برای توضیح نانو و ابعاد آن و تفاوتهای ماده در ابعاد نانو با ابعاد بزرگتر،استفاده از نمونه های ماکرومقیاس می تواند تا حدودی کمک کننده باشد.به این طریق می توان برخی تفاوتهای ماده در ابعاد مختلف را ، مقایسه کرد.خواص شگفت انگیز ماده در مقیاس نانو،انگیزه ایجاد مواد در ابعاد کوچکتر مثلا پیکو را برای دست یابی به خواص مطلوب تر تقویت می کند. اما در این زمینه محدودیتهایی نیز وجود دارد؛برای تولید ماده در ابعاد پیکومتری ، نیازمند کنار هم قرار دادن ذرات زیراتمی و تولید آن ماده هستیم.از جمله مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد،این است که اولا ذرات زیراتمی در طبیعت بطور جداگانه یافت نمی شوند.ثانیا کنار هم قرار دادن آنها ، از نظر مالی و زمانی ، مقرون به صرفه نیست.گرچه هم اکنون تعدادی عنصر مصنوعی در صنعت تولید شده و مورد استفاده قرار گرفته اند، اما این عناصر نیمه عمرهای بسیار کوتاهی دارند.این عوامل و نیز کاربرد وسیع نانوفناوری در همه حیطه ها، کماکان برتری این فناوری بر سایر فناوریهای نوین را موجب می گردد.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

> یک آزمایش ساده

مواد و وسایل موردنیاز :

1. مقوا به اندازه‌ی ساخت دو مکعب به اضلاع 10×5×5 سانتی‌متر

 

2. مقداری نوار چسب

3. 200 حبه قند مکعبی شکل

4. مقداری شکر (از نظر جرم برابر با جرم 200 حبه قند)

5. مقداری آب

6. یک گرم‌‌کن الکتریکی (هیتر)

7. اسپری آب پاش یا قطره چکان

شکل 1. مکعب قندی 1 (سمت چپ) و مکعب قندی 2 (سمت راست)

پرسش‌های آزمایش:
1- چه تفاوتی بین ساختار دو مکعب (1) و (2) وجود دارد؟
2- فکر می‌کنید ساختار کدام مکعب (1) یا (2) به آن چه در فناوری نانو مطرح می‌شود، نزدیک‌تر است؟
3- آیا خواص مکعب (1) با مکعب (2) تفاوتی دارد یا خیر؟
برای یافتن پاسخ پرسش‌های بالا، ادامه مقاله را با دقت بیش‌تر بخوانید.


> میکرو یا نانو؟!
در مکعب (1) ، ما با توده‌ای از مواد سر و کار داریم . مخلوطی از حبه‌های قند و شکر که به صورت کاملا بی‌نظم و تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هنگام ساختن مکعب (1) با تک تک حبه‌های قند سر و کار نداشتیم . یعنی اصلاً به آن دسترسی نداشتیم. (حبه‌های قند و شکرها را با هم مخلوط کردیم و مخلوط حاصل را به صورت توده‌ای درون مکعب (1) ریختیم، بنابراین، به تک تک حبه‌های قند دسترسی نداشتیم.)
در مکعب (2) ، با قرار دادن تک تک حبه‌های قند در مجاورت یکدیگر، مکعب را ساختیم. یعنی به همه‌ی حبه‌های قند دسترسی داشتیم.
تفاوت در ساختار دو مکعب موجب شده است که بعضی از خواص مکعب (2) با مکعب (1) متفاوت باشد . مثلاً می‌توان شکنندگی آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کرد. مکعب (2) که دارای ساختار منظم‌تری است در مقابل ضربه و نیرو مقاوم‌تر و سخت‌تراست ، نسبت به مکعب (1) که ساختار نامنظمی دارد.
اگر حبه‌های قند را به اتم‌ها (یا مولکول‌ها) ی تشکیل دهنده‌ی یک ماده تشبیه کنیم، شکرهای بین آن‌ها نقش پیوندهای بین اتمی (بین مولکولی) را دارند. همان‌طور که حتما می‌دانید ، اندازه‌ی اتم‌ها تقریباً 10-10 متر یا به اصطلاح، یک آنگستروم است. اندازه‌ی مولکول‌ها هم بسته به این که از چند اتم تشکیل شده‌اند و ساختار آن‌ها چگونه است، متفاوت‌ است . فاصله‌ی بین اتم‌ها یا مولکول‌ها در پیوندهای بین اتمی یا بین مولکولی نیز با توجه به حالت ماده متفاوت است. در جامدات و مایعات فاصله‌ی بین اتمی یا بین مولکولی ، تقریباً ^10-10 متر است . دقت کنید که این اعداد چه قدر به ابعاد نانو، یعنی ^9-10 متر نزدیک است.(شکل 2)

شکل 2. اتم وذرات زیراتمی

> پیکو یا نانو؟!
حال که با استفاده از فناوری نانو دسترسی به خواص جدید ممکن می‌شود، آیا حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر نیز مفید است؟ برای پاسخ به این پرسش دقت کنید که اندازه‌ی اتم‌ها در حدود ^10-10 متر است. اگر بخواهیم به سمت فناوری‌های کوچک‌تر از نانو حرکت کنیم، یعنی باید وارد محدوده ‌ی اتم شویم. محدوده‌ی اتم، یعنی محدوده‌ی الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و سایر ذرات زیر اتمی . یعنی مثلاً ما با استفاده از این ذرات زیر اتمی ، ابتدا یک اتم بسازیم و سپس با کنار یکدیگر قرار دادن اتم‌ها، موادی را با خواص جدید بنا کنیم.
لازم است توجه کنیم نخست آن‌که، ما در طبیعت، ذرات زیر اتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون را به صورت جداگانه نمی‌یابیم. یعنی این ذرات، درون اتم‌ها قرار دارند و برای دسترسی به آن‌ها باید به محدوده‌ی درون اتم‌ها وارد شویم . ثانیا ورود به محدوده‌ی درون اتم‌ها معمولاً بسیار گران و پرهزینه است. اگر چه این کار امروزه در بعضی از آزمایش‌گاه‌های پیشرفته‌ی فیزیک انجام می‌شود، اما به نظر نمی‌رسد که در زندگی روزمره کاربرد چندانی داشته باشد. ثالثا ما می‌خواهیم با کنار یکدیگر قرار دادن ذرات زیر اتمی نظیر الکترون، پروتون و نوترون، اتم‌ها را بسازیم. در حالی که طبیعت، بسیاری از اتم‌ها را در اختیار ما قرار داده است.
ورود به محدوده‌ی کوچک‌تر از نانو (مثلا محدوده ی پیکو یا همان ^12-10 متر)، مانند آن است که بخواهیم ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس قطعات حاصل را به یکدیگر متصل کنیم و با حبه‌های قند حاصل، مکعب نهایی را بسازیم. طبیعی است کار کردن با همان حبه‌های قند اولیه را نسبت به این که ابتدا حبه‌های قند را کوچک‌تر کنیم و سپس دوباره به یکدیگر متصل کنیم، ترجیح می‌دهیم.
البته توجه به این نکته نیز خالی از لطف نیست که امروزه با استفاده از روش‌های دقیق و فناوری‌های بسیار گران و پیشرفته، ده‌ها عنصر مصنوعی ساخته شده است که بعضی از آن‌ها در صنایع گوناگون و مخصوصا توسعه‌ی دانش و فناوری کاربرد دارد. لازم به ذکر است که عناصر مصنوعی به دلیل تراکم بسیار ذرات زیراتمی، بسیار ناپایدار هستند. یعنی عمر آن‌ها در حدود کسری از ثانیه است!
آن چه فناوری نانو را از چنین فناوری‌هایی متمایز می‌کند، گستردگی بسیار زیاد فناوری نانو در همه‌ی صنایع از مهندسی الکترونیک، مکانیک، کامپیوتر و هوافضا گرفته تا کشاورزی و دام ‌پروری و حتی علوم پزشکی، داروسازی و زیست‌فناوری است.

بیشتر اندازه های اطراف ما در مقیاس ماکرو هستند؛ یعنی اندازه هایی دارند که برای ما قابل درک اند.اما تعداد اجزای پیرامون ما که اندازه هایشان به قدری بزرگ و یا به اندازه ای کوچک است که حتی از حیطه درک ما خارج هستند نیز کم نیست. دانشمندان برای قابل فهم کردن این این اندازه ها ازروش نمادگذازی علمی استفاده کرده اند. با این وجود برای درک اندازه های خیلی بزرگ یا خیلی کوچک نیازمند ضرب و تقسیم این مقیاسها برای تبدیل آنها به مقیاسهای قابل درک می باشیم. در گذشته های دور،انسانها با اندازه گیری آشنا نبودند؛ اما پس از مدتی نیاز به اندازه گیری را درک کردند. یکی از اولین کمیتهایی که توسط انسانها اندازه گیری شد، طول و درازا بود. مقیاس و وسایل اندازه گیری در آن زمان،محدود به طول دست، ساعد و ... بود. انسانها رفته رفته نیاز به وسایل و یکاهای استاندارد اندازه گیری را احساس کردند. از این رو با پیشرفت دانش انسانها، واحدهای استاندارد و وسایل اندازه گیری نظیر متر ساخته شدند. 

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

مقدمه 
هیچ کس نمی داند که پیشینیان ما چه زمانی فهمیدند که نیازمند اندازه گیری بعضی چیزها هستند؛ اما گویا یکی از اولین کمیتهایی که توانستند آنرا اندازه بگیرند، فاصله یا طول بود. انسانها در ابتدا با استفاده از اعضای بدن خود این کمیت را اندازه گیری می کردند. طول ساعد، طول پا و طول دستهای بازشده ازهم، اولین مبنا(واحد)های اندازه گیری بودند. اندک اندک با پیشرفت زندگی انسان و افزایش شناخت او از طبیعت و محیط اطرافش، واحدهای اندازه گیری نیز دقیقتر شدند. امروز دستگاه های اندازه گیری معینی تعریف شده اند و همگی ما از واحدهای مشخصی(استاندارد) استفاده می کنیم.

یک نانومتر چقدر کوچک است؟
متر، یکی از شناخته شده ترین واحدهای اندازه گیری طول است. این اندازه به حدی شناخته شده است که به راحتی می توانیم با طول یک گام بلند آنرا نشان دهیم. بیشتر آنچه که ما به طور روزمره با آن مواجه هستیم، اندازه ای بین صد متر تا یک صدم متر (سانتیمتر) دارند. در حقیقت زندگی معمول ما در اندازه های بزرگ (ماکرومتری) میگذرد. اما این محدوده، بخش بسیار بسیار کوچکی از اندازه های موجود در طبیعت پیرامون زندگی انسان است. او بر روی کره زمین زندگی می کند که قطری معادل 12760000 متر (12/76 میلیون متر) دارد و موجودات کوچکی (باکتری) به اندازه 0/000001  متر (یک میلیونیم متر) که می توانند به آسانی سلامت و حتی حیات و بقای او را تحت تاثیر قرار دهند. به نظر می رسد که ما در خواندن و نوشتن این اندازه ها هم مشکل داریم، چه برسد به اینکه بتوانیم آنها را به خوبی تصور کنیم!
ریاضیدانان سعی نموده اند که این مشکل را حل کنند. آنها با استفاده از نمادگذاری و ارائه یک روش مقایسه ای، تصور اندازه های بسیار کوچک و بسیار بزرگ را آسانتر نموده اند. ما میتوانیم روش پیشنهادی آنها را با یک آزمایش ساده ارزیابی کنیم. نمیدانم کی و کجا این مقاله را میخوانید، اما اگر پشت یک میز و روبروی نمایشگر یک رایانه نشسته اید، احتمالا میزی که رایانه شما بر روی آن قرار دارد طولی حدود یک متر دارد. اگر طول این میز را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک سی-دی (لوح فشرده) می شود. اگر قطر لوح فشرده را 10 بار کوچک کنید، برابر قطر یک تیله می شود و اگر تیله را 10 بار کوچک کنید، به اندازه یک دانه نمک درمی آید (شکل 1). حالا اگر دانه نمک را سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگ کنید، می توانید از آن به عنوان میز استفاده نمایید. 
ریاضیدانان برای نمایش این نسبت میان میز و دانه نمک از نماد ^3-10 (سه مرتبه و هر مرتبه 10 بار کوچک سازی) استفاده کرده اند. البته آنها از این روش برای توصیف اندازه های بزرگ نیز بهره برده اند. به طور مثال می توان منظومه شمسی با اندازه 10¹³ متر (13 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) و کهکشان راه شیری با اندازه 10²¹ متر (21 مرتبه و هر مرتبه 10 بار بزرگنمایی) را نیز با این روش توصیف کرد. 

شکل (1)

حالا که می توانیم اندازه های کوچک و بزرگ بسیاری را تصور کنیم، بد نیست که بدانیم دانشمندان برای بعضی اندازه ها نام مشخصی تعیین کرده اند. به طور مثال،اندازه هایی را که 1000 برابر بزرگتر از متر می باشند، کیلومتر نامیده اند و اندازه هایی را که هزار برابر کوچکتر از متر هستند، میلیمتر می خوانند. جدول زیر برخی از این نامها را مشخص کرده است. 

جدول1.مقیاس های اندازه گیری به همراه نماد علمی

در میان اندازه های کوچک، نانومتر از اهمیت ویژه ای برخوردار است که بعدها بیشتر در مورد علت آن صحبت خواهیم کرد. اما پیش از آن لازم است که درک صحیحی از این اندازه داشته باشیم. برای این منظور می توانیم آزمایش بالا را ادامه دهیم؛ تا آنجا پیش آمدیم که دانه های نمک را به اندازه یک میز بزرگ کردیم. با این بزرگنمایی (1000 برابر)، قطر تارموی شما معادل یک طناب بسیار کلفت خواهد شد، می توانید از گلبولهای قرمز برای تیله بازی استفاده کنید و باکتریها نیز همچون دانه های نمک قابل رویت می شوند (شکل 2).

شکل (2)

اما هنوز هم نتوانسته ایم یک نانومتر را ببینیم. این بار باکتریهای کوچک نمکین را دوباره 1000برابر بزرگتر می کنیم. باکتریها دیگر آنقدر بزرگ شده اند که می توانید به عنوان یک مبل راحت به آنها تکیه دهید. در این دنیای جدید می توانید با ویروسها تنیس بازی کنید، پروتئینها را به دور انگشتتان بپیچید و اتمها و مولکولهای کوچک را لمس کنید. اکنون می توانید اجسام نانومتری را به اندازه دانه های نمک ببینید(شکل 3). به مقیاس نانو،خوش آمدید.

شکل (3)

یک نانومتر چه مقدار کوچک است؟ یکی از راه های پی بردن به مقیاس نانو این است که از مقیاس بزرگتر به سمت مقیاس کوچک تر یعنی نانو حرکت کنیم. اگر از اندازه ی 5/1 متر،شروع کنیم به کوچک شدن و هزار بارکوچک شویم، به حدود 1 میلی متر(اندازه تار مو) میرسیم و اگر 100 بار دیگر کوچک شویم،این بار به حدود 10 میکرومتر (اندازه گلبول قرمز) میرسیم؛ اگر 10 بار دیگر کوچک شویم، به حدود 1 میکرومتر(اندازه ی هسته سلول) میرسیم؛ اگر10 مرتبه دیگر کوچک شویم به اندازه ی 100 نانو متر میرسیم (اندازه رشته های کروموزوم) و اگر این بار 10 برابر کوچک شویم به 10 نانو متر (اندازه ی رشته های دی ان ای) میرسیم؛ بار دیگر 10 مرتبه کوچک میشویم ؛ اکنون ما به اندازه ی اتمهای 1 نانومتری کربن رسیده ایم!

حسن کچل قصه ما ،دانش آموزی باهوش و بسیار پر مطالعه بود. یک روز در حین مطالعاتش به واژه نانو فناوری برخورد کرد؛ حسن کچل تلاش زیادی کرد تا بفهمد نانو فناوری یعنی چه؟ ولی چیز زیادی دستگیرش نشد تا این که توی اینترنت، سایت باشگاه نانو را پیدا کرد. نانو فناوری یعنی کار با مواد، در ابعاد مولکولی یعنی حدود نانو متر؛ اینجا بود که یک سوال دیگه براش پیش اومد؛ یک نانو متر یعنی چه؟ در همین حین بود که حسن کچل شروع کرد به کوچک شدن! آهان یادم رفت که بگم قد حسن کچل 5/1 متر بود؛ او حدود 1000 بار کوچک شد و به حدود 1 میلی متر و به اندازه تار موی دوستش رسید! یه بار دیگه کوچک شد؛ این بار حسن کچل ،100 بار دیگه کوچک شد و شد حدود 10 میکرومتر و افتاد روی گلبول قرمز! حسن کچل 10 برابرکوچک شد؛یعنی حدود 1میکرومتر و شروع کرد با هسته سلول فوتبال بازی کردن! بعد از کلی ورزش، تصمیم گرفت که باز هم کوچک بشه؛ پس 10 بار دیگه کوچک شد و به حدود 100 نانو متررسید. حسن کچل میان رشته های کروموزوم گیر افتاد شروع کرد به کمک خواستن ولی کسی نتونست کمکش کنه ،برای همین مجبور شد که 10 بار دیگه کوچک بشه به اندازه حدود 10 نانو متربرسه. حسن کچل متوجه شد روی یک نردبان قرار داره، ولی در حقیقت اون نردبان نبود... رشته های دی ان ای بود!حسن کچل بازم کوچک شد،10 بار دیگه؛ اونجا بود که به اتم های کربن رسید. بالاخره حسن کچل فهمید 1 نانو متر چقدر کوچکه!