار بگیرند. نانوکامپوزیت‌ها که از متریال‌های رایج مانند استیل، بتن، شیشهو پلاستیکبه دست می‌آیند، کارایی،پایداری، و نسبت طول به وزن مصالح را بهبود می‌بخشند. نانولوله‌های کربنی، نورپردازی کوانتوم‌دات‌ها و نانوسنسورهادر تعامل با یکدیگر محیط را حس می‌کنند، برنامه‌ریزی می‌شوند، انرژی را به هم تبدیل می‌کنند و در نهایت با هم ساختمانی قوی‌تر، باهوش‌تر و با حساسیت محیطی بیشتر تولید خواهند کرد.

این چشم‌انداز بی‌نظیر دست یافتنی است؛ زیرا ذرات رفتارهای متفاوتی در مقیاس نانو دارند، فضایی که قوانین فیزیک کوانتوم بر آن حاکم است. در دنیای کوانتوم می‌توان رنگ، فرام و ظاهر اشیا را بسیار ساده‌تر از مقیاس ماکرو تغییر داد. خواص بنیادین مواد نظیر استحکام، نسبت سطح به جرم، رساناییو الاستیسیته می‌توانند طوری طراحی شوند که مصالح متفاوت و مهیجی را خلق کرد. دیدن جهان اتم به معنای عادی کلمه میسر نیست، چون خواص آن کوچکتر از طول موج نور قابل دیدن است. اما با ساخت میکروسکوپ در سال ۱۹۸۱ توسط پژوهشگرانشرکت آی‌بی‌ام، این امکان به دانشمندان داده شد که برای اولین بار اتم‌ها، مولکول‌ها و پستی و بلندی‌ها در مقایس جهان نانو را ببینند. درك ماهيت مواد و چگونگي ساختارهاي آنها هميشه از اهميت ويژه اي برخوردار بوده است . مواد علاوه بر اينكه جزء مواهب طبيعت به شمار مي آيند ، در ساخت وسايل و تامين احتيجات انسان نقش عمده اي دارند . علم هم به تناسب پيشرفتي كه در چند سال اخير داشته ،توانسته است ديدگاه درستي از ماده و توانايي هاي آن پيدا كند به گونه ايکه اکنون با بررسي زمينه هاي اتمي و زير اتمي مواد و عناصر، امكان ساخت و بنا گذاري مدل هاي جديدتري از مولكول ها فراهم شده است . در اين نوشتار كاربردهاي اين فناوري را مورد بررسي قرار مي دهيم . با اين اميدكه شما نيز از فناوري معرفي شده نهايت استفاده را داشته باشيد .
نانوتكنولوژي چيست ؟

بشر از همان ابتداي تاريخ توجهي به ساختارهاي خيلي بزرگ و يا خيلي كوچك نداشته ، بلكه تمامي همت خود را معطوف ساخت و ساز در محدوده ي عادي و مورد دسترس نموده است.
براي اينكه تصور جامع تري نسبت به موضوع ارائه دهيم مي توانيم از سيستم SI يادکنيم ، در اين سيستم واحد طول متر انتخاب شده و ديگر اندازه هاي طولي از آن مشتق مي شوند . بشر در ابتدا نه توانايي اين را داشت كه به محدوده هاي ديگر وارد شود و نه لزوم كار در چنين محدوده هايي را احساس مي كرد . اما اين روند كه انسان تا به ديروز دنبال مي كرد ، ديگر جواب گوي نياز بشر امروزي نيست . هر چند با اختراع ترانزيستور ها و … توانسته ايم تا حدودي وارد ميكروالكترونيك شده و از آن بهره مند شويم با اين وجود براي ساخت كامپيوترها به مشكل برخورد كرده ، مشكلي به بزرگي كوچك كردن اندازه در حد اتمي كه تقريبا تمام استراتژيهاي حل اين مسئله به نوعي با نانوتكنولوژي در ارتباط مي باشند.

و اما نانوتكنولوژي كه در بالا اشاره كرديم ، اين واژه ي عجيب كه از تركيب نانو به معناي عدد نه و همچنين تكنولوژي ساخته شده است ، چه مفهومي را مي رساند … ؟! نه فناوري ؟ تكنولوژي عدد نه ؟
خير در حقيقت نانو در اين واژه مخفف نانومتر و يا در كل اندازه ي ۹-۱۰ متر است .كه تلفيق آن با نانوتكنولوژي مفهومي كلي را در بر مي گيرد، به هر كاري كه در اندازه ي اتمي و مولكولي انجام شود نانوتكنولوژي اطلاق مي شود و هيچ نوع تفاوتي وجود ندارد كه يك پروژه ي زيست شناسي باشد و يا اينكه براي درك ماهيت اتم و ساختن يك ساختمان اتمي صورت گيرد و خوشبختانه نانوتكنولوژي توانسته محققان رشته هاي مختلف را به سوي خود بكشاند . دانشمندان به اهميت كار در اين محدوده پي برده اند و امروزه شاهد فعاليت گروه هاي مختلف تحقيقاتي هستيم كه پيشرفت هاي حاصله از كار آنها گوياي پتانسيل هاي بالاي نانوتكنولوژي است .

براي اينكه مفصل تر با كاربردها و تاثيراتي كه روند كوچك سازي بر زندگي و پيشرفت دنيا خواهد داشت پي ببريم ، بهتر است سفري به ۴۵ سال پيش داشته باشيم . زماني كه ريچارد فاينمن فيزيك دان آمريكايي در حال ارائه ي ايده هاي اوليه ي خود در باب نانوتكنولوژي بود . ابتدايي ترين آنها كوچك سازي تمامي بيست و نه جلد دايره المعارف بريتانيا است ، وي كه فضاي موجود برسر سوزن را بهتر از افراد ديگر مي ديد ( زيرا فيزيك دان ذرات بنيادي بود ) به دانشمندان اين نويد را داد كه مي توانند اين كتاب را بر سر يك سوزن جاي دهند .چرخ دنده هاي اتمي و غيره نيز از جمله مباحث پيشنهادي توسط فاينمن به شمار مي آيند . اين قبيل

پيش بيني ها زمينه اي شد براي يكي از جوان ترين نانوتكنولوژيست ها به نام اريك دركسلر ،او با نوشتن كتب متعدد توانست نظرات خود را به ديگران انتقال دهدو به افراد مشتاق كوچك سازي ايده و هدف ارائه كند .
دركسلر كسي بود كه اولين بار پژوهشگران را با روبات هاي شناور در جريان خون بدن انسان كه مي توانستند به انجام عمل جراحي و درمان بيماريهاي انسان بپردازند ، آشنا ساخت . اين روبات هاي مولكولي شناور در جريان خون بدن همانند اختراع تلفن براي برخي از مردم ناراحت كننده بودند ، ولي به هر حال مشخص است كه ماشينهايي از اين دست انجام بسياري از عمل هاي جراحي و نيز درمان بيماريهاي خطر آفرين را تسهيل ميکرد . هم اكنون موسسات مختلفي در سراسر جهان مشغول تحقيق بر روي اين نوع ماشينها هستند .

به موازات پيش بيني هاي ذكر شده برخي ديگر از ايده هاي ا فراطي خطر ناک نيز شكل گرفته اند ، كه هر چند تعدادي از آنها با حقائق علمي امروز منطبق نيست ، اما مي توان ثابت كرد كه نانوتكنولوژي دستيابي به آنها را آسان مي نمايد. مثلا رنگي هوشمند كه مي تواند بسته به شرايط محيطي تغيير ماهيت دهد ، و يا اينكه لاستيكي كه تا مدت زمان زيادي فروسوده نشود اينها ايده هايي هستند كه امكان دستيابي به آنها زياد بعيد نيست . اما ساختن ماده اي به نام Gray goo كه در صورت كنترل نكردن صحيح آن مي تواند در عرض هفتاد و دو ساعت تمامي جهان را احاطه كند باعث به وجود آمدن ترس و واهمه در ميان جوامع نسبت به نانوتكنولوژيست ها و اهدافشان شده است .
در هر صورت ما براي اينكه مجبور نباشيم هر روز صبح داندانهايمان را مسواك بزنيم به نانوتكنولوژي و ساخت مولکول به مولكول آينده نيازمنديم ؟!!
فناوري نانو چيست؟

نانوتكنولوژي توليد مولكولي يا به عبارت دیگر ، ساخت اشياء در سایزهای اتم به اتم، مولكول به مولكول توسط روبات های برنامه‌ريزي شده در مقياس نانومتريك است و نانومتر يك ميلياردم متر است .
جمهوري اسلامي ايران و فناوري نانو
جمهوري اسلامي ايران، فناوري نانو را به عنوان اولويت اصلي فناوري كشور انتخاب نموده و براي آن برنامه ريزي مي كند. تشكيل ستاد ويژة توسعة فناوري نانو با هدف برنامه ريزي بلند مدت و نظارت بر تحقق اهداف نيز در همين راستا مي باشد.بر اساس بند ب مادة ۴۳ برنامة چهارم توسعه كشور، دولت بايد در سال اول برنامه، سند جامع توسعة فناوري نانو را به تصويب برساند كه تدوين اين سند توسط ستاد انجام شد و در حال ارائه به هيأت دولت مي باشد .

نانو تکنولوژی و میکرو الکترونیک
دانش میکروالکترونیک امروزه گسترش چشمگیری پیدا کرده است . طبق تئوری scaling که در شرکت IBM مطرح شد ، کاهش ابعاد ترانسیزتور CMOS منجر به بهبود سرعت ، قیمت و توان مصرفی می شود
بنابراین سایز ترانزیستورها هر ۳ سال به طور متوسط ۰٫۷ برابر کوچکتر شده است اما به دلیل قوانین مکانیک کوانتوم محدودیت تکنیک های ساخت ممکن است . از کاهش بیش از این از لحاظ اندازه در ترازیستورهای FET معمولی جلوگیری شود و در یکی دو دهه آینده با روش های متداول ساخت در ابعاد زیر ۵۰ نانومتر متوقف شود به این ترتیب کوچک سازی عناصر مدارها تا به حد نانومتری حتی در اندازه مولکولی محققان را به سمتی سوق می دهد که در جهت افزایش قدرت و کارایی ترانزیستور ها خیلی بیشتر از حالت معمولی فعالیت می کنند دستگاههای نانومتری جدید می توانند در دو حالت سوییچ و آمپلی فایر ایفای نقش می کنند با وجود این بر عکس FET های امروزی که عمل آنها بر اساس جابه جایی اجرام الکترونها در حجم ماده می باشند دستگاههای جدید بر اساس پدیده مکانیکی کوانتومی عمل می کنند و در اندازه نانومتری ظاهر می شوند.

در سیستم های مجتمع فوق العاده فشرده امروزی ULSI که ضخامت اکسید گیت آنها به چند لایه اتمی می رسد .
تفاوت اساسی میان تکنولوژی ULSI و نانوتکنولوژی تفاوت میان روش پیاده سازی “بالا به پایین ” و ” پایین به بالا “برای تولید یک محصول است در روش بالا به پایین مساله اصلی هزینه بسیار زیاد کوچک تر کردن ابعاد ترانزیستورها با روش لیتوگرافی است ، در حالی که هدف اصلی تکنولوژی ULSI کاهش هزینه ها بر بیت در حافظه ها و هزینه بر سوییچ در مدارات منطقی بوده است. از آن سو در روش پایین به بالا انتظار می رود که با استفاده از روش های پیچیده شیمیایی و طراحی مولکولی بتوان بلوک های پایه سیستم را پیاده سازی کرد .
اما مساله اصلی یکنواختی و قابلیت اطمینان سیستم در مقیاس وسیع است . اگر بتوان معماری فعلی مدارات مجتمع را بر اساس روش پایین به بالا و با قابلیت اطمینان بالا پیاده کرد ، نانو تکنولوژی اهمیت فوق العاده در توسعه صنعت IC پیدا میکند.

در تکنولوژی ULSI از آنجایی که کارآمدی سیستم مورد نظر است بیشترین درجه آزادی در طراحی سیستم و سپس طراحی مدار وجود دارد ، لذا فرآیند ساخت و ادوات نیمه هادی مثل ترانزیستورها کمترین تنوع را دارند . متقابلا در نانو تکنولوژی بلوکهای پایه متنوعی با کارآمدی بالا وجود دارند در حالی که معماری سیستم وارتباط بین بلوک ها به خوبی در نظر گرفته نشده است .
به هر حال دو روش برای توسعه نانو الکترنیک متصور است . روش اول آن که نانو تکنولوژی با تکنولوژی موجود ULSI ترکیب شود . تلفیق رشته هایی مثل بیوتکنولوژی و الکترونیک ترکیب بازار صنعت داروسازی و صنعت نیمه هادی و نهایتا پیاده سازی سیستم های مجتمع که از مواد و اجزا متنوعی تشکیل شده اند از نتایج این روش به شمار می ایند. روش دوم آن که نانوتکنولوژی جایگزین تکنولوژی ULSI شود .این در صورتی مقدور خواهد بود که بتوان سیستم های فعلی را با کارکرد بهتر و قیمت پایین تر به روش پایین به بالا پیاده سازی کرد.
نتیجه:

آنچه كه مسلم است، الكترونيك مولكولي داراي آينده‌اي درخشان است و با آهنگ بسيار سريعي در حال رشد و تكامل است. از اين رو توجه خاصي را مي‌طلبد . نتايج عملي رشد و توسعه شاخه‌هاي نانوتكنولوژي مانند نانوالكترونيك سبب ساخت تجهيزاتي خواهد شد كه در مقايسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل كاملاً جديدي با قابليت‌هاي منحصر به فرد خواهد بود . نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار كارآمد در توليد محصولات نانوالكترونيك از اهميت خاصي برخوردارند، وليكن در اين ميان DNA به دليل داشتن خواص محلي و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهميت بيشتري برخوردار است . نانوتكنولوژي و شاخه‌هاي كاربردي آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونيك به عنوان پديده‌هايي نوظهور هنوز قبل از تجاري سازي محصولاتشان، احتياج به پيشرفت در هر دو زمينه علمي و تكنولوژيكي را دارد. با توجه به اينكه هم‌اكنون برخي از محصولات اين فناوري در بازار وجود دارد پيش‌بيني اينكه كداميك از محصولات آينده بهتري دارند (از نظر رقابتي) نياز به بررسي