نامگذاری ترکیبات ساده

قبل از اینکه ساختار پایه اجسام شیمیایی بنا نهاده شود، ترکیبات با نام افراد، محلها، و خواص ویژه نامگذاری شده بودند. برای نمونه نمک گلوبر (سدیم سولفات، کشف شده توسط جی. آر. گلوبر)، نمک آمونیاک (آمونیوم کلرید، برگرفته شده از نام خدای باستانی مصری آمون از معبد نزدیک مکان بوجود آمده جسم)، و سودا شوینده (سدیم کربنات، استفاده شده برای نرم کردن آب شستشو) را می توان ذکر کرد. امروزه میلیونها ترکیبات متعدد شناخته شده اند و هزاران ترکیب دیگر نیز سالانه کشف می شوند. بدون یک سیستم نامگذاری ترکیبات، نوشتن نام ، با این زیادی اجسام یک وظیفه نا امید کننده خواهد شد. نامگذاری شیمیایی نامگذاری سیستماتیک ترکیبات شیمیایی است.

اگر یک ترکیب در تقسیم بندی آلی قرار نگیرد،  آن ترکیب بایستی معدنی باشد. ترکیبات معدنی ترکیبات عناصر دیگر غیر از کربن هستند. تعداد کمی استثنا در این شکل طبقه بندی شامل کربن مونو کسید، کربن دی اکسید، کربناتها، و سیانیدها می شوند؛ که همگی دارای کربن هستند و بطور کلی هنوز جزو معدنی ها محسوب می شوند.

در این بخش، ما در مورد نامگذاری تعدادی از ترکیبات معدنی ساده بحث خواهیم کرد. در ابتدا ما به نامگذاری ترکیبات یونی، بعد از آن، به تعدادی از ترکیبات مولکولی ساده، شامل ترکیبات مولکولی دوتایی (ترکیبات مولکولی دو عنصری) و اسیدها، و در نهایت، به هیدراتهای ترکیبات یونی خواهیم پرداخت. هیدراتهای ترکیبات یونی دارای مولکولهای آب آزاد همراه با ترکیبات یونی هستند.

همانطوریکه ما در بخش قبلی دیدیم، ترکیبات یونی، اجسامی هستند که از یونها تشکیل شده اند. اغلب ترکیبات یونی شامل اتمهای یک فلز و یک غیر فلز، برای مثال،NaCl می شوند. (نمکهای آمونیوم، مانند NH₄Cl، یک استثنا برجسته هستند.) شما نامگذاری یک ترکیب یونی را با نامیدن کاتیون آن در اول و سپس آنیون آن در ادامه انجام  می دهید. برای مثال،

 

 

پتاسیم          سولفات

نام کاتیون       نام آنیون

قبل از اینکه شما بتوانید ترکیبات یونی را نامگذاری کنید، شما باید توانایی نوشتن نام یونها را داشته باشید.

ساده ترین یونها تک اتمی هستند. یک یون تک اتمی یونی تشکیل شده از یک اتم است. جدول یونهای تک اتمی معمول عناصر گروه اصلی را فهرست کرده است. قبل از اینکه شما به جدول نگاه کنید اول شما با قواعد پیشگویی بار روی چنین یونهایی و سپس به قواعد نامگذاری یونهای تک اتمی آشنا شوید.

 

 

قواعد پیشگویی بار یونهای تک اتمی

1. اغلب عناصر فلزی گروه اصلی یک کاتیون تک اتمی با بار برابر شماره گروه در جدول تناوبی (عدد رومی) را دارند. مثال: آلومینیوم، در گروه IIIA، یون تک اتمی Al³⁺ دارد.

2. تعدادی از عناصر فلزی با عدد اتمی بالا از قاعده قبلی استثنا هستند؛ آنها بیش از یک کاتیون دارند. این عناصر علاوه بر داشتن کاتیون با بار برابر شماره گروه، کاتیون متعارف با بار برابر شماره گروه منها 2 را نیز دارند. مثال: کاتیون متعارف سرب Pb²⁺ است. (شماره گروه 4 است؛ بار 2-4 است.) علاوه بر ترکیبات دارای Pb²⁺، برخی ترکیبات سرب دارای Pb⁴⁺ هستند.

3. اغلب فلزات واسطه بیش از یک کاتیون تک اتمی با بار متفاوت تشکیل می دهند. بیشتر این عناصر یک یون با بار 2+ دارند. مثال: آهن کاتیونهای متعارف Fe²⁺ و Fe³⁺ را دارد. مس کاینونهای متعارف Cu⁺ و Cu²⁺ را دارد.

4. بار آنیون تک اتمی برای یک عنصر غیر فلزی گروه اصلی برابر با شماره گروه منهای 8 است. مثال: اکسیژن آنیون تک اتمی O^2- را دارد. (شماره گروه 6 است: بار 8-6 است.)

عناصر نشان داده شده رنگی ترکیبات یونهای تک اتمی ندارند.

http://khaneashimiardabil.ir

ژل ضدعفونی کننده غیر الکلی

هفتمین مسابقه ملی فناوری نانو

 

http://khaneashimiardabil.ir

ترکیبات آلی

یک طبقه مهم از اجسام مولکولی ترکیبات آلی هستند که کربن ترکیب شده با سایر عناصر، نظیر هیدروژن، اکسیژن، و نیتروژن دارند. شیمی آلی بخشی از شیمی است که با این ترکیبات در ارتباط است . از نظر تاریخی، ترکیبات آلی از موادی که فقط از موجود زنده می توانستند تولید بشوند، محدود شده بودند و فرض شده بود که با توجه به منبع طبیعیشان دارای "نیروی حیاتی" هستند. وقتی شیمیدان آلمانی، فردریش وهلر اوره (ترکیب مولکولی در ادرار انسان، CH₄N₂O، شکل1) را از ترکیب مولکولی آمونیاک (NH₃) و سیانیک اسید (HNCO) سنتز کرد، مفهوم نیروی حیاتی در 1828 رد شد. کار وی بطور روشنی ثابت کرد که یک ترکییب معین خواه از موجود زنده بدست آمده یا سنتز شده باشد، دقیقا یکی است.

شکل 1

مدل مولکولی اوره (CH₄N₂O)

اوره اولین مولکول آلی توسط یک شیمیدان از ترکیبات غیر آلی سنتز شد.

ترکیبات آلی قسمت عمده همه ترکیبات شناخته شده را می سازند. از 1975، بیش از 13 میلیون (60%) اجسام ثبت شده در ثبت مواد بین المللی با عنوان آلی فهرست شده است. شما هر روز با ترکیبات آلی هم در مواد زنده و هم در مواد غیر زنده مواجه می شوید. پروتئینها، آمینو اسیدها، آنزیمها، و DNA که سازنده بدن شما هستند همگی یا مولکولهای آلی یا حاوی مولکولهای آلی هستند. شکر خوراکی، روغن بادام زمینی، داروهای آنتی بیوتیکی، و متانول (شوینده شیشه جلوی ماشین) همگی مولکولهای آلی هستند. شیمی آلی و ترکیبات بوجود آمده با واکنشهای مولکولهای آلی احتمالا تشکیل دهنده اکثریت مواد موجود در اطراف شما در حال خواندن متن این صفحه هستند.

ساده ترین ترکیبات آلی هیدروکربنها هستند. هیدروکربنها ترکیباتی هستندکه فقط دارای هیدروژن و کربن هستند. مثالهای عادی شامل متان (CH₄)، اتان (C₂H₆)، پروپان (C₃H₈)، استیلن (C₂H₂)، و بنزن (C₆H₆) هستند. هیدروکربنها اغلب به عنوان منبع انرژی برای گرم کردن خانه ها، سوخت موتورها، و تولید برق استفاده شده اند. همچنان هیدروکربنها مواد آغازین برای اغلب پلاستیکها هستند. قسمت اعظم تحرک و راحتی تمدن فعلی ما بر اساس قیمت پایین و وجود هیدرو کربنها بنا شده است.

شیمی مولکولهای آلی اغلب با گروه اتمهای موجود در مولکول که خواص منحصر بفردی دارند، تعیین شده است. یک گروه عاملی یک قسمت واکنش پذیر مولکول است که واکنشهای قابل پیشگویی را انجام می دهند. وقتی شما از اصطلاح الکل، که یک ترکیب مولکولی است، استفاده می کنید، شما در عمل یک مولکول شیمیایی که یک گروه عاملی OH- را دارد مد نظر دارید. متیل الکل فرمول شیمیایی CH₃OH دارد. واژه اتر یک مولکول آلی دارای یک اتم اکسیژن بین دو اتم کربن، همانند دی اتیل اتر (CH₃CH₂OCH₂CH₃) را نشان می دهد. جدول 1 چندین مثال از گروههای عاملی آلی همراه با مثال ترکیبات را نشان می دهد.

 

جدول 1 مثالهایی از گروههای عاملی آلی
گروه عاملی	نام گروه عاملی	نمونه مولکول	استفاده عمومی
-OH	الکل	متیل الکل (CH3OH)	شوینده شیشه ماشین
-O-	اتر	دی متیل اتر (CH3OCH3)	حلال
-COOH	کربوکسیلیک اسید	استیک اسید (CH3COOH)	اسید سرکه

 

بررسی مفهوم 

تشخیص دهید که کدام یک ازترکیبات ذیل می توانند هیدروکربن، الکل، اتر، یا کربوکسیلیک اسید باشند؟

http://khaneashimiardabil.ir

مثال 2-3

نوشتن فرمول یونی، با یونهای معلوم

الف. کروم(III) اکسید به صورت رنگدانه سبز رنگ  مصرف می شود. این ترکیب از یونهای Cr³⁺ و O^2- تشکیل شده است. فرمول کروم (III) اکسید چه هست؟

ب. استرونسیم اکسید ترکیب تشکیل شده از یونهای Sr²⁺ و O^2- است. فرمول این ترکیب را بنویسید.

 

استراتژی مسئله بخاطر اینکه ترکیب خنثی است، مجموع بارهای مثبت و منفی صفر است. ترکیب یونی CaCl₂، با یک یون Ca²⁺ و دو یون ^–Cl را در نظر بگیرید. مجموع بارها 0 = (1-) × 2 + (2+) ×1 است.

توجه شود که تعداد یونهای کلسیم در CaCl₂ با اندازه بار یون کلرید (1) برابر است. در حالیکه تعداد یونهای کلرید در CaCl₂ برابر با بار یون کلسیم (2) است. در کل، شما اندازه بار روی هر یون را برای بدست آوردن زیرنویس برای یون دیگر بدست آورید. شما نیاز به ساده کردن فرمول بدست آمده با این روش خواهید داشت در نتیجه فرمول ساده ترین تسبت یونها را بیان می کند.

حل الف. شما می توانید به خنثی بودن الکتریکی با اختصاص بار آنیون به تعداد کاتیونها و بار کاتیون به تعداد آنیونها برسید. دو یون Cr³⁺  بار کل +6، و سه یون O^2- بار کل -6 را دارند که ترکیبشان بار شبکه را صفر می کند.ساده ترین نسبت Cr³⁺  به O^2- 2:3 است، و فرمولش Cr₂O₃ است. توجه شود که بار (بدون علامتش) روی یک یون زیرنویس یون دیگر می شود.

ب. شما می توانید ببنید که تعداد برابر از یونهای Sr²⁺ و O^2- ترکیب خنثی را خواهد داد. بدین ترتیب فرمول SrO است. اگر شما از واحدهای بار برای پیدا کردن زیرنویس استفاده کنید، شما خواهید داشت:

فرمول نهایی SrO است، زیرا که این فرمول ساده ترین نسبت یونها را می دهد.

 

بررسی جواب

در موقع نوشتن فرمولهای یونی، همیشه مطمئن باشید فرمولی که شما می نویسید کوچکترین نسبت عدد کل یونها را نشان بدهد. برای نمونه، با استفاده از تکنیک استفاده شده در این مثال، Pb⁴⁺ و O^2- با ترکیب شدن Pb₂O₄ را  می دهد، گرچه، فرمول درست PbO₂ است، که کوچکترین نسبت عدد کل یونها را نشان می دهد.

تمرین:پتاسیم کرومات یک ترکیب مهم کروم است  که از یونهای K⁺ و CrO₄^2- تشکیل شده است. فرمول ترکیب را بنویسید.

مسئله ها

1-فرمول ترکیبی هر یک از جفت یونهای ذیل را بنویسید.

2- فرمول ترکیبی هر یک از جفت یونهای ذیل را بنویسید.

http://khaneashimiardabil.ir

 

لوح تقدیر

تفاوت‌های دنیای نانو

نانومتر یک واحد اندازه‌گیری است برابر با ^9-10 متر و تمام اشیاء و موجوداتی که اندازه آنها در حد 1 تا 100 نانومتر است را نانومقیاس می نامند. خواص مواد به دو بخش خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم‌بندی می شود. تجربه نشان داده ویژگی‌های یک ماده خالص تا حد قابل قبولی ثابت است و این امر سبب می شود که ما بتوانیم مواد را از روی خواصشان شناسایی کنیم. اما یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که یک ماده در اندازه نانومتر ویژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگتر خود خواهند داشت. این در حالی است که کوچک‌ کردن ذرات، یک تغییر فیزیکی است و ما انتظار داریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی‌های اصلی ماده تغییر نکند.

1. چرا نانو؟

1.1. چرا مقیاس نانو اهمیت دارد؟

نانومتر یک واحد اندازه‌گیری است برابر با ^9-10 متر و تمام اشیاء و موجوداتی که اندازه آنها در حد 1 تا 100 نانومتر است، اشیاء و موجودات نانو مقیاس نامیده می‌شوند. این روزها نام نانو را بسیار می‌شنویم: علوم و فناوری نانو، دانشمندان نانو، ستاد نانو، باشگاه نانو، سمینار نانو، کارگاه نانو، کتاب نانو و ... . به نظر شما چرا این "نانو"ی بسیار کوچک این‌قدر مهم شده و نامش بر سر زبان‌ها افتاده است؟ 

خواص مواد را می‌توان به دو بخش خواص فیزیکی و خواص شیمیایی تقسیم‌بندی کرد. رنگ، شفافیت، خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی، سختی، حلالیت، نقطه ذوب و ... ویژگی‌هایی هستند که آنها را با نام خواص فیزیکی می‌شناسیم و سرعت واکنش، واکنش‌پذیری و .... از جمله خواص شیمیایی هستند. تجربه چند هزار ساله زندگی انسان به او نشان داده که در شرایط عادی، ویژگی‌های یک ماده خاص تا حد قابل قبولی ثابت است و به این دلیل است که ما می‌توانیم مواد را از روی خواصشان شناسایی کنیم.

موضوع جذابیت مقیاس نانو نیز مربوط به خواص مواد است. یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که خواص مواد در مقیاس نانو بسیار متفاوت از مقیاس ماکرو است. به عبارت دیگر اگر ذراتِ یک ماده خاص را در حد چند نانومتر (1 تا 100 نانومتر) کوچک کنیم، این ذرات ویژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگ اولیه خواهند داشت. این در حالی است که کوچک‌کردن ذزات یک تغییر فیزیکی است و ما انتظار نداریم که با این تغییر فیزیکی، ویژگی‌های اصلی ماده تغییر کند. این امر سبب گردیده مقیاس نانو بیش از سایر مقیاس‌ها مورد توجه قرار گیرد.

 

1.1.1. تغییر رنگ

شکل (1) – مقایسه ذرات شیشه خرد شده و شیشه سالم

 

حتما بارها خرده‌های یک شیشه شکسته شده را دیده‌اید. ذرات حاصل از شکستن یک شیشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافیت شیشه اولیه هستند. اما این قاعده در مقیاس نانو صادق نیست. یعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است. طلا و نقره شناخته شده‌ترین نمونه‌های این مواد هستند. شکل (2) نمودار تغییرات رنگ ذرات طلا را بر حسب اندازه آنها نشان می‌دهد. این پدیده در دنیای ماکرومقیاس ما یک اتفاق غیر معمول است اما از آن غیرعادی‌تر این است که نانو ذرات نقره با تغییر شکل هندسی هم تغییر رنگ می‌دهند. شکل (3) رنگ ذرات نقره و طلا را در شکل‌های هندسی مختلف نشان می‌دهد.

شکل (2) - رنگ ذرات طلا را بر حسب اندازه

شکل (3)- رنگ نانوذرات نقره و طلا در هندسه‌های مختلف

1. تغییر شفافیت

شفافیت، یک خاصیت فیزیکی است و نشان‌دهنده میزان توانایی یک ماده در عبود دادن نور مرئی از خود است. یک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند، جذب آن گردد یا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و یا آنها را باز ‌تاباند، نور را مسدود کرده است. مواد مختلف بسته به عملکردشان در برابر تابش نور، می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد. به عنوان مثال اکسید روی و اکسید تیتانیوم نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌کنند. این مواد که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسیار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسیاری رنگ سفیدی را که این کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه این مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد. 

نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اینکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، اما برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته این امر ناشی از عبور نور مرئی از این ذرات نیست، بلکه به سبب آن است که اندازه نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) است و از این ‌رو این ذرات توانایی بازتابش نور مرئی را ندارند.

شکل (4)– تغییر رنگ ذرات اکسید تیتانیوم بر حسب اندازه

 

3.1.1. تغییر خواص مغناطیسی

کمی براده آهن را در یک لیوان آب حل کنید و آن را خوب به هم بزنید. قبل از اینکه براده‌ها ته‌نشین شوند، یک آهن‌ربا را به لیوان نزدیک کنید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا مخلوط آب و براده نسبت به میدان مغناطیسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر این آزمایش را خیلی خوب انجام داده باشید، بهترین نتیجه حاصل جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همین آزمایش را توسط ذرات نانومتری آهن (یا کبالت) تکرار کنیم، نتیجه متفاوت خواهد بود.

سیال مغناطیسی (یا فروفلوید) مایعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطیس (مانند آهن و کبالت) که در آب یا یک حلال آلی معلق شده‌اند. این مایع در حضور یک آهنربا (یک میدان مغناطیسی) خاصیت مغنایسی بسیار قوی از خود نشان می‌دهد، به نحوی که با حرکت آهن‌ربا در اطراف این مایع می‌توان آن را به شکل‌های سه‌بعدی زیبایی درآورد. البته این سیال تا زمانی از خود چنین خاصیتی نشان می‌دهد که ذرات نانومتری آن (تحت نیروهای بین‌مولکولی) به یکدیگر نچسبند.

شکل (5)- سیال مغناطیسی

 

4.1.1. تغییر واکنش‌پذیری 

خواص شیمیایی یک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمی‌توان آنها را اندازه‌گیری کرد. به این معنا که مقدار یک کمیت‌ شیمیایی در طی واکنش و برهم‌کنش یک ماده با مواد دیگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذیری یا تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهم‌ترین خواص شیمیایی است. بیشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سدیم، لیتیم یا پتاسیم را در تماس با آب دیده‌ایم (شکل 6). همه این ها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذیرند. تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن یک انگشتر طلا در یک لیوان آب اتفاقی نمی‌افتد و یا پنجره‌های آلومینیومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته این به مدد لایه مقاوم اکسیدی است که بر روی سطح آلومینیوم تشکیل می‌شود). اما همین مواد در مقیاس نانو رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.

شکل (6)- واکنش‌پذیری بالای سدیم و آب

 

واکنش‌پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری پیدا می‌کند. در این مقیاس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذیری بالایی دارند، بلکه برای افزایش سرعت واکنش مواد دیگر (به عنوان کاتالیزگر) نیز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومینیوم در هوا آتش می‌گیرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزایش واکنش‌پذیری مواد در این مقیاس، امکان ساخت کاتالیزگرهای بسیار قوی‌تری را برای ما فراهم کرده است. تا آنجا که پیش‌بینی می‌شود بتوانیم با استفاده از نانوکاتالیزگرها واکنش‌های بازگشت‌ناپذیر بسیاری را (مانند تشکیل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محیط برگشت‌پذیر کنیم.

آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغییر ویژگی‌های یک ماده در مقیاس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی و ده‌ها خاصیت فیزیکی و شیمیایی شناخته شده دیگر نیز در این مقیاس تغییر می‌کنند. گویا دیگر نمی‌توانیم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، آنرا از روی خواصش شناسایی کنیم. برخی برای حل این مشکل پیشنهاد داده‌اند که یک بُعد دیگر به جدول تناولی مندلیف اضافه کنیم. بدین معنی که برای مشخص کردن خواص یک عنصر، علاوه بر اینکه باید نام آن عنصر و جایگاه آن را در جدول مندلیف مشخص کنیم، لازم است که معلوم کنیم خواص عنصر را در چه ابعادی می‌خواهیم.

شکل(7)- جدول تناوبی سه بعدی

 

ما در دنیای ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته‌بندی می‌کنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می‌کنیم. برای ساخت پنجره از شیشه استفاده می‌کنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد؛ برای ساخت زیورآلات ماندگار از طلا استفاده می‌کنیم، زیرا واکنش‌پذیری پایینی دارد و اکسید نمی‌شود؛ برق را با رشته‌های مسی انتقال می‌دهیم چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد و از آنجا که فولاد یکی از سخت‌ترین مواد دنیای ماست، ابزارهای بزرگی صنعتی‌مان را از آن می‌سازیم.

http://edu.nano.ir

 

 

معرفی نانوفناوری از زبان بنیانگذار آن

ریچارد فاینمن، فیزیکدانی است که نقش به سزایی در شکل گیری علوم نانو داشته است. در زمانی که کسی اطلاعات چندانی در زمینه ی علوم نانو نداشت، او در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با عنوان «در پایین دست، فضای زیادی وجود دارد»، سوالاتی در زمینه کار با مواد و اجسام در ابعاد خیلی ریز طرح کرد که ذهن هر شنونده ای را به خود مشغول ساخت. او همچنین با ذکرتفاوت های علوم نانو و فیزیک بنیادی، پیشنهادهایی مطرح کرد که هرچند برای افراد درآن دهه تعجب برانگیز و غیرممکن تصور می شد، اما امروز شاهد اجرائی شدن بسیاری از این پیشنهادها هستیم و با پیشرفت روزافزون بشر در زمینه علوم مختلف و تکنولوژی و همچنین دست یابی انسان به ابعاد بسیار ریز ماده، پیش بینی می گردد که تمامی پیشنهادهای او روزی به حوزه ی واقعیت های علم بشر وارد شوند.

1- تاریخچه‌ نانو
1-1- پیشنهادهای فاینمن درباره فناوری نانو
دیدگاه‌های ریچارد فاینمن، فیزیکدان برندة جایزه نوبل سال 1965، نقش به‌سزایی در پی‌ریزی علوم نانو داشته است. او دیدگاه‌های خود را در یک سخنرانی در انجمن فیزیک آمریکا با نام «در پایین‌دست، فضای زیادی وجود دارد»، مطرح کرد (29 دسامبر 1959، برابر با 23 آذر 1338). در این سخنرانی پیش‌بینی‌های قابل توجهی مطرح شد که در زمان ما تحقق بسیاری از آنها مشهود است. متنی که می‌خوانید، ترجمه‌ای است از سخنرانی فاینمن و توضیحاتی که در مورد میزان تحقق آن پیش‌بینی‌ها داده شده‌اند.
 

•  حوزه علوم نانو

فاینمن:
می‌خواهم حوزه‌ای را شرح دهم که هنوز جای کار زیادی دارد. این حوزه شبیه حوزة فیزیک ذرات بنیادی نیست، زیرا چیز زیادی در مورد اینکه ذرات بنیادی عجیب چه هستند نمی‌گوید. بلکه بیشتر شبیه فیزیک حالت جامد است، چون در مورد پدیده‌های عجیبی که در شرایط پیچیده اتفاق می‌افتند، اطلاعات جالبی می‌دهد. به علاوه، نکته‌ای که از همه مهمتر است، تعداد زیادِ کاربردهای تکنیکی این حوزه است.

نکته:
واقعیت این است که علوم نانو نگرشی بنیادی درباره جهان در مقیاس کوچک به ما نمی‌دهند. نگرش بنیادی، پدیده‌های عالم را با معادلات ریاضی واحدی توضیح می‌دهد. علوم نانو به مقیاس کوچک‌تر از اتم کاری ندارند. در عوض، در مورد ذرات بنیادی بسیار ریزتر ــ به کوچکی کوارک‌ها و لپتون‌ها که حداقل ده مرتبه کوچک‌تر از اتم هستند ــ فیزیک بنیادی دستاوردهای خوبی دارد.
از سوی دیگر، علوم نانو نگرش متفاوتی در مورد ظهور پدیده‌های جدید می‌دهند. در این نگرش، از کنار هم گذاشتن تعدادی برهم‌کنشِ ساده بین اجزای تشکیل‌دهندة سیستم، خاصیت جدیدی در کل سیستم، متفاوت با خواص اجزای آن، بروز می‌کند؛ چیزی که در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تا حدی مشاهده شده است. بنابراین، علوم نانو به ما نگرشی بنیادی در مورد پیشرفت‌های فناوری در آیندة نزدیک می‌دهند.
 

• ساختن در مقیاس اتمی

فاینمن:
چیزی که می‌خواهم بگویم، مشکل تولید و کنترل اشیا در مقیاس کوچک است. به محض طرح این موضوع، مردم به من در مورد کوچک‌سازی و میزان پیشرفتِ آن تا امروز می‌گویند. آنها از موتورهای الکتریکی‌ای به کوچکی ناخن انگشت سخن می‌رانند. آنها می‌گویند وسیله‌ای وجود دارد که می‌تواند متن کتاب مقدس را در سر سوزن بنگارد. اما دنیای کوچک شگفت‌آورتری در پایین‌دست وجود دارد. در سال 2000، وقتی به روزگار ما نگاه کنند، با تعجب می‌پرسند چرا تا سال 1960 کسی به طور جدی به این سمت حرکت نکرده بود؟ چرا ما نمی‌توانیم 24 جلد «دایره‌المعارف بریتانیکا» را در سر یک سوزن بنویسیم؟ بگذارید ببینیم چه مسائلی دخیل هستند. پهنای سر سوزن یک میلی‌متر است. اگر آن را 25 هزار بار بزرگتر کنیم، سطح سر سوزن برابر با مساحت همة صفحات «بریتانیکا» می‌شود. بنابراین، تنها لازم است که اندازه‌های نوشته‌های دایره‌المعارف را 25 هزار بار کوچک کنیم. آیا چنین چیزی ممکن است؟ قدرت تشخیص چشم انسان دو دهمِ میلی‌متر است که برابر با یکی از نقطه‌های کوچک دایره‌المعارف یادشده است. اگر آن را 25 هزار بار کوچک کنید، هنوز هشتاد آنگسترم (هشت نانومتر) پهنا دارد، یعنی به پهنای 32 اتم در یک فلز معمولی. به زبان دیگر، یکی از آن نقاط هنوز هزار اتم در خود جای می‌دهد. بنابراین، هر نقطه می‌تواند در اندازه لازم برای چاپ تنظیم شود؛ دیگر شکی نیست که در سر سوزن فضای کافی برای قرار دادن «دایره‌المعارف بریتانیکا» موجود است.

نکته:
این کار در زمان حاضر امکان‌پذیر است. اگر سر سوزن از جنس سیلیکون و تخت باشد، با لیتوگرافی پرتوی الکترونی می‌توان نقوشی در این ابعاد و با این دقت ایجاد کرد.

فاینمن:
حال که «دایره‌المعارف بریتانیکا» روی سر سوزن جا شد، بیایید همة کتاب‌های عالم را در نظر بگیریم. کتابخانة کنگره حدود نُه میلیون جلد کتاب دارد، کتابخانة موزة بریتانیا پنج میلیون جلد و کتابخانة ملی فرانسه پنج میلیون جلد دیگر. مسلماً در میان اینها نسخه‌های تکراری هم وجود دارند. بنابراین، فرض کنیم 24 میلیون جلد کتابِ غیر تکراری در دنیا وجود دارند. کتابدار ما در کَلتِک (مرکز تحقیقاتی که فاینمن در آنجا تدریس و تحقیق می‌کرد) هر چه قدر تند و تیز باشد، بعد از ده سال فقط می‌تواند اطلاعات مربوط به 120 هزار جلد کتاب را توی کارت‌ها بنویسد. متن کتاب‌هایی که از کف تا سقفِ همة ساختمان کتابخانه چیده شده‌اند، و کارت‌هایی که همة کشوهای کتابخانه را انباشته‌اند، همه می‌توانند تنها در یک کارت نگه‌داری شوند. آیا چنین چیزی ممکن است؟

نکته:
اگر فرض کنیم هر کتاب یک میلیون حرف دارد، 24 میلیون جلد کتابی که فاینمن می‌گوید، در فضایی معادل با 24 ترابایت ذخیره می‌شود. در چند سال آینده، یک آرایه از لوح‌های RAID گنجایش همة این اطلاعات را خواهد داشت. گرچه هنوز به اندازة یک کارت کتاب نیست، اما خیلی به آن نزدیک است.
 

•  ارتباط بین فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی

فاینمن:
بنابراین باید بتوانیم اتم‌های منفرد را ببینیم. اگر اتم‌ها را از هم جدا ببینیم، چه فایده‌ای دارد؟ ما دوستانی در رشته‌های دیگر داریم، مثلاً در زیست‌شناسی. ما فیزیکدان‌ها معمولاً به آنها نگاه می‌کنیم و می‌گوییم: «می‌دانید چرا همکاران شما این‌قدر کُند پیشرفت می‌کنند؟ (در واقع، من رشته‌ای را نمی‌شناسم که در زمان ما رشدی به سرعت زیست‌شناسی داشته باشد) شما باید ریاضیات را بیشتر به کار ببرید، همان کاری که ما می‌کنیم.» آنها مؤدبانه پاسخ می‌دهند: «کاری که شما باید انجام دهید تا ما سریع‌تر پیشرفت کنیم، این است که میکروسکوپ الکترونی را صد مرتبه بهتر کنید».

نکته:
میکروسکوپ‌های پیمایشیِ امروزی قدرت تشخیص پستی و بلندی‌هایی از مرتبة دهم آنگستروم (صدم نانومتر) را دارند. یعنی فیزیکدان‌ها درخواستی را که زیست‌شناسان آن زمان از زبان فاینمن بیان کرده‌اند، انجام داده‌اند.

فاینمن:
اصلی‌ترین مسائل در زیست‌شناسی امروز چه هستند؟ سؤال‌هایی هستند مثل: ترتیب پایه‌های DNA چیست؟ وقتی یک جهش ژنتیکی رخ دهد، چه اتفاقی می‌افتد؟ ترتیب پایه‌ها در DNA چه ارتباطی با اسیدهای آمینه در پروتئین دارد؟ ساختار RNA چیست؟ یک‌زنجیره‌ای است یا دوزنجیره‌ای و چگونه در ترتیب پایه‌ها با DNA مرتبط می‌شود؟ ساختار میکروزوم چیست؟ پروتئین‌ها چطور سنتز می‌شوند؟ RNA کجا می‌رود؟ چگونه قرار می‌گیرد؟ پروتئین‌ها کجا قرار می‌گیرند؟ آمینواسیدها از کجا داخل می‌شوند؟ در فتوسنتز، کلروفیل کجاست؟ چگونه چیده شده است؟ کاروتنویدها کجا در این فرآیند دخیل می‌شوند؟ سیستم تبدیل نور به انرژی شیمیایی چیست؟
پاسخ دادن به این سؤالات بنیادی زیست‌شناسی بسیار ساده است. کافی است به ساختارها نگاه کنید. می‌توانید ترتیب پایه‌ها را در زنجیره یا ترکیب میکروزوم را ببینید. متأسفانه میکروسکوپ‌ها در حال حاضر، مقیاسی را می‌بینند که بسیار زمخت است. میکروسکوپ را صد مرتبه بهتر کنید. در این صورت، بسیاری از مسائل زیست‌شناسی ساده‌تر می‌شوند.

نکته:
امروزه با استفاده از انبرک‌های لیزری می‌توان یک مولکول DNA را زیر میکروسکوپ نیروی اتمی ثابت و تصویرش را ثبت کرد.

فاینمن:
اگر فیزیکدان‌ها بخواهند، می‌توانند دشواری کار شیمیدان‌ها در مسائل تجزیة شیمیایی را حل کنند. تجزیة هر ترکیب پیچیدة شیمیایی بسیار ساده است، فقط باید به آن نگاه کرد و دید اتم‌ها کجا هستند. یک سیستمِ زیستی می‌تواند بسیار کوچک باشد. سلول‌ها خیلی ریز، اما بسیار فعال‌اند. آنها ترکیبات مختلفی می‌سازند، حرکت می‌کنند، و همه جور اعمال شگفت‌انگیز انجام می‌دهند، همه در مقیاسی بسیار ریز. همچنین آنها اطلاعات ذخیره می‌کنند. امکانش را تصور کنید که ما هم بتوانیم چیزی بسیار کوچک بسازیم که آنچه ما می‌خواهیم انجام دهد یا به عبارت دیگر بتوانیم شیئی بسازیم که در آن ابعاد، مانور دهد!

نکته:
امروزه نانوزیست‌فناور‌ها تلاش می‌کنند تا با مهندسیِ سلول‌های جدید، فعالیت‌های این سلول‌ها را مطابق هدف مطلوبشان کنترل کنند.
 

•  نانوماشین‌ها

فاینمن:
امکانات یک ماشین کوچک با قابلیت تحرک چیست؟ آنها ممکن است به‌دردنخور باشند، اما مسلماً ساختن آنها مُفرّح است. من نمی‌دانم به طور عملی چطور در ابعاد ریز این کار را انجام دهم، اما می‌دانم که ماشین‌های محاسبة بسیار بزرگ هستند، آنها اتاق‌های متعدد را اشغال می‌کنند. چرا نمی‌توانیم آنها را خیلی کوچک بسازیم، آنها را از سیم‌های ریز بسازیم، از اجزای کوچک و منظور من از کوچک این است که به عنوان مثال سیم‌ها 10 یا 100 اتم پهنا داشته باشند و مدارها در گستره چند آنگستروم قرار گیرند.

نکته:
این شبیه همان مرحله‌ای است که فناوری سنتی سیلیکون امروزه در آن قرار دارد. روش‌های زیادی برای ساخت اجزای سنتی الکترونیک طراحی شده است. در عین حال، اصول جدیدی برای کار ماشین‌های محاسبه با افزایش کنترل انسان در ابعاد نانو پیشنهاد شده است. ترانزیستورهای مولکولی، ترانزیستورهای تک‌الکترونی و اسپینترونیک حوزه‌های جدیدی هستند که مورد مطالعة دانشمندان حوزة نانو قرار دارند.
عنوان اسپینترونیک از تشابه این حوزه با رقیب (یا همکار) سنتی خود یعنی الکترونیک ریشه گرفته است. در شیمی خوانده‌ایم که الکترون‌ها و برخی دیگر از ذرات بنیادی به غیر از بار الکتریکی و جرم، خاصیت دیگری به نام اسپین هم دارند که یکی از خواص ذاتی الکترون به حساب می‌آید و دو مقدار مثبت یا منفی یک‌دوم به آن نسبت داده می‌شود. جریان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی و میدان الکتریکی (که از روابط ماکسول پیروی می‌کنند) ابزار اصلی در تحلیل یک مدار الکترونیکی هستند و بیشتر با «بار الکترون» سر و کار دارند. محققان اسپینترونیک تلاش می‌کنند تا با استفاده از قواعد حاکم بر برهمکنش و تغییرات «اسپین الکترون» روش‌های جدیدی برای ساخت سیستم‌هایی معادل با مدارهای الکترونیکی به‌خصوص برای محاسبه و ذخیره اطلاعات بیابند.

فاینمن:
امکانات ماشین‌های کوچک اما متحرک چیست؟ دوست من، آلبرت هیبس، امکان جالبی برای یک ماشین کوچک پیشنهاد می‌کند. او می‌گوید که اگرچه ایدة بسیار خامی است، اما بسیار جالب است اگر بتوانی جراح را ببلعی. جراح مکانیکی را درون رگ قرار می‌دهی و او به داخل قلب می‌رود و اطراف را مشاهده می‌کند (مسلماً اطلاعات باید به خارج ارسال شوند). او پیدا می‌کند که کدام دریچه مشکل دارد و با یک چاقوی کوچک آن را جراحی می‌کند. بعضی ماشین‌های کوچکِ دیگر می‌توانند به طور دائم در بدن کار گذاشته شوند تا به اعضایی که نارسایی دارند، کمک کنند.

نکته:
ایده بدیع نانوماشین‌ها و کاربرد آنها در بدن انسان، نخستین‌بار در سخنرانی فاینمن مطرح شد. هر چند هنوز هم دانشمندان نسبت به عملی بودن این ایده در آیندة نزدیک مشکوک هستند، اما بسیاری از تحلیلگران آینده آن را امکان‌پذیر می‌پندارند. در یک نانوروبات، ابزارهایی برای حس کردن، پردازش اطلاعات، حرکت، ارسال اطلاعات به خارج و انجام عملیات خاص لازم است. دانشمندان موفق شده‌اند نمونه‌هایی از حسگرها، ردیاب‌ها و موتورهای بسیار کوچک شیمیایی را در ابعاد نانومتر ایجاد کنند، اما هر کدام از این عناصر نیاز به سیستم‌های پیچیدة جانبی برای تکمیل عملکرد خود دارند، مثلاً برای مشاهدة ردیاب‌ها نیاز به میکروسکوپ و برای تحلیل سیگنال حسگرها نیاز به سیستم‌های پردازندة ماکروسکوپیک وجود دارد. درست مانند یک کامپیوتر خانگی که هرچند پردازنده آن بسیار کوچک (در حدود چند میلی‌متر مربع) است، اما برای ایجاد کارایی نیاز به قطعات بزرگ جانبی دارد. امکان گنجاندن همه این ابزار در ابعادی کوچک‌تر از یک باکتری، به‌شدت مورد تردیدِ بسیاری از دانشمندان نانو است.

فاینمن:
اما من هراسی ندارم که سؤال آخرم را طرح کنم. آیا ــ در آینده بسیار دور ــ می‌توانیم اتم‌ها را آن‌جور که می‌خواهیم بچینیم؟ خود اتم‌های بسیار ریز! چه اتفاقی می‌افتد اگر بتوانیم اتم‌ها را یکی‌یکی طوری بچینیم که می‌خواهیم؟

نکته:
این کار در حال حاضر، با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطوح تخت، ممکن است، در عین حال قدرت طراحی اجزای جدید با استفاده از کنترل خودآرایی مولکولی روز به روز در حال پیشرفت است. هرچند ایجاد ساختارهای دلخواه سه‌بُعدی در این روش‌ها و روش‌های مشابه محدود به چیدن لایه‌به‌لایه آنها می‌شود. به‌تازگی اَبَربلورهایی با لایه‌نشانی توسط لیزر ساخته شده‌اند که در واقع موادی مصنوعی به حساب می‌آیند که قبلاً وجود نداشته‌اند. در یکی از جدیدترین این دستاوردها، یک گروه هلندی با چیدن یک در میان لایه‌های اتمی از یک نارسانا و یک فلز ضعیف، موفق به مشاهدة خاصیت ابررسانایی شده است. 

ریچارد فاینمن توانسته است به نحوی شگفت‌انگیز بیشتر حوزه‌های فعالیت دانشمندان امروزی علوم نانو را در سخنرانی خود معرفی کند. آن‌هم زمانی که هنوز فعالیت چشمگیری در این رشته شروع نشده بود. او این کار را به دور از توهم‌سازی و کاملاً حساب‌شده انجام داد. امروز به‌خوبی می‌دانیم اهدافی که او 45 سال پیش مطرح کرد، یا به دست آمده‌اند یا در آینده نزدیک به وقوع خواهند پیوست. اینها همه نشان از پختگی و شهود قوی این فیزیکدان برجسته و رهبر علمی دارد.
ریچارد فاینمن (11 می 1918 تا 15 فوریه 1988) یکی از تأثیرگذارترین فیزیکدانان آمریکایی در قرن بیستم بود که نظریه الکترودینامیک کوانتومی را پیش برد. او سخنرانی برجسته و نوازنده‌ای غیرحرفه‌ای بود. فاینمن به خاطر کارهایش روی نظریه الکترودینامیک کوانتومی، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1965 به همراه جولیان شوینگر و شین ایچیرو توموناگا از آنِ خود کرد. سخنرانی او را هنگام دریافت جایزه نوبل می توانید بخوانید. سه جلد کتاب فیزیک پایه با عنوان «سخنرانی‌های فاینمن درمورد فیزیک عمومی» بر اساس یک دوره آموزش درس فیزیک پایه در دورة کارشناسی توسط وی تهیه شده‌اند که شاید بتوان گفت به اندازه جایزه نوبل‌اش، مایه شهرت فاینمن بوده‌اند.

http://edu.nano.ir

کارگاه آموزشی کاربردهای فناوری نانو

توانمندی تدریس فناوری نانو