فن آوری نانو و نقش ریاضیات در آن

فن آوری نا نو چیست؟

اولین جرقه فناوری نانو(البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان " فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد "  ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دست کاری کنیم. علم و فناوری نانو(نانوعلم و تکنولوژی ) توانایی به دست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (مولکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد ، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود در برگیرنده معانی زیادی است، به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه فناوری های امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست خواهد گرفت. بنابراین نظر، اگر ما تصوراتمان را گسترش دهیم می توانیم تکنولوژی هایی را متصور شویم که متفاوت از تکنولوژی های فعلی خواهند بود به عنوان مثال پردازش و ذخیره اطلاعات می تواند بر پایه بیت های اطلاعاتی انجام گیرد که به عنوان ذرات واحدی(الکترون ها یا فرتون ها) تعریف شده اند. بنابراین تغییرات عظیمی در چگالی و مصرف برق ایجاد می گردد. مراقبت های بهداشتی و بیوتکنولوژیکی می توانند طوری ساخته شوند که دارو را در بدن ما به محل دقیق مورد نیاز آن می فرستند و یا تومورهای سرطانی را در آغاز تکوین ردیابی می نمایند. انسان می تواند موتورها و یخچال هایی برپایه مواد ترموالکتریک نانو را متصور شود که نه تنها قابلیت عملکرد بالاتری از دستگاه های امروزی خواهند داشت بلکه از نظر زیست محیطی نیز بی خطرتر هستند .  نانو همچنین خواص مکانیکی فلزات و سرامیک ها را تنظیم می کند که این امر می تواند تاثیر عظیمی بر صنایع حمل و نقل و صنایع فضایی داشته باشد. اگر تمامی این اهداف برآورده شوند، یک پایه تکنولوژیکی جدید پدید خواهد آمد که اثرات اجتماعی و اقتصادی اساسی خواهد داشت. قابل توجه است که در حال حاضر این تکنولوزی در اغلب زمینه ها موجود نمی باشد. کلید تکنولوژی تنها در دانش آن نیست، بلکه در ترکیب دانش و مهندسی می باشد. بنابراین نانو مهندسی یکی از مهم ترین ارکان موفقیت نانوتکنولوژی می باشد. از طرفی شاید بتوان گفت تسخیرکنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانو فناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند. اگر ابزار توسعه فناوری نانو در یک کشور را به دو بخش سخت افزار و انسان افزار تقسیم کنیم، کشور ما در این زمینه در حدی قابل قبول و در حال رشد است. در زمینه سخت افزار ، بیش از 80 آزمایشگاه از نقاط مختلف ایران اطلاعات و تجهیزات خود را در سال 1383، به شبکه زیرساخت آزمایشگاهی فناوری نانو ارسال کرده و متقاضی عضویت در شبکه شده اند. همچنین از لحاظ نیروی انسانی با توجه به کسب مقام 42 جهانی و دوم کشورهای اسلامی در زمینه چاپ مقالات مرتبط با فناوری نانو در مجلات معتبرISI در سال 2004 می توان ادعا کرد که ظرفیت خوبی در کشور وجود دارد.  از سوی دیگر دولت جمهوری اسلامی ایران در راستای تحقق چشم انداز 20 ساله جمهوری اسلامی ایران، جنبش نرم افزاری و بهبود سطح کیفیت و امنیت زندگی مردم، دستیابی به جایگاه مناسب در بین 15 کشور برتر فناوری نانو ماموریت خود را در یک افق 10 ساله ترسیم کرده است. از طرفی بسیار از صاحب نظران و محققان، نانو تکنولوژی را مساوی آینده دانسته اند. به عنوان نمونه کمیته مشاوران رئیس جمهور آمریکا در علوم و فناوری، در تایید برنامه ملی نانو تکنولوژی برای سال 2001، از نانو تکنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می کند. به دلیل تاثیرات این فناوری بر اکثر فناوری های موجود، عقیده صاحب نظران این است که متخصصان رشته های مختلف بدون گرایش به مباحث مقیاس نانو در دهه های آینده فرصتی برای رشد نخواهند داشت و شکوفایی بسیار از فناوری های مهم از جمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره گیری از نانوتکنولوژی دچار اختلال خواهند شد. از این جهت این مسئله برای دانشگاهیان ، محققان و مسئولان هر کشور امری حیاتی است. در بیانی کوتاه علوم و فناوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه های آتی خواهد بود، از جمله موارد مهم در آینده ، همکاریهای تحقیقاتی میان رشته ای ، آموزش خاص و انتقال ایده ها و افراد به صنعت خواهد بود.  همچنین نانو تکنولوژی یک فرایند تولید مولکولی است. همان طور که طبیعت، مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاژ کرده است. ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده، قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم.

 نقش رياضيات در فناوري نانو
------------------

دانش رياضيات به عنوان خط مقدم جبهه علم مطرح است. ويژگي بديهي رياضيات در علوم نانو «محاسبات علمي» است.
مدل‌هاي رياضي، ستون‌هاي راهگشا به سوي بنياد علم و تئوري‌هاي پيش بين هستند. مدل‌ها، رابط‌هايي بنيادين در پروسه‌هاي علمي هستند.

يک مدل رياضي بر پايه فرمولاسيون معادلات و نامعادلات اصول بنيادين استوار است و مدل درگير با درک کامل پيچيدگيهاي مسأله نظير، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژي است. در هر سيستم فيزيکي واقعي تقريب اجازه داده مي‌شود، تا مدل را در يک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون مي‌توان مدل را يا به صورت «تحليلي» و يا بصورت «عددي» حل کرد. در اين حالت مدلسازي رياضي يک پروسه پيچيده است،زيرا مي‌بايستي دقت و کارآيي را همزمان نشان دهد.

الگوريتم‌هاي اصلي در حوزه‌هاي رياضيات کاربردي و محاسباتي، علوم کامپيوتر، فيزيک آماري، نقش مرکزي و ميان‌برساز را در حوزه نانو بر عهده خواهند داشت.

در اينجا برخي از اثرات رياضيات را در فناوري نانو مي‌بينيم :

• روشهاي انتگرال گيري سريع و چند قطبي سريع: اساسي و الزامي به منظور طراحي کدهاي مدار (White,  Aluru , Senturia) و انتگرال گيري به روش E w ala در کد نويسي در حوزه‌هاي شيمي کوانتوم و شيمي مولکولي (Darden 1999)
• روشهاي« تجزيه حوزه»، مورد استفاده در شبيه‌سازي گسترش فيلم تا رسيدن به وضوح نانوئي لايه‌هاي پيشرو مولکولي با مکانيک سيالات پيوسته در مقياسهاي ماکروسکوپيک (Hadjiconstantinou)
• تسريع روشهاي شبيه سازي ديناميک مولکولي (Voter 1997)
• روشهاي بهبود مش‌بندي تطبيق پذير: کليد روشهاي شبيه پيوسته که ترکيب کنندة مقياسهاي ماکروئي، مزوئي، اتمي ومدلهاي مکانيک کوانتوم از طريق يک ابزار محاسباتي است (Tadmor, Philips, Ortiz)
• روشهاي پيگردي فصل مشترک: نظير روش نشاندن مرحله‌اي Sethian, Osher که در کدهاي قلم زني و رسوب‌گيري جهت طراحي شبه رساناها مؤثرند (Adalsteinsson, Sethian) و نيز در کدگذاري به منظور رشد هم بافت ها (Caflisch)
• روشهاي حداقل کردن انرژي هم بسته با روشهاي بهينه سازي غير خطي (الماني کليدي براي کد کردن پروتيئن‌ها) (Pierce& Giles)
• روشهاي کنترل (مؤثر در مدلسازي رشد لايه نازک‌ها (Caflisch))
• روشهاي چند شبکه‌بندي که امروزه در محاسبات ساختار الکتروني و سيالات ماکرومولکولي چند مقياسي بکار گرفته شده است.
• روشهاي ساختار الکتروني پيشرفته ، به منظور هدايت پژوهشها به سمت ابر مولکولها (Lee & Head – Gordon)