نانومتر يک واحد اندازه‌گيری است برابر با 9-10 متر و تمام اشياء و موجوداتی که اندازه آنها در حد 1 تا 100 نانومتر است، اشياء و موجودات نانو مقياس ناميده می‌شوند. اين روزها نام نانو را بسيار می‌شنويم: علوم و فناوری نانو، دانشمندان نانو، ستاد نانو، باشگاه نانو، سمينار نانو، کارگاه نانو، کتاب نانو و ... . به نظر شما چرا اين "نانو"ی بسيار کوچک اين‌قدر مهم شده و نامش بر سر زبان‌ها افتاده است؟
خواص مواد را می‌توان به دو بخش خواص فيزيکی و خواص شيميايي تقسیم‌بندی کرد. رنگ، شفافيت، خواص الکتريکی، خواص مغناطيسی، سختی، حلاليت، نقطه ذوب و ... ويژگی‌هايي هستند که آنها را با نام خواص فيزيکی می‌شناسيم و سرعت واکنش، واکنش‌پذيری و .... از جمله خواص شيميايي هستند. تجربه چند هزار ساله زندگی انسان به او نشان داده که در شرايط عادی، ويژگی‌های يک ماده خاص تا حد قابل قبولی ثابت است و به اين دليل است که ما می‌توانيم مواد را از روی خواصشان شناسايي کنيم.
موضوع جذابيت مقياس نانو نيز مربوط به خواص مواد است. يافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که خواص مواد در مقياس نانو بسيار متفاوت از مقياس ماکرو است. به عبارت ديگر اگر ذراتِ يک ماده خاص را در حد چند نانومتر (1 تا 100 نانومتر) کوچک کنيم، اين ذرات ويژگی‌های متفاوتی با ذرات بزرگ اوليه خواهند داشت. اين در حالی است که کوچک‌کردن ذزات يک تغيير فيزيکی است و ما انتظار نداريم که با اين تغيير فيزيکی، ويژگی‌های اصلی ماده تغيير کند. اين امر سبب گرديده مقياس نانو بيش از ساير مقياس‌ها مورد توجه قرار گيرد.1-تغيير رنگ
شکل (1) – مقايسه ذرات شيشه خرد شده و شیشه سالم
حتما بارها خرده‌های يک شيشه شکسته شده را ديده‌ايد. ذرات حاصل از شکستن يک شيشه هر چه قدر هم که کوچک باشند، باز به بی‌رنگی و شفافيت شيشه اوليه هستند. اما اين قاعده در مقیاس نانو صادق نيست. يعنی موادی وجود دارند که رنگ ذرات چند نانومتری آنها، با رنگ ذرات بزرگ‌ترشان متفاوت است. طلا و نقره شناخته شده‌ترين نمونه‌های اين مواد هستند. شکل (2) نمودار تغييرات رنگ ذرات طلا را بر حسب اندازه آنها نشان می‌دهد. اين پديده در دنيای ماکرومقياس ما يک اتفاق غير معمول است اما از آن غيرعادی‌تر اين است که نانو ذرات نقره با تغيير شکل هندسی هم تغيير رنگ می‌دهند. شکل (3) رنگ ذرات نقره و طلا را در شکل‌های هندسی مختلف نشان می‌دهد.
شکل (2) - رنگ ذرات طلا را بر حسب اندازهشکل (3) - رنگ نانوذرات نقره و طلا در هندسه‌های مختلف
2-تغيير شفافيتشفافيت، يک خاصيت فيزيکی است و نشان دهنده ميزان توانايي يک ماده در عبود دادن نور مرئی از خود اشت. يک پرتو نور در برخورد با سطح ماده می‌تواند از آن عبور کند، جذب آن گردد يا بازتاب شود. اگر ماده‌ای پرتوهای نور را جذب ‌کند و يا 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. اين مواد که به رنگ سفید دیده می‌شوند، گزینه‌های بسيار مناسبی برای کرم‌های ضد آفتاب هستند. البته افراد بسياری رنگ سفیدی را که اين کرم‌ها بر روی پوست ایجاد می‌کنند، دوست ندارند. خوشبختانه اين مشکل را می‌توان با کوچک کردن اندازه ذرات اين مواد حل کرد.نانوذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم، با وجود اينکه نور ماورای بنفش را کاملا جذب می‌کنند، اما برخلاف ذرات بزرگتر کاملا شفاف هستند. البته اين امر ناشی از عبور نور مرئی از اين ذرات نيست، 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 اين ‌رو اين ذرات توانايي بازتابش نور مرئی را ندارند.
شکل (4) – تغییر رنگ ذرات اکسید تيتانيوم بر حسب اندازه
3-تغيير خواص مغناطیسیکمی براده آهن را در يک ليوان آب حل کنيد و آن را خوب به هم بزنيد. قبل از اينکه براده‌ها ته‌نشين شوند، يک آهن‌ربا را به ليوان نزديک کنيد. چه اتفاقی می‌افتد؟ آيا مخلوط آب و براده نسبت به ميدان مغناطيسی آهن‌ربا عکس‌العملی نشان می‌دهد؟ اگر اين آزمايش را خیلی خوب انجام داده باشيد، بهترين نتيجه حاصل جذب ذرات براده توسط آهنربا است. اما اگر همين آزمايش را توسط ذرات نانومتری آهن (يا کبالت) تکرار کنيم، نتيجه متفاوت خواهد بود.سيال مغناطيسی (يا فروفلويد) مايعی است متشکل از نانوذرات فرومغناطيس (مانند آهن و کبالت) که در آب يا يک حلال آلی معلق شده‌اند. اين مايع در حضور يک آهنربا (يک ميدان مغناطيسی) خاصيت مغنايسی بسيار قوی از خود نشان می‌دهد، به نحوي که با حرکت آهن‌ربا در اطراف اين مايع می‌توان آنرا به شکل‌های سه‌بعدی زيبایی درآورد. البته اين سيال تا زمانی از خود چنين خاصيتی نشان می‌دهد که ذرات نانومتری آن (تحت نيروهای بين‌مولکولی) به يکديگر نچسبند.
شکل (5)- سيال مغناطیسی
4-تغيير واکنش‌پذيریخواص شيميایی يک ماده، خواصی هستند که به طور مستقل نمی‌توان آنها را اندازه‌گيری کرد. به اين معنا که مقدار يک کميت‌ شيميايي در طی واکنش و برهم‌کنش يک ماده با مواد ديگر مشخص می‌شود. واکنش‌پذيری يا تمايل يک ماده برای واکنش با ساير مواد، از جمله مهمترین خواص شيميایی است. بيشتر ما صحنه شعله‌ور شدن سديم، لیتیم يا پتاسيم را در تماس با آب ديده‌ايم (شکل 6). همه اينها عناصری هستند که به شدت واکنش‌پذيرند. تا آنجا که نمی‌توان آنها را مانند سایر عناصر در تماس با هوا نگه داشت. اما در مقابل با انداختن يک انگشتر طلا در يک ليوان آب اتفاقی نمی‌افتد و يا پنجره‌های آلومينيومی بدون هرگونه مشکلی در مجاورت هوا استفاده می‌شوند (البته اين به مدد لايه مقاوم اکسيدی است که بر روی سطح آلومينيوم تشکیل می‌شود). اما همين مواد در مقياس نانو رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند.
شکل (6)- واکنش‌پذيری بالای سديم و آب
واکنش‌پذيری مواد در مقياس نانو افزايش چشمگيری پيدا می‌کند. در اين مقياس ذرات طلا نه تنها واکنش‌پذيری بالایی دارند، بلکه برای افزايش سرعت واکنش مواد ديگر (به عنوان کاتاليزگر) نيز استفاده می‌شوند. نانوذرات آلومينيوم در هوا آتش می‌گيرند و می‌توان از آنها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد. افزايش واکنش‌پذيری مواد در اين مقياس، امکان ساخت کاتاليزگرهای بسيار قوی‌تری را برای ما فراهم کرده است. تا آنجا که پيش‌بينی می‌شود بتوانيم با استفاده از نانوکاتاليزگرها واکنش‌های بازگشت‌ناپذير بسياری را (مانند تشکيل گازهای سمی NO و CO) در دما و فشار محيط برگشت‌پذير کنیم.آنچه گفته شد تنها مثال‌های محدودی از تغيير ويژگی‌های يک ماده در مقياس نانو است. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتريکی، خواص مکانيکی و ده‌ها خاصيت فيزيکی و شيميايي شناخته شده ديگر نيز در اين مقياس تغيير می‌کنند. گويا ديگر نمی‌توانيم بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات يک ماده، آنرا از روی خواصش شناسایی کنيم. برخی برای حل اين مشکل پيشنهاد داده‌اند که يک بُعد ديگر به جدول تناولی مندليف اضافه کنيم. بدين معنی که برای مشخص کردن خواص يک عنصر، علاوه بر اينکه بايد نام آن عنصر و جايگاه آن را در جدول مندليف مشخص کنيم، لازم است که معلوم کنيم خواص عنصر را در چه ابعادی می‌خواهيم.
شکل(6)- جدول تناوبی سه بعدی
ما در دنيای ماکرومقياس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته‌بندی می‌کنيم و سپس متناسب با اين خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می‌کنیم. برای ساخت پنجره از شيشه استفاده می‌کنيم، زيرا شفاف است و نور را از خود عبور می‌دهد؛ برای ساخت زيور آلات ماندگار از طلا استفاده می‌کنيم، زيرا واکنش‌پذيری پايينی دارد و اکسيد نمی‌شود؛ برق را با رشته‌های مسی انتقال می‌دهيم چرا که پس از طلا و نقره بيشترين ضريب انتقال الکتريکی را در بين عناصر مختلف دارد و از آنجا که فولاد يکی از سخت‌ترين مواد دنيای ماست، ابزارهای بزرگی صنعتی‌مان را از آن می‌سازيم.