یکی
از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم
واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با
توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این
مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی،
فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،گروه بندی
آن بسیار پیچیده است.
یکی
از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم
واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با
توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این
مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی،
فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،گروه بندی
آن بسیار پیچیده است. دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد
(گروه اول)، مقیاسها (گروه دوم)، تکنولوژی الکترونیک، اپتوالکترونیک،
اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بیولوژی و پزشکی (گروه چهارم) طبقه بندی
کرده اند. این طبقه بندی باعث سهولت در بررسی این علوم شده است البته
تداخل برخی از بخش ها در یکدیگر طبیعی است. برنامه های توسعه این تکنولوژی
به سه بخش کوتاه مدت (کمتر از پنج سال)، میان مدت( بین۱۵-۵ سال) و بلند
مدت (بیش از۲۰ سال) تقسیم بندی شده است. مواد نانو (nanomaterials) قابلیت
کنترل ساختار تشکیل دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل
قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد کوچک و کوچکتر، در اندازه
های میکرو و نانو بوده است. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و
کنترل شده ای تولید کنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و
عملکردهای بسیار عالی به دست آوریم. تاکنون تعاریف متعددی از مواد نانو
ارائه شده است اما در یک تعریف جامع می توان گفت موادی در این گروه قرار
می گیرند که یکی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر کوچکتر باشد. یکی از
این گروهها »لایه ها« است. لایه ها یک بعدی هستند که در دو بُعد دیگر
توسعه می یابند مانند فیلم های نازک و پوششها. برخی از قطعات کامپیوتر جزو
این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است که دارای دو بعد هستند و در یک
بعد دیگر گسترش می یابند و شامل لوله ها و سیمها می شوند. گروه مواد سه
بعدی در نانو شامل ذرات، نقطه های کوانتمی (ذرات کوچک مواد نیمه هادیها) و
نظایر آنها می شوند. دو ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروهها متمایز می
سازد که عبارتند از افزایش سطح مواد و تاثیرات کوانتمی. این عوامل می
توانند باعث ایجاد تغییرات و یا به وجود آمدن خواص ویژه ای مانند تاثیر در
واکنشها، مقاومت مکانیکی و مشخصه های ویژه الکتریکی در مواد نانو شوند.
همانگونه که اندازه این مواد کاهش می یابد، تعداد بیشتری از اتمها در سطح
قرار خواهند گرفت. برای مثال، اتم های موادی به اندازه۳۰ نانومتر به
میزان۵ درصد،۱۰ نانومتر به میزان۲۰ درصد و۳ نانومتر به میزان۵۰ درصد در
سطح قرار دارند. در نتیجه مواد نانو با ذرات کوچکتر در مقایسه با مواد
نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به
ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش
واکنش با آنها می شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مکانیکی و
الکترونیکی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات کریستالها در
بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مکانیکی بر آن می شود. اگر این فلزات در
مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین کریستالها، مقاومت
مکانیکی آن به شدت افزایش می یابد. برای مثال فلز نیکل در مقیاس نانو
مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثیرات ازدیاد سطح،
اثرات کوانتمی با کاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص
این مواد می شود (تغییر در خواص بصری، الکتریکی و جاذبه). موادی که تحت
تاثیر این تغییرات قرار می گیرند ذرات کوانتمی، لیزرهای کوانتمی برای
الکترونیک بصری هستند. همانگونه که بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه
گروه یک، دو و سه بُعدی طبقه بندی شده اند. مواد نانوی یک بعدی: این مواد
شامل فیلم های بسیار نازک و سطوح مهندسی است و در ساخت ابزار الکتریکی و
شیمیایی و مدارهای الکترونیکی ساده و مرکب کاربرد وسیعی دارند. امروزه
کنترل ضخامت لایه ها تا اندازه یک اتم صورت می پذیرد و ساختار این لایه ها
حتی در مواد پیچیده ای مانند روانکارها شناخته شده است. لایه های مونو که
قطر آنها به اندازه یک ملکول و یا یک اتم است، در علوم شیمی کاربرد وسیعی
دارند. یکی از کاربردهای این لایه ها ساخت سطوحی است که خود را بازسازی
کنند. مواد نانوی دوبعدی: به تازگی کاربرد مواد نانوی دو بعدی در تولید
سیم و لوله ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به دلیل وجود خواص ویژه
مکانیکی و الکترونیکی به خود جلب کرده است. در زیر به چند نمونه ساخته شده
در این گروه اشاره می شود. نانو لوله های کربنی، CNTs : از رول کردن
ورقهای گرافیتی یک یا چند لایه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان
چند میکرومتر است.ساختار مکانیکی این مواد مانند الماس بسیار سخت است اما
در محورهای خود نرم و تاشو هستند.همچنین این مواد هادی الکتریکی بسیار
عالی هستند. نوع غیر عالی نانو لوله های کربنی مانند مولیبید یوم دی
سولفاید پس از CNTs ساخته شده است. این مواد دارای ویژگی های منحصر به
فردی همچون روانکاری، مقاومت در برابر ضربات امواج شوکها، واکنشهای
کاتالیزی و ظرفیت بالا در ذخیره هیدروژن و لیتیم هستند. لوله های مواد
پایه اکسیدی مانند اکسید تیتانیم، برای کاربردهای کاتالیزی، کاتالیزرهای
نوری و ذخیره انرژی به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند. نانو سیمها: این
سیمها از قرار گرفتن ذرات بسیار ریز از مواد مختلف به صورت خطی ساخته می
شوند. نانوسیمهای نیمه هادی از سیلیکون، نیترات گالیم و فسفات ایندیوم
ساخته شده و دارای قابلیتهای بسیار خوب نوری، الکتریکی و مغناطیسی است و
نوع سیلیکونی این سیمها می تواند بخوبی در یک شعاع بسیار کوچک بدون آسیب
رسانی به ساختار سیم خم شود. این سیمها برای ثبت مغناطیسی اطلاعات در
حافظه کامپیوترها، وسایل نانوالکترونیکی و نوری و اتصال مکانیکی ذرات
کوانتمی به کار می روند. بیوپلیمرها: انواع گوناگون بیوپلیمرها، مانند
ملکولهای DNA ، در خودسازی نانوسیمها در تولید مواد بسیار پیچیده به کار
می روند. همچنین این مواد دارای قابلیت اتصال نانو و بیوتکنولوژی برای
ساخت سنسور و موتورهای کوچک هستند. مواد نانوی سه بعدی: این مواد به آن
گروه تعلق دارد که قطری کمتر از۱۰۰ نانومتر داشته باشند. مواد نانوی سه
بعدی در اندازه های بزرگتر ساختار متفاوتی داشته و طیف وسیعی از مواد را
در جهان تشکیل می دهند و صدها سال است که به صورت طبیعی در زمین یافت می
شوند. مواد تولید شده از عوامل فتوشیمیایی، فعالیت های آتش فشانها، مواد
محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشین ها و مواد آلاینده
تولید شده در صنایع جزو این گروه از مواد هستند. این مواد به علت رفتار
متفاوت در واکنش های شیمیایی و بصری بسیار مورد توجه قرار دارند. برای
مثال اکسید تیتانیوم و روی که بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعکس کننده
نور ماورای بنفش در صفحات خورشیدی به کار می روند در ابعاد نانو هستند.
این مواد کاربردهای بسیار ویژه ای در ساخت رنگها و داروها (به ویژه
داروهایی که تجویز آنها فقط برای یک عضو مشخص بدن و بدون تاثیر بر سایر
اعضاست) دارند. مواد نانوی سه بُعدی شامل مواد بسیاری می شود که به چند
نمونه از آنها اشاره می کنیم. کربن۶۰ (فوله رنس Fullerenes) : در اوایل
سال۱۹۸۰ گروه جدیدی از ترکیبات کربنی بنام کربن۶۰، ساخته شد. کربن۶۰ ،
کروی شکل، به قطر۱ نانومتر و شامل۶۰ اتم کربن است که به علت شباهت ساختار
مولکولی آن با گنبدهای کروی ساخته شده توسط مهندس معماری بنام بوخ مینستر
فولر بنام »فوله رنس« نامگذاری شد. در سال۱۹۹۰ ، روش های ساخت کوانتم های
کربن۶۰ با مقاومت حرارتی میله های گرافیتی در محیط هلیم بدست آمد. این
ماده در ساخت بلبرینگ های مینیاتوری و مدارهای الکترونیکی کاربرد وسیعی
دارند. دِن دریمرز (Dendrimers) : دن دریمرز از یک ملکول پلیمر کروی تشکیل
شده و با یک روش سلسله مراتبی خود سازی تولید می شوند. انواع گوناگونی از
این مواد به اندازه های چند نانومتر وجود دارند. دن دریمرز در ساخت
پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن کاربرد فراوانی دارند. همچنین در تصفیه
خانه ها به منظور بدام انداختن یونهای فلزات که می توان به وسیله فیلترهای
مخصوص از آب جدا شوند از این مواد استفاده می شود. ذرات کوانتمی: مطالعات
در مورد ذرات کوانتمی در سال۱۹۷۰ شروع شد و در سال۱۹۸۰ این گروه از مواد
نانوی نیمه هادی ساخته شدند. اگر ذرات این نیمه هادی ها به اندازه کافی
کوچک شوند، تاثیرات کوانتمی ظاهر شده و می توانند میزان انرژی الکترونها و
حفره ها را کاهش دهند. از آنجایی که انرژی با طول موج ارتباط مستقیم دارد
در نتیجه خواص نوری مواد بصورت بسیار حساس قابل تنظیم خواهد شد و می توان
با کنترل ذرات، جذب یا دفع طول موج خاص در یک ماده را امکان پذیر ساخت. به
تازگی با ردگیری مولکولهای بیولوژی با کنترل سطح انرژی این ماده،
کاربردهای جدیدی از آن کشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو
به افزایش است و به علت خواص بسیار ویژه آنها، تحقیقات در یافتن مواد جدید
همچون گذشته ادامه دارد.